李家峽水電站400MW混流式水輪機(jī)分瓣轉(zhuǎn)輪組合與焊接

1概述由于水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的增大,水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪尺寸和重量也相應(yīng)增大。為了解決運輸和起重設(shè)備限制,提高混流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪的制造和安裝精度,國內(nèi)設(shè)計制造的混流式轉(zhuǎn)輪多采用分2瓣制造現(xiàn)場組焊的結(jié)構(gòu)方式。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的安裝對整臺機(jī)組的安裝有著重大影響。因此,分瓣轉(zhuǎn)輪的現(xiàn)場組裝焊接是必須認(rèn)真解決的施工關(guān)鍵技術(shù)。

似．瓣撒．繃q咎 李家峽水電站4oomw機(jī)組分瓣轉(zhuǎn)輪現(xiàn)場組焊 李家峽水電站400mw機(jī)組 9分瓣轉(zhuǎn)輪現(xiàn)場組焊下7．； ，a1tf，v?v~47l6 水電四局機(jī)電安裝分局(蘭州730060)許春江王遠(yuǎn)江牟官華 ，———————一 1概述 由于水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的增大，水 輪機(jī)轉(zhuǎn)輪尺寸和重量也相應(yīng)增大。為了解決 運輸和起重設(shè)備限制，提高混流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪 的制造和安裝精度，國內(nèi)設(shè)計制造的混流式 轉(zhuǎn)輪多采用分2瓣制造現(xiàn)場組焊的結(jié)構(gòu)方 式。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的安裝對整臺機(jī)組的安裝有 著重大影響。因此．分瓣轉(zhuǎn)輪的現(xiàn)場組裝焊接 是必須認(rèn)真解決的施工關(guān)鍵技術(shù)。 我國自6o年代初開始進(jìn)行現(xiàn)場分瓣轉(zhuǎn) 輪組焊，依靠自己的技術(shù)力量首先在三門峽 電站焊接成功，現(xiàn)已完成施工投入運行的分 瓣轉(zhuǎn)輪4o余臺。位于青海省境內(nèi)黃河上

通過幾個電站混流式水輪機(jī)的現(xiàn)場水壓脈動檢測試驗發(fā)現(xiàn),在機(jī)組額定出力的20%～30%范圍內(nèi)出現(xiàn)過水系統(tǒng)整體(蝸殼進(jìn)口、頂蓋、尾水管)水力共振,頻率為轉(zhuǎn)頻的1～1.4倍,嚴(yán)重地影響機(jī)組穩(wěn)定運行。將在實際工程試驗中遇到的有關(guān)混流式水輪機(jī)水力振動及相關(guān)問題解決方法進(jìn)行介紹。

介紹混流式水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)在制造過程中需要注意的幾個問題,以及為了保證質(zhì)量而采取的措施。

介紹了彭水電站混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪焊縫的超聲波探傷方法。

巖灘水電站和李家峽水電站在機(jī)組運行半年至兩年的時間內(nèi)，幾臺機(jī)組的水輪機(jī)相繼出現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪葉片與上冠間焊縫和葉片與下環(huán)間焊縫的開裂。造成或引發(fā)轉(zhuǎn)輪裂紋的原因很多，但主要是制造和運行方面的原因，如鑄造及焊接質(zhì)量、焊后熱處理未能消除較大的內(nèi)應(yīng)力、運行時機(jī)組的振動等。筆者提出了根據(jù)各電站不同情況避開不利水頭、避開機(jī)組振動區(qū)運行、增大尾水補氣強(qiáng)度等措施，并介紹了這兩個電站轉(zhuǎn)輪裂紋的處理辦法，可供有關(guān)人員參考。

介紹了混流式水輪機(jī)蝸殼的設(shè)計和結(jié)構(gòu)特點。

將碳化鎢涂料運用到混流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉上,是一種全新的抗沖蝕磨損的處理方法。經(jīng)過該方法處理的水輪機(jī)已在最大含沙量和過機(jī)泥沙量分別達(dá)20g/l和240kg/s的條件下成功運行至今。以加華水電站為例,對其添加涂層后的新轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉進(jìn)行的效率試驗過程以及直觀檢查的結(jié)果進(jìn)行了簡要介紹。

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是整個水輪發(fā)電機(jī)組的核心工作部件,含沙水流中的轉(zhuǎn)輪容易遭受磨蝕破壞,是一個普遍存在的問題,并且也是一直困擾多泥沙河流水電站的難題。長期的研究與實踐表明,恰當(dāng)?shù)倪x型與良好的水力性能、合適的材質(zhì)與優(yōu)良的制造工藝是水輪機(jī)抗磨蝕的最根本方法。但對已建成的水電站而言,采用合理的運行方式和一定的檢修措施,可延緩或減輕水輪機(jī)的磨蝕。

從水輪機(jī)選型設(shè)計的主要內(nèi)容、所必需的資料及主要參數(shù)選擇等幾個方面簡述了小型水電站混流式水輪機(jī)的選型設(shè)計,探討了混流式水輪機(jī)選型設(shè)計應(yīng)注意的問題,為小型水電站混流式水輪機(jī)的選型設(shè)計及研究提供參考。

為了探究混流式水輪機(jī)改造前后轉(zhuǎn)輪泥沙磨損情況,采用固液兩相流模型對某電站改造前后的混流式水輪機(jī)進(jìn)行全流道數(shù)值模擬,分析不同工況下轉(zhuǎn)輪葉片表面泥沙分布,轉(zhuǎn)輪葉片表面固液兩相速度差,以及水輪機(jī)效率。結(jié)果表明:小流量工況下泥沙磨損最嚴(yán)重;水輪機(jī)改造后,葉片表面泥沙體積分?jǐn)?shù)下降,固液兩相速度差減少,泥沙磨損減弱,水輪機(jī)效率較改造前提升了5.5%。該研究可為水輪機(jī)改造提供一定的參考。

結(jié)合藏木水電站高比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)參數(shù)優(yōu)化項目,通過cfd分析,對模型水輪機(jī)的蝸殼、尾水管、轉(zhuǎn)輪等水力過流部件進(jìn)行了全面優(yōu)化設(shè)計。通過模型試驗驗證,藏木水電站水輪機(jī)水力性能研究達(dá)到了預(yù)期目標(biāo),cfd分析結(jié)果與模型試驗結(jié)果基本吻合,為高比轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)輪的水力性能優(yōu)化提供參考。

空化是一種具有較大破壞性的水力學(xué)現(xiàn)象,亦是威脅水輪機(jī)安全穩(wěn)定運行的常見因素,以民治水電站混流式水輪機(jī)的d568-f17模型水輪機(jī)為例,對其進(jìn)行能量試驗,根據(jù)能量試驗結(jié)果,選擇合適的工況進(jìn)行模型空化試驗,并根據(jù)空化試驗結(jié)果預(yù)期原型水輪機(jī)的空化特性。試驗結(jié)果表明,原型水輪機(jī)的最高效率、額定效率和加權(quán)平均效率均滿足水電站合同文件的相關(guān)技術(shù)要求;同時額定工況臨界空化系數(shù)、初生空化系數(shù)亦滿足水電站合同文件的相關(guān)技術(shù)要求。

文章對李家峽水電站雙排機(jī)布置水輪發(fā)電機(jī)組運行后出現(xiàn)葉片裂紋進(jìn)行了統(tǒng)計,并對其裂紋成因進(jìn)行了分析,提出了轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的具體處理措施,對今后運行中防止裂紋的發(fā)生有一定參考價值。

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是水電站發(fā)電機(jī)組的重要核心部件,制造工藝復(fù)雜,整體尺寸龐大,重量多達(dá)幾十甚至幾百噸.混流式水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)輪目前絕大多數(shù)采用不銹鋼材質(zhì),其生產(chǎn)制造工藝大多采用將葉片鑄造成型后,由不銹鋼材料的上冠、下環(huán)和葉片3大部分組焊,打磨加工而成.由于設(shè)計、工藝、加工、運行等因素造成絕大多數(shù)不銹鋼轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)比較嚴(yán)重的貫穿性裂紋.本文通過轉(zhuǎn)輪裂紋成因分析,探索其解決方法,最終徹底消除裂紋,為機(jī)組長期安全穩(wěn)定運行提供了技術(shù)保障.

因選型不當(dāng)及下游修建電站的影響,周崗水電站的水輪機(jī)長期偏離最優(yōu)工況區(qū)運行,不僅運行效率低,而且轉(zhuǎn)輪空蝕破壞嚴(yán)重,導(dǎo)致機(jī)組穩(wěn)定性差、出力嚴(yán)重不足。為了節(jié)省電站改造成本,在不改動水輪機(jī)其他通流部件的條件下,通過只更換轉(zhuǎn)輪的技術(shù)手段來達(dá)到水輪機(jī)增容防蝕的目的。為此,新轉(zhuǎn)輪的設(shè)計借助先進(jìn)的數(shù)值模擬軟件來評價其性能優(yōu)劣,縮短了轉(zhuǎn)輪的設(shè)計周期,降低了新轉(zhuǎn)輪的生產(chǎn)成本,有效提高了水輪機(jī)的效率和出力,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量不斷增大,大型混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的制造尺寸和制造重量不斷增加,目前世界上制造的最大的混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪名義直徑已經(jīng)超過10m。尺寸如此巨大的轉(zhuǎn)輪,如果不具備水運碼頭,是無法完成內(nèi)陸運輸?shù)摹楸阌谶\輸,一般采用分瓣式制造、工地組裝的方案,

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是水電站水輪發(fā)電機(jī)組的心臟，其性能決定了電站的經(jīng)濟(jì)效益。由于用多功能水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計軟件進(jìn)行可靠性設(shè)計具有很大的靈活性，可以根據(jù)電站的具體情況，即根據(jù)電站的具體參數(shù)，通過設(shè)計得到最優(yōu)方案。這對于大型電站來說，既可滿足論證需要，又可減少試驗次數(shù)，縮短水輪機(jī)的研制周期；對于中小型電站，可直接應(yīng)用可靠性設(shè)計的結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)輪加工制造。

針對混流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)、受力特點及轉(zhuǎn)輪各部分網(wǎng)格的自動劃分等方面進(jìn)行了簡要分析,闡述了可實現(xiàn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)計算與優(yōu)化設(shè)計的有限元方法及改良復(fù)合形法。在不改變?nèi)~片型線的情況下合理地選擇上冠和下環(huán)的尺寸,從而改善轉(zhuǎn)輪各部分的應(yīng)力分布,求得最優(yōu)的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)。

采用混合物空化模型對混流式水輪機(jī)的內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值計算,得到了大流量工況、最優(yōu)流量工況、小流量工況水輪機(jī)的內(nèi)部流動特性。計算結(jié)果表明:在大流量工況和小流量工況下,尾水管中心截面的低壓區(qū)與渦帶是相對應(yīng)的,壓力脈動的幅值主要受尾水管渦帶直徑兩端壓力差的影響,其尾水管進(jìn)口段左右兩側(cè)以及彎肘段附近均有較大的漩渦區(qū)域,造成較大的能量耗散,尾水管內(nèi)有明顯的回流現(xiàn)象,水輪機(jī)內(nèi)部流動比較紊亂。

通過混流式水輪機(jī)全流道的定常流動數(shù)值模擬,研究混流式水輪機(jī)內(nèi)部尤其是尾水管在不同工況下的流動特點,目的在于探明引起混流式水輪機(jī)內(nèi)部流動不穩(wěn)定的真正原因。計算結(jié)果表明,引水部件的流動,蝸殼鼻端處壓力波動均較為劇烈,周向分布不均勻,但是經(jīng)過固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉的過濾后周向分布基本對稱。轉(zhuǎn)動部分的流動,小開度低單位轉(zhuǎn)速時,較小的導(dǎo)葉出流角,使轉(zhuǎn)輪葉片頭部受到撞擊,葉片上橫向流動和背面的葉道渦嚴(yán)重,轉(zhuǎn)輪出口靠上冠處有回流和橫向流動,泄水錐下方回流嚴(yán)重;大開度時,轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口流態(tài)都得到改善。尾水管內(nèi),小開度時,錐管中心回流嚴(yán)重,大部分水流流向外緣,受肘管的影響,錐管和肘管內(nèi)部形成兩個渦流區(qū),主流流經(jīng)支墩左側(cè),右側(cè)較為紊亂;最優(yōu)開度時,尾水管內(nèi)部水流流線順暢,支墩兩側(cè)水流平穩(wěn)性基本一致;大開度時,尾水管主流向錐管中心聚攏,經(jīng)過肘管的轉(zhuǎn)彎時,出現(xiàn)很多局部的旋渦流動,支墩右側(cè)水流相對平穩(wěn),而左側(cè)較為紊亂。研究結(jié)果為壓力脈動測量位置的選擇提供理論依據(jù)。

近年來，我國大力扶持國內(nèi)小水電增容改造，很多小水電制造企業(yè)都從中嘗到了其中甜頭，面對即將來臨的新一輪的小水電市場的增容改造，這對于國內(nèi)新建中、小水電站日趨飽和，水電市場不景氣的大環(huán)境下，各個中、小水電設(shè)備制造廠家都想通過國家的一系列政策措施來擺脫目前企業(yè)所面臨的困境，可改造是把雙刃劍，效益很高，可機(jī)組改造所需要考慮的比新機(jī)組要多得多，一旦改造失敗就會面臨失去客戶的信任，失去龐大的小水電改造市場。