官地水电站水轮机水力性能研究

电力18讯：    摘要  介绍东方电机股份有限公司针对官地电站对水轮机性能的要求，进行水轮机水力性能研究、转轮设计和模型试验，开发出两个性能优秀的转轮(D271、D272)的情况。

关键词  官地水电站  水轮机  水力性能研究  转轮开发



1 引言

官地电站位于四川省西昌市附近的雅砻江上。电站规划装机容量1800MW，是继二滩水电站之后，滚动开发雅砻江水电资源的大型水电建设项目。电站最高水头Hmax＝128m，加权平均水头Hav＝111.6m，额定水头Hr＝109m，最小水头Hmin＝103.4m。装机方案为5×360MW和6×300MW两种方案。电站业主二滩电力开发公司和成都勘测设计研究院倾向于5×360MW方案。因此，对官地水轮机水力性能的研究主要针对5×360MW方案进行。

2 水轮机水力性能目标参数及研究方案

东电公司针对电站业主提出的官地水电站水轮机主要技术参数要求，作出如下的初步设计方案：

水轮机单机额定出力Nr／MW    360

转轮直径D1／m    6.15

机组额定转速nr／r・min-1    125

装置空化系数σy    0.146

额定单位转速n1r′／r・min-1    73.6

额定单位流量Q1r′／m3・s-1    ≈0.932

模型最优效率ηmopt／%    ≥93.5

以此为基础，确定水轮机水力性能研究的主要目标参数(模型值)如下：

最优单位转速n1o′／r・min-1    72.5～73.5

限制工况单位流量Q1*′／m3・s-1    ≈0.90～0.95

模型最优效率ηmopt／%    ≥93.5

限制工况模型空化系数σmcr    0.146

水轮机模型比转速ns／m・kW    210

东电公司现有从GE引进的李家峡模型试验装置，经计算分析，其过流通道的水力几何尺寸基本满足官地水电站要求。在满足强度条件的前提下，从水力优化出发，官地水轮机的导叶高度b0＝0.25～0.26D1为佳，活动导叶分布圆直径D0＝1.18～1.20D1为佳。李家峡模型试验装置b0＝0.235D1，D0＝1.116D1，两值对于官地水轮机都显得偏小。另外，李家峡模型试验装置的蜗壳形状、固定导叶形状和位置、活动导叶形状及其与固定导叶的相对位置、尾水管形状，都是以与李家峡F483转轮最佳匹配来设计的，对别的转轮来说，未必是最佳匹配。也就是说，李家峡水轮机过流通道对于官地水轮机并不一定最佳。而且，限定过流通道几何形状和尺寸来进行转轮设计，给转轮设计带来额外的几何、水流限定条件，如上冠和下环型线的位置和形状、进水边位置、下环锥角、下环高度、转轮进出口直径等都受到限制，大大增加转轮设计的难度。但现有的GE李家峡模型试验装置结构合理，装拆方便，过流通道表面质量很高。在目前研究阶段，为加快研究进程，降低费用，东电的研究开发工作主要放在转轮研究开发方面，因此，决定暂用该装置来进行官地水轮机模型试验。经分析论证，投入两个转轮研究开发方案，即：D271转轮和D272转轮。

3 转轮设计

3.1 D271转轮水力设计

D271转轮以江桠F558A转轮为基础进行设计。F558A转轮的各项性能参数都优良，但如果用于官地水电站水轮机其强度则不够(强度约低15%)，最优单位转速n1o′略低，过流量偏大。因此，D271转轮设计的主要目标是提高转轮叶片强度17%～20%，降低流量约10%，略微提高最优单位转速n1o′，同时，尽可能保住原转轮优良的空化、稳定性、效率等性能。导叶高度b0由原来的0.283D1压至0.232D1，降幅18%。优化上冠流面和下环流面的位置和形状，使其既与李家峡模型试验装置过流通道比较适配，又不恶化转轮水力性能。对叶片上半部分进行加厚，并保持原叶片翼型特点不变。另据GE公司提供的F558A转轮叶片强度报告提示，F558A转轮叶片的相对高应力区在下环与出水边相交的三角区，故而对叶片的该区进行了局部加厚。通过上述措施，可使D271转轮叶片的强度比F558A转轮叶片提高20%以上，确保其最大许用水头由原来的110m提高到135m左右，满足官地水电站最高水头128m的强度要求。经计算分析，导叶高度压低、上冠流面和下环流面调整后，预期的转轮过流能力已降至接近期望值。因此，在叶片加厚过程中，采用3组辅助曲面族(包括平面族)来严格控制叶片形状对转轮叶片开口大小和变化规律的影响，并对叶片出口边形状和位置作少许调整，以保证流量达到预期目标值。同时，对叶片进口边形状和位置作相应调整，以使进水边与出水边的几何参数、流动参数匹配较优，且满足略微提高单位转速的要求。在整个转轮叶片设计过程中，力保原转轮叶片的特色，即：X型叶片、棒槌形流面翼型。

3.2 D272转轮水力设计

D272转轮以李家