轴流定桨式水电站减容增效改造方案

轴流定桨式水电站减容增效改造方案

中国许多轴流固定的电压机，由于流量过低，在旱季无法工作，因此不得不关闭并放弃水。对于许多电气表，如果它能通过与现有机组相连的流量曲线和电机，并在旱季通过其他流量调整基准，在不能工作的小流量下正常运行，则电站设备和水资源的利用率应增加。降低电气工具的利用率，显著提高电气工具的经济效益。目前,国内外对轴流式转轮的开发大多集中在提高效率、容量和空蚀性能等方面;由于轴流定桨式机组单机容量小,不易引起业内相关人士的重视,而在其特定条件下的减容增效改造就更不易引起人们的注意了。因而,这项工作未见国内外报道。传统的转轮水力模型开发,一般都需大量复杂的计算和反复地比较、试验和修改,并且设计工作完全由人工完成,致使其设计周期长、工效和精度低,无法满足当今科技和生产发展的需要。因而,研究适合于超小流量的轴流式转轮叶片计算机辅助设计技术与设计方法具有重要的理论意义和学术与实际应用价值。1轴流固定桨式发动机不能在小流量下发电的原因和解决方案1.1重负荷与重2轴流定桨式水轮机特性曲线陡窄,决定了其对流量变化极为敏感;我国很多地区水量季节变化大,在枯水期当流量减小较多时,很可能使轴流定桨式水轮机运行工况点远离其有效工作区,导致出力急剧下降乃至带不上负荷,只得停机弃水。其原因分析如下:图1为原转轮运行在最优工况点(以下称A工况点,其参数标“′”)时出口速度环量为零的圆柱面上翼型进出口速度三角形示意图和其在流量过小不能发电工况点(以下称B工况点,其参数标“″”)的同一圆柱面上翼型进出口速度三角形示意图。已知:进口绝对速度的大小取决于水头H而恒定,方向随导叶开度而变化,小流量下导叶开度减小,水流进口角由α′1减至α″1;圆周速度的大小取决于电网频率而恒定;据圆柱层间无关性假设可知,进出口轴面速度的大小和方向应相等;轴流定桨式转轮叶片安放角无法调节,故β′2恒定不变。由上述分析,可得以下关系式:V″1=V′1、α″1=α′1、⇀U˝1=⇀U´1=⇀U˝2=⇀U´2、⇀V´u2=0、β″2=β′2且⇀V´m2=⇀V´m1、⇀V˝m2=⇀V˝m1。由图1的(b)图看出:V″u2过大,即出口速度环量Γ″2过大,由水轮机基本方程式Η″gη˝s=ω″2π(Γ˝1-Γ˝2)可知,ΔΓ″过小,在H″和ω″都为定值的情况下,则效率η″s就会急剧下降;当流量下降到一定值时,过小的η″s将使水轮机不能带负荷,这是此类水电站枯水期小流量下不能发电的主要原因;另外,过大的V″u2也将导致尾水管能量回收变差,这不仅也降低了效率,还影响机组工作的稳定性。由图1中的(a)图可以看出:β″1<β′1,即转轮运行在B工况点时有较大的负撞击,将产生较大水力损失,使效率降低。如:青海省多哇电站的ZD560转轮运行在1m3/s流量时,水流环量差ΔΓ″=3.02m2/s,机组水力效率η″s仅为28.6%,致使机组带不上负荷。1.2原叶轮运行在b工况点根据中小型轴流定桨式水电站的现实条件,应以尽可能低的成本解决问题,即在保留原有过流部件均不变的前提下,仅通过更换一个转轮来达到小流量下也能发电的目的。这就决定了必须采用与原转轮安装尺寸完全相同的轴流定桨式转轮。由Ηgηs=ω2π(Γ1-Γ2)可知,在H和ω均为定值的情况下,欲使目标转轮在B工况参数下的效率接近或达到原转轮在A工况参数下的效率,应使目标转轮在B工况下的进出口速度环量差接近或达到原转轮在A工况下的进出口速度环量差,即:Γ1-Γ2≈Γ′1Γ′2(未标撇号的为目标转轮B工况点参数),得:2πrVu1-2πrVu2≈2πrV′u1-2πrV′u2(为便于分析,以下取等号),又由于V′u2=0,得出:Vu2=Vu1-V´u1(1)由上述分析和图1,可得到原转轮运行在A工况点与目标转轮运行在B工况点同一圆柱面上的一些参数关系:V1=V″1=V′1、α1=α″1<α′1、β1=β″1、⇀U1=⇀U˝1=⇀U´1=⇀U2=⇀U˝2=⇀U´2、β2<β′2=β″2且⇀Vm1=⇀Vm2=⇀V˝m1=⇀V˝m2。从图1中的(b)图看出:Vu2远小于V″u2,且当目标转轮叶片进、出口安放角设计成约等于水流进、出水角时,液流进口无撞击或有较小正撞击,并减小了出口水流的速度环量。这样,目标转轮就在很大程度上克服了原转轮在B工况点运行时所存在的问题。1.3翼型设计的合理性在本问题的条件下,对目标转轮而言,由于单位流量很小,比转速很低,因而叶栅平均稠密度应较大;又由于出力减小,因而叶片单位负荷较原转轮减小;再由图1中(b)图可见,目标转轮叶片流道内相对流速较原转轮大幅度减小,而安装高程、转轮直径和转速与原转轮相同;因而,目标转轮的空蚀性能就取决于所设计的翼型了,只要翼型设计得合理,其空蚀性能定会优于原转轮。在设计中,采用奇点分布法先设计出翼型骨线,再参照较适合该水力参数或比转速相近的优秀翼型厚度变化规律进行加厚。2在设计中，技术问题的处理2.1转轮速度环量及边界条件转轮进出口速度环量分布规律有三种可能,本文设计时以从轮缘到轮毂中间某圆柱面(记为M-M,其半径为rM)上出口速度环量为零这种情况来分析。图2表示了目标转轮在B工况点进出口速度环量分布规律,因设计条件的特殊性,目标转轮的出口速度环量应在初始设计选取的出口速度环量分布规律基础上叠加一正Γ0值,因而在M-M圆柱面上出口速度环量为Γ0。对初始转轮来说,由n′110=n′D1√Ηη′s得,ω′=2πn′60=2πn′110√Ηη′s60D1(2)又由水轮机基本方程式得,Γ′1-Γ′2=2πrV´u1-2πrV´u2=60gD1√Ηη′sn′110(3)在M-M圆柱面上有Γ′2=0,所以,V´u1=60gD1√Ηη′s2πrΜn′110(4)由图1的(a)图可得,V1=V′1=√V′2m1+V′2u1=√V′2z+V′2u1(5)Vu1=√V21-V2m1=√V21-V2z(6)由式(3)、(4)、(5)、(6)得,目标转M-M轮在圆柱面上的出口速度环量为:Γ0=2πrΜVu2=2πrΜ(Vu1-V′2u1)=2πrΜ(√V′2z+V′2u1-V2z-60gD1√Ηη′s2πrΜn′110)(7)由水轮机基本方程式得,ΔΓ=Γ1-Γ2=Ηgηsω2π(8)又据文献5,图中所示可取为,δΓ=0.2(Γ1-Γ2)=0.2×Ηgηsω2π(9)若取转轮出口速度环量沿半径按直线规律分布,则其分布规律为:Γ2=Γ0+4δΓ(r-rΜ)D1-dB=2πrΜ(V′z2+V′u12-Vz2-60gD1Ηη′s2πrΜn′110)+1.6πΗgηs(r-rΜ)(D1-dB)ω(10)转轮进口速度环量沿半径分布规律为:Γ1=Γ2+ΔΓ=Γ2+Ηgηsω2π(11)2.2各节点点的插值及叠加在转轮叶片水力计算中,计算出的是每个计算流面翼型骨线上的几个(本文取7个)离散点,可依此拟合出翼型骨线,再进行翼型加厚。由于在计算中所得的骨线上离散点的位置与所选取的优秀翼型(本文取如图3的ВИГМ3015翼型)所给出的若干离散点值(文献给出20个)的位置并不一定重合和对应,且AutoCAD又不能由拟合后的翼型骨线返回指定点的坐标;因而,在翼型加厚前必须依据x/l值进行插值,即由计算所得骨线上的7个点插值出与文献所给的x/l值对应的20个点。从出口边到进口边,把这些点分别记为1,2,...,20。插值计算方法有多种,其中Spline插值能使插值后的拟合曲线通过所有数据点,并保证节点处的一阶、二阶导数相等,光滑程度较好,且具有良好的收敛性,故本文采用(3次)Spline插值方法。插值出20个点并分别计算出相应点应加厚的值yB(记为yBi)和yH(记为yHi)后即可进行加厚。如图4,设Gi、Gi-1(i=2,3,...,20)是插值所得的2个相邻点,由于叶片翼型相对弯度较小,且GiGi-1骨线很短,故可近似地用直线段GiGi-1代替此段骨线GiGi-1。在翼型上某点加厚是沿骨线法线方向进行的,即加厚所得的翼型正背面2点Hi、Bi的连线HiBi垂直于骨线GiGi-1。设Gi、Gi-1、Hi、Bi坐标分别为:(xgi,ygi)、(xgi-1,ygi-1)、(xbi,ybi)、(xhi,yhi),由图4中的直角三角形AGiHi(记为Rt△AGiHi)得:tanα=yhi-ygixgi-xhi;由Rt△BGiGi-1得:tanα=xgi-xgi-1ygi-ygi-1;由Rt△CBiGi得:tanα=ygi-ybixbi-xgi。又因|HiGi|=yHi和|BiGi|=yBi,对Rt△AGiHi和Rt△CBiGi,据勾股定理并结合上述分析分别得到下列两个方程组:yhi-ygixgi-xhi=xgi-xgi-1ygi-ygi-1(xgi-xhi)2+(yhi-ygi)2=yΗi2}(12)ygi-ybixbi-xgi=xgi-xgi-1ygi-ygi-1(ygi-ybi)2+(xbi-xgi)2=yBi2}(13)由式(12)和式(13)即可确定Hi、Bi点的坐标(xhi,yhi)、(xbi,ybi)(i=2,3,...,20),即确定了38个翼型表面上的点;又由于翼型骨线上的第一点即为翼型表面上的点,不必加厚,至此共确定了翼型表面上39个点的坐标值。利用AutoCAD的Spline曲线可将这些点拟合成光滑曲线,从而形成有一定厚度的真实翼型。2.3数据库的使用AutoCAD从R14开始支持ActiveXAutomation技术,可在VB环境中编写程序代码,利用此技术,编程引用AutoCAD暴露的对象,操作这些对象的属性和方法等进行二次开发,绘制出光滑性检查图。以水平面光滑性检查为例,通过编程对AutoCAD进行二次开发,如图形对象的绘制和编辑、组织图形元素、书写文字及标注等,其方法在很多文献中都有介绍,这里不再赘述。在用一组水平面切割叶片进行光滑性检查时,由于AutoCAD不能返回该截面与叶片转动轴线及与翼型断面正、背面交点的坐标,因而不能自动获得叶片转动轴线到各交点的水平距离。但要绘制光滑性检查曲线,必须设法获得这些距离。为此,本文采用如下方法:(1)首先构造一个应用程序对象(AutoCAD.Application);(2)再由应用程序对象获得文档对象(Document);(3)通过文档对象获得Utility对象;(4)最后,利用Utility对象提供的GetDistance方法由用户输入2个交点的坐标以获得这2个交点间的距离。为便于用户操作,可在AutoCAD的“Command:”命令下给出提示符。3最终结果和讨论本例取自青海省多哇电站,其基本参数为:水头H=13.5m,原流量Q′=3.2m3/s,现流量Q=1.0m3/s,转速n=750r/min,标称直径D1=0.8m,轮毂比dB¯=0.35,保证效率η=80%。限于篇幅,这里仅列出部分计算的中间和最终结果:最优单位转速n110=172.1r/min;最优单位流量Q110=0.4483m3/s;比转速ns=322.6mkW;目标转轮叠加的正向出口速度环量Γ0=1.46m2/s;叶栅平均稠