直扩散段角度对转桨式水轮机效率的影响

直扩散段角度对转桨式水轮机效率的影响

一些国家对能源市场的控制和可支配能源生产设施有限，例如水电和水电，因此电气工程需要采用不同的运行模式。水电站更加频繁地在部分负荷或满负荷下远离最高效率点运行,开停机次数增加。这些新的市场条件包括对水电机组的新限制,导致机组完全处于非优化利用的状态。例如,在瑞典,水电站主要运行1950年到1970年安装的混流式水轮机和转桨式水轮机。因此,在该国已开始进行全面的更新改造。设计新的机组时,要考虑新的市场条件。水电机组远离最高效率点运行时,损失较大,尤其对转轮叶片固定的混流式水轮机。转桨式水轮机由于叶片角度可调,在较大的负荷范围内效率高,这对水轮机增加了额外的自由度。在整个负荷范围内,进一步提高效率的另一个方法是引进另外的自由度,作为负荷的函数,可大大降低损失。瑞典的水电站大多数为低水头电站,通常采用转桨式水轮机。与水轮机综合性能相比,低水头水轮机尾水管性能的影响很大,达到损失的50%。因此,重要的是改进尾水管的性能。瑞典的大型水轮机普遍采用弯尾水管,因此,在以下几节中将加以研究。弯尾水管主要由3部分组成:直锥形扩散段、弯管和直扩散段。尾水管的功能是以最小的损失将动能转变成压力。通过审慎的增加尾水管断面来实现:通常进口断面与出口断面之比(RA)为1/4～1/3。将断面逐渐扩大,以防止水流分离。尾水管中心线长度约为进口直径的4～6倍。紧凑和短尾水管较好,因为开挖量最小。大部分压力恢复发生在尾水管的第1部分,即直锥形扩散段。直锥形扩散段非常重要,如果设计不正确,水流以高速进入弯段,可能增加损失。较高的负荷使流量较大,因而流速亦较高。因为损失与流速的平方成正比,损失快速增加。此外,其余涡动预期是重要的。另一方面,负荷较低,流速就低,涡动肯定也低。因此,最佳尾水管实际上应该满足很大的流量范围。一个解决办法是采用新的自由度,作为负荷的函数能更加有效地恢复压力。可变的直扩散段,作为负荷的函数,是一个吸引人的方案,因为利用其余涡动达到有效的压力恢复。目前,直扩散段的总角度通常为9°～12°。本文介绍对具有不同直扩散段尾水管的转桨式水轮机模型的效率测量,底板角度为5°～19°,即进口与出口断面的比为0.17～0.31。1理水管理室的设计与试验实验在瑞典阿马卡利比国立Vattenfall电力公司水力实验室进行。该实验室能满足所有水轮机模型试验国际标准与规范的要求。因此,它能用于包括空化试验在内的水轮机与水泵的完整的模型验收试验。效率测量的总误差约为±0.18%,精度为±0.1%。误差的主要原因如下。(1)流量测量±0.13%;(2)供水试验±0.1%;(3)效率的测量±0.06%。在测量之后进行了试验设备的更新。更新的目标是通过改进测量系统进行与时间相关的研究。使用了波尔尤斯水电中心研究开发用的9号机组的转桨式模型进行测量。该模型的转轮直径为500mm。波尔尤斯9号机组是10MW原型机组,专门用于研究与开发。波尔尤斯9号机组配备有6个转轮叶片,20个活动导叶与18个固定导叶。转轮直径1550mm,置于尾水位以下7m,以10Hz频率旋转。发电机为Powerformer型,直接并网发电,不需要中压配电装置和升压变压器,效率较高。进行效率测量时,底板的角度为5°～19°,间隔为2°,转桨的角度有4种:-4°、0°、+4°和+8°。紧靠弯管处的底板角度可调。2°的变化相当于增加出口断面12%。所研究的不同角度相当于断面比为0.17～0.31。测量以随机次序进行。采用GE能源公司的标准程序处理这些数据,即确定转轮的协联特性曲线。2效率对比分析表1示出了测量期间有关参数的平均值与标准差。图1表示所研究的不同底板角度情况下标准化流量与标准化效率的函数关系。示出了实验数据与内插曲线。为简化起见,结果用图1表示:图1(a)表示角度5°～13°的结果,图1(b)表示角度为13°～19°的结果。在角度达到17°前,效率逐渐增加。当角度大于常规使用的角度,通常在9°～12°时,效率最高,说明水轮机制造商的设计是保守的。对于19°,标准化流量约为70%时,效率下降。原因可能是在直扩散段中由于涡动不足造成水流分离。与常规设计相比,效率增加,尤其在标准化流量大于85%时比常规设计大得多。在100%标准化流量时,与11°角相比效率增加0.6%。流量较低时,效率也有所增加。但是,效率增加为0.15%,接近测量精度。需要重复这些测量,以证实这些研究成果。3没有试验更多的情况对于直扩散段角度可变的转桨式水轮机模型,进行了效率测量,角度为5°～19°,即进口与出口断面的比为0.17～0.31。结果表明,效率可能比常规设计高。对于标准化流量大于85%时,可提高效率;与常规的角度11°相比,效率可提高0.6%。对于标准化流量大于80%的情况,没有试验更大的角度。但是,估计效率增加会更多。目前的试验是在n11为常数,即转速与水头不变的情况下进行的。实际上,采用不同的直扩散段底板角度需要进行大量试验。这些试验必须系统地研究n11、Q11(Q/D2H−−√)Q11(Q/D2Η)和直扩散段底板角度的组合,以找到最佳效率。结果在模型上取得。但是,在相应的原型机上效率的增加预计会更大,因为模型与原型机并不在类似的动态条件下运行。转轮出口处的涡动数,模型与原型机之间有差别。计划在不久的将来将在瑞典约克莫克(Jokkmokk)波尔尤斯研究开发机组9号原型机上进行试