軸流定槳式水電站減容增效改造方案

中國許多軸流固定的電壓機(jī)，由于流量過低，在旱季無法工作，因此不得不關(guān)閉并放棄水。對于許多電氣表，如果它能通過與現(xiàn)有機(jī)組相連的流量曲線和電機(jī)，并在旱季通過其他流量調(diào)整基準(zhǔn)，在不能工作的小流量下正常運行，則電站設(shè)備和水資源的利用率應(yīng)增加。降低電氣工具的利用率，顯著提高電氣工具的經(jīng)濟(jì)效益。目前,國內(nèi)外對軸流式轉(zhuǎn)輪的開發(fā)大多集中在提高效率、容量和空蝕性能等方面;由于軸流定槳式機(jī)組單機(jī)容量小,不易引起業(yè)內(nèi)相關(guān)人士的重視,而在其特定條件下的減容增效改造就更不易引起人們的注意了。因而,這項工作未見國內(nèi)外報道。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)輪水力模型開發(fā),一般都需大量復(fù)雜的計算和反復(fù)地比較、試驗和修改,并且設(shè)計工作完全由人工完成,致使其設(shè)計周期長、工效和精度低,無法滿足當(dāng)今科技和生產(chǎn)發(fā)展的需要。因而,研究適合于超小流量的軸流式轉(zhuǎn)輪葉片計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)與設(shè)計方法具有重要的理論意義和學(xué)術(shù)與實際應(yīng)用價值。1軸流固定槳式發(fā)動機(jī)不能在小流量下發(fā)電的原因和解決方案1.1重負(fù)荷與重2軸流定槳式水輪機(jī)特性曲線陡窄,決定了其對流量變化極為敏感;我國很多地區(qū)水量季節(jié)變化大,在枯水期當(dāng)流量減小較多時,很可能使軸流定槳式水輪機(jī)運行工況點遠(yuǎn)離其有效工作區(qū),導(dǎo)致出力急劇下降乃至帶不上負(fù)荷,只得停機(jī)棄水。其原因分析如下:圖1為原轉(zhuǎn)輪運行在最優(yōu)工況點(以下稱A工況點,其參數(shù)標(biāo)“′”)時出口速度環(huán)量為零的圓柱面上翼型進(jìn)出口速度三角形示意圖和其在流量過小不能發(fā)電工況點(以下稱B工況點,其參數(shù)標(biāo)“″”)的同一圓柱面上翼型進(jìn)出口速度三角形示意圖。已知:進(jìn)口絕對速度的大小取決于水頭H而恒定,方向隨導(dǎo)葉開度而變化,小流量下導(dǎo)葉開度減小,水流進(jìn)口角由α′1減至α″1;圓周速度的大小取決于電網(wǎng)頻率而恒定;據(jù)圓柱層間無關(guān)性假設(shè)可知,進(jìn)出口軸面速度的大小和方向應(yīng)相等;軸流定槳式轉(zhuǎn)輪葉片安放角無法調(diào)節(jié),故β′2恒定不變。由上述分析,可得以下關(guān)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。由圖1的(b)圖看出:V″u2過大,即出口速度環(huán)量Γ″2過大,由水輪機(jī)基本方程式Η″gη?s=ω″2π(Γ?1-Γ?2)可知,Δ?！暹^小,在H″和ω″都為定值的情況下,則效率η″s就會急劇下降;當(dāng)流量下降到一定值時,過小的η″s將使水輪機(jī)不能帶負(fù)荷,這是此類水電站枯水期小流量下不能發(fā)電的主要原因;另外,過大的V″u2也將導(dǎo)致尾水管能量回收變差,這不僅也降低了效率,還影響機(jī)組工作的穩(wěn)定性。由圖1中的(a)圖可以看出:β″1<β′1,即轉(zhuǎn)輪運行在B工況點時有較大的負(fù)撞擊,將產(chǎn)生較大水力損失,使效率降低。如:青海省多哇電站的ZD560轉(zhuǎn)輪運行在1m3/s流量時,水流環(huán)量差ΔΓ″=3.02m2/s,機(jī)組水力效率η″s僅為28.6%,致使機(jī)組帶不上負(fù)荷。1.2原葉輪運行在b工況點根據(jù)中小型軸流定槳式水電站的現(xiàn)實條件,應(yīng)以盡可能低的成本解決問題,即在保留原有過流部件均不變的前提下,僅通過更換一個轉(zhuǎn)輪來達(dá)到小流量下也能發(fā)電的目的。這就決定了必須采用與原轉(zhuǎn)輪安裝尺寸完全相同的軸流定槳式轉(zhuǎn)輪。由Ηgηs=ω2π(Γ1-Γ2)可知,在H和ω均為定值的情況下,欲使目標(biāo)轉(zhuǎn)輪在B工況參數(shù)下的效率接近或達(dá)到原轉(zhuǎn)輪在A工況參數(shù)下的效率,應(yīng)使目標(biāo)轉(zhuǎn)輪在B工況下的進(jìn)出口速度環(huán)量差接近或達(dá)到原轉(zhuǎn)輪在A工況下的進(jìn)出口速度環(huán)量差,即:Γ1-Γ2≈?！?Γ′2(未標(biāo)撇號的為目標(biāo)轉(zhuǎn)輪B工況點參數(shù)),得:2πrVu1-2πrVu2≈2πrV′u1-2πrV′u2(為便于分析,以下取等號),又由于V′u2=0,得出:Vu2=Vu1-V′u1(1)由上述分析和圖1,可得到原轉(zhuǎn)輪運行在A工況點與目標(biāo)轉(zhuǎn)輪運行在B工況點同一圓柱面上的一些參數(shù)關(guān)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。從圖1中的(b)圖看出:Vu2遠(yuǎn)小于V″u2,且當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)、出口安放角設(shè)計成約等于水流進(jìn)、出水角時,液流進(jìn)口無撞擊或有較小正撞擊,并減小了出口水流的速度環(huán)量。這樣,目標(biāo)轉(zhuǎn)輪就在很大程度上克服了原轉(zhuǎn)輪在B工況點運行時所存在的問題。1.3翼型設(shè)計的合理性在本問題的條件下,對目標(biāo)轉(zhuǎn)輪而言,由于單位流量很小,比轉(zhuǎn)速很低,因而葉柵平均稠密度應(yīng)較大;又由于出力減小,因而葉片單位負(fù)荷較原轉(zhuǎn)輪減小;再由圖1中(b)圖可見,目標(biāo)轉(zhuǎn)輪葉片流道內(nèi)相對流速較原轉(zhuǎn)輪大幅度減小,而安裝高程、轉(zhuǎn)輪直徑和轉(zhuǎn)速與原轉(zhuǎn)輪相同;因而,目標(biāo)轉(zhuǎn)輪的空蝕性能就取決于所設(shè)計的翼型了,只要翼型設(shè)計得合理,其空蝕性能定會優(yōu)于原轉(zhuǎn)輪。在設(shè)計中,采用奇點分布法先設(shè)計出翼型骨線,再參照較適合該水力參數(shù)或比轉(zhuǎn)速相近的優(yōu)秀翼型厚度變化規(guī)律進(jìn)行加厚。2在設(shè)計中，技術(shù)問題的處理2.1轉(zhuǎn)輪速度環(huán)量及邊界條件轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口速度環(huán)量分布規(guī)律有三種可能,本文設(shè)計時以從輪緣到輪轂中間某圓柱面(記為M-M,其半徑為rM)上出口速度環(huán)量為零這種情況來分析。圖2表示了目標(biāo)轉(zhuǎn)輪在B工況點進(jìn)出口速度環(huán)量分布規(guī)律,因設(shè)計條件的特殊性,目標(biāo)轉(zhuǎn)輪的出口速度環(huán)量應(yīng)在初始設(shè)計選取的出口速度環(huán)量分布規(guī)律基礎(chǔ)上疊加一正Γ0值,因而在M-M圓柱面上出口速度環(huán)量為Γ0。對初始轉(zhuǎn)輪來說,由n′110=n′D1√Ηη′s得,ω′=2πn′60=2πn′110√Ηη′s60D1(2)又由水輪機(jī)基本方程式得,?！?-Γ′2=2πrV′u1-2πrV′u2=60gD1√Ηη′sn′110(3)在M-M圓柱面上有?！?=0,所以,V′u1=60gD1√Ηη′s2πrΜn′110(4)由圖1的(a)圖可得,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,目標(biāo)轉(zhuǎn)M-M輪在圓柱面上的出口速度環(huán)量為:Γ0=2πrΜVu2=2πrΜ(Vu1-V′2u1)=2πrΜ(√V′2z+V′2u1-V2z-60gD1√Ηη′s2πrΜn′110)(7)由水輪機(jī)基本方程式得,ΔΓ=Γ1-Γ2=Ηgηsω2π(8)又據(jù)文獻(xiàn)5,圖中所示可取為,δΓ=0.2(Γ1-Γ2)=0.2×Ηgηsω2π(9)若取轉(zhuǎn)輪出口速度環(huán)量沿半徑按直線規(guī)律分布,則其分布規(guī)律為:Γ2=Γ0+4δΓ(r-rΜ)D1-dB=2πrΜ(V′z2+V′u12-Vz2-60gD1Ηη′s2πrΜn′110)+1.6πΗgηs(r-rΜ)(D1-dB)ω(10)轉(zhuǎn)輪進(jìn)口速度環(huán)量沿半徑分布規(guī)律為:Γ1=Γ2+ΔΓ=Γ2+Ηgηsω2π(11)2.2各節(jié)點點的插值及疊加在轉(zhuǎn)輪葉片水力計算中,計算出的是每個計算流面翼型骨線上的幾個(本文取7個)離散點,可依此擬合出翼型骨線,再進(jìn)行翼型加厚。由于在計算中所得的骨線上離散點的位置與所選取的優(yōu)秀翼型(本文取如圖3的ВИГМ3015翼型)所給出的若干離散點值(文獻(xiàn)給出20個)的位置并不一定重合和對應(yīng),且AutoCAD又不能由擬合后的翼型骨線返回指定點的坐標(biāo);因而,在翼型加厚前必須依據(jù)x/l值進(jìn)行插值,即由計算所得骨線上的7個點插值出與文獻(xiàn)所給的x/l值對應(yīng)的20個點。從出口邊到進(jìn)口邊,把這些點分別記為1,2,...,20。插值計算方法有多種,其中Spline插值能使插值后的擬合曲線通過所有數(shù)據(jù)點,并保證節(jié)點處的一階、二階導(dǎo)數(shù)相等,光滑程度較好,且具有良好的收斂性,故本文采用(3次)Spline插值方法。插值出20個點并分別計算出相應(yīng)點應(yīng)加厚的值yB(記為yBi)和yH(記為yHi)后即可進(jìn)行加厚。如圖4,設(shè)Gi、Gi-1(i=2,3,...,20)是插值所得的2個相鄰點,由于葉片翼型相對彎度較小,且GiGi-1骨線很短,故可近似地用直線段GiGi-1代替此段骨線GiGi-1。在翼型上某點加厚是沿骨線法線方向進(jìn)行的,即加厚所得的翼型正背面2點Hi、Bi的連線HiBi垂直于骨線GiGi-1。設(shè)Gi、Gi-1、Hi、Bi坐標(biāo)分別為:(xgi,ygi)、(xgi-1,ygi-1)、(xbi,ybi)、(xhi,yhi),由圖4中的直角三角形AGiHi(記為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,對Rt△AGiHi和Rt△CBiGi,據(jù)勾股定理并結(jié)合上述分析分別得到下列兩個方程組: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)即可確定Hi、Bi點的坐標(biāo)(xhi,yhi)、(xbi,ybi)(i=2,3,...,20),即確定了38個翼型表面上的點;又由于翼型骨線上的第一點即為翼型表面上的點,不必加厚,至此共確定了翼型表面上39個點的坐標(biāo)值。利用AutoCAD的Spline曲線可將這些點擬合成光滑曲線,從而形成有一定厚度的真實翼型。2.3數(shù)據(jù)庫的使用AutoCAD從R14開始支持ActiveXAutomation技術(shù),可在VB環(huán)境中編寫程序代碼,利用此技術(shù),編程引用AutoCAD暴露的對象,操作這些對象的屬性和方法等進(jìn)行二次開發(fā),繪制出光滑性檢查圖。以水平面光滑性檢查為例,通過編程對AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā),如圖形對象的繪制和編輯、組織圖形元素、書寫文字及標(biāo)注等,其方法在很多文獻(xiàn)中都有介紹,這里不再贅述。在用一組水平面切割葉片進(jìn)行光滑性檢查時,由于AutoCAD不能返回該截面與葉片轉(zhuǎn)動軸線及與翼型斷面正、背面交點的坐標(biāo),因而不能自動獲得葉片轉(zhuǎn)動軸線到各交點的水平距離。但要繪制光滑性檢查曲線,必須設(shè)法獲得這些距離。為此,本文采用如下方法:(1)首先構(gòu)造一個應(yīng)用程序?qū)ο?AutoCAD.Application);(2)再由應(yīng)用程序?qū)ο螳@得文檔對象(Document);(3)通過文檔對象獲得Utility對象;(4)最后,利用Utility對象提供的GetDistance方法由用戶輸入2個交點的坐標(biāo)以獲得這2個交點間的距離。為便于用戶操作,可在AutoCAD的“Command:”命令下給出提示符。3最終結(jié)果和討論本例取自青海省多哇電站,其基本參數(shù)為:水頭H=13.5m,原流量Q′=3.2m3/s,現(xiàn)流量Q=1.0m3/s,轉(zhuǎn)速n=750r/min,標(biāo)稱直徑D1=0.8m,輪轂比dBˉ=0.35,保證效率η=80%。限于篇幅,這里僅列出部分計算的中間和最終結(jié)果:最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n110=172.1r/min;最優(yōu)單位流量Q110=0.4483m3/s;比轉(zhuǎn)速ns=322.6mkW;目標(biāo)轉(zhuǎn)輪疊加的正向出口速度環(huán)量Γ0=1.46m2/s;葉柵平均稠