三峡水轮机水力设计

第 19 卷第 4 期 东方电气评论 Vol. 19 No. 4 2005年 12月 DONGFANG DIANQI PINGLUN Dec. 2005 收稿日期：2005 - 03 - 04 作者简介：石清华（1963—），男，1983 年毕业于四川工业学院水力机械专业，1990 年毕业于华中理工大学水力发电工程专业，获硕士学 位，现任东方电机股份有限公司副总工程师兼研究试验中心主任，长期从事水轮机水力 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、流体动力分析、试验研究以及水力稳定性研究。 文章编号：1001 - 9006 (2005 )04 - 0169 - 09 三峡左岸厂房水轮机的水力设计 石清华 1，Stuart Coulson2 (1. 东方电机股份有限公司，四川 德阳 618000；2. GE Hydro,加拿大 ) 摘 要：介绍 VGS(VOITH - GE - SIEMENS)三峡联合体在三峡电站左岸厂房水轮机水力开发中采用的水力设计技术。阐述所采 用的主要水力设计与流体动力分析软件，主要设计思想、方法。重点介绍这些软件和设计方法在三峡左岸厂房水轮机转轮和通 流部件水力优化设计中的应用。图 9表 7 参 1 关键词：水力设计；水轮机；转轮；导水机构；蜗壳；CFD 中图分类号：TK730. 2 文献标识码：A Hydraulic Design of the Hydraulic Turbine for Three Gorges Left Bank Power House SHI Qing-hua1， Stuart Coulson2 (1. Dong Fang Electrical Machinery Co., Ltd., Deyang, Sichuan 618000；2. GE Hydro, Canada ) Abstract：Presents hydraulic design concepts and techniques used by Voith-GE-Siemens Consortium in hydraulic development of the turbine for Three Gorges Left Bank Power House. The hydraulic design and analysis software used in hydraulic design of the hydraulic turbine for Three Gorges Left Bank Power House are given with the emphasis on the application of these critical design concepts and techniques in optimizing hydraulic turbine. Key words: Hydraulic Design；Hydraulic Turbine；Runner；Distributor；Spiral Case；CFD 引 言 三峡电站共装机 26台单机容量 700 MW水轮发 电机组，总装机容量达 18 200 MW，是目前世界上 最大的水电站。三峡电站一期左岸厂房装机 14台， 其中 6台水轮发电机组由 VGS三峡联合体中标，东 方电机作为国内分包商承担其中 2台套机组的制造。 另 8 台机组由 GEC ALSTHOM NEYRPIC，KVAERN- ER 和 ABB 组成的三峡联合体制造，哈尔滨电机有 限责任公司作为国内分包商承担其中 2 台套机组的 制造。 VGS 提供的三峡左岸厂房水轮机在额定净水 头 80. 6 m、额定转速 75 r / min 下的额定出力为 710 MW，转轮喉口直径 9. 4 m，在最小净水头 91. 2 m下机组的最大保证出力达到 852 MW。三峡电站装 机规模之大，机组尺寸之大，运行条件之复杂，对 水轮机各项水力性能要求之高均为世界仅有，这为 三峡水轮机的水力设计提出了前所未有的严峻挑 战。VGS采用当今世界上最先进的水轮机水力设计 170 东方电气评论 第 19卷 和计算流体动力分析（CFD）技术对三峡左岸厂房水 轮机进行了精心的水力优化设计，最终水力设计经 模型验收试验表明，模型最优效率达 95. 26%，加 权平均效率为 92. 87%，在三峡整个运行区域，转 轮内无空化，其各项水力性能达到了目前世界上混 流式水轮机的最高水平。 根据三峡左岸厂房机组技术转让 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 ，VGS向 东方电机转让水轮发电机组开发研制的关键核心技 术。由 VGS提供的 6台水轮发电机组，其水轮机的 水力设计由加拿大 GE Hydro负责，按照技术转让协 议和日程安排，东方电机于 1997年 11月到 1998年 4月在加拿大 GE Hydro进行三峡左岸厂房水轮机水 力设计技术转让和软件培训。1999年 6月，GE Hy- dro 水力工程师来东方电机完成了 VGS 联合体三峡 左岸厂房水轮机水力设计软件、设计数据的安装调 试工作。 1 水轮机水力设计及流体动力分析系 统 随着计算流体力学数值求解技术和计算机硬软 件技术的飞速发展，全三维粘性流动分析技术趋于 成熟，使得精确求解旋转透平机械内的复杂三维粘 性流动成为可能。这种最新 CFD技术在水轮机水力 设计中的应用使我们能够精确地分析和了解水轮机 转轮及通流部件的内部水流结构，从而对水轮机的 过流部件几何尺寸进行优化，全面提高水轮机的各 项性能。水轮机现代设计技术和 CFD技术在水轮机 水力设计中的采用也彻底改变了传统的水力设计思 想，由于 CFD分析和性能预测技术的应用大大提高 了水轮机水力设计的可靠性和命中率，水力设计和 模型试验已不再采用多 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 比较和优选，而以计算 机数值试验进行，从而大大缩短了水轮机开发周 期，提高了水轮机水力设计的质量和技术含量。 全三维 CFD分析已成为 GE Hydro、东方电机水 轮机水力设计的日常工具，在工程实际中得到了广 泛应用。精确的 CFD分析结果可为预测水轮机性能 创造条件，从而替代传统水轮机开发研究中的效率 和空蚀初步试验，以较低的成本和较短的周期达到 水轮机优化设计的目的。GE Hydro开发的三峡左岸 厂房水轮机，其优良的水力性能充分显示了 CFD分 析在水轮机水力设计中的巨大魅力。现代 CFD分析 技术在水轮机水力开发中的应用，使水轮机水力设 计成为一项高技术活动，使水力原动机的研制变成 了崭新的高技术产业。 CAD / CFD / CAM 技术广泛用于水轮机设计制 造中，图 1所示为 VGS水轮机设计开发流程。 GE Hydro在三峡左岸厂房水轮机水力设计中主 要采用了下列设计分析软件： （1）SDRC - IDEAS实体造型、几何设计绘图及 机械性能分析系列软件； （2）bbX水轮机转轮叶片专用设计软件； （3）WDD或 SWIN EXCEL 7 水轮机通流部件设 计软件； （4）CFX-TASCflow 全三维粘性流动分析系列软 件； （5）ICEMCFD 水轮机通流部件的网格划分（尾 水管除外）软件； （6）DTUBESIM 尾水管网格划分专用程序，该 程序由 VOITH公司转让； （7）水轮机性能预测 MACROS程序。 1. 1 转轮水力设计系统 VGS采用 bbX对转轮进行水力设计。bbX是一 个混流和轴流式水轮机转轮水力设计的专门设计程 序，也是三峡左岸厂房水轮机水力设计技术转让中 VGS转让的最重要的软件系统之一。 bbX是一个在 SGI O2工作站上运行的交互式叶 片设计软件，由加拿大 GE Hydro自行开发。bbX的 开发始于 80 年代初，经过近 20 年的不断完善，目 前已成为功能完善、叶片几何尺寸精度高、与各种 商业软件多种接口的水轮机转轮叶片设计系统。如与 SDRC-IDEAS 的接口可进行叶片的实体造型和转轮 的刚强度以及振动分析, 与 Turbogrid 的接口可进行 流动区域网格划分 CFD分析,与 Carmax的接口可进 行叶片的数控加工等。 bbX的主要设计思路如下： （1）对相近参数转轮进行统计； （2）选择与新设计转轮参数相近的转轮作为新 图 1 水轮机设计开发流程 第 4期 石清华等：三峡左岸厂房水轮机的水力设计 171 图 2 bbX的文件系统及与其它软件的文件接口 ∂ ε ∂t + ∂ ui( )ε ∂xi = vt σε ∂2ε ∂xi2 + ε k C1p r - C2( )ε ∂ k ∂t + ∂ ui( )k ∂xi = vt σk ∂2k ∂xi2 + p r -( )ε 设计的基础； （3）轴面流道设计； （4）流线设计； （5）进水边轴面位置及周向位置设计； （6）叶片型线设计和修改； （7）输出叶片几何数据进行 CFD分析； （8）性能预测； （9）重复（3）～（8）项直到满足设计要求为止； （10）输出最终叶片设计结果进行模型转轮制 造。 利用 bbX进行转轮设计具有下列特点： （1）设计成果的好坏主要由 CFD分析结果进行 评估； （2）需进行大量的 CFD 分析，以进行转轮设计 优化； （3）设计命中率高，需要进行模型试验的转轮 数目少； （4）转轮设计成果直接通过计算机系统进行刚 强度计算和叶片数控加工，不存在人为差错，并大 大降低了人工工作量。 bbX的文件系统以及与其它软件的文件接口见 图 2。采用 bbX 进行混流式转轮叶片设计的流程见 图 3。 1. 2 通流部件水力设计系统 VGS非常重视水轮机通流部件的设计。水轮机 通流部件包括蜗壳、固定导叶、活动导叶和尾水管 水力设计，以 SDRC-IDEAS，SWIN EXCEL7 和相应 的接口界面文件为其软件平台，硬件支持则以 SGI O2 工作站及 SGI O200 服务器为基础。该软件系统 也是一个交互式现代水力设计系统，配合 ICEMCFD 网格划分、TASCflow流动分析系统和性能预测软件 进行水轮机通流部件的水力优化设计。 1. 3 计算流体动力（CFD）分析 VGS 主要采用 CFX-TASCflow 系列软件包对水 轮机转轮和通流部件进行全面的 CFD分析。 1. 3. 1 基本方程 对不可压流体的流动，CFX-TASCflow 求解雷诺 平均 Navier-Stokes 方程，并采用标准 k - ε 紊流模 型使方程组封闭。其基本方程组为： 连续性方程： ∂ui ∂xi = 0 运动方程组： ∂ui ∂t + ∂ui uj ∂xj = - 1 p ∂ p ∂xi + v ∂ 2ui ∂xj ∂xj + ∂ тij ∂xj 紊流动能和耗散率计算公式： 172 东方电气评论 第 19卷 式中： u 为速度在坐标方向的分量， P 为压力， k 为紊流动能， ε为紊流动能耗散率。 方程中各紊流模型常数分别为： C1 = 1. 44， C2 = 1. 92， Cµ = 0. 09， σk = 1. 0， σε = 1. 3。 1. 3. 2 数值方法 TASCflow采用基于有限元的有限体积法求解， 这种方法既具有有限元法对几何处理的灵活性，又 具有有限体积法中非常重要的守衡特性。近壁流动 采用壁函数处理。 TASCflow采用多种离散格式以便用户选择，如 LPS，MWS，PAS 等，并在求解过程中采用了多重 网格法，大大提高了解的收敛性。 TASCflow具有 RFR - 1 和 MFR - 1 功能，并提 供有 Stage，Frozen多级计算功能，除可对静止和移 动部件内的流动进行求解外，还可对静止部件和旋 转部件（如水轮机转轮和活动导叶）进行联合计算， 为更精确地确定水轮机内的细部流动结构并考虑旋 转部件与静止部件之间的相互影响创造了条件。 1. 3. 3 TASCflow系列软件包的组成和总体结构 CFX - TASCflow 系列软件包主要由下列部分组 成： （1）TASCflow3d流动求解器； （2）TASCbob3d前处理器； （3）TASCtool后处理器； （4）TASCflow图形界面； （5）Turbogrid透平机械半自动网格生成器。 CFX - TASCflow 系列软件的构成和流程如图 4 所示。 2 水轮机水力设计及 CFD分析 2. 1 水力设计的难点和重点 三峡电站建设前后期水头变幅分别达到 33 m和 42 m，如此大的水头变幅在国际上也属罕见。此 外，由于受防洪要求的制约，三峡机组每年在汛期 低水头和枯水期高水头的运行时间长达 10 个月， 36%的时间在 105 m 水头以上运行，60%的时间在 95 m水头以上运行，水轮机将长期偏离设计工况区 运行，这对水轮机的水力设计提出了前所未有的挑 战。三峡水轮机水力设计的难点和重点概括为以下 几个方面。 2. 1. 1 适应水头的大幅度变动 三峡水轮机的运行水头范围为 61 ～ 113 m，最 大水头与最小水头的比值达 1. 85，且加权平均水头 权重分散，并主要集中在高、低两个水头区，水轮 机在最优工况点附近运行的机率很小，需要在较宽 { } p r = Cµ k 2 ε ∂u ∂y + ∂ v ∂( )x 2 + ∂ v∂z + ∂w∂( )y 2 + ∂w∂x + ∂u∂( )z 2 + 2 ∂u∂( )x 2 + ∂ v∂( )y 2 + ∂w∂( )z[ ]2 图 4 CFX - TASCflow系列软件的构成和流程 图 3 bbX转轮叶片设计流程 的运行范围取得较高的效率。常规的在小范围内突 出优化高效率点的设计已不可取。由传统混流式水 轮机的内部流动机理决定，偏离最优点愈远，水轮 机内部流动愈恶化，效率愈低，且愈容易产生压力 脉动及流速、压力分布不均加剧转轮空蚀。水头变 化范围愈宽，设计难度愈大。 2. 1. 2 改善尾水管涡带及流道旋涡引起的压力脉 动 三峡水轮机具有很大的水头变幅，低水头运行 因尾水管涡带引起的低频压力脉动和高水头部分负 荷由转轮流道旋涡引起的高频压力脉动是水力设计 面临的另一大难点。此外，三峡机组尺寸容量巨大， 机组运行要求绝对安全可靠，因此，改善水轮机水 力稳定性是水力设计中需要着重解决的难点之一。 2. 1. 3 提高空化性能 常规混流式水轮机具有几种典型的空化形态， 应用现代水力设计手段在设计点附近是不难杜绝空 化的。但当水轮机远离设计工况运行时，水轮机转 轮内将出现形态各异的空化现象。在这些空化中， 叶片进水边空化最具有破坏性，混流式水轮机在远 离设计工况的过高或过低水头下运行时来流与进口 边的“进口冲击”是进水边空化的祸首。 从一个电站最高水头和最低水头的比值，可以 容易地判断水轮机达到“转轮进水边无空化”这一 要求的设计难度。一般来讲，该比值超过 1. 4，就 需要实施特别抗空化设计。由于三峡水轮机最大水 头与最小水头的比值达 1. 85，彻底消除三峡高水头 运行时“叶片进水边背面空化”和低水头运行时 “叶片进水边正面空化”是三峡水轮机水力设计面 临的第三大挑战，必须专门做抗空化设计。 2. 2 转轮 大量水力优化工作集中在转轮上。如上所述， 三峡转轮水力设计面临的主要挑战是高水头运行高 效率、低水头运行大出力以及整个运行范围无空化 和良好的水力稳定性。 VGS在转轮水力设计中主要采取了以下水力优 化措施。 2. 2. 1 提高设计水头 针对三峡水轮机的运行水头范围和权重分布， 最终选取的设计水头（通过最优效率点的水头）为 110 m，非常接近其最大运行水头 113 m。采用该设 计水头在水力上有下列几方面的好处： （1）水轮机的高效率区向高水头方向移动。由 于三峡水轮机在枯水期（高水头）运行时效率要求 很高，加权因子较大，水轮机的高效率区向高水头 方向移动有利于提高高水头运行的效率，满足加权 平均效率的 合同 劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载 保证值。 （2）水轮机转轮叶片进水边背面空化远离三峡 电站的运行区。一般来说，当水头从最优水头向高 水头移动时，来流对叶片正面的冲击对水头的变化 极为敏感，甚至当水头 H = (1. 05 ～ 1. 1 ) Hopt时，叶 片进口背面就开始出现脱流；相反，当水头从最优 水头向低水头移动时，叶片正面的脱流则对水头的 变化不敏感，在 H = (0. 7 ～ 0. 8 ) Hopt 范围内，叶片 正面都不会出现明显的流动分离。因此，选择较高 的设计水头有利于在三峡电站的整个运行区彻底消 除叶片进水边背面空化。 （3）改善三峡水轮机高水头部分负荷运行区转 轮内的流道旋涡特性。流道旋涡主要存在于大变幅 水头电站高水头小导叶开度运行区，因叶片进口脱 流和转轮内二次流动产生。选择较高的设计水头有 利于降低三峡水轮机高水头部分负荷区因流道旋涡 产生的高频压力脉动。 2. 2. 2 新型“X”形叶片转轮的采用 “X”形叶片转轮在三峡左岸厂房水轮机中的 采用是大水头变幅混流式水轮机转轮水力优化设计 的重大突破，也是三峡水轮机转轮水力设计的必然 选择。VGS 和 ABB-ALSTHOM 均在其设计中采用 “X”形叶片转轮，表明对于水头变幅很大的电 站，这种新型混流式转轮在水力性能上具有其独到 的优点。 图 5 所示，与传统混流式转轮叶片比较， “X”形叶片具有如下几何特点： （1）叶片进口边的周向呈后倾布置，出口边倾 斜； （2）叶片区空间流线长、叶片包角大； （3）叶片头部形状特殊，叶片最大厚度靠近头 部，但头部圆弧小； （4）接近上冠的叶片区域，叶片出口安放角大； （5）上冠叶片出口接近转轮中心，半径很小。 第 4期 石清华等：三峡左岸厂房水轮机的水力设计 173 图 5 两种叶片几何形状的比较 174 东方电气评论 第 19卷 “X”形叶片在水力上的主要优点： （1）对工况的变化尤其是对水头的变化有很好 的适应性，转轮的平均效率高； （2）能更好地防止叶片进口边背面的脱流和空 化，这对高水头小导叶开度运行很有利，尤其是转 轮靠下环区； （3）在综合特性曲线上，“X”形叶片的进口背 面空化初生线离最优区更远一些，几乎与单位流量 轴平行，也就是说，转轮进口背面的无空化运行区 更大； （4）能更好地防止叶片进口边背面尤其是下环 区叶片背面脱流产生的流道旋涡，这对改善高水头 小导叶开度下的水力稳定性有利。 2. 2. 3 转轮和活动导叶“STAGE”耦合 CFD分析 VGS 采用了 CFX-TASCflow 全三维粘性流动分 析中的高级技术“ STAGE”流动分析，即利用 CFX-TASCflow 中的多重参考坐标系功能 MFR - 1， 将转轮叶片和活动导叶一起进行耦合 CFD分析。采 用这种技术的主要优点是，可以在转轮水力设计、 流动分析中考虑导叶出口流动对转轮内流动的影 响，从而获得非常精确的叶片进口区流动特性。 转轮和导叶“STAGE”耦合流动分析的边界条 件按下列方式给定： （1）导叶进口给定单个活动导叶流道的质量流 量和水流流动角的平均值 α，该平均流动角由蜗壳 固定导叶联合流动分析获得，对于三峡左岸厂房水 轮机， α = 34º； （2）转轮的旋转角速度及旋转方向； （3）静止活动导叶出口与旋转转轮进口网格交 接面采用“STAGE”平均； （4）出口给定静压的平均值或者不指定出口边 界条件； （5）采用标准 k - ε紊流模型； （6）近壁流动采用标准壁函数处理。 对很多重要的运行工况点亦进行了 CFD分析和 流动优化，包括：（1）最优工况点；（2）额定工况 点；（3）高水头部分负荷运行工况；（4）低水头大负 荷运行工况。对于工况点（3），进行 CFD 校核的主 要目的是保证叶片背面无进口空化，检查转轮内流 道旋涡特性；对于工况点（2），进行 CFD 检查以保 证叶片背面没有出口空化；对于工况点（4），进行 CFD 校核对于保证叶片正面无进口空化则非常重 要，因为在该工况点，叶片进口水流有很强的负冲 角。 对 于 三 峡 左 岸 厂 房 水 轮 机 转 轮 和 导 叶 “STAGE”CFD 分析，用于单个导叶通道的网格节 点数为 36 × 22 × 16 = 12 672，用于单个叶片通道的 网格节点数为 64 × 20 × 21 = 26 880。 三峡左岸厂房水轮机转轮在最优工况 ( H = 110 m，WG = 22. 4º ) 、高水头部分负荷 ( H = 110 m， WG = 16º)和额定工况 ( H = 80. 6 m， WG = 39. 7º)叶 图 6 三种工况叶片背面附近流动 第 4期 石清华等：三峡左岸厂房水轮机的水力设计 175 片背面附近的流动情况如图 6 所示。可以看出，上 述 3 个工况下转轮内流动良好，进口流动无干扰， 出口流动无分离，表明转轮叶片进口叶型得到了很 好的优化，叶片进口边对来流有很好的适应性，叶 片出口区叶型也得到了很好优化。 最优工况 ( H = 110 m，WG = 22. 4º) 、高水头部 分负荷 ( H = 110 m， WG = 16º )和额定工况点 ( H = 80. 6 m，WG = 39. 7º)叶片正面和背面的压力分布表 明，叶片表面压力分布均匀，无明显的低压区和出 现任何局部压力陡降或逆压梯度的情况。 从转轮与活动导叶“STAGE”耦和流动分析可 以看出，沿导叶高度方向导叶出口水流角的变化是 极大，上述 3 个工况下沿导叶高度方向导叶出口水 流角的变化如表 1所示。 蜗壳 0. 73 1. 44 导水机构 1. 60 3. 29 工况 最优工况 额定工况 表 2 蜗壳和导水机构内的水头损失 % 工况 H = 80. 6m，WG = 39. 7º 27. 08º 31. 02º 35. 31º H = 110m，WG = 22. 4º 13. 13º 14. 95º 21. 66º H = 110m，WG = 16º 9. 49º 10. 03º 15. 03º 表 1 沿导叶高度方向导叶出口水流角 导叶上端面 导叶中部 导叶下端面 部分负荷 2. 0 2. 4 导叶型式 负曲率导叶 对称形导叶 额定工况点 2. 3 2. 1 表 3 两种型式导叶水头损失的 CFD分析结果比较 % 2. 3 引水部件 在 VGS 水轮机引水部件的水力设计中，采用 CFX-TASCflow对蜗壳、固定导叶和活动导叶进行耦 合流动分析，这对工作站内存和速度提出了很高的 要求。整个引水部件流动区域的网格节点近 100 万，在 SGI O200 超级服务器上采用 4 个 CPU 并行 计算，需时约 50 h。 蜗壳、固定导叶和活动导叶耦合流动分析的边 界条件按下列方式给定： （1）按蜗壳进口均匀流动给定进口边界条件； （2）出口给定静压的平均值或者不指定出口边 界条件； （3）采用标准 k - ε紊流模型； （4）近壁流动采用标准壁函数处理。 2. 3. 1 蜗壳 VGS 为水轮机设计的蜗壳共分为 31 段，鼻端 仍采用大舌板连接，座环与蜗壳的连接采用圆弧导 流环。 对蜗壳进行 CFD分析主要是为固定导叶设计确 定固定导叶的进口流动角，并确保蜗壳本身的水力 损失最小。CFD分析针对两个运行工况进行，一是 最优工况，二是额定工况。表 2 为由蜗壳和导水机 构耦合 CFD分析得到的水头损失。 图 7 为最优工况蜗壳内水流流动角的分布，可 以看出，蜗壳内的水流流动非常均匀，表明蜗壳的 断面面积变化规律已得到了很好的优化。 2. 3. 2 导水机构 VGS 水轮机采用 24 个负曲率活动导叶。固定 导叶为 23 个，根据蜗壳出口水流流动角的 CFD 分 析结果，分为大小不同形状各异的 3 组，在周向具 有不同的径向布置和安放角。 为了优化活动导叶的水力叶型，也单独对导水 机构进行了 CFD分析，利用蜗壳的流动分析结果， 进口条件给定平均流动角 34º，分析主要针对部分负 荷工况点和额定工况点进行。导水机构的水力优化 主要是要优化固定导叶、活动导叶的形状和相互匹 配关系，使导水机构在改变工况时对来流有很好的 适应性，从而降低导水机构内的水力损失。 图 8 示出了最优工况和额定工况优化后导水机 构内的流速分布，可见导水机构内流速分布均匀， 表明当三峡水轮机运行在部分负荷和额定工况下， 导水机构内不会产生大的水力损失。 设计中还曾对负曲率导叶和对称形导叶进行了 水力优劣上的比较，两种型式导叶水头损失的 CFD 分析结果见表 3。 之所以最终选择负曲率导叶，主要是由于在部 分负荷下可以增加 0. 4%的效率，这对枯水期（高 图 7 最优工况蜗壳内水流流动角的分布 176 东方电气评论 第 19卷 最优工况 额定工况 图 8 导水机构内流速分布 最优工况 额定工况 图 9 尾水管内流动 水头）运行非常有利，因为提高三峡水轮机高水头部 分负荷下的效率极为重要。此外，与对称形导叶相 比，负曲率导叶的最大导叶水力矩较低。 2. 4 尾水管 通过 CFD分析对两种尾水管水力 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 进行 了比较，CFD 分析分别针对最优工况和额定工况进 行，尾水管流动分析的进口边界条件由转轮 CFD分 析后得到的转轮出口流动分析结果给定。两种尾水 管水力设计方案的 CFD分析表明，最终选定的水轮 机尾水管较初步尾水管水力设计方案在最优工况和 额定工况水头损失只低 0. 1%左右。因此，初步水 力设计方案已非常接近最优设计，这是因为在模型 试验室中曾对三峡左岸厂房水轮机尾水管做过大量 的试验研究工作。 图 9 为优化后的三峡左岸厂房水轮机在最优工 况和额定工况下尾水管内的流动状态。 3 模型试验结果 VGS三峡左岸厂房水轮机的最终模型验收试验 于 1999 年 5 月在 GE Hydro 水力试验室完成，水轮 机的能量、空化等水力性能全面满足甚至超过了合 同保证值，但尾水管压力脉动未达到合同保证值。 3. 1 能量性能 各特征工况水轮机效率模型验收试验值与合同 保证值的比较见表 4。 各主要工况点模型和真机的能量参数见表 5。 可以看出，VGS三峡左岸厂房水轮机能量性能 代表了当今世界的最高水平。 3. 2 空化性能 几个特征水头下初生空化系数和临界空化系数 的模型实测值分别见表 6 和表 7（表中所有空化系 数均以真机导叶中心线以下 3. 168 m 为参考面计 算）。 可见，VGS三峡左岸厂房水轮机在几乎所有运 合同保证值 94. 35 92. 19 96. 26 94. 10 最终验收试验值 95. 26 92. 87 96. 79 94. 39 水轮机效率 模型最优效率 模型加权平均效率 真机最优效率 真机加权平均效率 表 4 水轮机效率模型验收试验值与合同保证值的比较 % 最优 效率 点 72. 16 0. 772 7 95. 26 24 107. 00 802. 00 791. 8 96. 80 额定 工况 点 83. 09 1. 120 6 89. 01 39. 48 80. 60 710. 00 995. 6 90. 47 额定水头 下最大出 力 γ = 45º 83. 09 1. 243 83. 08 45 80. 60 735. 87 1 104. 4 84. 53 达到 767MW 时的最小 水头 80. 91 1. 121 1 88. 73 39. 48 85. 00 767. 00 1 022. 9 90. 20 达到 852MW 时的最 小水头 78. 11 1. 126 88. 27 39. 48 91. 20 852. 00 1 064. 2 89. 76 低水头下运行额定 导叶开度下的出力 H = 73m 87. 31 1. 122 3 89. 57 39. 48 73. 00 616. 45 949. 0 90. 99 H = 75. 5m 85. 85 1. 121 4 89. 45 39. 48 75. 50 647. 05 964. 3 90. 88 H = 78. 5m 84. 19 1. 121 7 89. 27 39. 48 78. 50 684. 96 983. 5 90. 72 H = 78. 5m 84. 19 1. 217 0 85. 48 45 78. 50 712. 14 1 067. 1 86. 93 低水头下运行 45º 导叶开度下的出力 H = 75. 5m 85. 85 1. 218 0 85. 65 45 75. 50 673. 49 1 047. 4 87. 08 参数 初生空化系 数保证值 0. 203 0. 196 0. 094 0. 090 初生空化系 数实测值 0. 164 0. 155 0. 082 0. 089 0. 072 0. 065 0. 066 0. 073 电站装置 空化系数 0. 321 0. 226 0. 177 0. 166 表 6 VGS三峡左岸厂房水轮机各特征水头下初生空化系数 水轮机出力 / MW 646. 1 710 761. 5 767 710 639 568 497 水头 / m 75. 5 80. 06 103 110 尾水位 / m 68 62 62 62 n11m Q11m ηm / % γ / º H / m P / MW Q / m3·s - 1 p / % H = 73m 7. 31 1. 217 8 85. 66 45 73. 00 640. 19 1 029. 7 87. 08 表 5 VGS三峡左岸厂房水轮机各主要工况点模型和真机的能量参数 临界空化系 数保证值 0. 121 0. 118 0. 072 0. 065 临界空化系 数实测值 0. 112 0. 105 0. 057 0. 064 0. 057 0. 056 0. 070 0. 064 尾水位 / m 68 62 62 62 电站装置 空化系数 0. 321 0. 226 0. 177 0. 166 水头 / m 75. 5 80. 06 103 110 水轮机出力 / MW 646. 1 710 761. 5 767 710 639 568 497 表 7 VGS三峡左岸厂房水轮机各特征水头下临界空化系数 第 4期 石清华等：三峡左岸厂房水轮机的水力设计 177 行工况的临界空化系数和初生空化系数均满足合同 保证值，水轮机具有良好空化性能。尤其需要注意 的是，个别工况下的临界空化系数大于初生空化系 数，表明空化试验中的效率下降不是因发生空化产 生的，而是由于下游真空度的增加使尾水管水流旋 转加剧造成的。 3. 3 水力稳定性 虽然 VGS做了大量计算分析和试验研究工作， 但尾水管压力脉动的时域值却未满足合同保证值。 特别需要指出的是，在模型试验中发现了一个高部 分负荷压力脉动峰值带（俗称特殊压力脉动区），该 现象到底对真机的安全稳定运行有何影响，已引起 国内外水轮机界的广泛关注。 4 结束语 VGS三峡左岸厂房水轮机模型验收试验结果表 明，三峡左岸厂房水轮机的水力设计是目前世界上 最先进的，尤其是其优良的能量和空化性能，代表 了目前世界的最高水平。 迄今，东方电机已完全掌握这一技术，并在消 化吸收 VGS三峡左岸厂房水轮机水力设计技术的基 础上进行了二次开发和技术创新，已形成了一套具 有中国特色的水轮机水力设计、CFD分析及性能预 测的水力开发系统，在水轮机水力设计中全面采用 该技术并取得重大技术突破。先后为盐锅峡改造、 福堂、东江改造、乌江扩机、吉林台、凤滩扩机、 三峡右岸厂房、龙滩、小湾、水布桠、溪落渡等电 站开发了一大批水力性能达到世界先进水平的模型 水轮机。其中，为盐锅峡电站 9 台机组增容改造开 发的水轮机新转轮，在只更换转轮的特殊条件下， （下转第 186页） 186 东方电气评论 第 19卷 此外，361 阀关闭后，启动系统的暖管管路投 入运行，361阀后的电动闸阀关闭。 4. 4 水位修正 分离器储水罐水位是通过汽、水的密度差进行 测量计算的。由于其正压信号取于汽水分离器下 方，当汽水分离器进入干态运行时，将对负压信号 产生一个抽吸作用，故需要对最后得出水位信号进 行校正，否则，将会引起 361阀的误动作。 4. 5 汽水压降 超临界锅炉的水处理运行模式有两种，正常时 是在 CWT(加氧、加氨联合处理 )模式下运行，在 AVT(挥发物水处理，除联氨 )运行模式下启动，直 至正常运行状态。当运行负荷增加并达到正常运行 负荷 (高于最低负荷 30%B - MCR)并且水质满足一 定条件时，将从 AVT 运行转换到 CWT 运行模式。 AVT 水处理系统中，内表面形成较厚的 Fe3O4 结垢 层，而且粗糙不平，质地较为疏松，容易增长，使 管内径减小，大大增加流动阻力；CWT水处理系统 中，也将在管内壁形成氧化膜，分别为内壁层 Fe3O4，内壁外表层 Fe2O3，外表层氧化膜质地较为 紧密、光滑，不易脱落、增长，是有益的保护层。 启动初期，在 AVT运行模式下，汽水压降会增 长较快，在转换为 CWT运行方式后，汽水压降会逐 渐降低至正常值。 5 结束语 东方锅炉超临界锅炉启动系统设计合理，控制 参数指标十分精细。实践证明，机组启动时间短， 启动过程安全、经济、可靠，循环转直流简单容 易。运行人员应充分熟悉启动系统性能特点，了解 设计意图，以确保机组启动顺利开展。 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& （上接第 177页） 模型转轮最优效率达 93. 1%，模型额定工况点效率 达 91 % ， 使 原 机 组 出 力 由 45 MW 增 容 到 52. 38 MW，水轮机各项水力性能达到国内电站增容 改造的领先水平和国际先进水平；为福堂电站 4 台 单机容量 90 MW机组设计开发混流式水轮机，模型 最高效率达 94. 43%，额定点模型效率达 93. 58%， 其效率水平居国内 200 m水头段之首，达到了国内 自行开发混流式模型水轮机的最高水平，是 200 m 水头段国内自行开发的效率最高的混流式水轮机。 尤其需要指出的是，在总结三峡左岸厂房水轮 机水力设计的基础上，东方电机股份有限公司在三 峡右岸厂房水轮机的水力设计开发上已取得重大突 破。所开发的三峡右岸厂房水轮机，在保持能量、 空化等水力性能与左岸厂房水轮机相当的情况下， 水轮机水力稳定性有实质性的改善，在世界上首次 开发出了无特殊压力脉动区的混流式水轮机转轮， 为三峡右岸厂房水轮机的国产化奠定了良好基础。 目前，VGS三峡左岸厂房水轮机水力设计软件 已成为东方电机股份有限公司水轮机水力开发的日 常工具。 VGS三峡左岸厂房水轮机水力设计技术的成功 转让得益于中国政府和三峡开发总公司的大力支 持，得益于东方电机股份有限公司与加拿大 GE Hy- dro和德国 Voith的真诚友好合作。 参考文献： [ 1 ] Brekke H. State of the Art in Turbine Design. （上接第 180页） &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 4 结论 理论分析和算例表明，随着连杆长度的增加， 连杆与阀杆的夹角变化幅度减小。当连杆充分长 时，连杆与阀杆的夹角几乎不变，活塞位移和速度 响应曲线逼近一个简化的动力学方程数值解。当阀 杆、连杆和活塞杆同在一条铅垂线上时，连杆质量 远远小于阀杆和活塞总质量并且连杆和活塞重力可 被忽略时，系统动力学简化方程与精确方程在数值 解上近似相等。因此，在阀杆活塞杆互相垂直的主 汽阀连杆机构动力学数值仿真中，只需令连杆长度 为 106 in，连杆与阀杆夹角为 45º，就可以数值仿真 出阀杆活塞杆同轴时的连杆机构运动情况。 参考文献： [ 1 ] 刘延柱，洪嘉振，杨海兴 . 多刚体系统动力学 [M ] . 北 京：高等教育出版社，1989.