HL160型水轮机的增容改造技术
摘要：在理论的基础上，结合水轮机转轮实测与实践经验，确定了叶片出水边的切割量，使HL160.84水轮机增容25%；对新旧型谱系列模型转轮性能分析结果表明，D06A转轮能量特性及空化特性都优于HL160转轮，经流道对比得出两种转轮互换性很强，用D06A转轮替代HL160转轮可增容20%。这两个结论在青海曲库水电站1号机的增容改造中得到了验证。
关键词：混流式水轮机 增容改造 切割叶片 新型转轮 曲库水电站
曲库水电站位于青海省同仁县隆务河流域上游，该站引水流量为6.5 m3／s，而隆务河多年平均流量为15.64 m3／s，在丰水季节存在大量弃水。电站装机3台，设计容量3 000 kW，其中1台HL160-WJ-84水轮机，在65 m设计水头下过流能力为3.81 m3／s，机组最大出力为2 000 kW，而所配发电机额定出力为2 500 kW。水能资源和机组状况提供了增容改造的必要性和可行性。1995年，笔者利用该机组1个闲置的转轮，在维修工作的基础上通过切割出水边等手段，使机组出力达到了2 500 kW，以极低的成本获得了增容改造的成功；1998年，又结合电站购置新转轮的需要，用HLD06A转轮取代了HL160转轮，使机组出力达到2 400 kW，以转轮换型的方式达到了大幅增容的目的。
1 通过切割叶片出水边增容
1.1 叶片切割量的计算?
转轮的增容改造，主要形式为调整叶片形状和切割叶片出水边。其中，叶片修型的目的是在提高效率的同时，加大过流能力。而切割叶片出水边则主要是在基本不使效率下降的前提下，增大转轮的过流能力。由于调整叶片形状必须基于流场计算的基础上，且改造工艺过程复杂，工期长、费用高，一般小水电站不易接受，故本文只能就笔者所进行的水轮机实际改造方法作以介绍，以期对小型机组的增容改造提供借鉴。
水轮机流量调节方程式为：?
式中，Q为流量；ω为旋转角速度；r2为叶片出水边半径；η为水轮机效率；F2为转轮出口过水断面面积；H为水头；g为重力加速度；a0为导叶开度；b0为导叶高度；β2为叶片出口边安放角。
上式明确地反映出叶片出口边几何参数对机组过流能力的影响。当机组导叶开度最大即a0为最大值时，水轮机过流能力取决于叶片出水边半径r2、水轮机过流面面积F2、叶片出口边安放角β2这3个几何参数值，这3个参数中任何1个的增大都将使转轮过流能力提高。?
转轮叶片设计时，要求从出水边至进水边，相对速度与圆周方向的夹角β的变化呈单调增加，这意味着对叶片出口边的切割将使出水边处相对速度与圆周方向的夹角β2增大；转轮流道从进口到出口呈收缩状态，切割出水边将使r2、F2也增大。因此，适当切割叶片出水边可使过流能力增强。转轮出水边切割量是个非常敏感的参数，稍有不妥，便会使水力效率过分降低，导致流量加大而出力不增加甚至下降，因此，叶片出口边切割量需在理论分析计算基础上结合实践经验才能确定。
图1所示为两相邻叶片的出水边部分，图中t表示周向
式中，W2r为叶片出口相对速度径向分量。
若将切割前后的微元流量分别以ΔQ1和ΔQ2来表示，相应地将切割前后的出口相对速度及叶片开口分别以W21、a01和W22、a02来表示，则由式（2）推出下列关系式：
出水边切割量不可能很大，可近似认为切割前后叶片长度基本不变，则W21≈W22，由此可得：
式中，aoi为叶片出水边第i个点上的开口值；ri为从水轮机轴心线至各开口测点间的距离；N为所选开口点的数量。?
用式（5）计算加权平均开口，若所选开口点数在下环部分较多，则其值偏大，因下环部分叶片开口大；反之，若所选开口点数上冠部分较多，则其值偏小。准确的计算方法应按下式：
式中，rA为叶片出水边与上冠交点半径；rB为叶片出水边与下环交点半径。
实际计算时，可作开口值a与开口点处半径r的乘积ar在rA至rB间曲线，再计算曲线所围的面积。
式(4)中开口值用加权平均开口代替，则可得出水边切割前后水轮机过流能力Q1、Q2与切割前后加权平均开口值aO1CP、aO2CP关系式：
据此可求出在期望的过流能力时开口的加权平均值，由此可进一步确定叶片出水边切割量。
1.2 实际切割量的确定及改造结果?
据转轮实测结果，得出切割前叶片出水边平均开口值aO1CP=48.3mm。假设切割后转轮效率不下降，当机组出力从2 000 kW增至2 500 kW时，流量将从3.81 m3／s增至4.8 m3／s，根据式（7）求得切割后平均开口值应为61 mm。测量后确定此时出水边切割量应为25 mm，考虑其可靠性，最终确定切割量为20 mm。
为使改造费用降低，利用该机组1个报废闲置转轮，经堆焊、车削、打磨恢复到设计要求后，割去叶片出水边20 mm。增容改造一次成功，取得了预期效果，空蚀磨损状况略有恶化但无大的影响，机组出力达到2 500 kW，取得了很好的效益。
2.1 D06A与HL160转轮的性能比较?
曲库水电站HL160机组导叶相对高度是0.224，单位转速62.5r／min，额定出力时单位流量0.67 m3／s，而改造后的转轮限制单位流量期望值是0.835 m3／s。经分析已有几何参数相近的性能较优转轮后，初选D06A转轮。二者参数对比见表1。
2.2 机组预期最大出力
D06A-84转轮的过流能力远大于HL160。查其综合特性曲线，在单位转速62.5 r／min时，Q11达到0.825 m3／s，模型效率ηM为87%。设发电机效率保持在2 000 kW时的值不变，机组出力可达到2 420 kW，增幅在20%左右，可使发电机容量得到比较充分的利用。
2.3 空化系数比较
一般来说，空化系数随比转速的增加而增加。由表1可见，D06A转轮与HL160转轮相比，前者的过流能力远大于后者，而空化系数σ却明显小于后者，体现了D06A转轮的优越性能。
曲库水电站HL160机组的单位转速是62.5 r／min，据此查两种转轮模型综合特性曲线，HL160转轮的限制单位流量是0.67 m3／s，空化系数是0.06；而D06A转轮的限制单位流量是0.83 m3／s，空化系数是0.054。由此可见，D06A转轮比起HL160转轮，过流能力大为提高，空化系数不但没有增加反而有较大幅度下降。
2.4 效率特性比较
根据D06A和HL160转轮模型综合特性曲线，得两转轮的Q11对应的模型效率ηM在n11=62.5 r／min时的对比数据见表2。
由表2可知，在Q11＜0.6 m3／s的运行区域，D06A的ηM比HL160的ηM要小2%左右，但1号机组和另外两台小机组合理分配负荷完全可避免在此小流量区域运行。而在0.6 m3／s＜Q11＜0.67 m3／s的运行范围内，即HL160从最优到限制单位流量范围内，处在D06A的最优单位流量附近，ηM较前者高出0～1.5%左右；0.67m3／s＜Q11＜0.825 m3／s的范围即增容流量区，处于D06A的最优到限制单位流量段，其效率在87%～90%之间。也就是说，除增加过流量带来的发电量外，更换转轮还能额外获得水力效率提高而增加的发电量。
3.5 转轮流道形状比较
将改造前后转轮剖面图绘在一起，见图2。
图中虚线所示为曲库电站HL160.84转轮剖面图，实线所示为D06A-84转轮剖面图。
D06A转轮下环锥角是6°10′，与HL160的6°30′相差不大，下环外径尺寸可不改变；由图2可见，D06A转轮的上冠流道曲线比HL160抬高了很多，使上冠部分变得较薄，从强度角度考虑，新型转轮上冠顶盖侧形状在原HL160转轮基础上做了修改，把凹面改为平面，使上冠厚度增加；随上冠型线的改变，上冠中心铸造空腔做了相应改变；泄水孔出口在D06A叶片流道出水边之后，泄水孔位置、角度均不发生变化。
综上所述，D06A转轮的性能优于HL160，且与D06A转轮的互换性很好。用D06A-84转轮替换HL160.84，可使机组出力从2 000 kW增至2 420 kW。
2.6 导水机构的改造
几何相似导叶位置可表达为：
据模型参数推算出该导水机构设计最大开度为65?74 mm，而更换D06A转轮后要求最大开度达到82 mm。现场实测表明，导水机构开度增至82 mm时，导叶出水边仍然不会与叶片进水边相碰。
HL160-WJ-84导水机构S-a0图和实测结果，确定了改造后控制环耳环的最大行程Smax。但调速轴转臂的最大转角45°是不可更改的，那么，Smax取决于调速轴转臂销孔的旋转半径R，其值愈大则Smax越大。它们的关系可表达为：
式中，θ为调速轴转臂转角。?
据此制造了新尺寸的调速轴转臂，并与调速轴重新配钻了键孔。?
2.7 转轮换型增容的结果?
改造后的机组实际最高出力达到2 400 kW。运行1年3个月，累计增发电量200万kW·h，电价按0.2元／kW·h计，增容改造直接效益达40万元，全部增容改造费用仅12万元，不到5个月便可收回全部成本。
3 结论
(1)HL160-WJ-84型水轮机转轮切割出水边20mm，机组出力可增加25%。
(2)用HLD06A转轮替代HL160转轮后，增容幅度可达20%，且空化性能也能大幅改善。
(3)在增容改造工作中，导叶最大开度的改变可通过更换旋转半径不同的调速轴转臂来实现。
(4)在类似机组增容改造中，应注意增容幅度要合理。因为机组流量增加过多，使管道水力损失增加，水轮机的工作水头会明显减小，会影响整体经济效益。此外，该方法在多泥沙河流上使用应慎重。
参考
［1］华东学院.水轮机(下册)［M］.北京：电力出版社，1980
［2］高建铭.水轮机设计原理［M］.北京：水利电力出版社，1982