重庆水轮机厂有限责任公司 重庆 400054
摘要：作为国内首台自行设计和生产的千米级水头最大容量的冲击式水轮发电机组，针对其核心部件转轮，结合公司多年经验，对转轮设计的重点、难点做了充分考虑，并利用有限元软件、流体仿真软件对其进行流场分析、应力分析和疲劳寿命预测，利用不锈钢整体锻造及数控加工技术对其加工制造，满足机组出力、效率及安全运行稳定性等指标，该设计方法可为同类型水轮机转轮的设计提供参考。
关键词：千米级水头；冲击式水轮机；转轮设计；数值仿真；不锈钢整体锻造；数控加工
1 引言
南极洛河水电站位于云南省迪庆州维西县巴迪乡，引巴东河和南极洛河的水发电，是低坝挡水的有压引水式电站。该电站装机2台冲击式水轮发电机组，水轮机型号为CJC601-L-220/4×10.8，额定水头为1039.9m，最大水头1092m，额定转速为600r/min，发电机额定出力为44.3MW，是我国目前第二高水头电站，千米级水头电站单机容量目前国内第一，同时亦是国内首台自行设计和生产的千米级水头最大容量的冲击式水轮发电机组。
转轮水斗是冲击式水轮机的核心部件，高水头冲击式水轮机研制技术主要体现在转轮的研制[1]。转轮的几何形状相当复杂，需要制定一套科学、合理、高效的设计制造工艺方法。因此，针对南极洛河电站水头高、容量大、转速高的特点，我公司在借鉴相关成熟经验及技术的基础上，对转轮水斗进行了水力设计、结构设计、疲劳寿命预测分析以及制造加工工艺方面的工作，使其满足各项性能指标，确保机组安全稳定运行。
2 转轮选型设计
冲击型水轮机是借助喷嘴引出的具有动能的自由射流，将水能传递给转轮，使射流动能转化为机械能，带动发电机发电。一般来说，冲击型水轮机是根据电站条件进行选型计算的，南极洛河水电站选取C601型，布置方式为立式，喷嘴数Zn取4，射流直径d0取108mm，转轮直径D1取2200mm，额定转速n取600 r/min，飞逸转速nf取1100r/min，水斗数Z1取24个，转轮材料选取锻00Cr13Ni5Mo（VOD）材料。
转轮结构设计需注意的有：（1）.水斗数Z1选取，我公司是在满足结构强度前提下水斗数尽可能布置多；（2）.水斗根部的设计以及与轮毂过渡段的结构设计，直接影响着转轮的强度及铸造缺陷的出现，在不影响水力性能前提条件下，应适当地对水斗背面及根部加厚，最大限度地增大水斗根部与轮毂的过渡圆弧，以降低应力集中。
3 流场分析
对于多喷嘴水轮机，射流干涉会直接导致真机的水力性能下降，影响机组安全稳定运行。为此，运用CFD仿真技术对该机组进行数值仿真分析。冲击式水轮机属于多相流，其转轮内部流动的非定常及复杂性，当前对于冲击式水轮机数值仿真方面的研究工作国内外学者很多，笔者在参考及借鉴诸多学者成果的基础上对南极洛河水电站水轮机进行CFD仿真分析。
3.1 计算方法及边界条件
由于冲击式水轮机内部流动具有强旋度及旋转剪切流等特点，湍流模型采用双方程模型中的RNG k-epsilon模型，气水两相流模型采用VOF模型；应用有限体积法离散控制方程；时间项采用一阶向后差分隐式格式，方程组中扩散项采用二阶中心差分格式，对流项采用二阶迎风格式，应用PISO方法进行速度压力耦合求解。
边界条件设置为：（1）流动介质，空气和水；（2）混合进口条件，给定喷嘴出口处射流速度和气水各组分的体积份数，其中水和空气比值为1：0；（3）混合出口条件，给定出口压力和气水各组分的体积份数，其中，出口处压力为零，水和空气比值为0：1；（4）水轮机各静止和旋转交界面采用滑移网格技术，在所有近壁面区均采用标准壁面函数法处理；（5）施加相应的重力加速度。
3.2 结果及分析
由于本次数值模拟采用了瞬态流动分析，且计算时其时间步长取0.001s，即相当于水斗旋转了0.24个水斗。考虑到篇幅限制，下面将仅给出该水轮机在0.00s、0.04s和0.08s时刻时，水轮机内部和中截面气水分布图，具体如图2至图4所示。
5制造加工工艺
随着制造加工水平的不断提高，生产厂家不断改进冲击式转轮的铸造、锻造工艺。为了避免水斗表面，特别是水斗根部的铸造缺陷，采用锻造加数控加工的方式来制造冲击式转轮。
鉴于南极洛河电站千米级水头、大容量、转速高等特点，为了保证该转轮强度，保证其运行寿命，需要采用最新的锻造数控加工工艺。近年来我国冶炼技术及不锈钢锻造技术不断提高，基本满足各类型水轮机转轮材料需求，我公司拥有欧洲进口的两台七轴五联动卧式镗铣数控加工机床，以及多年来积累的转轮水斗数控加工技术经验、探伤方法及其标准（如2011年时，我公司基于整锻、数控加工冲击式水轮机转轮为国内空白，没有现成标准可参考，经与锻造厂、用户等多方讨论，参阅大量相关标准，并经约一年的试行，制定了《冲击式水轮机转轮锻件技术条件》），保证了该电站转轮制造质量。
6 结语
南极洛河水电站1号机组于2015年11月6日投产发电，机组进入72小时试运行之前，分别进行了充水试验、稳定性试验、机械过速试验、同期试验、调速器一次调频、甩负荷试验等一系列专业试验。经检测和调试，机组各部位温度稳定，震摆检测系统各参数达到优良标准，满足电网稳定、安全运行要求，业主非常满意，在冲击式水轮发电机组中极具代表性和标志性。机组运行至今，运行良好，未出现转轮表面裂纹、气蚀，轴承油温异常等情况。就南极洛河水电站工程项目，对千米级超高水头冲击式水轮机转轮设计，笔者提出几点看法：（1）在转轮设计中，合理选取喷针数Zn、射流直径d0、转轮直径D1、水斗数Z1、单位转速和m值是非常重要的；对于高水头机组，在不影响水力性能前提条件下，应适当对水斗背面加厚，对根部加厚，最大限制增加水斗根部与轮毂的过渡圆弧，确保转轮强度，保证转轮使用寿命。（2）本文采用的冲击式水轮机转轮流体、结构、疲劳寿命预测等数值计算方法，可应用于同类型水轮机水力设计与优化，特别地适用于实际工程项目。（3）对千米级水头冲击式水轮机电站，采用不锈钢整体锻造和数控加工的方式来制造转轮。
参考文献：
[1] 程良骏.水轮机[M].机械工业出版社.1981：232-234.
[2] 哈尔滨大机电研究所.水轮机设计手册[M].北京：机械工业出版社，1976：69-73
[3] 肖业祥，郑爱玲，韩凤琴，等.CFD法研究多喷嘴冲击式水轮机的射流干涉[J].华南理工大学学报：自然科学版，2007，35（3）：66-70.
[4] 田正忠，赵俊行.CJA475-170冲击式转轮裂纹原因分析[J].大电机技术，2001，No7：31-37.
论文作者:张永学,王建明,陈柱
论文发表刊物:《基层建设》2017年第25期
论文发表时间:2017/12/4
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