業內資訊中小型水電站水輪機轉輪改型設計的必要性和可行性
2020-12-01 11:18:09 來源：宜賓富源 點擊：0
簡介： 中小型水電站技術改造是水電事業發展的重要組成部分，本文通過對我國中小型水電站發展現狀的論述，分析了在中小型水電站技術改造中水輪機轉輪改型設計的必要性和可行性，并介紹了當前水輪機轉輪設計、測試和制造方面的新技術。關鍵字：中小型水(shui)電(dian)站 水(shui)輪機轉輪 改型設計
相(xiang)關站中(zhong)站： 水輪機
１我國(guo)中小型水電站的發展(zhan)現狀
建(jian)國以來，我(wo)國水(shui)電(dian)建(jian)設取得了巨(ju)大(da)成就(jiu)，據統(tong)計我(wo)國常規水(shui)電(dian)裝機(ji)(ji)容量(liang)已達到7700×104ｋＷ，其中，中小(xiao)型水(shui)電(dian)站4．5×104余(yu)座，擁有(you)機(ji)(ji)組7×104余(yu)臺(tai)，總裝機(ji)(ji)容量(liang)達2020×104ｋＷ，有(you)近(jin)一半(ban)為50～60年代制(zhi)造的設備(bei)［1］。由于當(dang)時條(tiao)件(jian)限制(zhi)，這(zhe)些(xie)電(dian)站的水(shui)輪機(ji)(ji)多數是應用(yong)前蘇(su)聯40～50年代的技術，制(zhi)造技術落后，效率較低，過流能(neng)力(li)差，總的能(neng)量(liang)指標(biao)偏(pian)低。加上(shang)大(da)部分國產(chan)機(ji)(ji)組生產(chan)于特殊(shu)年代，不按電(dian)廠各(ge)種條(tiao)件(jian)而硬性套用(yong)定(ding)(ding)型圖(tu)紙，或僅按模型試驗的特定(ding)(ding)角度硬性規定(ding)(ding)設計，致使原來水(shui)力(li)效率不高(gao)的轉輪又偏(pian)離了高(gao)效率區。還有(you)性能(neng)指標(biao)較低，如(ru)高(gao)效區狹小(xiao)、振動區范圍大(da)、空化性能(neng)差等，對(dui)機(ji)(ji)組的安全(quan)穩定(ding)(ding)運(yun)行(xing)產(chan)生了嚴(yan)重的影響，很(hen)大(da)程度上(shang)降低了電(dian)站設備(bei)的運(yun)行(xing)管理水(shui)平和效益。
另外(wai)，由(you)(you)于(yu)大(da)部(bu)(bu)分電(dian)(dian)(dian)站(zhan)已運行了(le)三四十年(nian)(nian)，機組(zu)設備在性能(neng)和(he)結構方面都已陳舊、事故增(zeng)多、檢修(xiu)頻繁。長期(qi)運行已使過流(liu)部(bu)(bu)件(jian)磨(mo)損，特(te)(te)別(bie)(bie)是轉輪(lun)、導(dao)葉等部(bu)(bu)件(jian)由(you)(you)于(yu)空(kong)蝕和(he)磨(mo)損，葉型遭到破壞，間隙(xi)增(zeng)加(jia)而(er)使效率(lv)下(xia)降(jiang)。根(gen)據(ju)國外(wai)有(you)關資料介紹，效率(lv)下(xia)降(jiang)約為２％。特(te)(te)別(bie)(bie)是有(you)些(xie)電(dian)(dian)(dian)站(zhan)或(huo)由(you)(you)于(yu)當年(nian)(nian)是套用(yong)(yong)機組(zu)，或(huo)由(you)(you)于(yu)電(dian)(dian)(dian)站(zhan)參數發生變化(hua)，使機組(zu)長期(qi)在低效率(lv)下(xia)運行，浪費能(neng)源，亟待早日(ri)解(jie)決。與此形成鮮明對(dui)比(bi)的(de)是，近年(nian)(nian)來(lai)，隨著國民經濟的(de)發展和(he)人民生活水(shui)平的(de)不斷提高(gao)，電(dian)(dian)(dian)力(li)負荷(he)峰(feng)(feng)谷(gu)(gu)差(cha)愈(yu)來(lai)愈(yu)大(da)，增(zeng)大(da)中小型電(dian)(dian)(dian)廠在電(dian)(dian)(dian)網(wang)系統中的(de)調峰(feng)(feng)、調頻能(neng)力(li)也愈(yu)顯(xian)重要。而(er)電(dian)(dian)(dian)力(li)系統越(yue)來(lai)越(yue)多地要求水(shui)電(dian)(dian)(dian)機組(zu)特(te)(te)別(bie)(bie)是中小型水(shui)電(dian)(dian)(dian)機組(zu)擔負調峰(feng)(feng)、調頻和(he)事故備用(yong)(yong)任(ren)務(wu)，這樣就增(zeng)加(jia)了(le)機組(zu)啟動(dong)、停機次數，致使水(shui)輪(lun)機部(bu)(bu)件(jian)動(dong)載荷(he)增(zeng)加(jia)，運行條件(jian)變得苛刻，對(dui)那些(xie)設備陳舊的(de)老電(dian)(dian)(dian)站(zhan)，擔負這樣任(ren)務(wu)顯(xian)然力(li)不從心。同時，近幾年(nian)(nian)大(da)電(dian)(dian)(dian)網(wang)對(dui)地方電(dian)(dian)(dian)網(wang)實行峰(feng)(feng)谷(gu)(gu)差(cha)價(jia)和(he)峰(feng)(feng)電(dian)(dian)(dian)超計劃(hua)加(jia)價(jia)政策，讓電(dian)(dian)(dian)網(wang)中調節性能(neng)較好的(de)水(shui)電(dian)(dian)(dian)站(zhan)實行頂峰(feng)(feng)發電(dian)(dian)(dian)，多發電(dian)(dian)(dian)必將(jiang)會顯(xian)著提高(gao)地方電(dian)(dian)(dian)網(wang)的(de)負荷(he)率(lv)和(he)經濟效益(yi)。
２水輪機轉(zhuan)輪改型(xing)的(de)必要性和(he)可(ke)行性
２．１水輪機轉輪改(gai)型的(de)必要性
從我國水電(dian)事業(ye)的發展(zhan)現狀來(lai)看，大批(pi)水電(dian)站存(cun)在的主要問(wen)題及(ji)產生(sheng)的嚴重(zhong)后果主要是長期以來(lai)水輪(lun)機轉(zhuan)輪(lun)的設計制造與使用條(tiao)件(jian)相脫節(jie)，主要表(biao)現在下(xia)面幾個方面［2］：
（１）水(shui)輪(lun)機(ji)轉(zhuan)輪(lun)效率低。水(shui)輪(lun)機(ji)效率是(shi)水(shui)輪(lun)機(ji)性能的(de)重要指標，據統計(ji)從50年(nian)代(dai)至今(jin)，水(shui)輪(lun)機(ji)效率每10年(nian)提高一個百分點，我國(guo)有一大(da)批機(ji)組水(shui)輪(lun)機(ji)轉(zhuan)輪(lun)系國(guo)內50、60年(nian)代(dai)產品，與90年(nian)代(dai)國(guo)內外先進轉(zhuan)輪(lun)相(xiang)比，差距很大(da)，真機(ji)效率約低2％～5％以(yi)上(shang)。造成可利用能源的(de)巨(ju)大(da)浪費。
（２）水(shui)輪(lun)機(ji)與(yu)水(shui)輪(lun)發(fa)電(dian)(dian)機(ji)選型不(bu)(bu)合理。“六五(wu)”以前安(an)裝的水(shui)輪(lun)發(fa)電(dian)(dian)機(ji)組，由于(yu)設計(ji)條件限制，有些(xie)電(dian)(dian)站選擇水(shui)輪(lun)機(ji)與(yu)發(fa)電(dian)(dian)機(ji)偏(pian)于(yu)保守，使水(shui)能(neng)不(bu)(bu)能(neng)充分利(li)用，有些(xie)電(dian)(dian)站選擇水(shui)輪(lun)機(ji)與(yu)發(fa)電(dian)(dian)機(ji)容量匹配(pei)不(bu)(bu)當，從而大(da)大(da)限制了機(ji)組出力。
（３）水(shui)(shui)輪機(ji)運(yun)行(xing)可(ke)靠性差(cha)。水(shui)(shui)輪機(ji)受當(dang)時設(she)計(ji)、制(zhi)造水(shui)(shui)平限制(zhi)，水(shui)(shui)輪機(ji)抗(kang)(kang)空化(hua)(hua)、抗(kang)(kang)磨損、抗(kang)(kang)振動(dong)性能(neng)差(cha)，經幾十年運(yun)行(xing)，一(yi)些機(ji)組空化(hua)(hua)、磨損、振動(dong)嚴重(zhong)(zhong)，運(yun)行(xing)條件惡劣(lie)、事故隱患不斷增(zeng)加。嚴重(zhong)(zhong)影響水(shui)(shui)輪機(ji)的可(ke)靠運(yun)行(xing)。
（４）自然條件的變(bian)化。近(jin)年(nian)來(lai)隨(sui)著經濟的發(fa)(fa)展(zhan)，有些電(dian)站的上游大力發(fa)(fa)展(zhan)耗(hao)水(shui)量(liang)較(jiao)大的農(nong)業企業，工(gong)農(nong)業用(yong)(yong)水(shui)量(liang)突飛猛進。另外，隨(sui)著人(ren)們生(sheng)活質量(liang)的提(ti)高(gao)，生(sheng)活用(yong)(yong)水(shui)、環境用(yong)(yong)水(shui)、生(sheng)態用(yong)(yong)水(shui)等過去(qu)設(she)計電(dian)站時忽略的部分消耗(hao)也(ye)一天比一天增多。這(zhe)樣部分水(shui)輪(lun)發(fa)(fa)電(dian)機組經幾十年(nian)投(tou)運，上、下游水(shui)位已(yi)發(fa)(fa)生(sheng)較(jiao)大變(bian)化，原有轉(zhuan)輪(lun)運行(xing)(xing)已(yi)大大偏離設(she)計工(gong)況，甚至無法正常運行(xing)(xing)。
綜上所述，８０年代以前建設(she)(she)的(de)(de)(de)一大(da)批電(dian)站，由(you)于機(ji)電(dian)設(she)(she)備落后，技(ji)術老(lao)化，機(ji)組設(she)(she)計水平(ping)低，制造工藝(yi)差(cha)，技(ji)術參數低。以及部件老(lao)化機(ji)組出力(li)受阻和自然條件的(de)(de)(de)變化，已(yi)不能充分利用(yong)已(yi)開發(fa)的(de)(de)(de)水力(li)資(zi)(zi)源，從而造成(cheng)水力(li)資(zi)(zi)源的(de)(de)(de)再(zai)(zai)度浪費。再(zai)(zai)加(jia)上電(dian)網(wang)調峰的(de)(de)(de)迫(po)切需(xu)要。如何提高(gao)已(yi)開發(fa)的(de)(de)(de)水力(li)資(zi)(zi)源的(de)(de)(de)經(jing)濟(ji)效益和社(she)會效益成(cheng)為許多老(lao)水電(dian)廠面臨的(de)(de)(de)重大(da)課(ke)題。
眾所周知，水(shui)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)機轉(zhuan)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)水(shui)電站的(de)(de)核心設備。水(shui)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)機的(de)(de)水(shui)力性能(neng)、振動與(yu)空化主要取決于(yu)轉(zhuan)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)性能(neng)，轉(zhuan)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)性能(neng)的(de)(de)優劣對(dui)合理開(kai)發利(li)用水(shui)能(neng)、保證電網(wang)可(ke)靠性方面有著(zhu)巨大影(ying)響(xiang)。因(yin)此，對(dui)老的(de)(de)水(shui)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)機轉(zhuan)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)的(de)(de)更新改造勢在(zai)必行(xing)。通過對(dui)水(shui)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)機轉(zhuan)輪(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)的(de)(de)改型，可(ke)提(ti)高(gao)機組效(xiao)率，增加(jia)電站容(rong)量，改善機組運行(xing)的(de)(de)安全穩定(ding)性。
２．２水(shui)輪(lun)機轉輪(lun)改(gai)型的可行性
首先，從經(jing)(jing)濟的(de)角度(du)分析，開發新(xin)電(dian)站投(tou)(tou)資(zi)大、周期長，而進行水輪機轉輪的(de)增(zeng)(zeng)容改造(zao)由于不需(xu)要再(zai)建大壩等水工建筑(zhu)物，故投(tou)(tou)資(zi)很(hen)(hen)少，見效(xiao)很(hen)(hen)快，經(jing)(jing)濟效(xiao)益很(hen)(hen)高。一般認為，對(dui)老電(dian)站的(de)增(zeng)(zeng)容改造(zao)其單位千瓦投(tou)(tou)資(zi)要比新(xin)建電(dian)站低２/３以上［３］。
因(yin)此，水(shui)電站水(shui)輪(lun)機轉(zhuan)輪(lun)的改型是一項(xiang)投(tou)入少(shao)產出多(duo)效(xiao)益顯著的項(xiang)目，是提高水(shui)電站運行可(ke)靠性(xing)和(he)經(jing)濟性(xing)的最主要(yao)方向，已成(cheng)為許多(duo)國家解(jie)決(jue)能源(yuan)短缺問(wen)題的手(shou)段之一。
其次，從(cong)技(ji)術(shu)(shu)上來說，近年來計(ji)(ji)算(suan)機與計(ji)(ji)算(suan)技(ji)術(shu)(shu)、流體機械三維流動分(fen)析(xi)與設計(ji)(ji)理論(lun)、通訊(xun)與傳感器技(ji)術(shu)(shu)、現代控制理論(lun)和機械加工技(ji)術(shu)(shu)等都(dou)已(yi)取(qu)得了很大(da)的進步。使得現代轉輪的設計(ji)(ji)、測(ce)試和制造方面(mian)都(dou)取(qu)得了長足的進步。這些(xie)新的技(ji)術(shu)(shu)主要(yao)表現在(zai)：
（１）數值(zhi)模(mo)擬(ni)技術(shu)。五六十年(nian)代，混流(liu)(liu)(liu)式轉(zhuan)輪的(de)(de)設(she)(she)計(ji)基(ji)礎是本世紀初羅倫茲(zi)提出的(de)(de)通流(liu)(liu)(liu)理論，即假定轉(zhuan)輪中的(de)(de)葉片數無(wu)窮(qiong)多，無(wu)限薄，這樣將三(san)維流(liu)(liu)(liu)動(dong)簡化成軸對稱(cheng)流(liu)(liu)(liu)動(dong)。從８０年(nian)代以(yi)后(hou)，隨著計(ji)算(suan)機技術(shu)和計(ji)算(suan)流(liu)(liu)(liu)體動(dong)力(li)(li)(li)學的(de)(de)迅(xun)速發(fa)(fa)展(zhan)，水力(li)(li)(li)機械過流(liu)(liu)(liu)部件的(de)(de)三(san)維流(liu)(liu)(liu)動(dong)分(fen)析、三(san)維設(she)(she)計(ji)和優化算(suan)法都(dou)有(you)了(le)長足的(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)，已成為(wei)過流(liu)(liu)(liu)部件水力(li)(li)(li)設(she)(she)計(ji)與(yu)流(liu)(liu)(liu)動(dong)分(fen)析的(de)(de)重要工(gong)具。目(mu)前，僅在(zai)水輪機研究領域就有(you)清(qing)華、哈電(dian)和東(dong)方廠等(deng)國(guo)內近十家(jia)單位引(yin)進了(le)先進的(de)(de)ＣＦＤ分(fen)析軟(ruan)件。
如哈(ha)電，利(li)用ＣＦＤ分析軟(ruan)件進行(xing)模型轉(zhuan)輪開(kai)發，完成了三峽(xia)(xia)右岸轉(zhuan)輪的轉(zhuan)化(hua)(hua)設(she)計，對(dui)豐滿、新安(an)江(jiang)(jiang)、丹江(jiang)(jiang)口、東江(jiang)(jiang)、烏(wu)溪江(jiang)(jiang)等一批老電站(zhan)改造項(xiang)目進行(xing)數值(zhi)模擬和優化(hua)(hua)，完成了洛溪渡、水(shui)布埡、小灣、龍灘、公伯峽(xia)(xia)等電站(zhan)水(shui)輪機的水(shui)力設(she)計。東方(fang)廠(chang)利(li)用ＣＦＤ技術開(kai)發出福(fu)堂電站(zhan)用Ｄ307模型轉(zhuan)輪，其最(zui)高(gao)效率為94．43％。空化(hua)(hua)性(xing)能也很高(gao)，其空化(hua)(hua)系(xi)數δ＝0．047，飛逸轉(zhuan)速特(te)性(xing)最(zui)大(da)為106．4ｒ/ｍｉｎ，最(zui)大(da)壓力脈動混頻(pin)雙振(zhen)幅值(zhi)為5．5％。
另外，西安(an)理工大學從８０年代后期開始進(jin)行(xing)水(shui)輪(lun)機通(tong)流(liu)部件的(de)(de)(de)(de)反(fan)問(wen)(wen)題研究［４］，先后提出(chu)并建立了(le)(le)(le)基于Ｓ1流(liu)面反(fan)問(wen)(wen)題計(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)的(de)(de)(de)(de)準三(san)維(wei)設計(ji)(ji)(ji)模(mo)型(xing)和(he)(he)方法(fa)、基于Ｓ2流(liu)面反(fan)問(wen)(wen)題計(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)的(de)(de)(de)(de)準三(san)維(wei)設計(ji)(ji)(ji)模(mo)型(xing)和(he)(he)方法(fa)、基于混合譜方法(fa)的(de)(de)(de)(de)全三(san)維(wei)有(you)旋流(liu)動的(de)(de)(de)(de)反(fan)問(wen)(wen)題計(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)模(mo)型(xing)和(he)(he)方法(fa)。近年來，在三(san)維(wei)粘性流(liu)設計(ji)(ji)(ji)模(mo)型(xing)的(de)(de)(de)(de)基礎(chu)上，又(you)實現了(le)(le)(le)設計(ji)(ji)(ji)方案的(de)(de)(de)(de)計(ji)(ji)(ji)算(suan)(suan)機自尋(xun)優(you)，達(da)到了(le)(le)(le)根據廠站的(de)(de)(de)(de)實際水(shui)力參數進(jin)行(xing)“量體載衣”式(shi)的(de)(de)(de)(de)設計(ji)(ji)(ji)，取得了(le)(le)(le)水(shui)力機械轉(zhuan)輪(lun)設計(ji)(ji)(ji)方法(fa)的(de)(de)(de)(de)重大突破。到目前為止(zhi)，用(yong)該模(mo)型(xing)已先后為有(you)關(guan)電站、多家水(shui)輪(lun)機廠和(he)(he)有(you)關(guan)研究單(dan)位的(de)(de)(de)(de)幾十臺(tai)水(shui)輪(lun)機轉(zhuan)輪(lun)進(jin)行(xing)了(le)(le)(le)改型(xing)設計(ji)(ji)(ji)，全部達(da)到了(le)(le)(le)用(yong)戶提出(chu)的(de)(de)(de)(de)改造目標。
這種針對某一(yi)電(dian)(dian)站(zhan)進(jin)行專門設計與(yu)制造的(de)(de)(de)水輪(lun)機(ji)選型方法，可以(yi)保證(zheng)讓(rang)每一(yi)個電(dian)(dian)站(zhan)都可以(yi)選出適(shi)合自己電(dian)(dian)站(zhan)條件的(de)(de)(de)最優水輪(lun)機(ji)型式，從而達(da)到最佳運(yun)行效果，取得最大經濟效益。通過采用(yong)先進(jin)的(de)(de)(de)計算機(ji)數值模(mo)擬(ni)技術對水輪(lun)機(ji)轉輪(lun)進(jin)行增容(rong)改造，具有低投(tou)入、高產出、見(jian)效快的(de)(de)(de)特(te)點。在改善運(yun)行性能的(de)(de)(de)同時(shi)減(jian)少(shao)了(le)(le)運(yun)行及維修費用(yong)、減(jian)少(shao)了(le)(le)機(ji)組的(de)(de)(de)停(ting)機(ji)時(shi)間，使電(dian)(dian)廠費用(yong)降低并盡快受益。
（２）模型(xing)(xing)測(ce)(ce)試(shi)(shi)(shi)(shi)技術。當前(qian)流(liu)(liu)體(ti)機械測(ce)(ce)試(shi)(shi)(shi)(shi)技術發展(zhan)迅速，諸如壓力測(ce)(ce)量技術、流(liu)(liu)量測(ce)(ce)量技術和粒子圖像測(ce)(ce)速技術有(you)(you)較大的(de)(de)(de)(de)(de)提升，多媒體(ti)技術和計算機網絡技術進一(yi)步應用到流(liu)(liu)體(ti)機械測(ce)(ce)試(shi)(shi)(shi)(shi)系統(tong)(tong)中。總之(zhi)，以計算機為(wei)核(he)心的(de)(de)(de)(de)(de)自動測(ce)(ce)試(shi)(shi)(shi)(shi)系統(tong)(tong)已成(cheng)為(wei)現代測(ce)(ce)試(shi)(shi)(shi)(shi)系統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)個特點和通用形(xing)式。國(guo)內的(de)(de)(de)(de)(de)哈電、東方(fang)、雙富等廠家和清華、河海、水(shui)科(ke)院等科(ke)研(yan)院校都建設或對原水(shui)輪(lun)機模型(xing)(xing)試(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)臺(tai)的(de)(de)(de)(de)(de)電氣、測(ce)(ce)試(shi)(shi)(shi)(shi)系統(tong)(tong)進行了(le)(le)全(quan)面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)改(gai)(gai)(gai)造。其綜(zong)合測(ce)(ce)試(shi)(shi)(shi)(shi)精度、運行穩定性和重復(fu)精度大大提高。目前(qian)，全(quan)國(guo)已有(you)(you)５座通過部級鑒定的(de)(de)(de)(de)(de)現代化(hua)試(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)臺(tai)，其效率綜(zong)合試(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)誤差在(zai)±0．25％～±0．3％，為(wei)水(shui)輪(lun)機模型(xing)(xing)試(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)和電站改(gai)(gai)(gai)造驗(yan)(yan)(yan)證(zheng)研(yan)究提供(gong)了(le)(le)良(liang)好的(de)(de)(de)(de)(de)條件(jian)。如哈電研(yan)制成(cheng)功(gong)了(le)(le)轉(zhuan)輪(lun)內部流(liu)(liu)態觀(guan)察成(cheng)像系統(tong)(tong)［5］，可通過光(guang)纖內窺鏡(jing)和攝像頭采集轉(zhuan)輪(lun)進口(kou)處(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)脫流(liu)(liu)、葉道渦(wo)、空(kong)(kong)化(hua)和出口(kou)處(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)空(kong)(kong)化(hua)、渦(wo)帶(dai)的(de)(de)(de)(de)(de)信息，驗(yan)(yan)(yan)證(zheng)ＣＦＤ的(de)(de)(de)(de)(de)分析結(jie)果。也可通過觀(guan)察轉(zhuan)輪(lun)在(zai)各(ge)工況的(de)(de)(de)(de)(de)流(liu)(liu)態，為(wei)改(gai)(gai)(gai)型(xing)(xing)設計提供(gong)依據(ju)。
（３）剛(gang)強(qiang)度(du)計(ji)算(suan)(suan)技術［５］。水輪機(ji)(ji)轉輪不僅要(yao)有好的(de)水力性(xing)能(neng)，還(huan)應具(ju)備高的(de)剛(gang)強(qiang)度(du)性(xing)能(neng)，這樣(yang)才能(neng)保證(zheng)機(ji)(ji)組(zu)高效安(an)全(quan)地運行。因此對轉輪的(de)剛(gang)強(qiang)度(du)計(ji)算(suan)(suan)以及計(ji)算(suan)(suan)的(de)準確性(xing)尤為(wei)重要(yao)。傳統的(de)設計(ji)方法采用(yong)簡(jian)單的(de)材(cai)料力學理論(lun)將葉片(pian)作為(wei)一懸臂(bei)梁在全(quan)水頭(tou)均壓下計(ji)算(suan)(suan)根部應力，計(ji)算(suan)(suan)結(jie)果與實際(ji)有較大(da)(da)出入，或通過模型試驗(yan)和電(dian)站實測(ce)來為(wei)設計(ji)者提供(gong)參考。而(er)且(qie)還(huan)無法計(ji)算(suan)(suan)葉片(pian)的(de)靜位(wei)移(yi)和固有頻率。近年來隨著有限(xian)元的(de)發展，機(ji)(ji)械構(gou)件的(de)剛(gang)強(qiang)度(du)計(ji)算(suan)(suan)技術有了很大(da)(da)的(de)提高。用(yong)計(ji)算(suan)(suan)機(ji)(ji)模擬技術代(dai)替模型試驗(yan)和電(dian)站實測(ce)以成為(wei)可能(neng)。目前以ＡＮＳＹＳ和ＩＤＥＡＳ為(wei)代(dai)表的(de)一大(da)(da)批大(da)(da)型有限(xian)元結(jie)構(gou)分析計(ji)算(suan)(suan)軟件在轉輪剛(gang)強(qiang)度(du)計(ji)算(suan)(suan)中得到(dao)
了廣(guang)泛(fan)的(de)應用(yong)，實現了水(shui)力(li)與強度的(de)交(jiao)互式設計(ji)，計(ji)算結(jie)果更為準確，葉片應力(li)狀況也更趨合(he)理。同(tong)時采用(yong)有限元(yuan)邊界元(yuan)法相結(jie)合(he)來(lai)計(ji)算過流部件的(de)流固(gu)耦合(he)振動，由于考慮了結(jie)構在(zai)流體中振動的(de)附連水(shui)質量，可(ke)用(yong)計(ji)算來(lai)估算結(jie)構在(zai)水(shui)中的(de)固(gu)有頻率，這(zhe)種方(fang)法可(ke)在(zai)改造(zao)項(xiang)目中對機組的(de)穩(wen)定(ding)性進行預(yu)測。
（４）葉片(pian)(pian)(pian)模壓(ya)(ya)成形技術。水輪機(ji)(ji)(ji)轉輪是水輪機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)心臟，因此它(ta)的(de)(de)(de)制造(zao)質量(liang)至關(guan)重(zhong)要。直接影響著(zhu)轉輪的(de)(de)(de)效率(lv)、抗空(kong)化性(xing)能(neng)(neng)和運行穩(wen)定性(xing)。過去大多采(cai)用(yong)鑄(zhu)造(zao)方(fang)法制造(zao)葉片(pian)(pian)(pian)，打磨(mo)光滑(hua)后與上冠、下環拼(pin)焊。該工藝(yi)方(fang)法有(you)很多缺點：型線偏差大、表面粗(cu)糙、打磨(mo)廢工、抗空(kong)化性(xing)能(neng)(neng)差，并且鑄(zhu)造(zao)的(de)(de)(de)葉片(pian)(pian)(pian)帶有(you)鑄(zhu)造(zao)缺陷，使得葉片(pian)(pian)(pian)使用(yong)性(xing)能(neng)(neng)變(bian)壞，對于大型葉片(pian)(pian)(pian)，葉型精(jing)確度(du)更難控(kong)制，最終也不易(yi)達(da)到要求(qiu)。近幾年來，模壓(ya)(ya)成型技術廣泛(fan)用(yong)于水輪機(ji)(ji)(ji)轉輪葉片(pian)(pian)(pian)制造(zao)，它(ta)是一(yi)項可以獲得葉型準確、鏟磨(mo)量(liang)小、價格適中、生產(chan)周期較短的(de)(de)(de)轉輪葉片(pian)(pian)(pian)制造(zao)技術。其方(fang)法是將(jiang)葉片(pian)(pian)(pian)母(mu)材(cai)進行初步(bu)加工，然后放在用(yong)數控(kong)機(ji)(ji)(ji)床銑好(hao)的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)模內(nei)用(yong)壓(ya)(ya)力機(ji)(ji)(ji)壓(ya)(ya)型，最后做局(ju)部修磨(mo)。這種方(fang)式制成的(de)(de)(de)葉片(pian)(pian)(pian)型線好(hao)，材(cai)質好(hao)，抗空(kong)化磨(mo)損性(xing)能(neng)(neng)強，效率(lv)也易(yi)得到保證。如哈(ha)電應用(yong)ＩＤＥＡＳ和ＤＥＦＯＲＭ－３Ｄ兩個有(you)限元軟(ruan)件開(kai)發了(le)動態計(ji)算模壓(ya)(ya)葉片(pian)(pian)(pian)中心和壓(ya)(ya)力噸位(wei)的(de)(de)(de)計(ji)算方(fang)法，已獲得了(le)成功。
（５）葉片(pian)數控加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)技(ji)術(shu)(shu)(shu)。對于(yu)葉片(pian)的(de)(de)(de)(de)加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)過(guo)(guo)(guo)去采用(yong)(yong)(yong)“立(li)體樣板－鏟磨”工(gong)(gong)(gong)(gong)藝，這是一(yi)種(zhong)通(tong)(tong)過(guo)(guo)(guo)投入大(da)量手(shou)工(gong)(gong)(gong)(gong)勞(lao)動(dong)力，依據立(li)體樣板作(zuo)為(wei)(wei)測量工(gong)(gong)(gong)(gong)具，把鑄件毛(mao)坯(pi)變(bian)成(cheng)(cheng)葉片(pian)成(cheng)(cheng)品的(de)(de)(de)(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)藝。根據文獻［６］，使用(yong)(yong)(yong)這種(zhong)加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)工(gong)(gong)(gong)(gong)藝存在著測量精(jing)度差、使用(yong)(yong)(yong)操作(zuo)困難和(he)費用(yong)(yong)(yong)大(da)的(de)(de)(de)(de)三(san)大(da)致命缺點。近(jin)年來，國內外(wai)各(ge)水(shui)輪機制(zhi)造(zao)(zao)廠家(jia)(jia)已(yi)取(qu)消了(le)(le)(le)傳統的(de)(de)(de)(de)立(li)體樣板，采用(yong)(yong)(yong)數控加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)技(ji)術(shu)(shu)(shu)，它(ta)是一(yi)種(zhong)通(tong)(tong)過(guo)(guo)(guo)計(ji)算(suan)(suan)機系統的(de)(de)(de)(de)軟件控制(zhi)機床自(zi)動(dong)操作(zuo)完成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)一(yi)種(zhong)理想(xiang)的(de)(de)(de)(de)加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)工(gong)(gong)(gong)(gong)藝。由(you)于(yu)它(ta)能把葉片(pian)的(de)(de)(de)(de)理論(lun)曲(qu)面圖形通(tong)(tong)過(guo)(guo)(guo)數據輸(shu)出準(zhun)確無誤地傳送到(dao)執行指令的(de)(de)(de)(de)操作(zuo)機構上，解(jie)決了(le)(le)(le)葉片(pian)測量與(yu)理論(lun)位(wei)置(zhi)的(de)(de)(de)(de)自(zi)動(dong)找正問題和(he)測點加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)余量的(de)(de)(de)(de)自(zi)動(dong)計(ji)算(suan)(suan)問題，使大(da)型(xing)水(shui)輪機的(de)(de)(de)(de)葉片(pian)制(zhi)造(zao)(zao)精(jing)度較(jiao)傳統立(li)體樣板工(gong)(gong)(gong)(gong)藝有了(le)(le)(le)較(jiao)大(da)提高(gao)。如劉家(jia)(jia)峽２＃轉輪和(he)天生橋(qiao)的(de)(de)(de)(de)５＃、６＃轉輪都是采用(yong)(yong)(yong)數控加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)。再者，從(cong)工(gong)(gong)(gong)(gong)程(cheng)應(ying)用(yong)(yong)(yong)方面來說，近(jin)年來，老電(dian)站(zhan)(zhan)機組的(de)(de)(de)(de)技(ji)術(shu)(shu)(shu)改(gai)造(zao)(zao)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)已(yi)引起了(le)(le)(le)世界各(ge)國的(de)(de)(de)(de)普遍關注(zhu)，尤其(qi)在一(yi)些(xie)水(shui)力資源開(kai)發程(cheng)度較(jiao)高(gao)的(de)(de)(de)(de)國家(jia)(jia)，更為(wei)(wei)重(zhong)視。我國的(de)(de)(de)(de)電(dian)站(zhan)(zhan)更新改(gai)造(zao)(zao)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)與(yu)國外(wai)先進國家(jia)(jia)相(xiang)比(bi)雖然起步較(jiao)晚。但也于(yu)８０年代初開(kai)始探索性(xing)的(de)(de)(de)(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)。２０年來，各(ge)類(lei)水(shui)電(dian)站(zhan)(zhan)的(de)(de)(de)(de)技(ji)術(shu)(shu)(shu)改(gai)造(zao)(zao)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)已(yi)取(qu)得了(le)(le)(le)不少的(de)(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)績和(he)經驗(yan)，為(wei)(wei)各(ge)電(dian)廠和(he)科(ke)研單(dan)位(wei)培養了(le)(le)(le)大(da)批技(ji)術(shu)(shu)(shu)人員和(he)技(ji)術(shu)(shu)(shu)工(gong)(gong)(gong)(gong)人，從(cong)而為(wei)(wei)我國各(ge)電(dian)廠的(de)(de)(de)(de)增容改(gai)造(zao)(zao)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)奠定(ding)了(le)(le)(le)基礎(chu)，使各(ge)水(shui)電(dian)站(zhan)(zhan)的(de)(de)(de)(de)技(ji)術(shu)(shu)(shu)改(gai)造(zao)(zao)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)的(de)(de)(de)(de)順利(li)完成(cheng)(cheng)成(cheng)(cheng)為(wei)(wei)可能。
３結論
開(kai)發新(xin)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)站(zhan)投資大、周(zhou)期(qi)長，而老電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)站(zhan)增容更新(xin)改造(zao)(zao)由于不(bu)需要(yao)再建(jian)大壩等水(shui)工建(jian)筑物，故投資少、周(zhou)期(qi)短(duan)、收(shou)益大。可(ke)見，水(shui)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)站(zhan)更新(xin)改造(zao)(zao)已(yi)成為許多(duo)國(guo)家解決能源短(duan)缺的(de)(de)重要(yao)手(shou)段之(zhi)一(yi)，而水(shui)輪(lun)(lun)(lun)機(ji)轉(zhuan)輪(lun)(lun)(lun)是(shi)水(shui)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)站(zhan)的(de)(de)主(zhu)(zhu)要(yao)設(she)備(bei)之(zhi)一(yi)，水(shui)輪(lun)(lun)(lun)機(ji)轉(zhuan)輪(lun)(lun)(lun)性(xing)能的(de)(de)優劣(lie)對(dui)合(he)理開(kai)發利用水(shui)能、提高水(shui)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)站(zhan)運行可(ke)靠性(xing)和經濟性(xing)、保(bao)證電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)網可(ke)靠性(xing)方面有(you)著巨大影響(xiang)。所以，水(shui)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)站(zhan)水(shui)輪(lun)(lun)(lun)機(ji)轉(zhuan)輪(lun)(lun)(lun)改型(xing)設(she)計已(yi)成為水(shui)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)站(zhan)更新(xin)改造(zao)(zao)的(de)(de)主(zhu)(zhu)要(yao)任務與關鍵途(tu)徑之(zhi)一(yi)。與此同時，現代計算(suan)機(ji)數值(zhi)模擬技術(shu)(shu)、模型(xing)測試技術(shu)(shu)、剛強度計算(suan)技術(shu)(shu)和制造(zao)(zao)技術(shu)(shu)的(de)(de)不(bu)斷進步，為水(shui)輪(lun)(lun)(lun)機(ji)轉(zhuan)輪(lun)(lun)(lun)的(de)(de)改型(xing)設(she)計創造(zao)(zao)了條件。因此，我(wo)們應(ying)充分(fen)利用現代科學技術(shu)(shu)成果，結合(he)我(wo)國(guo)八(ba)十年(nian)代之(zhi)前建(jian)造(zao)(zao)的(de)(de)中(zhong)小型(xing)水(shui)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)站(zhan)的(de)(de)實際情況進行機(ji)組特別是(shi)水(shui)輪(lun)(lun)(lun)機(ji)的(de)(de)技術(shu)(shu)改造(zao)(zao)。確保(bao)水(shui)輪(lun)(lun)(lun)機(ji)的(de)(de)高性(xing)能、高質(zhi)量(liang)和安全可(ke)靠運行。
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