X型叶片转轮技术.doc

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1、X型叶片转轮技术2007年6月水利水电快报EWRHI第28卷第11期1'••••••｝机电i；文章编号：1006—0081(2007)11-0027—02X型叶片转轮技术摘要:X型叶片转轮技术的设计提高了大流量和水头变幅较大的情况下水轮机运行的稳定性,抗空化性能和效率•介绍了X型叶片的设计与开发情况及其性能特点.关键词:混流式水轮机;X型叶片;转轮技术;产品开发;GE能源公司中图分类号:TK730.323文献标识码:A由GE能源公司为混流式水轮机开发的X型叶片转轮设计现已取得专利，并正在全球范围内得到应用.使用该项技术的

2、最新实例是美国华盛顿州刘易斯县考利茨河上塔科马电力公司的Mossyrock水电站.该工程预期2009年完工，根据设计，工程可提高效率，扩大稳定运行的范围,并可降低维护费用.经改进的Mossyrock机组预期将有独特的性能曲线，能使机组在整个运行期间效率更高.预期效果是增加塔科马电力公司的发电量.GE公司推荐的x型叶片技术满足公用事业工程的要求:效率更高，空化更少,并扩大了运行范围.该项新技术也正在应用于加利福尼亚州Sonara附近斯坦尼斯洛斯河上的新梅罗尼斯水电站的更新.正在安装X型叶片转轮,以提高2台混流式水轮机的效率

3、.新梅罗尼斯水电站的水头变幅(91.4-1768m)比美国大多数水电站的大得多•该工程代表了设计X型叶片技术所针对的这种挑战.X型叶片设计也在俄勒W州陆军工程师团的Cougar更新工程中得到应用.IX型叶片设计与开发GE采用计算流体动力学(CFD)和广泛的模型试验开发X型叶片设计已有多年.原先的设计是基于GE在1999年所釆用技术的多年经验积累.在开发过程中,X型叶片设计的水力学优点(大流量和水头变幅较大情况下的稳定性，良好的抗空化性收稿日期:2007—04—16能和低压力脉动水平)得到充分证实，并取得了重大改进•转轮设

4、计的特点为特殊的叶片形状.图I将该设计与常规的混流式转轮作了比较，显示出进口叶片倾斜和螺旋形的出口，这是X型叶片设计的典型标记.X型叶片进口叶片倾斜皿一出口t图IX型叶片与常规混流式转轮设计比较图2比较了中水头转轮的叶片几何形状.这清楚地表明，叶片形状显着不同，也解释了称为”X型叶片”的原因.除了水力优点外,x型叶片弯曲较少和形状简单的设计也便于生产.图2中水头转轮的叶片几何形状比较2性能特点X型叶片设计的主要特性是水流在转轮中均匀分布.沿下环的高流速是混流式转轮设计的典型问题•高流速产生的低压区可导致空化和次水流问题•

5、混流式水轮机在吸出侧靠近下环部位往往遭受9■27?圆国■2007年6月水利水电快报EWRHI第28卷第11期人口空化侵蚀，低效率和由于人口压力分布不平衡产生的水力不稳定.这些问题通过常规的转轮设计不能完全避免，对净水头变幅较大的机组尤其如此.图3比较了同一台水轮机的原转轮和建议的新转轮的CFD计算结果•原转轮表明在下环处人口后面存在典型的低压区，这是原型机严重空化的原因.新型X型叶片转轮显示,从下环到轮毂压力均匀，没有低压区即不存在空化问题.两种设计的模型试验充分证实了x型叶片在空化，效率，水力稳定性和压力脉动水平等方面

6、显示出的优越性能.原转轮新图3同一台水轮机的原转轮和建议的新转轮的CFD计算结果的比较3效率最近几年，利用CFD使混流式水轮机的效率得到很大提高,x型叶片转轮的最大效率大于常规形状的现代转轮•此外,x型叶片转轮在偏离设计规定运行时,仍保持高效率.当转轮在净水头变幅较大的情况下运行时，该能力尤其显着.4叶片载荷和抗空化部位的压力分布.X型叶片显示在人口附近压力侧和吸出侧之间的压差较小「•般说來，常规转轮在进口后面吸出侧存在低压区，有空化的风险,正如图4所示•比较转轮的几何形状,x型叶片转轮的叶片沿下环一般较短•常规设计的转

7、轮通常需要延伸进入尾水管，这表示沿下环出现较高流速和不利的叶片负荷等问题.5水力稳定性当偏离设计规定运行时,所有混流式水轮机最终会出现象叶道涡流，进口空化或尾水管压力脉动等现象.由于流量和压力分布均匀,x型叶片转轮在较大的流量和水头变幅较大的情况下运行时不会出现这种现象.在上冠处，倾斜的出口形状，较小的出口-直径，使得尾水管的压力一般不怎么脉动，这已在各种模型和原型机上得到证实.X型叶片模型表明在尾水管中心的涡流强度比其他转轮要低得多.因此，在尾水管需要补气时,x型叶片转轮的水轮机只需要通过转轮锥体补充少量自然空气.6抗

8、砂冲蚀砂冲蚀与水流速度有密切关系.制造商认为，x型叶片转轮的另一个优点是其局部流速增加的区域较少，次生水流问题较少，在进口缘后面没有涡流，与常规设计的转轮相比，抗泥砂冲蚀能力较强.图4示出转轮叶片的吸出侧和压力侧靠近下环・・.7更新水轮机叶片进口图4叶片载荷比较叶片出口除了经验证的高效率和低水平的压力脉动外，x型叶片