抽水蓄能电站转轮之美

抽蓄技术交流 2022-07-04

水轮机水泵效率

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文章无波澜,如女人无曲线。 自然界好曲,如烟霞,如云锦,如透墙花枝,如大川回澜。人造物好直,如马路,如洋楼,如火车铁轨,如工厂房屋。抽蓄转轮开发则在善用其曲,水泵水轮机之特点,在懂得曲折之妙,以近自然为止境。迷人的曲线、优雅的S型、靓丽的色泽、齐整的堆叠,设计之美承载在上冠、下环之上。

转轮是蓄能机组的核心部件,其作用是进行能量转换。发电运行时其可将水能转换为旋转的机械能,抽水运行时其可将旋转的机械能转换为水流的势能。

转轮作为水轮机的“心脏”,由上冠、下环和叶片三部分组成,这些零部件都是铸造而成,其铸件质量的好坏直接决定了转轮的寿命和机组的安全稳定运行,是水电机组中研发难度最大、制造难题最多的部件。其中,叶片作为这颗“心脏”的核心部件,所要攻克的难点前所未有,叶片的设计直接决定着水轮机的过流能力、水力效率、空蚀性能及整个机组的运行稳定性。

转轮的结构

转轮由上冠、下环、叶片、迷宫环(止漏环)和泄水锥等部分组成。

混流式水泵水轮机与一般混流式水轮机主要区别在转轮,其外形更像离心泵的转轮,应用水头越高外形越扁平。混流式水泵水轮机转轮叶片是长长的弧形,翼型相差甚远,这是因为叶片在圆周方向长,叶片相对轴心的包角往往超过90度,故曲率至少比圆周大,又因为叶片越向后越靠近轴心,水流越往中心处的速度越快,故叶片与圆周切线夹角越向后越大。

水泵水轮机转轮为不锈钢铸焊结构。混流式水泵水轮机组的转轮由上冠、叶片和下环组成,叶片数量少,但长而薄,一般为6-10个,9个叶片常见,6+6长短叶片在某改造项目也成功应用,13叶片亦有采用。如绩溪和阳蓄采用5+5长短叶片。叶片包角很大,过流通道狭长。随着水泵水轮机应用水头的提高,如敦化和阳江700m水头段,转轮变得十分扁平,外缘的圆周转速很高,最高达到112.6m/s。由于其特有的结构特征,水泵水流机的结构在满足水力设计的条件后,主要问题就是对转轮叶片的应力控制和提高其抗疲劳性能。转轮与水泵水轮机主轴采用螺栓连接。转轮泄水锥采用与转轮相同的材料,通过焊接方式连接到转轮上冠。转轮的下环和上冠设置有上下止漏环以保证间隙漏水量尽可能小,止水间隙必须均匀。止漏环与转轮一同整体铸造,止漏环具有好的抗腐蚀、抗磨损和抗空蚀性能。

由于水泵水轮机转轮叶片与导叶之间的干扰大,造成叶片的动应力较常规机组要大。近年来,有限元方法已广泛用于转轮应力和变形的计算,在转轮设计时,使叶片应力分布均匀不出现过度应力集中,并使转轮在水中的固有频率与激振频率(水力冲击频率)的足够的间隔,有效避免共振现象的发生,使转轮的动应力降低到材料的疲劳限度以下,以确保转轮在使用寿命内周期性变动荷载下不产生任何裂纹、断裂或有害变形。

水泵水轮机的工作水头大小决定于转轮的线速度。为了达到较高的线速度,可以使用较大的转轮直径或较高的转速。现代的设计趋势是将转轮直径保持在一定范围内而尽量提高转速。对于水力特性而言,就是采用尽量高的比转速。根据目前同际上的制造水平,水轮机比转速如果选在110~180 r/min范围内可以得到最高的水力效率,低于此比转速范围水力效率就明显下降。

目前世界最大的抽水蓄能机组水泵水轮机转轮重量约260吨,直径约8.4米

曲线代表性感,代表无限可能

它柔美、圆滑,感知力强,所以更具亲和力,更受大家喜爱。

让我们感受一下,曲线元素在转轮中的美吧。

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