中小型水電站水輪機轉輪改型設計的必要性和可行性

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(zhong)小(xiao)型(xing)水電站 水輪機轉輪 改型(xing)設計
相(xiang)關(guan)站(zhan)中(zhong)站(zhan)： 水輪機


１我國(guo)中小(xiao)型水電(dian)站(zhan)的發展(zhan)現狀


建國(guo)以來，我(wo)國(guo)水(shui)(shui)電建設(she)(she)取得了(le)巨大(da)成就，據(ju)統計我(wo)國(guo)常規水(shui)(shui)電裝機(ji)容(rong)量已達到7700×104ｋＷ，其中，中小(xiao)型水(shui)(shui)電站4．5×104余座，擁有機(ji)組(zu)7×104余臺，總裝機(ji)容(rong)量達2020×104ｋＷ，有近(jin)一半(ban)為50～60年(nian)(nian)代制造(zao)的(de)設(she)(she)備［1］。由于(yu)當(dang)時條件限制，這些電站的(de)水(shui)(shui)輪機(ji)多(duo)數(shu)是應用前蘇聯40～50年(nian)(nian)代的(de)技術(shu)，制造(zao)技術(shu)落后，效(xiao)率較低，過流能(neng)力差，總的(de)能(neng)量指標偏(pian)低。加上大(da)部(bu)分(fen)國(guo)產(chan)(chan)機(ji)組(zu)生產(chan)(chan)于(yu)特殊(shu)年(nian)(nian)代，不(bu)按電廠各種條件而硬性套用定(ding)型圖紙(zhi)，或(huo)僅(jin)按模型試驗的(de)特定(ding)角(jiao)度硬性規定(ding)設(she)(she)計，致使(shi)原來水(shui)(shui)力效(xiao)率不(bu)高(gao)的(de)轉輪又偏(pian)離了(le)高(gao)效(xiao)率區。還有性能(neng)指標較低，如高(gao)效(xiao)區狹小(xiao)、振動區范(fan)圍大(da)、空化性能(neng)差等，對機(ji)組(zu)的(de)安全穩定(ding)運行產(chan)(chan)生了(le)嚴重的(de)影響，很(hen)大(da)程度上降低了(le)電站設(she)(she)備的(de)運行管理水(shui)(shui)平(ping)和(he)效(xiao)益(yi)。


另(ling)外(wai)，由(you)(you)于(yu)大(da)(da)部分電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)站(zhan)(zhan)已運行了三四十年，機(ji)組(zu)(zu)設(she)(she)備在性(xing)能和(he)結(jie)構方(fang)(fang)面都已陳(chen)舊、事(shi)(shi)故(gu)增(zeng)(zeng)(zeng)多(duo)、檢修頻(pin)(pin)繁(fan)。長期運行已使過流部件(jian)(jian)磨(mo)損，特別是(shi)轉輪、導葉等部件(jian)(jian)由(you)(you)于(yu)空(kong)蝕和(he)磨(mo)損，葉型遭(zao)到(dao)破壞，間隙增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)而(er)使效率(lv)下(xia)降。根(gen)據國外(wai)有關資料介紹，效率(lv)下(xia)降約為２％。特別是(shi)有些電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)站(zhan)(zhan)或由(you)(you)于(yu)當年是(shi)套用機(ji)組(zu)(zu)，或由(you)(you)于(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)站(zhan)(zhan)參數(shu)發(fa)生變(bian)化，使機(ji)組(zu)(zu)長期在低效率(lv)下(xia)運行，浪費能源，亟待早日解決。與此形成鮮明對比的(de)(de)是(shi)，近年來(lai)，隨著國民經濟(ji)(ji)的(de)(de)發(fa)展和(he)人(ren)民生活水平的(de)(de)不斷提(ti)高(gao)(gao)，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)力負荷(he)峰谷(gu)差愈來(lai)愈大(da)(da)，增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)中(zhong)小型電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)廠在電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)網系(xi)統中(zhong)的(de)(de)調(diao)峰、調(diao)頻(pin)(pin)能力也愈顯重要(yao)。而(er)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)力系(xi)統越來(lai)越多(duo)地要(yao)求水電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)組(zu)(zu)特別是(shi)中(zhong)小型水電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)組(zu)(zu)擔負調(diao)峰、調(diao)頻(pin)(pin)和(he)事(shi)(shi)故(gu)備用任(ren)務(wu)，這樣就增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)了機(ji)組(zu)(zu)啟動(dong)、停機(ji)次數(shu)，致(zhi)使水輪機(ji)部件(jian)(jian)動(dong)載荷(he)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)，運行條件(jian)(jian)變(bian)得苛(ke)刻，對那些設(she)(she)備陳(chen)舊的(de)(de)老電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)站(zhan)(zhan)，擔負這樣任(ren)務(wu)顯然力不從心。同時，近幾年大(da)(da)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)網對地方(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)網實(shi)行峰谷(gu)差價和(he)峰電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)超計劃加(jia)價政策(ce)，讓電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)網中(zhong)調(diao)節(jie)性(xing)能較好的(de)(de)水電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)站(zhan)(zhan)實(shi)行頂峰發(fa)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)，多(duo)發(fa)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)必(bi)將會顯著提(ti)高(gao)(gao)地方(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)網的(de)(de)負荷(he)率(lv)和(he)經濟(ji)(ji)效益。


２水輪機(ji)轉輪改型的(de)必要性和(he)可行性


２．１水輪機(ji)轉輪改型(xing)的必要性(xing)


從我(wo)國(guo)水電(dian)事業的(de)發(fa)展現(xian)狀來看，大批水電(dian)站存在(zai)的(de)主要(yao)問題(ti)及產生的(de)嚴重(zhong)后果主要(yao)是長期以來水輪機(ji)轉輪的(de)設計(ji)制造(zao)與使用(yong)條件相(xiang)脫節，主要(yao)表現(xian)在(zai)下面幾個方面［2］：


（１）水(shui)(shui)輪(lun)(lun)機(ji)轉輪(lun)(lun)效(xiao)率(lv)低。水(shui)(shui)輪(lun)(lun)機(ji)效(xiao)率(lv)是水(shui)(shui)輪(lun)(lun)機(ji)性能的(de)重(zhong)要指標，據統計(ji)從50年(nian)代至今，水(shui)(shui)輪(lun)(lun)機(ji)效(xiao)率(lv)每10年(nian)提(ti)高一個百分點，我國(guo)(guo)有一大批(pi)機(ji)組(zu)水(shui)(shui)輪(lun)(lun)機(ji)轉輪(lun)(lun)系國(guo)(guo)內50、60年(nian)代產品，與90年(nian)代國(guo)(guo)內外先進(jin)轉輪(lun)(lun)相比，差距很大，真機(ji)效(xiao)率(lv)約低2％～5％以上。造(zao)成可利用(yong)能源的(de)巨大浪費。


（２）水輪(lun)機(ji)與水輪(lun)發(fa)電(dian)機(ji)選(xuan)(xuan)型不(bu)(bu)合理。“六五”以前安裝的水輪(lun)發(fa)電(dian)機(ji)組(zu)，由于設計條件(jian)限(xian)制，有(you)些(xie)電(dian)站(zhan)選(xuan)(xuan)擇(ze)水輪(lun)機(ji)與發(fa)電(dian)機(ji)偏于保守，使(shi)水能(neng)不(bu)(bu)能(neng)充分利用，有(you)些(xie)電(dian)站(zhan)選(xuan)(xuan)擇(ze)水輪(lun)機(ji)與發(fa)電(dian)機(ji)容量匹(pi)配不(bu)(bu)當，從而大大限(xian)制了機(ji)組(zu)出力。


（３）水(shui)(shui)輪(lun)機(ji)運(yun)行(xing)(xing)可靠性(xing)差(cha)。水(shui)(shui)輪(lun)機(ji)受當時設計、制造(zao)水(shui)(shui)平限制，水(shui)(shui)輪(lun)機(ji)抗空(kong)化、抗磨損、抗振(zhen)動(dong)性(xing)能差(cha)，經幾(ji)十年運(yun)行(xing)(xing)，一些機(ji)組空(kong)化、磨損、振(zhen)動(dong)嚴重(zhong)，運(yun)行(xing)(xing)條件惡劣、事故隱(yin)患不斷增(zeng)加。嚴重(zhong)影響(xiang)水(shui)(shui)輪(lun)機(ji)的可靠運(yun)行(xing)(xing)。


（４）自然條件的(de)(de)變化(hua)。近(jin)年來隨著經濟的(de)(de)發(fa)(fa)展，有些電站(zhan)的(de)(de)上游(you)(you)大(da)力發(fa)(fa)展耗(hao)水(shui)(shui)(shui)量(liang)較(jiao)(jiao)大(da)的(de)(de)農業企業，工(gong)農業用(yong)水(shui)(shui)(shui)量(liang)突飛(fei)猛進。另外，隨著人們生(sheng)活質量(liang)的(de)(de)提高，生(sheng)活用(yong)水(shui)(shui)(shui)、環境用(yong)水(shui)(shui)(shui)、生(sheng)態用(yong)水(shui)(shui)(shui)等過去設(she)計電站(zhan)時(shi)忽略的(de)(de)部分消耗(hao)也一(yi)天比(bi)一(yi)天增多。這樣部分水(shui)(shui)(shui)輪(lun)發(fa)(fa)電機組經幾十年投(tou)運(yun)(yun)，上、下游(you)(you)水(shui)(shui)(shui)位已發(fa)(fa)生(sheng)較(jiao)(jiao)大(da)變化(hua)，原有轉輪(lun)運(yun)(yun)行(xing)已大(da)大(da)偏離設(she)計工(gong)況(kuang)，甚至無法正常運(yun)(yun)行(xing)。


綜(zong)上所(suo)述(shu)，８０年代以前(qian)建設的(de)一大(da)批電(dian)(dian)站，由于機電(dian)(dian)設備(bei)落后，技術老化(hua)(hua)，機組(zu)設計(ji)水(shui)平低(di)(di)，制造工藝差(cha)，技術參數低(di)(di)。以及部(bu)件老化(hua)(hua)機組(zu)出力(li)受阻和自然條件的(de)變化(hua)(hua)，已(yi)不能充分(fen)利用已(yi)開發的(de)水(shui)力(li)資源(yuan)，從而造成水(shui)力(li)資源(yuan)的(de)再(zai)度浪費。再(zai)加(jia)上電(dian)(dian)網(wang)調峰的(de)迫切需要。如何提高已(yi)開發的(de)水(shui)力(li)資源(yuan)的(de)經濟效益和社會效益成為許多老水(shui)電(dian)(dian)廠(chang)面(mian)臨的(de)重大(da)課題(ti)。


眾所周(zhou)知，水(shui)(shui)輪(lun)(lun)機(ji)轉(zhuan)輪(lun)(lun)水(shui)(shui)電(dian)站(zhan)的(de)(de)(de)核心設備。水(shui)(shui)輪(lun)(lun)機(ji)的(de)(de)(de)水(shui)(shui)力性(xing)(xing)能(neng)(neng)、振動與空化(hua)主要取決于轉(zhuan)輪(lun)(lun)性(xing)(xing)能(neng)(neng)，轉(zhuan)輪(lun)(lun)性(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)優劣對(dui)合(he)理(li)開發(fa)利用(yong)水(shui)(shui)能(neng)(neng)、保證(zheng)電(dian)網可靠性(xing)(xing)方面有著巨(ju)大(da)影響。因此，對(dui)老的(de)(de)(de)水(shui)(shui)輪(lun)(lun)機(ji)轉(zhuan)輪(lun)(lun)的(de)(de)(de)更新(xin)改造勢(shi)在必行(xing)。通過對(dui)水(shui)(shui)輪(lun)(lun)機(ji)轉(zhuan)輪(lun)(lun)的(de)(de)(de)改型(xing)，可提(ti)高機(ji)組效率(lv)，增(zeng)加電(dian)站(zhan)容量(liang)，改善機(ji)組運行(xing)的(de)(de)(de)安全穩(wen)定性(xing)(xing)。


２．２水輪機轉輪改(gai)型(xing)的可行性


首(shou)先，從經濟的(de)角(jiao)度分析，開發新電站投(tou)資大、周期長(chang)，而進(jin)行水(shui)輪(lun)機(ji)轉輪(lun)的(de)增(zeng)容(rong)(rong)改(gai)造由(you)于不(bu)需要(yao)再(zai)建(jian)大壩等水(shui)工建(jian)筑物，故投(tou)資很少，見效(xiao)很快，經濟效(xiao)益很高。一般認(ren)為，對老電站的(de)增(zeng)容(rong)(rong)改(gai)造其單位千瓦(wa)投(tou)資要(yao)比(bi)新建(jian)電站低２/３以(yi)上［３］。


因此，水電站(zhan)(zhan)水輪機(ji)轉輪的改型(xing)是一項(xiang)投(tou)入少產出多(duo)效(xiao)益顯著的項(xiang)目，是提高水電站(zhan)(zhan)運(yun)行可(ke)靠性和經濟(ji)性的最主要方向，已成為許多(duo)國家解決能(neng)源短缺(que)問(wen)題的手(shou)段之一。


其次(ci)，從技(ji)(ji)術(shu)上來說，近年來計(ji)算(suan)機與(yu)計(ji)算(suan)技(ji)(ji)術(shu)、流(liu)體機械(xie)三維流(liu)動(dong)分析與(yu)設(she)計(ji)理論(lun)、通(tong)訊與(yu)傳感器技(ji)(ji)術(shu)、現代控制理論(lun)和機械(xie)加(jia)工技(ji)(ji)術(shu)等都已取(qu)得(de)了(le)很大(da)的(de)進(jin)步(bu)。使(shi)得(de)現代轉輪的(de)設(she)計(ji)、測(ce)試和制造方面(mian)都取(qu)得(de)了(le)長足的(de)進(jin)步(bu)。這(zhe)些(xie)新(xin)的(de)技(ji)(ji)術(shu)主(zhu)要表(biao)現在：


（１）數值模擬技術(shu)。五六十年代，混(hun)流(liu)(liu)(liu)式轉輪的(de)設(she)計(ji)基(ji)礎是本(ben)世紀初羅(luo)倫茲提出(chu)的(de)通流(liu)(liu)(liu)理論，即(ji)假定轉輪中的(de)葉片數無(wu)(wu)窮多，無(wu)(wu)限薄，這樣將三維(wei)流(liu)(liu)(liu)動(dong)簡化成軸(zhou)對稱(cheng)流(liu)(liu)(liu)動(dong)。從８０年代以后，隨(sui)著計(ji)算機技術(shu)和計(ji)算流(liu)(liu)(liu)體動(dong)力學(xue)的(de)迅速發展，水(shui)力機械過流(liu)(liu)(liu)部件的(de)三維(wei)流(liu)(liu)(liu)動(dong)分(fen)析(xi)、三維(wei)設(she)計(ji)和優(you)化算法都有(you)了長足(zu)的(de)發展，已(yi)成為過流(liu)(liu)(liu)部件水(shui)力設(she)計(ji)與流(liu)(liu)(liu)動(dong)分(fen)析(xi)的(de)重要(yao)工(gong)具(ju)。目(mu)前(qian)，僅在(zai)水(shui)輪機研究(jiu)領域就有(you)清華、哈電(dian)和東方廠等國(guo)內近十家單位引進(jin)了先進(jin)的(de)ＣＦＤ分(fen)析(xi)軟件。


如(ru)哈電(dian)(dian)，利用(yong)ＣＦＤ分析軟件進行(xing)模(mo)型轉輪(lun)開發(fa)，完成了(le)三(san)峽(xia)右岸(an)轉輪(lun)的(de)轉化設計，對豐滿(man)、新安(an)江、丹江口、東江、烏溪江等一批老(lao)電(dian)(dian)站改造項目進行(xing)數(shu)值(zhi)模(mo)擬和優(you)化，完成了(le)洛溪渡、水布埡、小(xiao)灣、龍灘、公伯峽(xia)等電(dian)(dian)站水輪(lun)機(ji)的(de)水力設計。東方廠利用(yong)ＣＦＤ技術開發(fa)出福堂電(dian)(dian)站用(yong)Ｄ307模(mo)型轉輪(lun)，其最(zui)高效率為(wei)94．43％。空(kong)化性(xing)能(neng)也很高，其空(kong)化系數(shu)δ＝0．047，飛逸轉速特(te)性(xing)最(zui)大為(wei)106．4ｒ/ｍｉｎ，最(zui)大壓力脈(mo)動混(hun)頻雙振(zhen)幅值(zhi)為(wei)5．5％。


另外，西安(an)理工(gong)大(da)學從８０年代后期開始進(jin)(jin)行(xing)(xing)水(shui)輪(lun)機(ji)通流(liu)部件的(de)(de)(de)(de)(de)反(fan)問題(ti)研究［４］，先后提(ti)出并建立了(le)(le)基(ji)于Ｓ1流(liu)面反(fan)問題(ti)計(ji)算的(de)(de)(de)(de)(de)準三維(wei)設(she)(she)計(ji)模(mo)型(xing)和(he)(he)方(fang)法、基(ji)于Ｓ2流(liu)面反(fan)問題(ti)計(ji)算的(de)(de)(de)(de)(de)準三維(wei)設(she)(she)計(ji)模(mo)型(xing)和(he)(he)方(fang)法、基(ji)于混合譜方(fang)法的(de)(de)(de)(de)(de)全(quan)三維(wei)有旋(xuan)流(liu)動(dong)的(de)(de)(de)(de)(de)反(fan)問題(ti)計(ji)算模(mo)型(xing)和(he)(he)方(fang)法。近年來，在三維(wei)粘性流(liu)設(she)(she)計(ji)模(mo)型(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)基(ji)礎上，又(you)實現了(le)(le)設(she)(she)計(ji)方(fang)案的(de)(de)(de)(de)(de)計(ji)算機(ji)自尋優(you)，達到(dao)了(le)(le)根據廠站的(de)(de)(de)(de)(de)實際水(shui)力參數(shu)進(jin)(jin)行(xing)(xing)“量(liang)體載衣”式的(de)(de)(de)(de)(de)設(she)(she)計(ji)，取得了(le)(le)水(shui)力機(ji)械轉輪(lun)設(she)(she)計(ji)方(fang)法的(de)(de)(de)(de)(de)重大(da)突(tu)破。到(dao)目前為(wei)止，用(yong)該模(mo)型(xing)已先后為(wei)有關(guan)電站、多家(jia)水(shui)輪(lun)機(ji)廠和(he)(he)有關(guan)研究單位的(de)(de)(de)(de)(de)幾十臺水(shui)輪(lun)機(ji)轉輪(lun)進(jin)(jin)行(xing)(xing)了(le)(le)改型(xing)設(she)(she)計(ji)，全(quan)部達到(dao)了(le)(le)用(yong)戶提(ti)出的(de)(de)(de)(de)(de)改造目標。


這種針對(dui)某一(yi)電(dian)站進行專(zhuan)門設計與制造的水(shui)輪機(ji)選型方法，可以保證讓每(mei)一(yi)個電(dian)站都可以選出適合(he)自己電(dian)站條件的最優水(shui)輪機(ji)型式，從(cong)而達到最佳(jia)運(yun)(yun)行效果，取得(de)最大經濟效益。通過采用先進的計算機(ji)數(shu)值模擬技術(shu)對(dui)水(shui)輪機(ji)轉輪進行增(zeng)容(rong)改造，具(ju)有低(di)投入、高(gao)產出、見(jian)效快的特點。在(zai)改善運(yun)(yun)行性能的同時減少了(le)運(yun)(yun)行及維修費用、減少了(le)機(ji)組的停機(ji)時間，使電(dian)廠費用降低(di)并盡(jin)快受(shou)益。


（２）模型(xing)測(ce)(ce)試(shi)(shi)技(ji)(ji)(ji)(ji)術。當前(qian)流體機械測(ce)(ce)試(shi)(shi)技(ji)(ji)(ji)(ji)術發(fa)展迅(xun)速(su)，諸如(ru)壓力測(ce)(ce)量(liang)技(ji)(ji)(ji)(ji)術、流量(liang)測(ce)(ce)量(liang)技(ji)(ji)(ji)(ji)術和(he)粒子(zi)圖像測(ce)(ce)速(su)技(ji)(ji)(ji)(ji)術有(you)較大(da)的(de)(de)提升，多(duo)媒體技(ji)(ji)(ji)(ji)術和(he)計(ji)算(suan)機網絡技(ji)(ji)(ji)(ji)術進(jin)一步(bu)應(ying)用(yong)到流體機械測(ce)(ce)試(shi)(shi)系(xi)統中。總之(zhi)，以計(ji)算(suan)機為核心的(de)(de)自(zi)動測(ce)(ce)試(shi)(shi)系(xi)統已(yi)(yi)成為現代測(ce)(ce)試(shi)(shi)系(xi)統的(de)(de)一個(ge)特點(dian)和(he)通(tong)用(yong)形式。國內(nei)的(de)(de)哈(ha)電(dian)、東(dong)方、雙富等廠家和(he)清華、河海、水(shui)(shui)科(ke)院(yuan)等科(ke)研院(yuan)校都(dou)建設(she)或對(dui)原水(shui)(shui)輪機模型(xing)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)臺的(de)(de)電(dian)氣、測(ce)(ce)試(shi)(shi)系(xi)統進(jin)行(xing)了全面的(de)(de)改造。其綜合(he)測(ce)(ce)試(shi)(shi)精(jing)度、運(yun)行(xing)穩(wen)定性(xing)和(he)重(zhong)復精(jing)度大(da)大(da)提高。目前(qian)，全國已(yi)(yi)有(you)５座通(tong)過(guo)部級(ji)鑒定的(de)(de)現代化試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)臺，其效(xiao)率(lv)綜合(he)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)誤差在±0．25％～±0．3％，為水(shui)(shui)輪機模型(xing)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)和(he)電(dian)站改造驗(yan)(yan)(yan)證(zheng)(zheng)研究提供了良好(hao)的(de)(de)條件(jian)。如(ru)哈(ha)電(dian)研制成功了轉(zhuan)輪內(nei)部流態(tai)觀察(cha)成像系(xi)統［5］，可通(tong)過(guo)光纖內(nei)窺鏡和(he)攝(she)像頭(tou)采集轉(zhuan)輪進(jin)口(kou)處的(de)(de)脫流、葉道渦(wo)、空化和(he)出口(kou)處的(de)(de)空化、渦(wo)帶的(de)(de)信(xin)息，驗(yan)(yan)(yan)證(zheng)(zheng)ＣＦＤ的(de)(de)分析結果。也可通(tong)過(guo)觀察(cha)轉(zhuan)輪在各工況的(de)(de)流態(tai)，為改型(xing)設(she)計(ji)提供依據。


（３）剛(gang)(gang)強度(du)計(ji)(ji)算技術(shu)［５］。水輪機(ji)(ji)轉輪不僅要(yao)有(you)好的(de)(de)(de)(de)水力(li)(li)性能，還應(ying)具備高(gao)的(de)(de)(de)(de)剛(gang)(gang)強度(du)性能，這樣才能保證機(ji)(ji)組(zu)高(gao)效安全地運(yun)行(xing)。因此對轉輪的(de)(de)(de)(de)剛(gang)(gang)強度(du)計(ji)(ji)算以(yi)及計(ji)(ji)算的(de)(de)(de)(de)準確性尤為(wei)(wei)(wei)重要(yao)。傳統的(de)(de)(de)(de)設計(ji)(ji)方法采用(yong)簡(jian)單的(de)(de)(de)(de)材料力(li)(li)學理論將葉(xie)片作為(wei)(wei)(wei)一(yi)懸臂梁(liang)在全水頭均壓下計(ji)(ji)算根部應(ying)力(li)(li)，計(ji)(ji)算結(jie)果(guo)與實(shi)際有(you)較大出入，或(huo)通(tong)過模(mo)型試驗和(he)電(dian)(dian)站實(shi)測(ce)來為(wei)(wei)(wei)設計(ji)(ji)者提供參(can)考。而(er)且還無法計(ji)(ji)算葉(xie)片的(de)(de)(de)(de)靜(jing)位移(yi)和(he)固有(you)頻率。近年(nian)來隨著有(you)限元的(de)(de)(de)(de)發展，機(ji)(ji)械(xie)構件的(de)(de)(de)(de)剛(gang)(gang)強度(du)計(ji)(ji)算技術(shu)有(you)了很大的(de)(de)(de)(de)提高(gao)。用(yong)計(ji)(ji)算機(ji)(ji)模(mo)擬技術(shu)代(dai)替模(mo)型試驗和(he)電(dian)(dian)站實(shi)測(ce)以(yi)成為(wei)(wei)(wei)可能。目(mu)前以(yi)ＡＮＳＹＳ和(he)ＩＤＥＡＳ為(wei)(wei)(wei)代(dai)表(biao)的(de)(de)(de)(de)一(yi)大批大型有(you)限元結(jie)構分析計(ji)(ji)算軟件在轉輪剛(gang)(gang)強度(du)計(ji)(ji)算中得到


了(le)廣泛(fan)的(de)應用(yong)，實(shi)現了(le)水力(li)與強度的(de)交互式(shi)設計(ji)(ji)(ji)，計(ji)(ji)(ji)算(suan)結(jie)(jie)果更為準確(que)，葉片應力(li)狀況也更趨合(he)理。同(tong)時(shi)采用(yong)有限元(yuan)邊界元(yuan)法相結(jie)(jie)合(he)來(lai)計(ji)(ji)(ji)算(suan)過(guo)流(liu)部件的(de)流(liu)固耦合(he)振(zhen)動(dong)，由于考慮了(le)結(jie)(jie)構(gou)(gou)在流(liu)體中(zhong)振(zhen)動(dong)的(de)附連水質量，可用(yong)計(ji)(ji)(ji)算(suan)來(lai)估(gu)算(suan)結(jie)(jie)構(gou)(gou)在水中(zhong)的(de)固有頻率，這種方(fang)法可在改造項目中(zhong)對機組的(de)穩定(ding)性進行預測(ce)。


（４）葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)模壓(ya)(ya)成(cheng)形技(ji)術。水輪(lun)(lun)(lun)機(ji)(ji)轉輪(lun)(lun)(lun)是(shi)水輪(lun)(lun)(lun)機(ji)(ji)的(de)心臟(zang)，因此它的(de)制(zhi)(zhi)造質量至(zhi)關重(zhong)要。直接影響著(zhu)轉輪(lun)(lun)(lun)的(de)效率(lv)、抗空化(hua)(hua)性(xing)能和運行(xing)穩定性(xing)。過去大多(duo)采用(yong)鑄(zhu)造方(fang)法(fa)(fa)制(zhi)(zhi)造葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)，打磨(mo)(mo)光滑(hua)后與上冠(guan)、下環拼焊。該工藝方(fang)法(fa)(fa)有(you)很多(duo)缺(que)點：型線偏差大、表面(mian)粗糙、打磨(mo)(mo)廢(fei)工、抗空化(hua)(hua)性(xing)能差，并且鑄(zhu)造的(de)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)帶有(you)鑄(zhu)造缺(que)陷，使(shi)(shi)得(de)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)使(shi)(shi)用(yong)性(xing)能變壞，對于大型葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)，葉(xie)(xie)(xie)(xie)型精(jing)確度(du)更難控制(zhi)(zhi)，最終(zhong)也不易(yi)達到要求。近幾年來，模壓(ya)(ya)成(cheng)型技(ji)術廣(guang)泛用(yong)于水輪(lun)(lun)(lun)機(ji)(ji)轉輪(lun)(lun)(lun)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)制(zhi)(zhi)造，它是(shi)一項(xiang)可以獲(huo)得(de)葉(xie)(xie)(xie)(xie)型準(zhun)確、鏟磨(mo)(mo)量小、價格適(shi)中、生產周(zhou)期較短(duan)的(de)轉輪(lun)(lun)(lun)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)制(zhi)(zhi)造技(ji)術。其方(fang)法(fa)(fa)是(shi)將葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)母材進行(xing)初(chu)步加工，然(ran)后放(fang)在用(yong)數控機(ji)(ji)床銑好的(de)壓(ya)(ya)模內用(yong)壓(ya)(ya)力機(ji)(ji)壓(ya)(ya)型，最后做局部修(xiu)磨(mo)(mo)。這(zhe)種(zhong)方(fang)式制(zhi)(zhi)成(cheng)的(de)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)型線好，材質好，抗空化(hua)(hua)磨(mo)(mo)損(sun)性(xing)能強，效率(lv)也易(yi)得(de)到保證。如哈電應用(yong)ＩＤＥＡＳ和ＤＥＦＯＲＭ－３Ｄ兩個有(you)限元軟件(jian)開發(fa)了動態計算模壓(ya)(ya)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)中心和壓(ya)(ya)力噸位的(de)計算方(fang)法(fa)(fa)，已獲(huo)得(de)了成(cheng)功。


（５）葉(xie)片(pian)(pian)數控(kong)加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)技(ji)(ji)術(shu)(shu)。對于(yu)葉(xie)片(pian)(pian)的(de)(de)加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)過(guo)去采(cai)(cai)用(yong)(yong)(yong)“立(li)體(ti)樣板(ban)－鏟磨”工(gong)(gong)(gong)(gong)藝(yi)，這(zhe)是(shi)一種通(tong)過(guo)投入大(da)量(liang)(liang)手工(gong)(gong)(gong)(gong)勞動(dong)力，依據(ju)立(li)體(ti)樣板(ban)作(zuo)(zuo)為(wei)(wei)測量(liang)(liang)工(gong)(gong)(gong)(gong)具，把鑄件毛坯變成(cheng)(cheng)葉(xie)片(pian)(pian)成(cheng)(cheng)品的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)藝(yi)。根(gen)據(ju)文獻［６］，使(shi)用(yong)(yong)(yong)這(zhe)種加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)工(gong)(gong)(gong)(gong)藝(yi)存在(zai)著測量(liang)(liang)精(jing)度(du)差、使(shi)用(yong)(yong)(yong)操(cao)作(zuo)(zuo)困(kun)難和(he)費(fei)用(yong)(yong)(yong)大(da)的(de)(de)三(san)大(da)致命(ming)缺點。近(jin)年來(lai)，國內外各(ge)(ge)水(shui)輪機制造(zao)廠(chang)家已(yi)取(qu)消了(le)(le)傳統(tong)的(de)(de)立(li)體(ti)樣板(ban)，采(cai)(cai)用(yong)(yong)(yong)數控(kong)加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)技(ji)(ji)術(shu)(shu)，它是(shi)一種通(tong)過(guo)計算(suan)機系統(tong)的(de)(de)軟件控(kong)制機床自動(dong)操(cao)作(zuo)(zuo)完(wan)成(cheng)(cheng)的(de)(de)一種理想的(de)(de)加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)工(gong)(gong)(gong)(gong)藝(yi)。由于(yu)它能(neng)(neng)把葉(xie)片(pian)(pian)的(de)(de)理論曲面(mian)圖形通(tong)過(guo)數據(ju)輸出準確無誤地傳送(song)到執(zhi)行指令的(de)(de)操(cao)作(zuo)(zuo)機構上，解決(jue)了(le)(le)葉(xie)片(pian)(pian)測量(liang)(liang)與(yu)理論位置(zhi)的(de)(de)自動(dong)找正問(wen)題和(he)測點加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)余(yu)量(liang)(liang)的(de)(de)自動(dong)計算(suan)問(wen)題，使(shi)大(da)型水(shui)輪機的(de)(de)葉(xie)片(pian)(pian)制造(zao)精(jing)度(du)較傳統(tong)立(li)體(ti)樣板(ban)工(gong)(gong)(gong)(gong)藝(yi)有了(le)(le)較大(da)提高。如劉家峽(xia)２＃轉輪和(he)天生(sheng)橋(qiao)的(de)(de)５＃、６＃轉輪都(dou)是(shi)采(cai)(cai)用(yong)(yong)(yong)數控(kong)加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)。再者，從工(gong)(gong)(gong)(gong)程應用(yong)(yong)(yong)方面(mian)來(lai)說，近(jin)年來(lai)，老電(dian)(dian)站(zhan)機組的(de)(de)技(ji)(ji)術(shu)(shu)改造(zao)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)已(yi)引起(qi)了(le)(le)世界各(ge)(ge)國的(de)(de)普遍關注，尤其(qi)在(zai)一些水(shui)力資源開發程度(du)較高的(de)(de)國家，更(geng)為(wei)(wei)重視(shi)。我(wo)國的(de)(de)電(dian)(dian)站(zhan)更(geng)新改造(zao)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)與(yu)國外先進國家相比(bi)雖然(ran)起(qi)步較晚。但(dan)也于(yu)８０年代初開始探索性的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)。２０年來(lai)，各(ge)(ge)類水(shui)電(dian)(dian)站(zhan)的(de)(de)技(ji)(ji)術(shu)(shu)改造(zao)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)已(yi)取(qu)得(de)了(le)(le)不少的(de)(de)成(cheng)(cheng)績和(he)經驗，為(wei)(wei)各(ge)(ge)電(dian)(dian)廠(chang)和(he)科研(yan)單位培(pei)養了(le)(le)大(da)批技(ji)(ji)術(shu)(shu)人員和(he)技(ji)(ji)術(shu)(shu)工(gong)(gong)(gong)(gong)人，從而為(wei)(wei)我(wo)國各(ge)(ge)電(dian)(dian)廠(chang)的(de)(de)增容改造(zao)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)奠定了(le)(le)基(ji)礎，使(shi)各(ge)(ge)水(shui)電(dian)(dian)站(zhan)的(de)(de)技(ji)(ji)術(shu)(shu)改造(zao)工(gong)(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)的(de)(de)順利完(wan)成(cheng)(cheng)成(cheng)(cheng)為(wei)(wei)可能(neng)(neng)。


３結論


開發新電(dian)站(zhan)投資大(da)、周期長，而老電(dian)站(zhan)增容(rong)更新改造(zao)(zao)(zao)由于(yu)不需(xu)要再(zai)建大(da)壩(ba)等(deng)水(shui)(shui)工(gong)建筑物，故投資少、周期短、收益大(da)。可(ke)見，水(shui)(shui)電(dian)站(zhan)更新改造(zao)(zao)(zao)已成(cheng)(cheng)(cheng)為(wei)許多國(guo)家(jia)解決(jue)能(neng)源短缺的(de)重要手段之(zhi)一，而水(shui)(shui)輪(lun)(lun)機(ji)轉輪(lun)(lun)是水(shui)(shui)電(dian)站(zhan)的(de)主要設(she)備之(zhi)一，水(shui)(shui)輪(lun)(lun)機(ji)轉輪(lun)(lun)性(xing)能(neng)的(de)優劣對合理開發利(li)用(yong)水(shui)(shui)能(neng)、提高水(shui)(shui)電(dian)站(zhan)運行可(ke)靠性(xing)和(he)(he)經濟性(xing)、保(bao)證電(dian)網(wang)可(ke)靠性(xing)方面有著(zhu)巨大(da)影響(xiang)。所(suo)以，水(shui)(shui)電(dian)站(zhan)水(shui)(shui)輪(lun)(lun)機(ji)轉輪(lun)(lun)改型(xing)(xing)設(she)計(ji)已成(cheng)(cheng)(cheng)為(wei)水(shui)(shui)電(dian)站(zhan)更新改造(zao)(zao)(zao)的(de)主要任務與(yu)關(guan)鍵途徑之(zhi)一。與(yu)此同時，現代計(ji)算機(ji)數值模擬技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)、模型(xing)(xing)測試技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)、剛強度計(ji)算技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)和(he)(he)制造(zao)(zao)(zao)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)不斷進(jin)步，為(wei)水(shui)(shui)輪(lun)(lun)機(ji)轉輪(lun)(lun)的(de)改型(xing)(xing)設(she)計(ji)創造(zao)(zao)(zao)了(le)條(tiao)件(jian)。因此，我(wo)們(men)應充分利(li)用(yong)現代科學(xue)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)成(cheng)(cheng)(cheng)果(guo)，結(jie)合我(wo)國(guo)八(ba)十(shi)年代之(zhi)前建造(zao)(zao)(zao)的(de)中(zhong)小型(xing)(xing)水(shui)(shui)電(dian)站(zhan)的(de)實際情況進(jin)行機(ji)組特別(bie)是水(shui)(shui)輪(lun)(lun)機(ji)的(de)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)改造(zao)(zao)(zao)。確保(bao)水(shui)(shui)輪(lun)(lun)機(ji)的(de)高性(xing)能(neng)、高質量(liang)和(he)(he)安全可(ke)靠運行。