淺淡對原型水輪機(jī)的研究方法

黃源芳，劉 潔,2

(1. 中國長江三峽工程開發(fā)總公司，湖北 宜昌 443002；2. 華中科技大學(xué)，武漢 430074)

淺淡對原型水輪機(jī)的研究方法

黃源芳1，劉 潔1,2

(1. 中國長江三峽工程開發(fā)總公司，湖北 宜昌 443002；2. 華中科技大學(xué)，武漢 430074)

文章在介紹水力機(jī)械三大類研究方法后，著重闡述對已成為存在事實的原型水輪機(jī)研究方法。文章以較豐富的實例介紹了統(tǒng)計分析法、試驗分析法和綜合分析法的內(nèi)容和要點(diǎn)。最后，對水力機(jī)械領(lǐng)域在研究中存在的一些問題，及對研究應(yīng)用這種研究方法提出了建議。

存在事實；水力機(jī)械；研究方法

1 水輪機(jī)研究方法概述

水力機(jī)械（Hydraulic Machinery）通常是水電設(shè)備中水輪機(jī)、水泵、水泵水輪機(jī)及其輔助設(shè)備的總稱。對水力機(jī)械的研究方法，大同小異，本文以水輪機(jī)為例予以研究。

水輪機(jī)是以水為工作介質(zhì)的原動機(jī)，已有近一百八十多年的歷史。一百八十年來，對其研究方法歸納起來，大體可分為三大類：第一類是計算理論研究。從伯努里方程( Bernoulli equation )，到采用求解納維爾斯托克斯方程（Navier Stokes equation）、建立湍流模型進(jìn)行CFD分析，其趨勢是在基礎(chǔ)理論研究的基礎(chǔ)上誕生新的應(yīng)用理論和研究方法，或創(chuàng)造出新的水力機(jī)械，或不斷提出改進(jìn)、優(yōu)化水輪機(jī)性能的方法和途徑。現(xiàn)代CFD分析計算的發(fā)展，是使其計算條件和分析結(jié)果更貼近實際。第二類是模型試驗研究。無論是水力的、結(jié)構(gòu)的問題，都可以通過建立水力模型、結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模型試驗、模態(tài)分析，其趨勢是使給定的模型試驗條件與原型實際運(yùn)行條件更加接近，并在其模型試驗結(jié)果與原型運(yùn)行的實際之間，找出一定的相應(yīng)的因果（相似）關(guān)系（Scale effect），以便通過試驗驗證，改善和提高水輪機(jī)的性能和運(yùn)行穩(wěn)定性，同時優(yōu)化結(jié)構(gòu)部件設(shè)計。第三類是原型研究，即對事實上已存在的水輪機(jī)進(jìn)行研究。通過對原型進(jìn)行的各種試驗，了解其實際性能特性；或通過對已投入運(yùn)行的水輪機(jī)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，分析產(chǎn)生各種異常現(xiàn)象的因果關(guān)系，減緩或消除引起麻煩、導(dǎo)致異常的不利因素，并將新的認(rèn)識反饋到新的水輪機(jī)的設(shè)計中，推動水輪機(jī)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。

過去人們對水力機(jī)械的研究往往更多側(cè)重于利用數(shù)理知識、流體動力學(xué)的基礎(chǔ)進(jìn)行計算和理論的研究，這種帶有基礎(chǔ)性的應(yīng)用理論研究，目的是為了尋找和探求新的理論突破或開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域。同時由于過去我國試驗裝備、試驗技術(shù)相對落后，試驗研究和試驗結(jié)果的重要性和對相關(guān)理論的指導(dǎo)性沒有得到足夠的重視，試驗結(jié)果也往往只是一種參考，實際并未把其試驗的結(jié)果與原型運(yùn)行的實際表現(xiàn)聯(lián)系起來。隨著改革開放，我們走出去看到了西方的先進(jìn)試驗裝備，精確制作的模型，引進(jìn)和接受隨工程項目逐步轉(zhuǎn)讓的技術(shù)及技術(shù)載體，人們更有信心把試驗、實驗研究成果直接用于設(shè)計。人們更加認(rèn)真地通過仔細(xì)觀察模型試驗過程的各種表像，來預(yù)測原型的運(yùn)行特性。即使對水電站原型運(yùn)行中出現(xiàn)的各種異常，也還可通過還原試驗、比較研究找到原因，應(yīng)用于改進(jìn)新的原型設(shè)計、制造。這種研究方法的應(yīng)用，找到了解決問題的辦法和途徑，并在實際工程上取得了預(yù)期的結(jié)果。

人們往往對第三種研究方法缺乏認(rèn)識。即對“存在的事實”的研究，還不能引起有關(guān)部門、企業(yè)的足夠重視。或者是匱于缺乏經(jīng)費(fèi)，或者是缺乏權(quán)威部門的組織，或者研究分析方法本身還存在某些不足。可喜的是，過去幾年對大型水電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行過較大規(guī)模的調(diào)查研究，對大型水電機(jī)組進(jìn)行過現(xiàn)場性能測試和動應(yīng)力測試，對受河流泥沙磨損影響嚴(yán)重的水輪機(jī)，進(jìn)行全國范圍的問卷調(diào)查和重點(diǎn)調(diào)研。水力機(jī)械行業(yè)已逐漸認(rèn)同這種看似簡單但卻十分實用的研究方法。因而有更多的投入試運(yùn)行的新機(jī)組，有問題修復(fù)后重新投入運(yùn)行的老機(jī)組，準(zhǔn)備進(jìn)行更新改造的機(jī)組都希望通過按規(guī)程規(guī)范或合同要求進(jìn)行的現(xiàn)場試驗、原型實驗，達(dá)到或驗證設(shè)備，或找準(zhǔn)問題，或弄清現(xiàn)狀，或改善性能，或協(xié)調(diào)電站與電網(wǎng)的調(diào)度關(guān)系的目的。

本文重點(diǎn)是研究第三種研究方法，即基于存在事實的水力機(jī)械研究方法。

2 水力機(jī)械研究中“基于存在的事實”

這種研究方法的特點(diǎn)就是“基于存在的事實”。何謂“存在的事實”呢？所謂事實，就是已實際存在的“水力機(jī)械”，就是那看得見、摸得著、算得出、量得到的水力機(jī)械的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)。例如，迄今世界上尺寸最大的水輪機(jī)是中國葛洲壩水電站的 176MW 轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)。世界上單機(jī)容量最大的水輪發(fā)電機(jī)組是中國三峽水電站最大容量840MVA的機(jī)組。這就是已存在的事實。

美國大古力電站水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪是最早在電站工地組焊加工、靜平衡的 700MW 混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。黃河小浪底電站6臺300MW水輪機(jī)、紅水河龍灘電站7臺700MW水輪機(jī)、黃河拉西瓦電站6臺700MW水輪機(jī)、三峽右岸電站12臺水輪機(jī)中的4臺700MW水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪都采用相同的方法，即在電站現(xiàn)場設(shè)機(jī)械加工車間，將若干散件組焊加工成整體轉(zhuǎn)輪的形式。有的已成為現(xiàn)實，如大古力、小浪底電站的水輪機(jī)。有的已形成“決策”（合同），如龍灘、拉西瓦、三峽，這從某種意義上說也已成為事實。

經(jīng)常看到國內(nèi)許多論證報告或技術(shù)刊物上的文章，特別是高水頭水輪機(jī)論證中通常引述的蘇聯(lián)的羅貢（有的文章稱為羅貢斯克）電站，“裝設(shè)有6臺轉(zhuǎn)輪直徑6.6m、圓筒閥直徑11.0m的300m水頭的600MW水電機(jī)組，1976年9月開工，1989年投入運(yùn)行”。這是事實（工程計劃），也不是事實（實際未投入運(yùn)行）。

據(jù)某設(shè)計院的論證資料，世界上裝設(shè)有圓筒閥的水輪機(jī)（含合同中已規(guī)定裝設(shè)）約有 100多臺，最多是在加拿大，其次是在中國，共有 6個國家（“蘇聯(lián)”按一個國家統(tǒng)計）的水輪機(jī)裝有圓筒閥。這基本上也是事實。

巴基斯坦塔貝拉電站水輪機(jī)、黃河小浪底電站水輪機(jī)在投入運(yùn)行初期，水輪機(jī)葉片就出現(xiàn)裂紋。云南大朝山電站水輪機(jī) 72h運(yùn)行時，葉片也出現(xiàn)裂紋。廣西巖灘電站4臺水輪機(jī)，每臺機(jī)（新轉(zhuǎn)輪更換前）幾乎每個葉片都有裂紋，多年累計裂紋總長度達(dá)200多米。以上這些也是人所共知的“存在的事實”。

三峽水輪機(jī)從招標(biāo)文件編制開始，到左岸電站14臺機(jī)組全部投入運(yùn)行，每走一步都是業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點(diǎn)。在合同執(zhí)行過程中，左岸有一臺頂蓋，在廠內(nèi)制造過程中被報廢了。有一臺轉(zhuǎn)輪的下環(huán)鑄件，探傷發(fā)現(xiàn)有900多條大小裂紋被拒收了。有一臺水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠毛坯，重180多噸的不銹鋼鑄件，檢測發(fā)現(xiàn)有一條長約1m的貫穿性裂紋，也被拒收了。三峽左岸的水輪機(jī)到安裝時才發(fā)現(xiàn)有一臺水輪機(jī)的座環(huán)連接板處的焊縫有較嚴(yán)重裂紋，現(xiàn)場處理合格后再進(jìn)行下一道工序。三峽水輪機(jī)在投入運(yùn)行后有2臺水輪機(jī)的蝸殼導(dǎo)流板被撕裂了。調(diào)速器在運(yùn)行中也出現(xiàn)過問題。水冷的定子繞組的發(fā)電機(jī)的純水系統(tǒng)水泵也出現(xiàn)過問題。即使是三峽如此重要的項目，也不可避免會出一點(diǎn)問題。這些也都是“存在的事實”，當(dāng)然這是存在的歷史事實。

研究“存在的事實”是為了某種特定的目的；或是找出事故原因，采取措施改正，避免錯誤重現(xiàn)；或是為改進(jìn)提高運(yùn)行效能，充分合理利用水力資源；或是延長水力機(jī)械設(shè)備壽命，降低運(yùn)行成本。研究目的盡管不同，但影響研究成果最根本的因素都是需要對引證的事實進(jìn)行核實分析，絕不能把“道聽途說”視為事實。有的貌似“存在的事實”，實際上可能反映的并“不是事實”。例如，某研究報告為了求證射流泵是一種適合某項大工程水輪機(jī)頂蓋排水和技術(shù)供水的可靠的設(shè)備，引證了二十多年前在東北白山、西北龍羊峽水電站就曾使用過射流泵的工程實例，還引證龍羊峽射流泵的應(yīng)用還獲得過科技進(jìn)步獎的事實。這些都有設(shè)計文件、當(dāng)事人和科技進(jìn)步獎證書為證。作為引證這種“存在的事實”說明射流泵在大型電站的應(yīng)用是成功的，當(dāng)然自有其道理，因為已運(yùn)行了二十多年，并獲得過科技進(jìn)步獎。“既有技術(shù)進(jìn)步，又有運(yùn)行實踐”，似對射流泵應(yīng)用于某項大型工程“很有說服力”。但是，這個曾經(jīng)是“存在的”事實，隨著時間的推移和運(yùn)行實踐，情況卻發(fā)生了變化。事實上二十多年前裝設(shè)的這套射流泵裝置，因其運(yùn)行噪聲大、振動大早已拆除了十多年，早已改用減壓閥供水了。射流泵在白山、龍羊峽電站的應(yīng)用，已成為“歷史事實”，而不是“存在的事實”了。這樣，為求證某個大型項目適宜應(yīng)用射流泵的依據(jù)就不再存在了。

研究“存在的事實”需要依據(jù)事實本身的特性為依歸。黃河小浪底電站的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是制造廠將葉片、上冠、下環(huán)等散件運(yùn)輸?shù)焦さ兀诂F(xiàn)場加工廠內(nèi)組焊、加工成整體轉(zhuǎn)輪，經(jīng)靜平衡后交付給需方的。制造廠在現(xiàn)場組裝、焊接、加工形成的整體轉(zhuǎn)輪在小浪底是“存在的事實”。小浪底水輪機(jī)在運(yùn)行初期，多個葉片曾出現(xiàn)裂紋，這是另一個“存在的事實”。在水輪機(jī)行業(yè)內(nèi)也曾有過這樣的一種看法，即把上述這兩個“存在的事實”作為“因果關(guān)系”聯(lián)系起來。認(rèn)為制造廠在現(xiàn)場制作整體轉(zhuǎn)輪這個“事實”是導(dǎo)致葉片出現(xiàn)裂紋這個“事實”的“原因”。在當(dāng)初探討小浪底水輪機(jī)葉片出現(xiàn)裂紋成因時，多種假設(shè)、逐個排除的方法是合適的。后來小浪底水輪機(jī)出現(xiàn)裂紋的原因己經(jīng)查明，即在機(jī)組啟動過程中，由于葉片上出現(xiàn)13Hz的低頻高幅振動與軸系一階扭振的也是接近13Hz的頻率發(fā)生共振，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪個個葉片都產(chǎn)生裂紋，采取相應(yīng)措施后問題己得到基本解決。這實際上已明確排除了現(xiàn)場加工的轉(zhuǎn)輪的“制造質(zhì)量”是導(dǎo)致葉片出現(xiàn)裂紋的因素。把這種實際上并不相關(guān)的“事實”生硬地扯在一起，就離開了“事實”本身的特性。人們當(dāng)然不會同意這種看法。否則龍灘、拉西瓦電站的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，三峽右岸12臺中的4臺水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪就不會用現(xiàn)場組焊加工成整體轉(zhuǎn)輪的工藝方案了。這個方案被事實證明技術(shù)上是成熟的。當(dāng)然，由制造廠商負(fù)責(zé)在現(xiàn)場加工中也會出現(xiàn)某些加工質(zhì)量問題，就如同制造廠商在工廠車間加工也會出現(xiàn)某些加工質(zhì)量問題一樣，則依具體情況分別處理就行了。這個現(xiàn)場加工方案的技術(shù)可行性和過去成功的經(jīng)驗并不影響研究葉片出現(xiàn)裂紋這個“存在的事實”。

某項大型水電工程水輪機(jī)在2003年7月投產(chǎn)前，國內(nèi)外許多專家十分關(guān)注這個設(shè)計難度大、零部件分散在世界各地制造的水輪機(jī)在投入運(yùn)行后會不會出什么問題。這種擔(dān)心是可以理解的。專家們依據(jù)的“存在事實”是美國大古力第三電廠700MW水輪機(jī)出現(xiàn)過裂紋，委內(nèi)瑞拉古里電站 640MW 水輪機(jī)出現(xiàn)過裂紋，巴基斯坦塔貝拉電站440MW水輪機(jī)運(yùn)行1000多小時出現(xiàn)過裂紋，黃河小浪底電站 306MW 水輪機(jī)在運(yùn)行不到1000h出現(xiàn)裂紋，云南大朝山電站230MW水輪機(jī)72h試運(yùn)行就出現(xiàn)裂紋。而提供這些出現(xiàn)過裂紋的水輪機(jī)的設(shè)計、制造者，竟不幸又是某大型水電工程左岸水輪機(jī)的供貨商。依據(jù)這些“存在的事實”進(jìn)行推演評估：“三峽水輪機(jī)（該水輪機(jī)在投入運(yùn)行時）不出裂紋才怪呢”。這類意見之所以受到重視則是：“寧可信其有，不可信其無”。“對于三峽（這項）巨型工程，怎么強(qiáng)調(diào)(困難)也不過分”。實際上，另一個“存在的事實”卻是：小浪底、大朝山葉片裂紋的成因找到了，采用合適的措施解決了。塔貝拉水輪機(jī)經(jīng)過修復(fù)后，沒有看到裂紋擴(kuò)大、頻繁大修的報道。這里只引證“出了事”這個事實。如果不探究“解決了否”？更不研究如何解決？這樣就不能給人們提供全面準(zhǔn)確的事實作為判據(jù)。

研究“存在的事實”，要分析成為事實的“依據(jù)”是否可靠。某刊物某篇文章論證高水頭混流式水輪機(jī)應(yīng)用時，引證了許多電站水輪機(jī)的水頭范圍、性能參數(shù)，其中最醒目的是“羅貢電站”。“羅貢電站”以世界最高的土石壩、世界最高的壩（335m）而聞名。在水力機(jī)械行業(yè)，則以高水頭（300m）容量最大（660MW）的水輪機(jī)引人注目。引證的“事實”是從某技術(shù)書刊和雜志的文章以及蘇聯(lián)解體前大量技術(shù)刊物的大量文章。我去過俄羅斯列寧格勒金屬工廠和莫斯科全蘇中央設(shè)計總院，蘇聯(lián)解體后還通過我國駐塔吉克大使館了解過羅貢電站情況。我曾接過一個電話詢問關(guān)于“羅貢電站水輪機(jī)”的情況。客觀的事實是，某篇文章引證的數(shù)據(jù)是羅貢電站設(shè)計的水輪機(jī)參數(shù)。由于蘇聯(lián)解體，原屬蘇聯(lián)的塔吉克境內(nèi)著名的大水電站，例如努列克電站和羅貢電站己為塔吉克共和國所擁有。努列克電站仍在運(yùn)行，羅貢電站的施工現(xiàn)場，由于塔吉克內(nèi)戰(zhàn)而曾被損壞，迄今無力復(fù)工，當(dāng)然就沒有投入運(yùn)行。引證羅貢電站的直徑 6.6 m、水頭 300m的水輪機(jī)和直徑11m 的圓筒閥作為論據(jù)，在某種意義上是“事實”。但羅貢電站的這個“事實”并未成為“存在的”事實。由此可見，對“存在的事實”的研究、引證不能只從“文章”到文章，也需有可靠的旁門(“依據(jù)”)佐證。

3 基于“存在的事實”的研究方法

事實本身已能說明問題，現(xiàn)實存在的就應(yīng)該是“合理”的，為什么還要討論研究方法呢？在技術(shù)領(lǐng)域，當(dāng)兩個或多個技術(shù)方案比較時，特別是各方持不同意見激烈爭論時，往往認(rèn)為最終確定為“實施”的方案就是合理的，反之則是不合理的。事實勝于雄辯。

對已成為“存在的事實”應(yīng)該怎么對待，從“存在的事實”能導(dǎo)出什么樣的結(jié)論，能否從中得到“正確”的結(jié)論甚至可作為“普遍規(guī)律”來推而廣，研究方法之一是“統(tǒng)計分析法”。就是將“相同的”以及“相似的”諸多事實集合在一起進(jìn)行分析，從而得出反映事實本質(zhì)的規(guī)律性的東西。這是應(yīng)用最普遍的對“存在事實”的研究方法。對水力機(jī)械研究來說，就是把水輪機(jī)這一大類放在一起研究，把水泵作為另一大類放在一起研究；細(xì)分起來，就是把混流式、軸流式、沖擊式水輪機(jī)各自單獨(dú)集合在一起進(jìn)行研究。譬如，在通常的技術(shù)論證報告中，把諸多電站水輪機(jī)參數(shù)集合在“水頭 H～比轉(zhuǎn)速 ns”關(guān)系曲線上，各制造廠根據(jù)自身經(jīng)驗并參考其他工程實例得出的H～ns公式等見圖1。這種統(tǒng)計分析方法直觀、實用，有說服力，外行也能一目了然。應(yīng)用這種研究方法得出的結(jié)論，一般來說應(yīng)該是“毫無疑義”的。但有時也會招來更大爭論。究其原因，則是出在“根本”上。那就是把并不“相同”，并不“相似”，甚至并不“相關(guān)”的“存在事實”硬拼湊在一起，或者把因果關(guān)系顛倒的“存在事實”生搬硬湊到一起。其俗稱為“張冠李戴”。把并不“存在的事實”作為“存在的事實”與其他事實并列，這樣當(dāng)然就得不到“毫無疑議”的結(jié)論了。最常見的是將水輪機(jī)比速系數(shù)K值的選擇“神秘化”，把K值的大小作為衡量水輪機(jī)參數(shù)合理與否的唯一有力例證。我讀過一篇文章，文中對眾多電站的最大水頭 Hmax/最小水頭 Hmin，最大水頭 Hmax/額定水頭Hr和最小水頭Hmin/額定水頭Hr的比值進(jìn)行統(tǒng)計分析，眾多電站作為實例繪制在圖上，從而導(dǎo)出某工程水輪機(jī)的設(shè)計難度的結(jié)論。這種硏究方法是有一定道理的，但細(xì)究起來，還應(yīng)對這些電站水輪機(jī)的制造年代（時間差異），水輪機(jī)制造廠商（技術(shù)差異），水輪機(jī)實際運(yùn)行狀況（事實差異）進(jìn)行分析。否則這種貌似有說服力的圖表，并不能得出正確的結(jié)論。

又如，假若我們把裝有圓筒閥的水輪機(jī)的最大運(yùn)行水頭（m）與水輪機(jī)額定容量（MW）分別作為縱座標(biāo)、橫座標(biāo)，將裝有圓筒閥的電站的“點(diǎn)”點(diǎn)上去，會得出一定的相關(guān)曲線。若以此為依據(jù)，推導(dǎo)出在某個最大水頭某個額定容量的水輪機(jī)“必須”裝設(shè)圓筒閥的結(jié)論。這樣的統(tǒng)計分析方法恐怕就很難為大家所接受。

表1為裝設(shè)有 ALSTOM 制造的圓筒閥的主要電站。

圖1 福伊特西門子水電公司（VSH)生產(chǎn)的混流式水輪機(jī)Hr～ns統(tǒng)計圖

表1 裝有ALSTOM制造的筒閥的主要電站

又例如，某項工程為了評估其不同投標(biāo)廠商提供的水輪機(jī)的穩(wěn)定性，采用統(tǒng)計分析法對其提供的壓力脈動值（△H/H）進(jìn)行統(tǒng)計，采用同一尺度（△H/H=4%）衡量，壓力脈動值小于這個尺度者則不予統(tǒng)計，大于這個值則進(jìn)行統(tǒng)計。最后靠統(tǒng)計“點(diǎn)數(shù)”來進(jìn)行判斷，那個點(diǎn)數(shù)多就說明其穩(wěn)定性差。應(yīng)該說這里采用的統(tǒng)計分析在方法上是正確的，問題是分析時應(yīng)用的這個衡量標(biāo)準(zhǔn)（4%）是否科學(xué)。這是應(yīng)用“統(tǒng)計分析法”研究“存在的事實”時應(yīng)該慎重處理的例子。

方法之二是“試驗分析法”。事實已經(jīng)存在，水輪機(jī)正在運(yùn)行，還要對其進(jìn)行“試驗分析”。這是由于水輪機(jī)從模型試驗到原型運(yùn)行的某些相似性（能量、空化）和某些不相似性（運(yùn)行穩(wěn)定性）決定的。

“試驗分析法”就是對已“存在的事實”(正在運(yùn)行的機(jī)組)，進(jìn)行單項或多項的再試驗，并通過對試驗結(jié)果的分析，以便對已“存在的事實”有更深刻的把握。所謂“透過事實的表象，了解事實的本質(zhì)”。或者在這基礎(chǔ)上合理推斷出可應(yīng)用于其他類似工程的結(jié)論。

前面提到的世界上尺寸最大的水輪機(jī)，即葛洲壩二江電廠176MW水輪機(jī)，曾經(jīng)成為上世紀(jì)70年代總體設(shè)計（當(dāng)年稱“選型”）大辯論時的核心課題。焦點(diǎn)就是4個葉片的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，能否在最大水頭27m正常運(yùn)行。按“統(tǒng)計分析法”查找已成為“存在的事實”的電站，我國水輪機(jī)型譜中應(yīng)用水頭最高 22m，但該實例電站水輪機(jī)葉片的材料是碳鋼20SiMn。葛洲壩水輪機(jī)采用 4個葉片、采用不銹鋼材料能否安全運(yùn)行到27m水頭，采用正常的設(shè)計方法計算分析，強(qiáng)度設(shè)計工程師得出的結(jié)論是可以的。但考慮到葉片在水中的疲勞影響，當(dāng)時就沒有人能說得清楚。后來決定在湖北蒲圻陸水電站進(jìn)行試驗。為此，專門做了一臺直徑3.3m的轉(zhuǎn)輪。直徑 3.3m的轉(zhuǎn)輪既是原型（對陸水電站）轉(zhuǎn)輪，又是模型機(jī)（對葛洲壩電站）轉(zhuǎn)輪。轉(zhuǎn)輪的 2個葉片用 15MnMoVCu材料、另 2個葉片用0Cr13Ni6Mo不銹鋼材料制成。實際試驗水頭為23.4～24.6m。從實測葉片最高應(yīng)力推算到27m水頭時，合成主應(yīng)力為88.69MPa，飛逸工況時為110～130 MPa，安全系數(shù)達(dá)3～4倍。后來又在水頭25～25.6m范圍內(nèi)滿負(fù)荷下連續(xù)運(yùn)行4天，運(yùn)行正常，無不穩(wěn)定現(xiàn)象。期間共運(yùn)行12000h，最高運(yùn)行水頭已達(dá)25.82m，運(yùn)行穩(wěn)定。這說明，用不銹鋼材料制造的葛洲壩4葉片水輪機(jī)，完全可以應(yīng)用到27m水頭運(yùn)行。這種研究方法是合宜的，形成結(jié)論的依據(jù)是科學(xué)的。但這個意見當(dāng)時并未為決策者所接受。也許是葛洲壩水輪機(jī)太重要了。不同意見者的依據(jù)很簡單：“那僅僅是一次性的試驗，就能說明長期運(yùn)行沒問題嗎？”所以最終結(jié)論還是比較穩(wěn)妥：“葛洲壩4葉片水輪機(jī)運(yùn)行最高水頭為23m，在27m運(yùn)行時加強(qiáng)觀察”。20多年來，這兩臺176MW水輪機(jī)最高運(yùn)行水頭實際曾達(dá)到26.5m，當(dāng)然葉片也沒有出現(xiàn)任何強(qiáng)度問題。

當(dāng)初人們聽說三峽左岸水輪機(jī)模型驗收，水輪機(jī)尾水管壓力脈動值沒有全面滿足合同保證值時，人們大吃一驚：三峽怎么會是一個這樣的水平？人們并不了解，這種情況在三峽以前已有不止一例。見表2，10個電站水輪機(jī)壓力脈動最大值與合同保證值比較。不同的是，三峽水輪機(jī)模型驗收是第一次公開這樣的結(jié)果，并要求合同方改進(jìn)設(shè)計進(jìn)行再試驗。人們更關(guān)心三峽水輪機(jī)高水頭運(yùn)行時的穩(wěn)定性，為此除進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)、重新進(jìn)行試驗外，作為驗收試驗不滿足合同要求的附加條件，合同雙方還商定，在運(yùn)行水頭與三峽電站最接近的湖南江埡水電站進(jìn)行水輪機(jī)原型壓力脈動試驗。實際試驗水頭達(dá)106m，接近三峽水輪機(jī)最大水頭 113m。試驗時出力 70MW（70%額定容量），尾水管錐管壓力脈動為△H/H=6.43%。與1997年江埡水輪機(jī)模型驗收試驗時測得的結(jié)果：出力65～70MW時，尾水管壓力脈動最大值△H/H=6.2%比較，可見模型試驗結(jié)果與原型實測結(jié)果比較接近。江埡電站水輪機(jī)尾水管內(nèi)的最大壓力脈動為△H/H=9.9%，出現(xiàn)在出力為30MW(30%額定容量)時，見圖 2。江埡尾水管壓力脈動試驗結(jié)果。通過對已“存在的事實”江埡100MW水輪機(jī)的壓力脈動試驗，更深刻揭示X葉片水輪機(jī)在百米水頭段運(yùn)行的特性。加拿大 GE水電公司據(jù)此試驗結(jié)果，并分析了三峽與江埡水輪機(jī)情況的異同，預(yù)計三峽水輪機(jī)在高水頭運(yùn)行時是可以穩(wěn)定運(yùn)行的。當(dāng)然，現(xiàn)在三峽水輪機(jī)還未在100m水頭以上運(yùn)行，我們可以不認(rèn)同這個結(jié)論，因為兩者尺寸還是有很大的差異。但江埡水輪機(jī)試驗，畢竟是一次在中國水電界最大規(guī)模的由中外專家共同參與的，并由國外合格試驗公司主導(dǎo)進(jìn)行的與目標(biāo)電站運(yùn)行條件最貼近的水輪機(jī)穩(wěn)定性試驗，由全國水輪機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會專家組進(jìn)行全程目擊監(jiān)理。采用這種“試驗分析”法對“存在的事實”進(jìn)行研究，從而導(dǎo)出對目標(biāo)電站水輪機(jī)性能的預(yù)測，不失為一種更為貼近的試驗研究評估方法。

表2 十個電站水輪機(jī)壓力脈動最大值與保證值比較

對已“存在的事實”即原型進(jìn)行試驗，現(xiàn)在已更多引起人們的重視。三峽左岸電站已投產(chǎn)機(jī)組都進(jìn)行過不同項目的現(xiàn)場試驗，包括葉片動應(yīng)力測試、壓力脈動測試和其他運(yùn)行穩(wěn)定性試驗，以便不僅從同一模型試驗結(jié)果中了解水輪機(jī)性能的共性，而且能充分了解同一模型不同原型之間性能的差異，從而深刻了解水輪機(jī)性能的共性和把握各別機(jī)組的“個性”。因為影響水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的因素比水輪機(jī)模型試驗限定的運(yùn)行條件要復(fù)雜得多，例如引水鋼管無法模擬。通過對每臺機(jī)組進(jìn)行試驗，使其“個性”更加彰顯。黃河萬家寨電站水輪機(jī)經(jīng)過現(xiàn)場試驗后，提出改進(jìn)機(jī)組運(yùn)行的區(qū)域。在水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性圖上劃分為“穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)”、“過渡運(yùn)行區(qū)”和“禁止運(yùn)行區(qū)”，見圖3，并在此科學(xué)論證基礎(chǔ)上，與山西、內(nèi)蒙古電網(wǎng)磋商，“分區(qū)安全運(yùn)行”獲得電網(wǎng)的大力支持，對解決電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度與水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的矛盾取得了滿意的結(jié)果。

采用這種“試驗分析方法”，通常出現(xiàn)的問題是試驗實施單位（公司）是否是合格的單位，是否具有相關(guān)試驗設(shè)備和實施經(jīng)驗，是否對試驗結(jié)果有一定的分析能力。某大型電站請所在省的試驗機(jī)構(gòu)進(jìn)行了多次現(xiàn)場試驗，試驗報告數(shù)千言，有數(shù)據(jù)，有分析，但在試驗報告后面的結(jié)論中最末一條，說明“本次所測得的數(shù)據(jù)普遍偏大，是否與傳感器的標(biāo)定誤差有關(guān)，尚待今后證實”。

方法之三是綜合分析法。對于“存在的事實”，在進(jìn)行“統(tǒng)計分析”，或/和在進(jìn)行“試驗分析”的基礎(chǔ)上，已積累了豐富的第一手資料和相類似電站水輪機(jī)的資料。人們往往容易止步于這一階段，因為“綜合分析法”是最費(fèi)力的一個階段或一種方法。

“綜合分析法”就是對搜集到的資料，或在分析時還必須補(bǔ)充進(jìn)行收集的資料進(jìn)行整理，梳理出分析對象即“存在的事實”也即原型水輪機(jī)的各個方面表征：其一為“性能表征”，即能量特性，空化特性等運(yùn)行特性；其二為“歷史表征”，即模型試驗時的表征，投入商業(yè)運(yùn)行時的表征，過去（運(yùn)行若干萬小時后）檢修的表征；其三為“現(xiàn)狀表征”，指被研究對象此刻的表征，主要指“結(jié)構(gòu)（或在某次檢修處理后）表征”，如結(jié)構(gòu)尺寸、軸承間隙、葉片型線等變化，以及“性能表征”，即（檢修投入）運(yùn)行時各項運(yùn)行性能數(shù)據(jù)，如水頭、出力、溫升、振動、擺度、噪聲等。其四為“綜合評價表征”，即對“已存在的事實”，本例為已投入運(yùn)行的目標(biāo)水輪機(jī)，在對前述表征分析（列表、數(shù)據(jù)、曲線資料）前提下，對目標(biāo)水輪機(jī)按“安全運(yùn)行”和“性能特性”兩項評價，給出 A“優(yōu)”、B“好”、C“正常”、D“不正常”的四個評級；并與同一電站內(nèi)運(yùn)行的其他水輪機(jī)，與目標(biāo)水輪機(jī)按前述兩項比較，做出“相當(dāng)”、“較好”、“較差”的評價；還通過與已搜集到的同類似水輪機(jī)的性能做出“相當(dāng)”、“較好”、“較差”的評價。通過對各方面表征的“綜合分析”，特別對“大型”水輪機(jī)而言，就能做到既把握“存在的事實”的全貌又能做到把握“存在的事實”的特質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，通過對上述特性的綜合分析，采用多個假定并逐項排除的方法，尋找導(dǎo)致差異或損壞（例如空蝕或磨損）的原因，確定應(yīng)采取的措施以求設(shè)備性能或設(shè)備壽命得到改善。

圖2 GE江埡電站水輪機(jī)模型和原型尾水管壓力脈動最大值比較

圖3 萬家寨電站水輪機(jī)運(yùn)行分區(qū)圖

當(dāng)前，在水力機(jī)械行業(yè)里，比較缺乏的就是對“存在事實”的綜合分析研究，比較困難的是供綜合分析的基礎(chǔ)資料的不確定性和資料綜合的難度。通常我們在運(yùn)行調(diào)查時發(fā)現(xiàn)有以下幾種情況：

（1）對應(yīng)該較真實記錄水輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)的“運(yùn)行日志”，不少記錄不全，或列出的運(yùn)行參數(shù)沒有全部填寫，或沒有責(zé)任人署名；

（2）對比較真實反映水輪機(jī)大修前后狀況的“檢修記錄”或“檢修小結(jié)”，抽象的描述多，具體的數(shù)據(jù)少，記錄不夠詳盡；

（3）日積月累的每天的值班記錄、“運(yùn)行日志”、“檢修記錄”這些珍貴史料記錄過后被束之高閣，無人問津，缺乏定期系統(tǒng)的整理，資料綜合十分困難。

（4）缺乏電站水輪機(jī)運(yùn)行（生產(chǎn)）的信息管理系統(tǒng)即ePMS，或有了這樣的信息系統(tǒng)而缺乏數(shù)據(jù)及時輸入，缺乏日常維護(hù)和階段小結(jié)，缺乏系統(tǒng)及時升級，不能保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

（5）這些“運(yùn)行”、“試驗”、“檢修”史料屬“保密”范圍，一般只供“內(nèi)部”使用，有個別的不愿與同行分享，更不太愿意公開提供。

（6）就“運(yùn)行”論運(yùn)行，就“檢修”論檢修，就“試驗”論試驗。由于日常電力生產(chǎn)、檢修工作壓力太大，或由于人手不夠或技術(shù)力量不足，或認(rèn)為這種工作沒有產(chǎn)生什么經(jīng)濟(jì)效益，所以難以充分利用這些“史實”進(jìn)行“綜合分析”，也缺乏一定的機(jī)制和體制打破這種“對外封閉”的狀態(tài)。

（7）在這些“史料”（“存在的事實”）中，有些體制上的因素或個人認(rèn)知能力的不同而影響史料的真實性。在肯定電力勞動競賽或運(yùn)行獎懲規(guī)定的正面作用時，往往也同時出現(xiàn)一些負(fù)面的因素。某些電廠規(guī)定，在一個運(yùn)行時段內(nèi)出現(xiàn)多少次“非正常停機(jī)”事故，就得在一定范圍內(nèi)（個人、班組、全廠）在一定時間內(nèi)（本月或全年）扣發(fā)獎金。為了避免“城門失火，殃及池魚”，有時對“非正常停機(jī)”原因的分析往往容易采取“往外推”。 本是“調(diào)整不當(dāng)”，或“運(yùn)行不當(dāng)”，或“操作不當(dāng)”造成的事故，推到制造質(zhì)量或安裝不良上，或推到設(shè)計不當(dāng)所造成。只從這樣記錄事故的“史料”進(jìn)行綜合分析，就很難查找到事故的“真兇”。

在對這些“史料”（存在的事實）分析做結(jié)論時，一些現(xiàn)實因素必須考慮。例如，目前實行的廠、網(wǎng)分開競價上網(wǎng)的體制；水輪機(jī)在“正常運(yùn)行區(qū)域”以外區(qū)域運(yùn)行遭受的損壞；為了電網(wǎng)安全的“熱備用”使機(jī)組在極低負(fù)荷運(yùn)行甚至空載運(yùn)行的時間；為了電網(wǎng)安全而實際擔(dān)任“主力調(diào)頻電站”的機(jī)組在滿負(fù)荷和低負(fù)荷之間快速調(diào)整對水輪機(jī)的損壞；這些現(xiàn)實的與經(jīng)濟(jì)效益休戚相關(guān)的因素，使得電廠甚至不敢與電網(wǎng)協(xié)商機(jī)組運(yùn)行區(qū)域的劃分和改進(jìn)運(yùn)行區(qū)域的問題。甚至錯誤認(rèn)為，這是絕對“得罪不起（電網(wǎng)）的”。在這種思想支配下，對水輪機(jī)運(yùn)行在正常“運(yùn)行范圍”以外的工況、參數(shù)、現(xiàn)象，往往缺少收集、整理和系統(tǒng)分析。

在對這些“史料”（存在的事實）分析時，往往容易走向兩個極端：一個極端是“簡單化絕對化”。例如，人們往往視水輪機(jī)的比速系數(shù) K值為分析一切“史料”，診斷疑難雜癥的首位依據(jù)。清江隔河巖 310MW水輪機(jī)K值為2349，與三峽左岸水輪機(jī)相同，中國第一、世界第二。曾有人預(yù)言，如此的“高參數(shù)”的水輪機(jī)，必然運(yùn)行不正常，損傷破壞必然嚴(yán)重，肯定不會有什么好結(jié)果。當(dāng)然，經(jīng)過10年運(yùn)行，隔河巖水輪機(jī)也出現(xiàn)過這樣那樣的問題。但在對10個水電站已運(yùn)行的 44臺混流式水輪機(jī)運(yùn)行狀況和相關(guān)史實調(diào)研比較后，卻發(fā)現(xiàn)隔河巖水輪機(jī)的總評，卻能位居“三甲”之列。在2005年12月再次回訪時，盡管運(yùn)行在劃定的正常運(yùn)行區(qū)域以外的時間較長，過流部件在12年運(yùn)行后基本正常。又例如，廣西巖灘4臺308.7MW水輪機(jī)，比速系數(shù)K值為1942，是地地道道的“低參數(shù)”水輪機(jī)。從1992年9月第一臺投入運(yùn)行起到2002年5月，在水庫水質(zhì)與設(shè)計沒有什么變化的情況下，52個葉片中卻有51個葉片都產(chǎn)生裂紋，并且多為重復(fù)在同一部位或不同部位出現(xiàn)裂紋。沒有出現(xiàn)裂紋的是2#機(jī)轉(zhuǎn)輪的4#葉片。怎樣解釋這個4#葉片從未出現(xiàn)過裂紋，我們迄今沒有找到答案。常常遇到同一電站同一廠商供貨的設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸相同的水輪機(jī)，為何表現(xiàn)出的運(yùn)行特性有所不同甚至有時還“大相徑庭”，所有這些說明事物是比較復(fù)雜的，影響因素是多方面的。簡單化是最省力的，但并不能找出有說服力的依據(jù)。在水力機(jī)械行業(yè)里，有許多是“看得見”、“摸得著”、“算得出”和“測得到”的事實，還有一些是內(nèi)部存在的尚未被揭示的矛盾，需要我們細(xì)細(xì)觀察，認(rèn)真研究，多方假定，最后證實肯定無疑時再下結(jié)論，才予以“充分肯定”，這樣才比較妥當(dāng)。

另一個極端是“不可知論者”或“多疑論”者。過多的夸大水輪機(jī)運(yùn)行的復(fù)雜性和我們對水輪機(jī)認(rèn)知的“無能為力”，對出現(xiàn)的“事故”缺乏客觀全面的了解，甚至對水輪機(jī)行業(yè)的前途缺乏信心。看到巖灘4臺水輪機(jī)葉片幾乎片片都裂，焊補(bǔ)后又裂，但就是看不到另一個“存在的事實”，即每臺水輪機(jī)在投入運(yùn)行后10多年間，一直能在年運(yùn)行小數(shù)較高的狀況下運(yùn)行，而電站的實際年發(fā)電量，卻并未因反復(fù)檢修水輪機(jī)而減少的事實（見表3，巖灘電站歷年發(fā)電量統(tǒng)計）。這當(dāng)然得感謝巖灘電廠運(yùn)行檢修有道。我們都知道，混流式水輪機(jī)已有近200年的歷史，是各類水輪機(jī)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種水輪機(jī)型式。混流式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)經(jīng)過漫長的考驗，已經(jīng)形成傳統(tǒng)的成熟的結(jié)構(gòu)形式。我們當(dāng)代人肯定有能力解決一些新的難題，但也不是我們當(dāng)代人就能把所有未知的問題“都解決掉”。

表3 廣西巖灘水電廠歷年發(fā)電量統(tǒng)計

4 結(jié)束語

中國（大陸）最早的水電站，是1912年建成的云南石龍壩電站，裝設(shè)2臺單機(jī)容量240kW水輪發(fā)電機(jī)組，由德國西門子和德國福依特供貨，其發(fā)電機(jī)現(xiàn)在還在運(yùn)行。世界上尺寸最大的水輪機(jī)（葛洲壩二江電廠2臺176MW），恐怕我們難以看到會有那項工程能超過它。目前世界上最大容量的水輪發(fā)電機(jī)組是三峽840MVA機(jī)組，我們過去也研究過在三峽電站采用1000MW 水輪發(fā)電機(jī)組。現(xiàn)在我們是否有必要為中國人豎立更大容量1000MW水輪發(fā)電機(jī)組的里程碑呢，我國在黃河上的萬家寨電站，裝有6臺由兩個國際知名廠家設(shè)計制造的水輪發(fā)電機(jī)組，到目前為止，其中葉片未做任何防護(hù)（泥沙磨損）就投入運(yùn)行的水輪機(jī)，運(yùn)行狀況（泥沙磨損程度）還比加以防護(hù)的要好。三峽左岸水輪機(jī)在合同執(zhí)行中出現(xiàn)過“拒收”、“報廢”正在加工制作的部件或鑄件。這些“存在的事實”留給我們很大的思考空間，給我們研究分析提供了一個又一個的依據(jù)研究基于“存在事實”的水力機(jī)械研究方法，研究“存在的事實”，即正在運(yùn)行的水輪機(jī)及其相關(guān)的運(yùn)行條件，這種研究方法正在更多為國際電工委員會水輪機(jī)技術(shù)委員會(IEC/TC4)所采用。2005年5月成立的為制訂河流泥沙對水輪機(jī)影響導(dǎo)則而成立的 29工作組，正在全世界范圍內(nèi)對水電站水輪機(jī)受泥沙磨損的狀況進(jìn)行調(diào)查。可以相信，基于存在事實的水力機(jī)械研究方法必將得到更廣泛的應(yīng)用。并在對其研究中遵循“客觀、理性”的原則，定能把水力機(jī)械的技術(shù)進(jìn)步推向新的階段，促進(jìn)當(dāng)今我國水電事業(yè)的大發(fā)展。

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Discussion of Research Methodology for Prototype Turbine

HUANG Yuan-fang1, LIU Jie1,2
（1. China Three Gorges Project Corporation, Yichang 443002, China;2. Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China）

This paper firstly introduces 3 general classes of research methodology of hydraulic machinery. It mainly emphasizes the study method for the prototype turbine that became existed fact.Through illustration of abounding instances, this paper presents the contents and outline of statistical analysis method, test analysis method and synthesis analysis method. In conclusion, the paper provides useful suggestion on the application of these methods due to some existing problems in research field of hydraulic machinery.

existed fact; hydraulic machinery; research methodology

TK730.1

A

1000-3983(2011)05-0035-09

2010-03-31

黃源芳（1939-），1962年畢業(yè)于華中科技大學(xué)水力機(jī)械制造專業(yè)，中國長江三峽工程開發(fā)總公司科學(xué)技術(shù)委員會委員，教授級高級工程師，博士后科研工作站導(dǎo)師，長期從事水電站機(jī)電設(shè)計與技術(shù)管理工作。