燈泡貫流式水輪機運行中的幾個問題

符勝蛟

（廣東水電二局股份有限公司，廣東 增城 511340）

燈泡貫流式水輪機運行中的幾個問題

符勝蛟

（廣東水電二局股份有限公司，廣東 增城 511340）

文章論述了燈泡貫流式水電站運行中的協聯、水壓力脈動、轉輪室環筋斷裂等問題及處理。

燈泡貫流式水輪機；協聯；水壓力脈動；轉輪室環筋應力

1 概述

貫流式水輪機（燈泡貫流式、軸伸式、豎井式）廣泛應用于低水頭水電站開發中，中國目前已有200多臺軸伸貫流機組和150多臺燈泡貫流機組在運行，還將有400多個水電站擬采用。燈泡貫流式水輪機水流暢直，水力效率較高，有較大的單位流量和單位轉速，在同一水頭、同一出力下，發電機和水輪機尺寸較小。與選用立式軸流式水輪機相比：效率高，空化性能好，結構緊湊，廠房尺寸小，工程淹沒少，工程投資少，收益快。

近年來燈泡貫流水輪機水輪機轉輪直徑已做到7.5米以上（廣西長洲電站），最大工作水頭達27米（湖南洪江電站），機組出力直逼60MW。隨著燈泡貫流式水輪機尺寸、容量的增大，其問題逐漸凸顯。

（1）機組協聯運行。

（2）葉片裂紋、轉輪室環筋斷裂。

（3）振動和水壓力脈動。

2 燈泡貫流式水輪機現場協聯試驗

轉槳式水輪機導葉與槳葉之間協聯關系，直接影響水輪機運行的效率和穩定性，在最優協聯條件下水輪機的運行效率最高、振動最小、空蝕最輕。制造廠通過模型試驗，提供了協聯關系，現場運行的轉槳式水輪機就是根據制造廠提供的協聯關系進行調節整定的。由于模型試驗的相似性偏差，水輪機導葉、槳葉等有關部件加工制造，安裝調整偏差；同時考慮到發電機特性以及測試系統（水力測試、機械測試、電器測試）測試偏差等，造成實際運行時制造廠提供的協聯關系并非最優，同一電站，不同機組協聯關系亦有偏差（已經現場試驗證實）。因此需要經過現場試驗獲取真機的最優協聯關系，并以此為依據進行協聯機構調整。

一些電站，由于運行管理或測試系統不能正常工作等問題，水輪機長期采用調速器輸入固定水頭方式運行，嚴重偏離協聯工況運行，機組安全、經濟運行存在重大隱患。

機組協聯關系試驗是雙調節水輪機首要應進行的工作之一，對貫流式電站，至少應進行最小、最大、設計三個水頭試驗，最好能進行5個水頭測試，根據試驗分析結果，對調速器協聯關系進行調整。電站應建立水力測量系統日常維護、巡檢制度，測壓管路應定期（特別是在大修后，汛后）排污、排氣、疏通，定期對測量傳感器和測試系統校準，保證測試系統精確可靠運行。圖1為貫流水輪機機現場協聯試驗結果。貫流機現場協聯試驗一般采用固定槳葉角度，變導葉角度進行。圖2為實測協聯關系與原給定協聯關系差別，二者差別比較大。

圖1 真機現場協聯試驗

圖2 給定協聯關系與實測協聯關系差別

3 貫流式水輪機轉輪葉片裂紋、轉輪室環筋斷裂

在追求高效率條件下，轉輪模型葉片越來越薄，為保證原、模型性能相似，原型葉片只能按幾何比尺放大。隨著貫流機轉輪直徑的增大（5米以上），按幾何比尺放大后的轉輪葉片相對結構強度降低，結構動力特性改變（整體和局部自振頻率下降），而水輪機結構動力特性、流場動力特性方面研究滯后；在制造方面存在材料和加工缺陷；電站運行管理落后，非協聯運行和頻繁變負荷（調峰），造成機組長期在振動區運行。水輪機葉片裂紋問題已成為制約大型貫流式水輪機安全運行的主要因素。圖 3：水輪機葉片產生裂紋后造成轉輪葉片前水壓力脈動正峰值出現倍頻。圖 4：無裂紋水輪機轉輪葉片前水壓力脈動歷時線

圖3 轉輪葉片出現裂紋貫流式水輪機導葉與轉輪之間水壓力脈動

圖4 轉輪葉片無裂紋貫流式水輪機導葉與轉輪之間水壓力脈動

貫流試水輪機轉輪室環筋斷裂為近年在大型機上產生的新問題，大型貫流式水輪機轉輪室壁厚一般在 80～100mm，根據強度計算，轉輪室外壁不加環筋加強其結構強度也不存在問題，某電站轉輪直徑7.1米，轉輪式外等距布設5道環筋，環筋厚30mm，寬200mm，從轉輪出口至進口分別為1、2、3、4、5號。4號環筋處于轉輪葉片中心部位，現場應力測試結果：水輪機充水后環筋拉應力均小于8MPa；機組變負荷試驗1、2、3、5、號環筋動應力值不超過50MPa；而4號環筋動應力值異常，變幅70～180MPa。環筋斷裂原因為：過大的動應力引起的材料疲勞破壞所致。圖5為轉輪室五道環筋動應力測試結果 ；圖6為4號環筋最大動應歷時線。4個葉片對環筋動應力的影響差別反映了每個葉片制造質量差別、安裝調整、葉片外緣間隙和特別應引起注意的大型貫流水輪機葉片不對稱的流場運行環境問題。

圖5 貫流式水輪機轉輪室環筋動應力測試結果

圖6 轉輪室葉片中心處環筋（4號環筋）動應力

4 振動和水壓力脈動

燈泡貫流式水輪機效率高，空化性能好，結構緊湊，廠房尺寸小，工程淹沒少，工程投資少是其固有的優勢。然而隨著轉輪直徑的增大燈炮機問題也凸顯出來。

（1）轉輪葉片在旋轉時壓力場不均，直接影響為葉片空化狀態不穩定，從而影響機組運行穩定性。

（2）進水流道過流斷面的不均勻，加之壓力場的變化，造成轉輪上下流場不一致，而引起機組振動。

（3）對水輪機水壓力脈動研究，一般關心尾水管低頻渦帶振動，而對燈泡貫流式水輪機認為：水頭比較低，壓力脈動再大對機組運行穩定性影響也有限。真機測試結果表明（燈泡貫流式水輪機轉輪直徑7.1m，額定水頭11m），在低負荷尾水管進口低頻渦帶脈動雙幅值低于2.5米，在40%額定出力以上不大于1m，尾水管水壓力脈動影響不大；最大壓力脈動值出現在導葉進口，在額定出力40%以上負荷,水壓力脈動雙幅值 5m，最大達 5.5m；導葉與轉輪之間水壓力脈動雙幅值3m左右（圖7）。對燈泡貫流式水輪機，應加強對導葉前、無葉區和轉輪室水壓力脈動研究和監測。轉輪室、葉片等結構強度設計應充分考慮水壓力脈動和動應力影響。

TM312

A

1008-1151(2011)08-0141-02

2011-04-29

符勝蛟，男，供職于廣東水電二局股份有限公司。

圖7 燈泡貫流式水輪機水壓力脈動