X型葉片混流式水輪機在小灣電廠應用現狀

朱　宏，趙安波，王凌峰（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南　大理 675702）

X型葉片混流式水輪機在小灣電廠應用現狀

朱宏，趙安波，王凌峰
（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南大理 675702）

小灣水電站水輪機為X型葉片混流式轉輪結構，X型葉片具有各工況下轉輪流道內流態較為穩定，葉片正背面的壓力分布均勻等特點；小灣水輪機轉輪模型試驗主要水力性能指標較為優秀，但運行中還是不能很好滿足各種工況要求。開展X型葉片的水力機械模型試驗及真機研究，不僅可以完善X型葉片的水力性能研究，而且還可以為已投運的X葉型混流式機組安全、經濟運行提供關鍵的技術支持。

水輪機；X型葉片；模型試驗；水力特性；小灣水電站

小灣水電站位于瀾滄江中下游河段，是瀾滄江梯級開發的第二級電站和“龍頭水庫”。電站共裝機6臺，單機容量700 MW，總裝機容量4 200 MW。水輪機轉輪為X型葉片混流式，由15個葉片組成，設計水頭216 m，最大水頭251 m，最小水頭164 m，加權平均水頭222.4 m，設計流量360.3 m3/s，額定轉速150 r/min。每年機組運行水頭變幅達75 m左右，水頭變幅之大、運行水頭之高在國內外均屬少見。

1　X型葉片混流式轉輪結構及水力學特點

X型葉片的主要結構特點是葉片進口均有“負傾角”，靠近上冠處翼型為負曲率，葉片出水邊不在軸面上，而成一空間曲線，簡而言之，從葉片進口看去，其進口邊與出水邊在平面的投影成X型。X型葉片與傳統葉片對比見圖1。

圖1　X型葉片與傳統葉片

X型葉片轉輪水力學特點如下：

（1）研究表明，葉片正面存在的橫流會造成轉輪流道內大部分流量向下環區域集中，使下環區的流速、葉片負荷增加，高流速產生的低壓區可引發空化現象，造成轉輪出水邊氣蝕及流道內水流的紊亂，增加水力損失，通過五坐標數控機床等先進機加工設備便得到的X型葉片較傳統葉片更加符合水力學特點，能消除大部分工況下的橫流，有效解決下環的高流速水流問題，即使偏離設計工況，仍能保持高效率，當轉輪在凈水頭變幅較大的情況下運行時，該能力尤其顯著。

（2）對常規葉片而言，由于下環區的“高流速、低水壓”會引起葉片出水邊荷重增加及空化現象，造成出水邊水力不穩定及空蝕。在研究轉輪受力情況時，混流式轉輪葉片和下環可視為一個固定在上冠處的懸臂受力結構。傳統轉輪葉片上由于受力點靠近下環后，造成了下環到上冠根部的力臂較大，上冠葉片根部應力過于集中。相比之下，X型葉片由于采用了“負傾角”結構，消除了大部分工況區葉片正面的橫流，葉片間的流動順暢，流道內各區域流速和受力均勻，轉輪葉片上受力點到葉片上冠的力臂較小，從而使得葉片根部應力值相對較小。兩種不同的受力情況，造成了同等條件下，X型葉片可以更薄，從而增加了轉輪過流能力，同時又因為流道內壓力均勻，特別是下環處“高流速”的傳統問題得到了有效解決，出水邊幾乎不存在空化現象，降低了出水邊水力不穩定及空蝕產生的幾率。

2　小灣X型葉片轉輪模型試驗主要水力性能結果

2.1效率

水輪機的最優效率和加權平均效率直接反映了轉輪水力設計的水平；加權平均效率同時還反映了水能利用率的高低。小灣水輪機效率試驗選用電站空化系數，采取變轉速方式實施。

（1）最優效率試驗。依據初步試驗情況，效率試驗選擇最優效率點附近3個導葉開度△γ=18°、20°、22°開展，最優工況點位置由這3個導葉開度下效率試驗的包絡線確定，模型驗收試驗結果表明，△γ=22°、n11=68.8 r/min，Q11=0.439 4 m3/s時，效率最優，ηopt，m=94.99%。根據效率換算方法，對應原型機的最優效率工況點為：Hp=216 m，Q= 210.48 m3/s，P=714 MW，原型機的最優效率點為ηopt，m=96.4%。

（2）加權平均效率試驗。試驗選取3個導葉開度，即△γ=16°、20°、22°開展定開度、變轉速試驗，驗收試驗結果與初步試驗較為接近，重復性好，誤差在允許范圍之內。模型的加權平均效率為98.86% ，原型的加權平均效率為96.08%。

2.2出力

出力大小是水能利用及轉輪性能的綜合指標。小灣水輪機模型試驗共選取Hp=164、190、212.78、216、230、251 m共6個水頭，根據每個水頭允許的開度范圍，選取6處工況開展試驗，獲得各水頭下的最大出力，各項出力參數均滿足要求。根據初步試驗結果，并校核了最大出力工況點。

2.3氣蝕

氣蝕是影響轉輪壽命及性能的主要因素。小灣水輪機模型氣蝕試驗主要是為了檢驗水輪機處于小負荷區域時的空化性能趨勢，驗證初步試驗結果及水輪機大負荷情況下的空化性能。試驗分為兩部分，第一部分是用目測的方法觀測空化現象，評定空化的發生及發展；第二部分是研究氣蝕系數對轉輪性能的影響和安全裕度，即研究氣蝕區域、氣蝕渦帶及轉輪出水邊的卡門渦。

（1）空化觀測。以導葉安裝高程電站空化系數作為參考，對無翼型空化情形進行觀測試驗，根據試驗結果繪制進水邊負壓側初生空化線、進水邊正壓側初生空化線、進水邊葉道渦初生線及出水邊葉道渦發展線。驗收試驗時，在葉片進水邊負壓區域初生空化線附近大于最大水頭處選擇了3個工況點開展觀察，結果表明：在長期連續穩定的運行范圍內沒有初生葉道渦。

（2）空化外特性。選取了 Hp=164、190、212.78、216、230、251 m共6個水頭、12個工況點開展空化外特性試驗。σi采取觀測法確定，攝像記錄空化系數σp、σ1、σi各工況下的流態。試驗結果表明，在設計水頭范圍內水輪機不存在進水邊氣蝕；葉道渦和氣蝕渦為非氣蝕渦帶，位于轉輪葉片之間不會觸及葉片表面，在規定運行范圍內未出現葉道渦發展線。雖然制造廠提供的特性保證值與部分工況下σp/σ1、σp/σi有差異，但通過尾水位差異及氣蝕比評估表明，σp/σ1≥1.1、σp/σi≥1.5均滿足合同保證值。

綜上所述，小灣水輪機轉輪設計之初已充分考慮氣蝕及空化等水力學參數，且制造、驗收過程均采用國際先進手段，所以小灣水輪機轉輪整體指標較為優秀。

3　小灣X型葉片轉輪出現的問題及分析

自小灣電廠2010年2月第一臺機組檢修開始，1～6號水輪機轉輪均發生了不同程度的裂紋和輕微的氣蝕，氣蝕主要在轉輪葉片出水邊與下環連接處，呈輕微的表層點狀或硬幣大小的表層點狀，由于極輕微，本文不做細致介紹，僅對裂紋進行分析。

3.1裂紋情況

（1）裂紋部位及趨勢。隨著時間的推移，轉輪裂紋呈現加重趨勢，2012年年末開始出現重復性裂紋，2014年初開始出現裂紋開叉錯位現象，2014年及以前裂紋均出現在轉輪葉片出水邊靠近下環附近；2015年初轉輪葉片出水邊靠近上冠部位也開始出現裂紋。截至2015年1月30日，共發現轉輪葉片裂紋49條，其中1號機10條，2號機8條，3號機2條，4號機4條，5號機9條，6號機16條。1號機裂紋最短為25 mm，最長為430 mm；2號機裂紋最短為40 mm，最長為400 mm；3號機裂紋最短為40 mm，最長為330 mm；4號機裂紋最短為35 mm，最長為410 mm；5號機裂紋最短為10 mm，最長為400 mm；6號機裂紋最短為20 mm（表面裂紋），最長為450 mm。

（2）重復性裂紋情況。除3、4號機組外，其余機組均出現重復性裂紋。1號機2012年11月發現15號葉片靠近下環出現重復性裂紋，2013年12月發現7號葉片靠近下環出現重復性裂紋；2號機2013年1月發現5號葉片靠近下環出現重復性裂紋，2014年1月發現7號葉片靠近下環出現重復性裂紋，并出現分叉現象；5號機2013年4月發現6號葉片靠近下環出現重復性裂紋，2015年1月發現10號葉片靠近下環出現重復性裂紋；6號機2013年4月發現8號葉片靠近下環出現重復性裂紋，2014年2月發現7號葉片靠近下環出現重復性裂紋，2015年1月發現5號葉片靠近下環出現重復性裂紋、7號葉片靠近下環第二次出現重復性裂紋、4號及15號葉片靠近上冠出現裂紋，其中15號葉片同時出現2條裂紋。

3.2裂紋原因分析

小灣電廠X型葉片轉輪出現的裂紋現象遠超出模型試驗結論及合同要求，特別是裂紋產生的位置，幾乎都是位于葉片出水邊靠近下環側的高應力區和出水邊相交的最薄處附近，給大變幅高水頭運行條件的小灣電廠帶來不小的安全隱患。針對轉輪暴露的問題，小灣電廠組織廠家、設計院等單位圍繞設計、制造、運行管理展開問題分析及試驗，現階段得出如下主要結論。

3.2.1鑄造及焊接缺陷

小灣機組轉輪為鑄焊結構，轉輪上冠、下環與葉片均為馬氏體不銹鋼鑄件，采用VOD或AOD精煉鑄造，使用奧氏體不銹鋼材料焊條進行焊接。通過對所有轉輪裂紋取樣進行金相分析，證實裂源處于焊接熔合面上，該處具有焊接的組織特征。此外，斷口檢驗也證明斷口上存在大量的熔渣類物質，依此判斷，葉片鑄造及焊接時清根不徹底是產生裂紋的根本原因。

3.2.2非設計工況運行的壓力脈動和動態應力

為更準確地分析裂紋產生的原因，彌補理論計算和分析或現階段無法實現的真機特性，2012年4月電廠聯合各單位對4號機組轉輪的5、6號葉片進行了一次真機運行轉輪應力測試。試驗測試時的凈水頭約198 m，實驗前已分別在葉上冠側安裝4個單向應變片，在葉片下環側安裝6個單向應變片和2個三向應變片。通過測量機組在啟動、空載、各負荷段運行時的應力變化情況，經過有限元計算得到以下結果：

（1）小灣電廠轉輪在各設計工況下的靜態應力與出力關系如圖2所示，從圖2可以看出，靜態應力并不算高，完全滿足設計要求，且呈現上冠側的靜應力隨出力的增大而減少，下環側的應力隨出力的增大而增大的情況。

（2）分析轉輪動應力與壓力脈動關系可知，水輪機在連續穩定運行區和限制運行區的動態壓力、動態應力的主導因素是無翼區的動靜干涉問題，而不是尾水管的壓力脈動問題，壓力脈動頻譜分析有明顯的主頻（一倍的葉片通過頻率37.5 Hz和二倍頻率75 Hz），這是高水頭水輪機的典型特點。實測結果與水輪機設計相吻合。但在禁止運行區，動態壓力、動態應力的主導因素是尾水管的壓力脈動和動態壓力問題，不是無翼區的動靜干涉問題；在200 MW和300 MW之間主要是由于轉輪旋轉渦帶造成的，壓力脈動頻譜分析有明顯的0.9 Hz的主頻；但在200 MW以下，水輪機的運行工況嚴重偏離設計工況時，造成葉道渦發生、發展以及嚴重的水力擾流和水力不穩定，沒有明顯的主頻，完全是多個葉道渦和水力擾流的混頻合成作用的結果。如果水輪機在200 MW以下，特別是100 MW以下負荷運行，其壓力脈動和動態應力非常高，遠遠超過正常運行工況下的值，極易造成水輪機轉輪的疲勞破壞。

（3）運行方式不合理也是主要原因之一。從機組設計綜合運行特性曲線可知，機組在0～200 MW間為低負荷區；在200～480 MW間為振動區；在480～700 MW間為穩定運行區。小灣電廠《水輪機技術合同》明確提出，在規定的水質、泥沙特性、水頭及尾水位變化范圍內，水輪機功率從零至相應水頭下可連續運行的最小功率之間運行時間不超過800 h，功率在最大輸出功率以上運行時間不多于100 h。

（4）綜合分析。小灣電廠對2011年～2014年非穩定區運行數據進行統計及分析。除2014年外，其余年份各機組在非穩定區運行時間均大幅超出合同規定值800 h，年度低負荷區域運行小時最高達到1 900 h。當轉輪處于空載、低負荷區運行時，除了承受流體的壓力載荷之外，還承受著壓力脈動和水力擾動引起的動態載荷。機組長時間運行在旋轉備用、低負荷區下，在交變動態荷載和壓力脈動的作用下大大增加了轉輪出現疲勞、裂紋的幾率。根據轉輪疲勞裂紋試驗計算結論，水輪機在過渡運行區和穩定運行區運行，兩者的壽命相差10～20倍。為進一步驗證裂紋原因，解決轉輪裂紋問題，小灣電廠采取了開機規律、單機運行區優化。采取上述措施后，2014年機組低負荷區運行時間大幅減少，低于合同的規定值，轉輪裂紋隨之明顯減少。

圖2　應力與出力關系

綜上所述，小灣電廠機組長時間在低負荷區運行的不合理工況是造成轉輪產生疲勞裂紋的主要原因之一。

4　結語

（1）大型混流式水輪機水力設計和結構設計的主要任務是保持和進一步提高機組的能量特性。X型葉片由于結構特點更加符合的流體力學要求，是大型混流式水輪機發展的必然方向；研究、降低尾水管和無葉區的壓力脈動及壓力脈動對轉輪結構部件的動態影響是機組安全、高效運行的前提。

（2）小灣水輪機轉輪設計之初已充分考慮氣蝕及空化等水力學參數，且制造、驗收過程均采用國際先進手段，其轉輪整體指標較為優秀，可供其他工程參考。

（3）小灣電廠X型葉片轉輪出現的裂紋的主要原因是葉片鑄造及焊接時清根不徹底及長時間在低負荷區運行，采取開機規律、單機運行區優化等措施后，轉輪裂紋明顯減少。

（4）加強對原型電站機組轉輪葉片動態應力的測試研究，不僅可以完善、優化水力設計及模型試驗，還可以指導已投運電廠安全、穩定、高效運行。

［1］曾鎮鈴，徐正鎬，王曉龍.小灣水電站水輪機主要參數和結構型式選擇［J］.水力發電，2006，32（11）：97-99.

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［4］張躍，趙廣友，蔣國森，等.水輪機X型葉片的鑄造工藝實踐［J］.中國鑄造裝備與技術，2013（3）：70-73.

［5］廖翠林，王福軍.X型葉片水輪機轉輪流場的數值模擬［J］.水力發電學報，2008（3）：143-146.

（責任編輯焦雪梅）

Review on the Application of Francis Turbine with X-shaped Blades in Xiaowan Hydropower Plant

ZHU Hong，ZHAO Anbo，WANG Lingfeng
（Huaneng Hydro Lancang Xiaowan Hydropower Plant，Dali 675702，Yunnan，China）

The turbine in Xiaowan Hydropower Station is a Francis structure with X-Shaped blades.The X-Shaped blades can ensure relative stable flow in runner under various operating conditions，and the pressure distributions on blade surfaces are uniform.Although the main hydraulic characteristics of turbine model test are relatively good，but the turbine still can't very well meet the requirements of actual operation under various operation conditions.The researches on model and prototype tests of turbine with X-Shaped blades not only can improve the hydraulic performance study of X-shaped blade，but also can provide key technical supports to the safe and economic operation of unit.

turbine；X-shaped blade；model test；hydraulic characteristics；Xiaowan Hydropower Station

TK730.3（274）

B

0559-9342（2015）10-0034-04

2015-07-29

朱宏（1983—），男，云南宣威人，助理工程師，從事水電廠運行、維護工作.