灯泡贯流式水轮机运行中的几个问题

符胜蛟

（广东水电二局股份有限公司，广东 增城 511340）

灯泡贯流式水轮机运行中的几个问题

符胜蛟

（广东水电二局股份有限公司，广东 增城 511340）

文章论述了灯泡贯流式水电站运行中的协联、水压力脉动、转轮室环筋断裂等问题及处理。

灯泡贯流式水轮机；协联；水压力脉动；转轮室环筋应力

1 概述

贯流式水轮机（灯泡贯流式、轴伸式、竖井式）广泛应用于低水头水电站开发中，中国目前已有200多台轴伸贯流机组和150多台灯泡贯流机组在运行，还将有400多个水电站拟采用。灯泡贯流式水轮机水流畅直，水力效率较高，有较大的单位流量和单位转速，在同一水头、同一出力下，发电机和水轮机尺寸较小。与选用立式轴流式水轮机相比：效率高，空化性能好，结构紧凑，厂房尺寸小，工程淹没少，工程投资少，收益快。

近年来灯泡贯流水轮机水轮机转轮直径已做到7.5米以上（广西长洲电站），最大工作水头达27米（湖南洪江电站），机组出力直逼60MW。随着灯泡贯流式水轮机尺寸、容量的增大，其问题逐渐凸显。

（1）机组协联运行。

（2）叶片裂纹、转轮室环筋断裂。

（3）振动和水压力脉动。

2 灯泡贯流式水轮机现场协联试验

转桨式水轮机导叶与桨叶之间协联关系，直接影响水轮机运行的效率和稳定性，在最优协联条件下水轮机的运行效率最高、振动最小、空蚀最轻。制造厂通过模型试验，提供了协联关系，现场运行的转桨式水轮机就是根据制造厂提供的协联关系进行调节整定的。由于模型试验的相似性偏差，水轮机导叶、桨叶等有关部件加工制造，安装调整偏差；同时考虑到发电机特性以及测试系统（水力测试、机械测试、电器测试）测试偏差等，造成实际运行时制造厂提供的协联关系并非最优，同一电站，不同机组协联关系亦有偏差（已经现场试验证实）。因此需要经过现场试验获取真机的最优协联关系，并以此为依据进行协联机构调整。

一些电站，由于运行管理或测试系统不能正常工作等问题，水轮机长期采用调速器输入固定水头方式运行，严重偏离协联工况运行，机组安全、经济运行存在重大隐患。

机组协联关系试验是双调节水轮机首要应进行的工作之一，对贯流式电站，至少应进行最小、最大、设计三个水头试验，最好能进行5个水头测试，根据试验分析结果，对调速器协联关系进行调整。电站应建立水力测量系统日常维护、巡检制度，测压管路应定期（特别是在大修后，汛后）排污、排气、疏通，定期对测量传感器和测试系统校准，保证测试系统精确可靠运行。图1为贯流水轮机机现场协联试验结果。贯流机现场协联试验一般采用固定桨叶角度，变导叶角度进行。图2为实测协联关系与原给定协联关系差别，二者差别比较大。

图1 真机现场协联试验

图2 给定协联关系与实测协联关系差别

3 贯流式水轮机转轮叶片裂纹、转轮室环筋断裂

在追求高效率条件下，转轮模型叶片越来越薄，为保证原、模型性能相似，原型叶片只能按几何比尺放大。随着贯流机转轮直径的增大（5米以上），按几何比尺放大后的转轮叶片相对结构强度降低，结构动力特性改变（整体和局部自振频率下降），而水轮机结构动力特性、流场动力特性方面研究滞后；在制造方面存在材料和加工缺陷；电站运行管理落后，非协联运行和频繁变负荷（调峰），造成机组长期在振动区运行。水轮机叶片裂纹问题已成为制约大型贯流式水轮机安全运行的主要因素。图 3：水轮机叶片产生裂纹后造成转轮叶片前水压力脉动正峰值出现倍频。图 4：无裂纹水轮机转轮叶片前水压力脉动历时线

图3 转轮叶片出现裂纹贯流式水轮机导叶与转轮之间水压力脉动

图4 转轮叶片无裂纹贯流式水轮机导叶与转轮之间水压力脉动

贯流试水轮机转轮室环筋断裂为近年在大型机上产生的新问题，大型贯流式水轮机转轮室壁厚一般在 80～100mm，根据强度计算，转轮室外壁不加环筋加强其结构强度也不存在问题，某电站转轮直径7.1米，转轮式外等距布设5道环筋，环筋厚30mm，宽200mm，从转轮出口至进口分别为1、2、3、4、5号。4号环筋处于转轮叶片中心部位，现场应力测试结果：水轮机充水后环筋拉应力均小于8MPa；机组变负荷试验1、2、3、5、号环筋动应力值不超过50MPa；而4号环筋动应力值异常，变幅70～180MPa。环筋断裂原因为：过大的动应力引起的材料疲劳破坏所致。图5为转轮室五道环筋动应力测试结果 ；图6为4号环筋最大动应历时线。4个叶片对环筋动应力的影响差别反映了每个叶片制造质量差别、安装调整、叶片外缘间隙和特别应引起注意的大型贯流水轮机叶片不对称的流场运行环境问题。

图5 贯流式水轮机转轮室环筋动应力测试结果

图6 转轮室叶片中心处环筋（4号环筋）动应力

4 振动和水压力脉动

灯泡贯流式水轮机效率高，空化性能好，结构紧凑，厂房尺寸小，工程淹没少，工程投资少是其固有的优势。然而随着转轮直径的增大灯炮机问题也凸显出来。

（1）转轮叶片在旋转时压力场不均，直接影响为叶片空化状态不稳定，从而影响机组运行稳定性。

（2）进水流道过流断面的不均匀，加之压力场的变化，造成转轮上下流场不一致，而引起机组振动。

（3）对水轮机水压力脉动研究，一般关心尾水管低频涡带振动，而对灯泡贯流式水轮机认为：水头比较低，压力脉动再大对机组运行稳定性影响也有限。真机测试结果表明（灯泡贯流式水轮机转轮直径7.1m，额定水头11m），在低负荷尾水管进口低频涡带脉动双幅值低于2.5米，在40%额定出力以上不大于1m，尾水管水压力脉动影响不大；最大压力脉动值出现在导叶进口，在额定出力40%以上负荷,水压力脉动双幅值 5m，最大达 5.5m；导叶与转轮之间水压力脉动双幅值3m左右（图7）。对灯泡贯流式水轮机，应加强对导叶前、无叶区和转轮室水压力脉动研究和监测。转轮室、叶片等结构强度设计应充分考虑水压力脉动和动应力影响。

TM312

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1008-1151(2011)08-0141-02

2011-04-29

符胜蛟，男，供职于广东水电二局股份有限公司。

图7 灯泡贯流式水轮机水压力脉动