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(jī)在小灣電廠應(yīng)用現(xiàn)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(jī)為X型葉片混流式轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)，X型葉片具有各工況下轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)流態(tài)較為穩(wěn)定，葉片正背面的壓力分布均勻等特點；小灣水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模型試驗主要水力性能指標(biāo)較為優(yōu)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(jī)械模型試驗及真機(jī)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(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運行提供關(guān)鍵的技術(shù)支持。

水輪機(jī)；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(fā)的第二級電站和“龍頭水庫”。電站共裝機(jī)6臺，單機(jī)容量700 MW，總裝機(jī)容量4 200 MW。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪為X型葉片混流式，由15個葉片組成，設(shè)計水頭216 m，最大水頭251 m，最小水頭164 m，加權(quán)平均水頭222.4 m，設(shè)計流量360.3 m3/s，額定轉(zhuǎn)速150 r/min。每年機(jī)組運行水頭變幅達(dá)75 m左右，水頭變幅之大、運行水頭之高在國內(nèi)外均屬少見。

1　X型葉片混流式轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)及水力學(xué)特點

X型葉片的主要結(jié)構(gòu)特點是葉片進(jìn)口均有“負(fù)傾角”，靠近上冠處翼型為負(fù)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(jìn)口看去，其進(jìn)口邊與出水邊在平面的投影成X型。X型葉片與傳統(tǒng)葉片對比見圖1。

圖1　X型葉片與傳統(tǒng)葉片

X型葉片轉(zhuǎn)輪水力學(xué)特點如下：

（1）研究表明，葉片正面存在的橫流會造成轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)大部分流量向下環(huán)區(qū)域集中，使下環(huán)區(qū)的流速、葉片負(fù)荷增加，高流速產(chǎn)生的低壓區(qū)可引發(fā)空化現(xiàn)象，造成轉(zhuǎn)輪出水邊氣蝕及流道內(nèi)水流的紊亂，增加水力損失，通過五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床等先進(jìn)機(jī)加工設(shè)備便得到的X型葉片較傳統(tǒng)葉片更加符合水力學(xué)特點，能消除大部分工況下的橫流，有效解決下環(huán)的高流速水流問題，即使偏離設(shè)計工況，仍能保持高效率，當(dāng)轉(zhuǎn)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(guī)葉片而言，由于下環(huán)區(qū)的“高流速、低水壓”會引起葉片出水邊荷重增加及空化現(xiàn)象，造成出水邊水力不穩(wěn)定及空蝕。在研究轉(zhuǎn)輪受力情況時，混流式轉(zhuǎn)輪葉片和下環(huán)可視為一個固定在上冠處的懸臂受力結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)輪葉片上由于受力點靠近下環(huán)后，造成了下環(huán)到上冠根部的力臂較大，上冠葉片根部應(yīng)力過于集中。相比之下，X型葉片由于采用了“負(fù)傾角”結(jié)構(gòu)，消除了大部分工況區(qū)葉片正面的橫流，葉片間的流動順暢，流道內(nèi)各區(qū)域流速和受力均勻，轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)輪過流能力，同時又因為流道內(nèi)壓力均勻，特別是下環(huán)處“高流速”的傳統(tǒng)問題得到了有效解決，出水邊幾乎不存在空化現(xiàn)象，降低了出水邊水力不穩(wěn)定及空蝕產(chǎn)生的幾率。

2　小灣X型葉片轉(zhuǎn)輪模型試驗主要水力性能結(jié)果

2.1效率

水輪機(jī)的最優(yōu)效率和加權(quán)平均效率直接反映了轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計的水平；加權(quán)平均效率同時還反映了水能利用率的高低。小灣水輪機(jī)效率試驗選用電站空化系數(shù)，采取變轉(zhuǎn)速方式實施。

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

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

2.2出力

出力大小是水能利用及轉(zhuǎn)輪性能的綜合指標(biāo)。小灣水輪機(jī)模型試驗共選取Hp=164、190、212.78、216、230、251 m共6個水頭，根據(jù)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(shù)均滿足要求。根據(jù)初步試驗結(jié)果，并校核了最大出力工況點。

2.3氣蝕

氣蝕是影響轉(zhuǎn)輪壽命及性能的主要因素。小灣水輪機(jī)模型氣蝕試驗主要是為了檢驗水輪機(jī)處于小負(fù)荷區(qū)域時的空化性能趨勢，驗證初步試驗結(jié)果及水輪機(jī)大負(fù)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(xiàn)象，評定空化的發(fā)生及發(fā)展；第二部分是研究氣蝕系數(shù)對轉(zhuǎn)輪性能的影響和安全裕度，即研究氣蝕區(qū)域、氣蝕渦帶及轉(zhuǎn)輪出水邊的卡門渦。

（1）空化觀測。以導(dǎo)葉安裝高程電站空化系數(shù)作為參考，對無翼型空化情形進(jìn)行觀測試驗，根據(jù)試驗結(jié)果繪制進(jìn)水邊負(fù)壓側(cè)初生空化線、進(jìn)水邊正壓側(cè)初生空化線、進(jìn)水邊葉道渦初生線及出水邊葉道渦發(fā)展線。驗收試驗時，在葉片進(jìn)水邊負(fù)壓區(qū)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(jié)果表明：在長期連續(xù)穩(wěn)定的運行范圍內(nèi)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(shù)σp、σ1、σi各工況下的流態(tài)。試驗結(jié)果表明，在設(shè)計水頭范圍內(nèi)水輪機(jī)不存在進(jìn)水邊氣蝕；葉道渦和氣蝕渦為非氣蝕渦帶，位于轉(zhuǎn)輪葉片之間不會觸及葉片表面，在規(guī)定運行范圍內(nèi)未出現(xiàn)葉道渦發(fā)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(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計之初已充分考慮氣蝕及空化等水力學(xué)參數(shù)，且制造、驗收過程均采用國際先進(jìn)手段，所以小灣水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪整體指標(biāo)較為優(yōu)秀。

3　小灣X型葉片轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)的問題及分析

自小灣電廠2010年2月第一臺機(jī)組檢修開始，1～6號水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪均發(fā)生了不同程度的裂紋和輕微的氣蝕，氣蝕主要在轉(zhuǎn)輪葉片出水邊與下環(huán)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(xì)致介紹，僅對裂紋進(jìn)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(zhuǎn)輪裂紋呈現(xiàn)加重趨勢，2012年年末開始出現(xiàn)重復(fù)性裂紋，2014年初開始出現(xiàn)裂紋開叉錯位現(xiàn)象，2014年及以前裂紋均出現(xiàn)在轉(zhuǎn)輪葉片出水邊靠近下環(huán)附近；2015年初轉(zhuǎn)輪葉片出水邊靠近上冠部位也開始出現(xiàn)裂紋。截至2015年1月30日，共發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋49條，其中1號機(jī)10條，2號機(jī)8條，3號機(jī)2條，4號機(jī)4條，5號機(jī)9條，6號機(jī)16條。1號機(jī)裂紋最短為25 mm，最長為430 mm；2號機(jī)裂紋最短為40 mm，最長為400 mm；3號機(jī)裂紋最短為40 mm，最長為330 mm；4號機(jī)裂紋最短為35 mm，最長為410 mm；5號機(jī)裂紋最短為10 mm，最長為400 mm；6號機(jī)裂紋最短為20 mm（表面裂紋），最長為450 mm。

（2）重復(fù)性裂紋情況。除3、4號機(jī)組外，其余機(jī)組均出現(xiàn)重復(fù)性裂紋。1號機(jī)2012年11月發(fā)現(xiàn)15號葉片靠近下環(huán)出現(xiàn)重復(fù)性裂紋，2013年12月發(fā)現(xiàn)7號葉片靠近下環(huán)出現(xiàn)重復(fù)性裂紋；2號機(jī)2013年1月發(fā)現(xiàn)5號葉片靠近下環(huán)出現(xiàn)重復(fù)性裂紋，2014年1月發(fā)現(xiàn)7號葉片靠近下環(huán)出現(xiàn)重復(fù)性裂紋，并出現(xiàn)分叉現(xiàn)象；5號機(jī)2013年4月發(fā)現(xiàn)6號葉片靠近下環(huán)出現(xiàn)重復(fù)性裂紋，2015年1月發(fā)現(xiàn)10號葉片靠近下環(huán)出現(xiàn)重復(fù)性裂紋；6號機(jī)2013年4月發(fā)現(xiàn)8號葉片靠近下環(huán)出現(xiàn)重復(fù)性裂紋，2014年2月發(fā)現(xiàn)7號葉片靠近下環(huán)出現(xiàn)重復(fù)性裂紋，2015年1月發(fā)現(xiàn)5號葉片靠近下環(huán)出現(xiàn)重復(fù)性裂紋、7號葉片靠近下環(huán)第二次出現(xiàn)重復(fù)性裂紋、4號及15號葉片靠近上冠出現(xiàn)裂紋，其中15號葉片同時出現(xiàn)2條裂紋。

3.2裂紋原因分析

小灣電廠X型葉片轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)的裂紋現(xiàn)象遠(yuǎn)超出模型試驗結(jié)論及合同要求，特別是裂紋產(chǎn)生的位置，幾乎都是位于葉片出水邊靠近下環(huán)側(cè)的高應(yīng)力區(qū)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(zhuǎn)輪暴露的問題，小灣電廠組織廠家、設(shè)計院等單位圍繞設(shè)計、制造、運行管理展開問題分析及試驗，現(xiàn)階段得出如下主要結(jié)論。

3.2.1鑄造及焊接缺陷

小灣機(jī)組轉(zhuǎn)輪為鑄焊結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)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(jìn)行焊接。通過對所有轉(zhuǎn)輪裂紋取樣進(jìn)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(zhì)，依此判斷，葉片鑄造及焊接時清根不徹底是產(chǎn)生裂紋的根本原因。

3.2.2非設(shè)計工況運行的壓力脈動和動態(tài)應(yīng)力

為更準(zhǔn)確地分析裂紋產(chǎn)生的原因，彌補理論計算和分析或現(xiàn)階段無法實現(xiàn)的真機(jī)特性，2012年4月電廠聯(lián)合各單位對4號機(jī)組轉(zhuǎn)輪的5、6號葉片進(jìn)行了一次真機(jī)運行轉(zhuǎn)輪應(yīng)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(cè)安裝4個單向應(yīng)變片，在葉片下環(huán)側(cè)安裝6個單向應(yīng)變片和2個三向應(yīng)變片。通過測量機(jī)組在啟動、空載、各負(fù)荷段運行時的應(yīng)力變化情況，經(jīng)過有限元計算得到以下結(jié)果：

（1）小灣電廠轉(zhuǎn)輪在各設(shè)計工況下的靜態(tài)應(yīng)力與出力關(guān)系如圖2所示，從圖2可以看出，靜態(tài)應(yīng)力并不算高，完全滿足設(shè)計要求，且呈現(xiàn)上冠側(cè)的靜應(yīng)力隨出力的增大而減少，下環(huán)側(cè)的應(yīng)力隨出力的增大而增大的情況。

（2）分析轉(zhuǎn)輪動應(yīng)力與壓力脈動關(guān)系可知，水輪機(jī)在連續(xù)穩(wěn)定運行區(qū)和限制運行區(qū)的動態(tài)壓力、動態(tài)應(yīng)力的主導(dǎo)因素是無翼區(qū)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(jī)的典型特點。實測結(jié)果與水輪機(jī)設(shè)計相吻合。但在禁止運行區(qū)，動態(tài)壓力、動態(tài)應(yīng)力的主導(dǎo)因素是尾水管的壓力脈動和動態(tài)壓力問題，不是無翼區(qū)的動靜干涉問題；在200 MW和300 MW之間主要是由于轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)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(jī)的運行工況嚴(yán)重偏離設(shè)計工況時，造成葉道渦發(fā)生、發(fā)展以及嚴(yán)重的水力擾流和水力不穩(wěn)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(jié)果。如果水輪機(jī)在200 MW以下，特別是100 MW以下負(fù)荷運行，其壓力脈動和動態(tài)應(yīng)力非常高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常運行工況下的值，極易造成水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的疲勞破壞。

（3）運行方式不合理也是主要原因之一。從機(jī)組設(shè)計綜合運行特性曲線可知，機(jī)組在0～200 MW間為低負(fù)荷區(qū)；在200～480 MW間為振動區(qū)；在480～700 MW間為穩(wěn)定運行區(qū)。小灣電廠《水輪機(jī)技術(shù)合同》明確提出，在規(guī)定的水質(zhì)、泥沙特性、水頭及尾水位變化范圍內(nèi)，水輪機(jī)功率從零至相應(yīng)水頭下可連續(xù)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(wěn)定區(qū)運行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計及分析。除2014年外，其余年份各機(jī)組在非穩(wěn)定區(qū)運行時間均大幅超出合同規(guī)定值800 h，年度低負(fù)荷區(qū)域運行小時最高達(dá)到1 900 h。當(dāng)轉(zhuǎn)輪處于空載、低負(fù)荷區(qū)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(tài)載荷。機(jī)組長時間運行在旋轉(zhuǎn)備用、低負(fù)荷區(qū)下，在交變動態(tài)荷載和壓力脈動的作用下大大增加了轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)疲勞、裂紋的幾率。根據(jù)轉(zhuǎn)輪疲勞裂紋試驗計算結(jié)論，水輪機(jī)在過渡運行區(qū)和穩(wěn)定運行區(qū)運行，兩者的壽命相差10～20倍。為進(jìn)一步驗證裂紋原因，解決轉(zhuǎn)輪裂紋問題，小灣電廠采取了開機(jī)規(guī)律、單機(jī)運行區(qū)優(yōu)化。采取上述措施后，2014年機(jī)組低負(fù)荷區(qū)運行時間大幅減少，低于合同的規(guī)定值，轉(zhuǎn)輪裂紋隨之明顯減少。

圖2　應(yīng)力與出力關(guān)系

綜上所述，小灣電廠機(jī)組長時間在低負(fù)荷區(qū)運行的不合理工況是造成轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生疲勞裂紋的主要原因之一。

4　結(jié)語

（1）大型混流式水輪機(jī)水力設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要任務(wù)是保持和進(jìn)一步提高機(jī)組的能量特性。X型葉片由于結(jié)構(gòu)特點更加符合的流體力學(xué)要求，是大型混流式水輪機(jī)發(fā)展的必然方向；研究、降低尾水管和無葉區(qū)的壓力脈動及壓力脈動對轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)部件的動態(tài)影響是機(jī)組安全、高效運行的前提。

（2）小灣水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計之初已充分考慮氣蝕及空化等水力學(xué)參數(shù)，且制造、驗收過程均采用國際先進(jìn)手段，其轉(zhuǎn)輪整體指標(biāo)較為優(yōu)秀，可供其他工程參考。

（3）小灣電廠X型葉片轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)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(fù)荷區(qū)運行，采取開機(jī)規(guī)律、單機(jī)運行區(qū)優(yōu)化等措施后，轉(zhuǎn)輪裂紋明顯減少。

（4）加強對原型電站機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片動態(tài)應(yīng)力的測試研究，不僅可以完善、優(yōu)化水力設(shè)計及模型試驗，還可以指導(dǎo)已投運電廠安全、穩(wěn)定、高效運行。

［1］曾鎮(zhèn)鈴，徐正鎬，王曉龍.小灣水電站水輪機(jī)主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)型式選擇［J］.水力發(fā)電，2006，32（11）：97-99.

［2］劉曉亭，李維藩.水力機(jī)組現(xiàn)場測試手冊［M］.北京：水利電力出版社，1993.

［3］周凌九，王正偉.混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪X型葉片的水力特性［J］.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002（4）：47-51.

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

［5］廖翠林，王福軍.X型葉片水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪流場的數(shù)值模擬［J］.水力發(fā)電學(xué)報，2008（3）：143-146.

（責(zé)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(hù)工作.