贯流式水轮发电机组

1、贯流式水轮发电机组贯流式水轮发电机组的技术优势与关键技术的技术优势与关键技术 田田 树树 棠棠2012.04.15l1. 1. 概述概述l2. 2. 贯流式水轮机的分类与发展贯流式水轮机的分类与发展 l3. 3. 贯流式水轮机的技术特点贯流式水轮机的技术特点l4. 4. 贯流式水轮机几个关键技术贯流式水轮机几个关键技术l5. 5. 机组机型与参数选择机组机型与参数选择l6. 6. 采购招标书中应强调机组的刚强度与疲采购招标书中应强调机组的刚强度与疲劳破坏计算劳破坏计算l7. 7. 其它相关的关键技术问题其它相关的关键技术问题l8. 8. 结束语结束语 摘要；摘要；l贯流式水轮机虽开发较晚贯流式

2、水轮机虽开发较晚, ,但近年来发展较快。一方面是中但近年来发展较快。一方面是中高水头水电资源开发殆尽；另一方面是贯流式水轮机具有十高水头水电资源开发殆尽；另一方面是贯流式水轮机具有十分优越的技术优势：能量指标与效率都比较高分优越的技术优势：能量指标与效率都比较高, ,能节省建设能节省建设投资投资, ,又可增发一定的年发电量又可增发一定的年发电量, ,同时空蚀轻微、检修工作量同时空蚀轻微、检修工作量小。当然贯流式水轮机亦有它的不足之处小。当然贯流式水轮机亦有它的不足之处, ,有一些关键技术有一些关键技术必须正确对待必须正确对待, ,妥善処理。例如妥善処理。例如, ,其桨叶与导叶的最佳协联关其桨叶

3、与导叶的最佳协联关系一定要调整好系一定要调整好, ,否则将引发一系列问题；贯流式水轮机的否则将引发一系列问题；贯流式水轮机的刚强度与疲劳破坏亦要高度重视；另外还有一些相关问题也刚强度与疲劳破坏亦要高度重视；另外还有一些相关问题也要慎重对待要慎重对待, ,其设计、安装、运行等都有自己的独特之处其设计、安装、运行等都有自己的独特之处, ,与与立式机组相比有许多不同特奌。立式机组相比有许多不同特奌。l l l1.1.概述概述 贯流式水轮机起步较晚且发展较慢。国外从上世纪三十贯流式水轮机起步较晚且发展较慢。国外从上世纪三十年代开始使用，到六十年代才比较兴旺。国内则从八十年代开始使用，到六十年代才比较兴

4、旺。国内则从八十年代开始使用，到夲世纪初方蓬勃发展。国内厂家从引年代开始使用，到夲世纪初方蓬勃发展。国内厂家从引进仿制、试制中小型贯流式水轮发电机组开始，到如今进仿制、试制中小型贯流式水轮发电机组开始，到如今已有不少厂家能自主开发、独立设计制造已有不少厂家能自主开发、独立设计制造50Mw50Mw以上大型以上大型贯流式机组，甚至正在生产世界上最大的贯流机组（出贯流式机组，甚至正在生产世界上最大的贯流机组（出口巴西口巴西75Mw75Mw贯流机组）。贯流机组）。 l目前目前, ,国内已投运的最大贯流机组是广西桥国内已投运的最大贯流机组是广西桥巩电站的巩电站的8 8台台57mw57mw机组。贯流机组开

5、发较多机组。贯流机组开发较多的地区有广西、广东、湖南、四川等南方省的地区有广西、广东、湖南、四川等南方省区，北方有黄河上游地区。相对而言，湖北区，北方有黄河上游地区。相对而言，湖北省开发较为落后，其实汉江下游可供开发的省开发较为落后，其实汉江下游可供开发的大型贯流机组电站不少，但是仅有王辅州、大型贯流机组电站不少，但是仅有王辅州、崔家营两级已发电，在建的有兴隆电站一级崔家营两级已发电，在建的有兴隆电站一级。正処在设计阶段的有不少，近期能开工上。正処在设计阶段的有不少，近期能开工上马的工程尚不明确。汉江水量充沛，开发条马的工程尚不明确。汉江水量充沛，开发条件较好，有关单位与企业应当抓紧机会促进件

6、较好，有关单位与企业应当抓紧机会促进工程尽快开工兴建。工程尽快开工兴建。 按按GB/T2900.45-1969GB/T2900.45-1969电工术语：电工术语： 水轮水轮机机 蓄能泵和水泵水轮机蓄能泵和水泵水轮机中的定义：贯中的定义：贯流式水轮机，即过流通道呈直钱（或流式水轮机，即过流通道呈直钱（或s s形形）布置的轴流式水轮机；灯泡贯流式水轮）布置的轴流式水轮机；灯泡贯流式水轮机机, ,即发电机置于流道中灯泡体内的贯流即发电机置于流道中灯泡体内的贯流式水轮机。式水轮机。l图图1 1 ：灯泡贯流式机组灯泡贯流式机组( (发电机安装在位于流道中的灯泡体内发电机安装在位于流道中的灯泡体内) )

7、l图图2 2 ：竖井贯流式机组竖井贯流式机组(发电机安装在流道内的竖井中。发电机通过一个变速装置发电机安装在流道内的竖井中。发电机通过一个变速装置与水轮机相联。通过竖井可以直接从上方拆卸发电机和变与水轮机相联。通过竖井可以直接从上方拆卸发电机和变速装置。速装置。) l图图3 3 ：全贯流式机组全贯流式机组 (发电机转子直接与水轮机转轮联在一起。发电机转子直接与水轮机转轮联在一起。)l2. 2. 贯流式水轮机贯流式水轮机的分类与发展的分类与发展 l2.2.贯流式水轮机的分类与发展贯流式水轮机的分类与发展 l从世界水电建设发展的趋势可以看出，中、高从世界水电建设发展的趋势可以看出，中、高水头水电资

8、源开发殆尽，而低水头甚至超低水水头水电资源开发殆尽，而低水头甚至超低水头水电资源（含潮汐电站）的建设重要性正在头水电资源（含潮汐电站）的建设重要性正在日益增大。在日益增大。在30m30m水头段以下，贯流式水轮机水头段以下，贯流式水轮机与立式轴流水轮机相比，具有一系列优势，尤与立式轴流水轮机相比，具有一系列优势，尤其突出的是水电站投资减少，以及可建在城市其突出的是水电站投资减少，以及可建在城市近郊，改善了城市景观与湿地，有利于人文社近郊，改善了城市景观与湿地，有利于人文社会的建设，按最新的环保观奌来说，还有利于会的建设，按最新的环保观奌来说，还有利于鱼类的通过（国外称之为亲鱼水轮机）鱼类的通过（

9、国外称之为亲鱼水轮机）, ,更是更是增加了贯流式水轮机发展的优势。增加了贯流式水轮机发展的优势。机型机型型号型号 运行水头运行水头（m m）转轮直径转轮直径（m m）代表产品代表产品灯泡灯泡式式GZ-GZ-WP-WP-2.42.42.5-9.02.5-9.0 （只见）（只见）P Pr r=65.8mw;D=65.8mw;D1 1= =轴伸轴伸式式GZ-GZ-WZ-WZ-5 50.6-9.00.6-9.0 （ 奧 扎 克 ）（ 奧 扎 克 ） P Pr r =31.5mw, D=31.5mw, D1 1= =竖井竖井式式GZ-GZ-WS-WS-2 21.0-9.01.0-9.0 （ 墨 累 ）（

10、 墨 累 ） P Pr r =24.8mw; D=24.8mw; D1 1= =全贯全贯流式流式GZ-GZ-WQ-WQ-2 21.2-101.2-10（安娜波里斯）（安娜波里斯）P Pr r =20mw; D=20mw; D1 1= =贯流式水轮机各类型式的最高水平大致如表贯流式水轮机各类型式的最高水平大致如表1 1所示所示. .表表1 1 贯流式水轮机的分类及其代表产品贯流式水轮机的分类及其代表产品 l另外，还有少数小型虹吸贯流式水轮机与整另外，还有少数小型虹吸贯流式水轮机与整装式贯流灯泡机组。而大型在制的灯泡机组装式贯流灯泡机组。而大型在制的灯泡机组P Pr r达到达到7.5MW7.5MW

11、，D D1 1达到达到7.5m7.5m（欧州联合体产品（欧州联合体产品）到）到7.9m7.9m（中国东电产品）。理论上说最大（中国东电产品）。理论上说最大灯泡机组可达灯泡机组可达100.0 MW, D100.0 MW, D1 1=9.0m=9.0m。l由表由表1 1可见，贯流式水轮机中尤以灯泡式规可见，贯流式水轮机中尤以灯泡式规模最大、发展最快。故以灯泡式为例（以下模最大、发展最快。故以灯泡式为例（以下简称灯泡机组）进行介绍。简称灯泡机组）进行介绍。图图4 4 ：灯泡贯流式机组：灯泡贯流式机组l3. 3. 贯流式水轮机贯流式水轮机的技术优势的技术优势l3.1. 3.1. 流道形式好、尺寸小。流

12、道形式好、尺寸小。l由于取消了立式机组平面上由于取消了立式机组平面上180180270 270 的蜗壳和的蜗壳和立面上立面上9090拐弯的肘形尾水管，而采用直轴引水室，拐弯的肘形尾水管，而采用直轴引水室，其进口断面为矩形，在接近灯泡体的范围内逐渐过渡其进口断面为矩形，在接近灯泡体的范围内逐渐过渡为圆形断面以及直锥式尾水管，由圆断面逐渐又变为为圆形断面以及直锥式尾水管，由圆断面逐渐又变为矩形断面矩形断面. .由于流道平直对称，避免了水流拐弯后形由于流道平直对称，避免了水流拐弯后形成流速分布不均而使水流流态变坏的影响，水力损失成流速分布不均而使水流流态变坏的影响，水力损失较小。这种直锥扩大型尾水管

13、能量恢复系数高达较小。这种直锥扩大型尾水管能量恢复系数高达0.90.9（而常规弯肘形尾水管能量恢复系数仅在（而常规弯肘形尾水管能量恢复系数仅在0.750.75左右）左右）。同时，由于取消了蜗壳与弯肘形尾水管，使机组流。同时，由于取消了蜗壳与弯肘形尾水管，使机组流道尺寸减小。在转轮直径道尺寸减小。在转轮直径D D1 1相同时，其机组段水力尺相同时，其机组段水力尺寸仅相当于立式轴流机组的三分之二左右，因而土建寸仅相当于立式轴流机组的三分之二左右，因而土建工程量与建设投资减少较多。工程量与建设投资减少较多。l3.2 3.2 能量指标大、效率高。能量指标大、效率高。l由于灯泡机组为卧式布置，流道平直，

14、水流平由于灯泡机组为卧式布置，流道平直，水流平顺，且采用直锥扩大型尾水管，减少了尾水管顺，且采用直锥扩大型尾水管，减少了尾水管水头损失，大为提高水轮机能量指标；单位流水头损失，大为提高水轮机能量指标；单位流量量Q Q1111比轴流机组增加了比轴流机组增加了40%40%左右；在相同的单左右；在相同的单位流量时位流量时, ,其效率相应高其效率相应高5%5%以上。在同一水头段以上。在同一水头段其单位转速其单位转速n n1111也比轴流机组高也比轴流机组高10%10%左右。因此左右。因此，灯泡机组的比转速，灯泡机组的比转速n ns s在在1000m.kw1000m.kw左右，比速左右，比速系数在系数在

15、30003000左右甚至更高，远远超过其它类型左右甚至更高，远远超过其它类型水轮机。另外，灯泡机组因具有良好的水力特水轮机。另外，灯泡机组因具有良好的水力特性，故其效率较高，额定点效率与最高效率分性，故其效率较高，额定点效率与最高效率分别比轴流机高别比轴流机高5%5%与与3%3%左右。左右。l3.33.3机组尺寸小、重量轻。机组尺寸小、重量轻。l灯泡机组由于能量指标高，更兼有结构紧凑灯泡机组由于能量指标高，更兼有结构紧凑、体积小、消耗材料少等特点。与轴流机组、体积小、消耗材料少等特点。与轴流机组相比，在相同的水头与直径下，出力可提高相比，在相同的水头与直径下，出力可提高30%30%左右。当水头

16、和单机容量相同时，灯泡机左右。当水头和单机容量相同时，灯泡机组直径比轴流机组小组直径比轴流机组小15%15%左右，重量减轻左右，重量减轻25%25%左右，而每台机组重量相差左右，而每台机组重量相差1.71.7倍左右。例如倍左右。例如，在相同的，在相同的p pr r=37.5mw=37.5mw、H Hr r=12.9m=12.9m时，不同方时，不同方案机组重量估算见表案机组重量估算见表2 2。表中。表中G Gt t、G Gf f、G G总总分别分别表示水轮机、发电机和机组总重量。表示水轮机、发电机和机组总重量。表表2 2 灯泡灯泡GZGZ机组与轴流转桨机组机组与轴流转桨机组ZZZZ比较表比较表1

17、9951995年水平年水平 方方案案D D1 1（m m）n nr r（r/minr/min）G Gt t（t t） G Gf f（t t） G G总总（t t）备注备注GZGZ6.16.1107.1107.1410410288288698698合资厂合资厂参数水参数水平平GZGZ6.96.978.9578.9558458456556511491149合资厂合资厂参数水参数水平平ZZZZ7.57.571.471.466066060560512651265国内厂国内厂家参数家参数水平水平l3.4 3.4 土建工程量少、投资省。土建工程量少、投资省。l灯泡机组由于取消了蜗壳和肘形尾水管灯泡机组由于

18、取消了蜗壳和肘形尾水管，其体积减小，结构紧凑，厂房面积小，其体积减小，结构紧凑，厂房面积小。另外，因水平布置，其开挖深度也小。另外，因水平布置，其开挖深度也小于轴流机组。因此，与采用轴流机组方于轴流机组。因此，与采用轴流机组方案相比，厂房工程费用可节省案相比，厂房工程费用可节省30%30%到到40%40%。l3.5 3.5 运行性能好、适用范围大。运行性能好、适用范围大。l运行经济性好，比轴流机组可增发电量运行经济性好，比轴流机组可增发电量4%4%左左右；运行稳定性良好；空蚀轻微。据国内外右；运行稳定性良好；空蚀轻微。据国内外设计经验，比轴流机组方案可节省投资设计经验，比轴流机组方案可节省投资

19、15%15%左右。水头越低，灯泡机组优势越大。当然左右。水头越低，灯泡机组优势越大。当然，由于灯泡机组本身的特点和水力条件的限，由于灯泡机组本身的特点和水力条件的限制，对机组结构有着严格的要求，有些地方制，对机组结构有着严格的要求，有些地方较轴流机组要复杂一些，特别要重视疲劳破较轴流机组要复杂一些，特别要重视疲劳破坏特性。随着机组出力和尺寸的增大，其制坏特性。随着机组出力和尺寸的增大，其制造难度随之增加，必须予以充分的重视。造难度随之增加，必须予以充分的重视。l3.6 3.6 其它功能。其它功能。l由于机组卧式布置又有反向推力轴承，所以不由于机组卧式布置又有反向推力轴承，所以不会发生抬机现象；

20、由于导水机构设有关闭重锤会发生抬机现象；由于导水机构设有关闭重锤可防止发生机组飞逸事故；另外，还具有空载可防止发生机组飞逸事故；另外，还具有空载泄水功能；按最新的环保要求泄水功能；按最新的环保要求水轮机要能过水轮机要能过鱼，而贯流式水轮机流道平直、压力变化小，鱼，而贯流式水轮机流道平直、压力变化小，而且叶片数少、转速较低，适宜鱼类通过。再而且叶片数少、转速较低，适宜鱼类通过。再者贯流式水轮机可布置在城市附近的低水头径者贯流式水轮机可布置在城市附近的低水头径流式水电站，可以改善城市景观与湿地，水面流式水电站，可以改善城市景观与湿地，水面还可以运动健身，适合城市人口旅游度假，还可以运动健身，适合城

21、市人口旅游度假，符合符合人文设计要求，不少城市都在实施中。人文设计要求，不少城市都在实施中。l4 4 贯流式水轮机贯流式水轮机l几个关键技术几个关键技术l4.1 4.1 水轮机桨叶与导叶的最佳协联关系水轮机桨叶与导叶的最佳协联关系l 周知，凡转桨式水轮机（含轴流转桨式与贯流周知，凡转桨式水轮机（含轴流转桨式与贯流转桨式）的桨叶与导叶之间存在一种最佳协联关系转桨式）的桨叶与导叶之间存在一种最佳协联关系水轮机运行在此処水轮机运行在此処, ,则水轮机效率最高、运行性则水轮机效率最高、运行性能也最好。无论是水轮机模型试验或是原型水轮机能也最好。无论是水轮机模型试验或是原型水轮机现场必须调试协联关系。都

22、必须在水电站水头范围现场必须调试协联关系。都必须在水电站水头范围内，选择几个具有代表性的水头与多个不同工况（内，选择几个具有代表性的水头与多个不同工况（即导叶开度）下，调整桨叶开度直到效率出现拐点即导叶开度）下，调整桨叶开度直到效率出现拐点，相对效率最高処即桨叶与导叶的最佳协联点，将，相对效率最高処即桨叶与导叶的最佳协联点，将各工况的最佳协联奌连成曲线，即该水头下的最佳各工况的最佳协联奌连成曲线，即该水头下的最佳协联曲线，其它水头工况照此法找出最佳协联曲线协联曲线，其它水头工况照此法找出最佳协联曲线。l如转桨机组最佳协联调整不适如转桨机组最佳协联调整不适, ,则将产生则将产生下列一些不利因素。

23、下列一些不利因素。 l首先将产生水力损失（也就是电量损失首先将产生水力损失（也就是电量损失）。转桨式水轮机在最佳协联工况下，水）。转桨式水轮机在最佳协联工况下，水流进口无撞击、出口为法向。所以，水流流进口无撞击、出口为法向。所以，水流损失较小，可保持平稳高效运行。而失去损失较小，可保持平稳高效运行。而失去协联之后，转轮叶片进口将产生撞击损失协联之后，转轮叶片进口将产生撞击损失、出口不再是法向，将产生环流损失。、出口不再是法向，将产生环流损失。l另者，由于转桨式水轮机比转速比较高，尤另者，由于转桨式水轮机比转速比较高，尤其是贯流式水轮机更高，约在其是贯流式水轮机更高，约在1000m.kw1000

24、m.kw左右左右。其出口动能相对数值也大一点，当尾水管。其出口动能相对数值也大一点，当尾水管恢复系数一定，则比转速越高，其尾水管动恢复系数一定，则比转速越高，其尾水管动能损失也越大。转桨式水轮机失去最佳协联能损失也越大。转桨式水轮机失去最佳协联之后如同定桨式，其效率曲线下降很快。可之后如同定桨式，其效率曲线下降很快。可见，协联关系好坏对转桨式水轮机效率特性见，协联关系好坏对转桨式水轮机效率特性影响甚大。南方某电站调整最佳协联关系后影响甚大。南方某电站调整最佳协联关系后，水轮机相对效率提高约，水轮机相对效率提高约2%,2%,有的电站甚至有的电站甚至更高。更高。 l其次将产生多种压力脉动。失去最佳

25、协联之后其次将产生多种压力脉动。失去最佳协联之后，叶片进口水流对叶片产生一定的冲击，水流对，叶片进口水流对叶片产生一定的冲击，水流对叶片不再是平顺的绕流，而形成机组转频（叶片不再是平顺的绕流，而形成机组转频（n nr r/60/60）、叶片频率（叶片数）、叶片频率（叶片数转频）、导叶频率（导转频）、导叶频率（导叶数叶数转频）等多种有规律的压力脉动。甚至还转频）等多种有规律的压力脉动。甚至还产生混流式水轮机所固有的低频偏心涡带频率（产生混流式水轮机所固有的低频偏心涡带频率（1/41/4转频左右）压力脉动。而且是在转轮前后诱发转频左右）压力脉动。而且是在转轮前后诱发多种频率压力脉动。过去曾在轴流转

26、桨式水轮机多种频率压力脉动。过去曾在轴流转桨式水轮机的现场测试中发现这种现象，如今在贯流式转桨的现场测试中发现这种现象，如今在贯流式转桨水轮机的多次试验中皆有此种现象发生。水轮机的多次试验中皆有此种现象发生。l现以某次现场试验为例进行介绍：南方某个电站装有现以某次现场试验为例进行介绍：南方某个电站装有4 445Mw45Mw灯泡贯流式水轮发电机组，其转轮直径灯泡贯流式水轮发电机组，其转轮直径D1=7.1mD1=7.1m，额定水头，额定水头Hr=11.0mHr=11.0m，额定转速，额定转速nr=83.3r/minnr=83.3r/min，由于协，由于协联关系欠佳，多种压力脉动作用于机组，致使转轮

27、室环联关系欠佳，多种压力脉动作用于机组，致使转轮室环筋产生裂纹甚至还有转轮室本体裂纹、叶片裂纹、叶片筋产生裂纹甚至还有转轮室本体裂纹、叶片裂纹、叶片空蚀严重等现象发生。空蚀严重等现象发生。l可见，协联关系欠佳不仅效率下降，而且在转轮前后出可见，协联关系欠佳不仅效率下降，而且在转轮前后出现多种压力脉动及相应的各种频率的振动，尤以叶片频现多种压力脉动及相应的各种频率的振动，尤以叶片频率压力脉动及相应的振动值最为显著，这也是所有转桨率压力脉动及相应的振动值最为显著，这也是所有转桨式水轮机振动的一大突出特征。式水轮机振动的一大突出特征。l4.2 4.2 贯流式水轮机的疲劳破坏值得重视贯流式水轮机的疲劳

28、破坏值得重视l4.2.1 4.2.1 重视机组刚强度设计与计算重视机组刚强度设计与计算l贯流式水轮机由于是卧式布置，每旋转一周就贯流式水轮机由于是卧式布置，每旋转一周就有一次弯曲应力发生，所以，必须重视其疲劳有一次弯曲应力发生，所以，必须重视其疲劳破坏设计。首先要正视机组刚强度计算，一些破坏设计。首先要正视机组刚强度计算，一些灯泡机组投产初期大都运行良好，但运行一段灯泡机组投产初期大都运行良好，但运行一段时间后，陆续会出现一些故障，尤其是低价中时间后，陆续会出现一些故障，尤其是低价中标机组表露比较明显。标机组表露比较明显。l一者由于一些灯泡机组电厂运行经验比较缺乏，且规一者由于一些灯泡机组电厂

29、运行经验比较缺乏，且规章制度不够严格，时而出现一些误操作，更加剧了机章制度不够严格，时而出现一些误操作，更加剧了机组故障率。二者由于现在是市场经济，有些厂家过于组故障率。二者由于现在是市场经济，有些厂家过于注重减少生产成本，设计应力选用过高，而安全系数注重减少生产成本，设计应力选用过高，而安全系数偏小。偏小。l有些水电设计院或买方对此关注不够，没有严格编写有些水电设计院或买方对此关注不够，没有严格编写标书或签订机组技术协议，设计联络会上也没认真审标书或签订机组技术协议，设计联络会上也没认真审查刚强度计算成果与钢材牌号。有些监造人员也没认查刚强度计算成果与钢材牌号。有些监造人员也没认真检验部件尺

30、寸等等原因，造成部份机组部件刚强度真检验部件尺寸等等原因，造成部份机组部件刚强度不足。不足。例如，有些转轮室采用焊接结构，但经过金加工后，例如，有些转轮室采用焊接结构，但经过金加工后，原来的主板设计厚度为原来的主板设计厚度为60mm60mm，而裂纹后在电站用超，而裂纹后在电站用超声波实测只有声波实测只有30mm30mm，如此大的差距怎么能保证转轮，如此大的差距怎么能保证转轮室的刚强度？发生裂纹就不奇怪了。如果协联关系室的刚强度？发生裂纹就不奇怪了。如果协联关系欠佳，机组部件长期承受各种频率的水压脉动与振欠佳，机组部件长期承受各种频率的水压脉动与振动，就会加剧事故发生的几率，尤其是叶片频率的动，

31、就会加剧事故发生的几率，尤其是叶片频率的脉动与振动，其后果就会更为严重。脉动与振动，其后果就会更为严重。例如，一个额定转速例如，一个额定转速n nr r=83.3r/min=83.3r/min的的4 4叶片灯泡机组，叶片灯泡机组，以年运行小时为以年运行小时为4000h4000h计，那么运行计，那么运行5 5、6 6年，就要承年，就要承受受1.121.1210108 8次振动扰动力。而且实测动应力高达次振动扰动力。而且实测动应力高达180Mpa180Mpa，如此大的动应力必然会引起材料的疲劳破，如此大的动应力必然会引起材料的疲劳破坏。实际上一般转轮室多数采用坏。实际上一般转轮室多数采用Q235-

32、BQ235-B，其屈服限，其屈服限235Mpa235Mpa，一般厂家设计应力为，一般厂家设计应力为78Mpa78Mpa（即（即1/31/3屈服屈服限），而高达限），而高达180Mpa180Mpa的动应力长期作用于转轮室的动应力长期作用于转轮室（已超过（已超过2/32/3屈服限了），则转轮室必然会发生疲劳屈服限了），则转轮室必然会发生疲劳破坏。破坏。 有些厂家已提出加厚环板的措施或改用有些厂家已提出加厚环板的措施或改用不锈钢转轮室以防止转轮室空蚀并提高不锈钢转轮室以防止转轮室空蚀并提高其刚强度，不过不锈钢的水下疲劳应力其刚强度，不过不锈钢的水下疲劳应力并不高，所以不锈钢转轮叶片设计应力并不高，所

33、以不锈钢转轮叶片设计应力仅在仅在100Mpa100Mpa左右，因此转轮室采用不锈左右，因此转轮室采用不锈钢时其设计应力也应在钢时其设计应力也应在100Mpa100Mpa左右。左右。南方某电站在作机组现场试验中，证实其叶片频率的南方某电站在作机组现场试验中，证实其叶片频率的振幅最大，而且出倍频现象（说明机组转动部分存存振幅最大，而且出倍频现象（说明机组转动部分存存一定的动不平衡现象）则机组的疲劳破坏时间更会缩一定的动不平衡现象）则机组的疲劳破坏时间更会缩短，甚至缩短一半时间。从实测中可见，在整个水头短，甚至缩短一半时间。从实测中可见，在整个水头的运行范围内，叶片频率的脉动与振动的历时时间最的运行

34、范围内，叶片频率的脉动与振动的历时时间最长，几乎在绝大部分水头内都是叶频振动，尤其是转长，几乎在绝大部分水头内都是叶频振动，尤其是转轮室的振动几乎都是叶频振动（无论是垂直振动分量轮室的振动几乎都是叶频振动（无论是垂直振动分量或水平振动分量都是）。或水平振动分量都是）。因此，在机组招标书中应要求厂家帮助电站调整因此，在机组招标书中应要求厂家帮助电站调整好最佳协联关系，并校核在非最佳协联工况运行好最佳协联关系，并校核在非最佳协联工况运行时的动应力应小于材料屈服限，并留有足够的余时的动应力应小于材料屈服限，并留有足够的余量，不得造成转轮室裂纹。量，不得造成转轮室裂纹。包括转轮室在内的所有大型环形件最

35、好采用油压或水包括转轮室在内的所有大型环形件最好采用油压或水压成型工艺，减少焊缝与金加工量，保证转轮室等环压成型工艺，减少焊缝与金加工量，保证转轮室等环形件留有足够的设计厚度（当然设计亦应正确并留有形件留有足够的设计厚度（当然设计亦应正确并留有一定的余量）。另外，最好对机组主要部件所用对材一定的余量）。另外，最好对机组主要部件所用对材料牌号、屈服限、许用应力等主要数据作出规定，防料牌号、屈服限、许用应力等主要数据作出规定，防止个别厂家使用劣质材料替代正规产品然后低价中标，止个别厂家使用劣质材料替代正规产品然后低价中标，而投运后达不到机组可靠性指标，尤其是而投运后达不到机组可靠性指标，尤其是40

36、40年寿命周年寿命周期难以满足等故障出现。应规定不得采用期难以满足等故障出现。应规定不得采用“山寨山寨”产产品。品。l4.2.2 4.2.2 要高度重视贯流机组的疲劳破坏问题要高度重视贯流机组的疲劳破坏问题l疲劳是一种十分有趣的现象，当材料或结构疲劳是一种十分有趣的现象，当材料或结构受到多次重复变化载荷作用后，应力值虽然受到多次重复变化载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏。这种在极限还低的情况下就可能发生破坏。这种在交变载荷重复作用下的材料或结构的破坏现交变载荷重复作用下的材料或结构的破坏现象，就叫疲劳

37、破坏。而水轮机就经常受到重象，就叫疲劳破坏。而水轮机就经常受到重复变化载荷的作用，尤其是贯流机组最为明复变化载荷的作用，尤其是贯流机组最为明显。显。l由于贯流机组卧式布置，主轴除受拉伸和扭矩外，由于贯流机组卧式布置，主轴除受拉伸和扭矩外，还要承受由于转子体重量引起的弯矩。因此，贯流机还要承受由于转子体重量引起的弯矩。因此，贯流机组主轴存在弯曲疲劳破坏。所以，要对主轴法兰根部组主轴存在弯曲疲劳破坏。所以，要对主轴法兰根部，联结螺栓和销套强度及疲劳安全系数进行研究。，联结螺栓和销套强度及疲劳安全系数进行研究。l另外，贯流机组有不少焊接结构，而经验表明，焊另外，贯流机组有不少焊接结构，而经验表明，焊

38、接的疲劳强度取决于焊接过程、焊条种类、焊接水平接的疲劳强度取决于焊接过程、焊条种类、焊接水平、焊后热处理和焊缝的最后形状。关键是，只有当焊、焊后热处理和焊缝的最后形状。关键是，只有当焊缝中的任何缺陷不超过其极限尺寸时，其疲劳强度才缝中的任何缺陷不超过其极限尺寸时，其疲劳强度才能接近板材的疲劳强度。能接近板材的疲劳强度。 l关键是，结构的设计应力应远小于材关键是，结构的设计应力应远小于材料的许用应力，方能使结构的疲劳安料的许用应力，方能使结构的疲劳安全系数足够。例如，主轴轴身最大应全系数足够。例如，主轴轴身最大应力仅为力仅为30Mpa30Mpa，而法兰根部在正常与甩，而法兰根部在正常与甩负荷工况

39、下仅负荷工况下仅5050与与100Mpa100Mpa左右，法兰左右，法兰根部的疲劳安全系数在根部的疲劳安全系数在3.53.5以上。而联以上。而联轴螺栓与销套的疲劳安全系数在轴螺栓与销套的疲劳安全系数在2.02.0倍倍左右。左右。l转子支架裂纹亦是贯流机组常见的一种缺陷。优化转子支架裂纹亦是贯流机组常见的一种缺陷。优化的途径首先在于材料的选择，应选用的途径首先在于材料的选择，应选用Q345Q345等等300Mpa300Mpa级的板材，不能选用级的板材，不能选用Q235Q235类材料。其次，要采用能类材料。其次，要采用能避免裂纹发生的计算分析软件，而且应有足够的安避免裂纹发生的计算分析软件，而且应

40、有足够的安全余度。而且，焊后要进行高频超声全余度。而且，焊后要进行高频超声20000Hz20000Hz振振动处理，以强化焊缝疲劳强度。贯流机组叶片裂纹动处理，以强化焊缝疲劳强度。贯流机组叶片裂纹较少，但亦有发生。所以，叶片的设计应力应小于较少，但亦有发生。所以，叶片的设计应力应小于100Mpa100Mpa，虽然不锈钢屈服强度较高，但其水下疲劳，虽然不锈钢屈服强度较高，但其水下疲劳极限并不高，仅极限并不高，仅180Mpa180Mpa左右。所以，不锈钢水下部左右。所以，不锈钢水下部件的设计应力亦不宜超过件的设计应力亦不宜超过100Mpa100Mpa。 l4.3. 4.3. 可靠性指标需认真计算可靠

41、性指标需认真计算l无论是水轮机还是水轮发电机，甚至调速器等附属无论是水轮机还是水轮发电机，甚至调速器等附属设备都具有可靠性指标。除少数厂家对水轮机有部设备都具有可靠性指标。除少数厂家对水轮机有部分计算外，其余都无人问津。买方招标书上怎么要分计算外，其余都无人问津。买方招标书上怎么要求，卖方都是照样填写，有的甚至耍小聪明填高一求，卖方都是照样填写，有的甚至耍小聪明填高一点，以博取高分，实际上点，以博取高分，实际上, ,都沒有作什么工作。评都沒有作什么工作。评标时还真有评委多给分的笑话。除了一些须要作统标时还真有评委多给分的笑话。除了一些须要作统计工作的指标计工作的指标 （电厂缺乏认真统计）暂不执

42、行外（电厂缺乏认真统计）暂不执行外，最重要的就是设计应力的选取，最重要的就是设计应力的选取应力取得低，其应力取得低，其疲劳寿命就必然会比较长。疲劳寿命就必然会比较长。黄河龙羊峡水轮机是东方电机厂第一台出力超过黄河龙羊峡水轮机是东方电机厂第一台出力超过300Mw300Mw的大型混流式水轮机（的大型混流式水轮机（D D1 1=6.0m H=6.0m Hmaxmax=148.5m =148.5m H Hr r=122m=122m）, ,设计较为保守设计较为保守, ,转轮叶片设计应力仅转轮叶片设计应力仅44.22Mpa44.22Mpa（正常工况）。所以，龙羊峡转轮叶片运行（正常工况）。所以，龙羊峡转轮

43、叶片运行了近二十年才出现裂纹。而有些应力取得较高的转轮了近二十年才出现裂纹。而有些应力取得较高的转轮叶片则出现裂纹的时间就相对较短。龙羊峡水轮机整叶片则出现裂纹的时间就相对较短。龙羊峡水轮机整机结构设计都较保守，机组运行稳定性也比较好，只机结构设计都较保守，机组运行稳定性也比较好，只是水轮机效率略低，这也是限于当时国内水力设计水是水轮机效率略低，这也是限于当时国内水力设计水平较低之故。平较低之故。 后来有一段时间业主与设计院都有些追求高效率的趋后来有一段时间业主与设计院都有些追求高效率的趋势，致使厂家为了提高效率而将叶片厚度减薄较多，势，致使厂家为了提高效率而将叶片厚度减薄较多，叶片长而薄便其

44、固有频率下降易起多阶频率共振，造叶片长而薄便其固有频率下降易起多阶频率共振，造成叶片裂纹加剧，甚至儿十小时就出现裂纹，当然这成叶片裂纹加剧，甚至儿十小时就出现裂纹，当然这也有叶片出口形况不适造成卡门涡共振等原因有关。也有叶片出口形况不适造成卡门涡共振等原因有关。总之，设计应力的高低对于机组可靠性的影响非常重总之，设计应力的高低对于机组可靠性的影响非常重要要. . l例如，广西桥巩例如，广西桥巩57mw57mw灯泡机组的可靠性（水轮机部灯泡机组的可靠性（水轮机部分）就是：在规定的运行工况下，水轮机及其附属分）就是：在规定的运行工况下，水轮机及其附属设备的可靠性指标规定如下：设备的可靠性指标规定如

45、下：l11无故障连续运行时间不小于无故障连续运行时间不小于18000h18000h，l22扩大性大修间隔时间不小于扩大性大修间隔时间不小于1010年，年，l33退役前的使用年限不小于退役前的使用年限不小于4040年，年，l44允许操作次数：机组年开停机次数不小于允许操作次数：机组年开停机次数不小于10001000次。可见，关键在于第次。可见，关键在于第33条。条。 l而水轮发电机的可靠性指标为：而水轮发电机的可靠性指标为：l11可用率为可用率为99.5%99.5%，l22无故障连续运行时间为不小予无故障连续运行时间为不小予18000h18000h，l33大修间隔年限不小于大修间隔年限不小于10

46、10年，年，l44定子绕组使用期限为定子绕组使用期限为3030年，年，l55退役前使用期限为退役前使用期限为4040年。年。l同样亦是同样亦是4040年使用年限（即寿命周期）最为重要年使用年限（即寿命周期）最为重要。而定子绕组使用年限决定于绕组运行温度（即。而定子绕组使用年限决定于绕组运行温度（即发电机的冷却通风效果如何）。发电机的冷却通风效果如何）。 l5 5 机组机型与机组机型与机组参数选择机组参数选择l5.1 5.1 机组机型选择机组机型选择l 低水头径流式水电站原来都采用轴流式水轮发低水头径流式水电站原来都采用轴流式水轮发电机组，随着技术进步与发展，如今世界各地大多电机组，随着技术进步

47、与发展，如今世界各地大多采用卧式布置的贯流式水轮发电机组。按水头高低采用卧式布置的贯流式水轮发电机组。按水头高低选用不同叶片数的转轮：水轮机最大水头超过选用不同叶片数的转轮：水轮机最大水头超过20.5m20.5m者，选用者，选用5 5叶片转轮，最大水头可用到叶片转轮，最大水头可用到30m30m，甚至有望突玻甚至有望突玻30m30m，国外有厂家已开发，国外有厂家已开发6 6叶片转轮。叶片转轮。而水头从而水头从20m20m左右到左右到10m10m左右则采用左右则采用4 4叶片转轮。最叶片转轮。最大水头在大水头在10m10m以下者则采用以下者则采用3 3叶片转轮。目前叶片转轮。目前, ,已有已有厂家

48、在开发厂家在开发2 2叶片转轮，用于最大水头不超过叶片转轮，用于最大水头不超过5m5m的的超低水头电站及潮汐发电站。超低水头电站及潮汐发电站。l由于转轮结构布置与强度要求，各水头段转轮轮由于转轮结构布置与强度要求，各水头段转轮轮毂比有所不同，毂比有所不同，5 5叶片者多采用叶片者多采用0.420.42左右；而左右；而4 4叶叶片者以最大水头片者以最大水头15m15m为界，大于为界，大于15m15m者用者用0.380.38到到0.40.4；小于；小于15m15m者可用者可用0.360.36；而；而3 3叶片转轮按最大叶片转轮按最大水头而定：大约水头而定：大约8m8m以上者用以上者用0.340.3

49、4；小于；小于8m8m时可用时可用0.30.3； 2 2叶片者可用叶片者可用0.30.3或更小一点。或更小一点。 l5.2 5.2 机组参数选择特点机组参数选择特点l5.2.1 5.2.1 单位流量按转轮轴面流速而定单位流量按转轮轴面流速而定l 关于转轮轴面流速关于转轮轴面流速VmVm的计算方法，笔者曾在多篇的计算方法，笔者曾在多篇文章中作过介绍，此处不在重复。过去认为文章中作过介绍，此处不在重复。过去认为VmVm不宜超不宜超过过15m/s15m/s，实际上，国外己有超过之实例。但国内一，实际上，国外己有超过之实例。但国内一直使用较低，只有直使用较低，只有12m/s12m/s左右，主要是害拍发

50、生严重左右，主要是害拍发生严重空蚀，实际上并非如此。虽然在模型试验台看到空泡空蚀，实际上并非如此。虽然在模型试验台看到空泡较多，但是在原型机组上空蚀并不严重。大部分贯流较多，但是在原型机组上空蚀并不严重。大部分贯流水轮机空蚀均较轻微，有些运行了二十多年仍未处理水轮机空蚀均较轻微，有些运行了二十多年仍未处理。即使国内。即使国内VmVm用到用到14m/s14m/s的广东北江飞来峡电厂空蚀的广东北江飞来峡电厂空蚀仍比较轻微。笔者建议国内用仍比较轻微。笔者建议国内用1314m/s1314m/s。虽然国内亦。虽然国内亦有叶片发生空蚀，甚至转轮室也发生空蚀，但是并非有叶片发生空蚀，甚至转轮室也发生空蚀，但

51、是并非VmVm太高之故，而是另有原因。太高之故，而是另有原因。l随着国内中高水头电站开发殆尽，剩下一些随着国内中高水头电站开发殆尽，剩下一些10m10m，甚，甚至至5m5m左右的电站有待开发，水轮机单位流量应适当左右的电站有待开发，水轮机单位流量应适当提高。一些三叶片转轮，国外厂家己用提高。一些三叶片转轮，国外厂家己用4000l/s4000l/s左右左右，国内大多得较低，笔者建议用，国内大多得较低，笔者建议用3500l/s3500l/s左右。如果左右。如果水头低，那么还可以用得再大些。水头低，那么还可以用得再大些。l5.2.2 5.2.2 机组额定转速可不拘一格选择机组额定转速可不拘一格选择l

52、以前水电站机组额定转速强调备品、备件一致，所以前水电站机组额定转速强调备品、备件一致，所以不管多少台机组都要选相同的额定转速，有些虽以不管多少台机组都要选相同的额定转速，有些虽是同步转速却亦不能选择，要选所谓标准同步转速是同步转速却亦不能选择，要选所谓标准同步转速。现在可以选择任何同步转速，其因一是电机技术。现在可以选择任何同步转速，其因一是电机技术进步了，可以生产任何同步转速；另者，由于低水进步了，可以生产任何同步转速；另者，由于低水头电站最大与最小水头相差虽没儿米，但是其相对头电站最大与最小水头相差虽没儿米，但是其相对值却是值却是2 2到到3 3倍，甚至更多，如果选择同一转速则不倍，甚至更

53、多，如果选择同一转速则不能适应电站运行要求。能适应电站运行要求。l例如某电站装机例如某电站装机1515台，采用统一的转速，到了汛期河台，采用统一的转速，到了汛期河里有几万流量却不能开机发电，因为机组不能适应低里有几万流量却不能开机发电，因为机组不能适应低水头工况，机组运行时噪声与振动都很大，电厂为安水头工况，机组运行时噪声与振动都很大，电厂为安全不敢发电，反而要向电力系统买电，而买电价格远全不敢发电，反而要向电力系统买电，而买电价格远远高于供电价格，造成电厂很大经济损失。作为曾参远高于供电价格，造成电厂很大经济损失。作为曾参与咨询的笔者除了遗撼，也反思了此事，当时讨论与咨询的笔者除了遗撼，也反

54、思了此事，当时讨论2m2m到到2.5m2.5m发电，联想白垢电厂曾发电，联想白垢电厂曾1.3m1.3m发电都没问题，该发电都没问题，该电站也应当可行，机组模型验收时也专门作了验证，电站也应当可行，机组模型验收时也专门作了验证，厂家也说可以运行，但运行后发现不行，电厂不敢运厂家也说可以运行，但运行后发现不行，电厂不敢运行。行。l回想起来当时没有考虑机组尺寸大了，其相对刚强度回想起来当时没有考虑机组尺寸大了，其相对刚强度有削弱，低水头运行时就振动较大。当时就没想到部有削弱，低水头运行时就振动较大。当时就没想到部分机组可选不同的机型，可选不同的额定转速。一则分机组可选不同的机型，可选不同的额定转速。

55、一则当时三叶片转轮尚不够成熟、使用经验也较少，也没当时三叶片转轮尚不够成熟、使用经验也较少，也没有大型三叶片机组投产（到目前也还没有有大型三叶片机组投产（到目前也还没有20mw20mw以上三以上三叶片机组）；二则当还拘于一个电站一种额定转速的叶片机组）；二则当还拘于一个电站一种额定转速的束缚。另外对大型尺寸机组的刚强度也认识不很清楚束缚。另外对大型尺寸机组的刚强度也认识不很清楚，只想着白垢（，只想着白垢（D D1 1=5.5m=5.5m）有）有1.3m1.3m水头运行经验，没水头运行经验，没想到想到D D1 1=7.5m=7.5m就难以运行了。就难以运行了。l直到前几年参与某电站咨询时，由于该

56、电站受三峡电直到前几年参与某电站咨询时，由于该电站受三峡电站蓄水影响很大，尾水位变幅甚大，造成电站水头变站蓄水影响很大，尾水位变幅甚大，造成电站水头变幅也很大，会上才提到采用不同机型不同额定转速的幅也很大，会上才提到采用不同机型不同额定转速的设想：高水头时采用设想：高水头时采用5 5叶片转轮，而低水头时采用叶片转轮，而低水头时采用4 4叶叶片转轮。当然额定转速也不一致了。片转轮。当然额定转速也不一致了。l如果一个如果一个10m10m左右的电站，机组台数较多时，就可采左右的电站，机组台数较多时，就可采用部分用部分4 4叶片转轮用于水头大于叶片转轮用于水头大于10m10m时运行发电（此时时运行发电

57、（此时电站来流必然较小电站来流必然较小, ,不须要全部机组运行）；汛期时不须要全部机组运行）；汛期时主要依靠主要依靠3 3叶片机组发电，必要时叶片机组发电，必要时4 4叶片机组也可参与叶片机组也可参与运行，到了超低水头时，即使运行，到了超低水头时，即使4 4叶片机组不宜发电，叶片机组不宜发电，也仍可依靠也仍可依靠3 3叶片机组发电，虽电站出力可能减少，叶片机组发电，虽电站出力可能减少，但仍可发出部分出力，至少可以保证厂用电，不致于但仍可发出部分出力，至少可以保证厂用电，不致于要系统倒送电。国内己有电站如此设计，参见有关资要系统倒送电。国内己有电站如此设计，参见有关资料。当然国内厂家也要研究超低

58、水头发电时机组如何料。当然国内厂家也要研究超低水头发电时机组如何加强刚强度设计。加强刚强度设计。国外早就有国外早就有D D1 1大于大于8.08.0的转轮投产，即使是竖井式或的转轮投产，即使是竖井式或轴伸式经验也值得借鉴。就是灯泡式，国外也有轴伸式经验也值得借鉴。就是灯泡式，国外也有7.7m7.7m转轮投产多年，国内近年开始生产转轮投产多年，国内近年开始生产D D1 1为为7.77.7、7.87.8、7.9m7.9m的转轮，但是尚未投产，其刚强度能否完全过关的转轮，但是尚未投产，其刚强度能否完全过关还有待验证。总之，贯流式水轮发电机组的额定转速还有待验证。总之，贯流式水轮发电机组的额定转速选择

59、比较灵活，不一定所有机组选同一转速，以利于选择比较灵活，不一定所有机组选同一转速，以利于电站全年均可运行，尤其是全年水量最多的时侯反而电站全年均可运行，尤其是全年水量最多的时侯反而不能发电，岂不让大量的水白白流掉，是不符合绿色不能发电，岂不让大量的水白白流掉，是不符合绿色低碳的要求的。连三峡这种巨型水电工程在后期建设低碳的要求的。连三峡这种巨型水电工程在后期建设中，也有不同的额定转速的机组出现，说明一个电站中，也有不同的额定转速的机组出现，说明一个电站是允许不同机组转速存在的。是允许不同机组转速存在的。l5.2.3 5.2.3 正确对待模型水轮机的效率正确对待模型水轮机的效率l 1 1不必过高

60、追求模型水轮机的最高效率。效率高不必过高追求模型水轮机的最高效率。效率高当然好，但是容易造成厂家为了效率而过分减薄叶当然好，但是容易造成厂家为了效率而过分减薄叶片厚度而造成其刚强度不足，易形成叶片裂纹等故片厚度而造成其刚强度不足，易形成叶片裂纹等故障。而且，最高效率点不一定落在水轮机运行区内障。而且，最高效率点不一定落在水轮机运行区内，大多落在运行区外，对于低水头电站是很常见的，大多落在运行区外，对于低水头电站是很常见的。当然也应有一定要求，这个指标代表了一个水轮。当然也应有一定要求，这个指标代表了一个水轮机厂的研发水平，太低了也不合适，但不必过分追机厂的研发水平，太低了也不合适，但不必过分追