1、第35卷第7期2009年7月水力發電機電與金屬結構文章編號：05599342（2009）07005304優秀混流式水輪機轉輪的應用綜述王春暖（湖北省電力公司，湖北武漢430077）關鍵詞：水輪機；混流式；轉輪；推廣應用；中小型水電站摘要：在改革開放的方針指引下，我國通過“引進技術、國產化”及自主研發，制造出一批優秀的水輪機設備，建議在中小型水電站中推廣應用；并就此提出了一些值得關注的問題，以及規范中小型水電設備市場問題的建議。Review of Application of the Excellent Mixed-flow Water Turbine RunnerWang Chunnuan（H

2、ubei Electric Power Co. ，Wuhan Hubei 430077）Key Words ：hydroturbine ；mixed flow type ；runner ；popularization and application; midium-small hydropower station Abstract ：Since the reform, A batch of the Excellent hydro turbine have been researched and developed independently in our country, the author

3、 recommends the turbines for use in medium-small waterpower generator station. Some questions should be deserved attention, and the market of middle-small hydropower equipment should be standardized.中圖分類號：TK733.1文獻標識碼：B在改革開放方針的指引下，從20世紀80年代開始，隨著魯布革、天生橋、五強溪、隔河巖、二灘等大型水電站工程的建設，我國電機制造廠商通過水電項目國內外“合作生產、技貿

4、結合”等方式進行了技術引進。哈爾濱電機廠有限責任公司（簡稱“哈電”）、東方電機股份有限公司（簡稱“東電”）兩大制造企業對三峽水電站機組的制造已從引進技術、分包制造發展到自主創新；從而在較短的時間內，全面掌握了特大型水電機組整體制造的核心技術，特別是在水輪機轉輪設計等方面，取得了重大突破。“東電”、“哈電”等單位，抓住“引進技術”的機遇、加速“國產化”的過程并自主開發研制出一批優秀水輪機新轉輪，在能量、空蝕性能和運行穩定性、可靠性等方面，已達到國際先進水平。這些性能優越的水輪機轉輪，極大地豐富了我國的水輪機型譜系列，各水頭段水輪機的銜接日趨合理，品種較齊全，已充分具有可供選擇的余地。在中小型水電

5、站能進一步推廣使用這些轉輪，就是科學技術繼續轉化為生產力的體現，也是貫徹執行國家“節能”方針的具體行動。俄羅斯列寧格勒金屬工廠引進了PO45/820轉輪技術，并完成了模型試驗及驗收，其編號為F13。又將F13模型機組的尾水管換成按三門峽水電站實際流道設計的模型進行了試驗研究，編號為F12。F12轉輪用于三門峽水電站的6號、7號機組（單機容量75MW ，水輪機型號為HLF12-LJ-550，真機最優效率max =94.2%），6號機組于1993年12月投產。在前蘇聯1982年重新制定的軸流式和混流式水輪機型譜中，PO45是用于最低水頭段的混流式水輪機，轉輪推薦使用最大水頭為45m ，而三門峽水電

6、站為最高水頭47.7m ，盡管三門峽轉輪采用全不銹鋼制造，使用水頭可以提高，但廠家仍十分重視轉輪的結構的強度計算工作，在制作中采取措施提高上冠、下環和葉片的不銹鋼冶煉質量，加強質量監控，確保了不銹鋼轉輪的質量。在JB/T631092中小型軸流式混流式水輪機轉輪系列型譜中F13的推薦使用水頭H max =50m 。湖北省白水峪水電站的3臺機組(最大水頭H max =46.5m ，裝機容量3×15MW 的水輪機型號均為HLF13-LJ-240，1997年9月20日首臺機組并網發電，投入運行后，機組出力、穩定性及抗空蝕性能等情況良好。1部分優秀混流式水輪機轉輪及其應用概況最大使用水頭504

7、00m 范圍內的部分優秀混流式轉輪1.2A551轉輪五強溪水電站（H max =60.1m ，5×240MW ）A551轉輪由德收稿日期：2008-08-20作者簡介：王春暖（1933），男，山東龍口人，教授級高工，從事（見表1）大部分已廣泛推廣應用于中小型水電站，現將其應用概況作如下的簡介。1.1F13轉輪富春江水電設備總廠為三門峽擴機而于1991年6月從水電技術管理工作.Water Power Vol35No7機電與金屬結構水力發電2009年7月國Voith 公司引進并由Voith 哈電聯營承包制造和供貨。經哈爾濱大電機研究所（簡稱“哈所”）試驗臺復試，國產化的編號為“A551”

8、。五強溪水電站水輪機型號為HLA551-LJ-38MW ，HLD294LJ 210）等。“東電”自三峽左岸電站VGS 水輪機模型驗收試驗后，就在總結這一試驗結果的基礎上，開始了歷時4年的三峽右岸電站水輪機的水力開發工作，進行了精心的水力設計和大量的模型試驗研究，水力開發工作圍繞著在保持能量、空化性能與左岸電站水輪機相當的前提下，考慮如何最大限度地提高右岸電站水輪機水力穩定性，消除左岸電站水輪機存在的部分負荷壓力脈動帶。全面的模型試驗先后開展了4輪共830，1994年12月首臺機組投入運行，1996年底5臺機組全部投入運行。投運以來，各臺機組均存在一個較寬的超標振動區，而且在各個水頭下，5臺機組

9、超標振動區的負荷范圍基本接近。為了改善機組的運行穩定性，1997年1月，Voith 公司進行了五強溪模型水輪機補充試驗：對泄水錐進行加長改造，同時關閉機組的大軸補氣閥。五強溪水電站在1997年11個模型轉輪的水力優化和模型試驗。從1999年6月開始，設計優化出了D297、D298和D3113個轉輪。其中，D298轉輪具有良好的水力穩定性。從2000年10月開始，對D298進行了優化改型，進而優化出D298A 轉輪。F599轉輪進一步的復核試驗結果再一次證明了F599轉輪高部分負荷壓力脈動帶的存在。F599和D298A 兩轉輪在中立試驗臺的同臺對比試驗結果再次表明，D298A 的能量、空化性能與

10、F599轉輪基本相當，但水輪機流道各部位壓力脈動明顯低于F599轉輪。從2002年10月開始，在分析總結D289A 模型試驗結果的基礎上，設計優化出了D386、D387、D388、D3894個轉輪。模型試驗表明，其中D389轉輪在保持優良能量、空化性能的同時，水力穩定性全面超過D298A 轉輪，D389轉輪完全消除了高部分負荷的壓力脈動帶。從2003年7月開始，在分析總結D389轉輪模型試驗結果的基礎上，開展了第4輪水力開發，設計優化出了D398、D399和D400共3個轉輪。2003年11月對3號機泄水錐進行加長延伸段的改造，經過2年的運行檢驗，機組的穩定性比改造前好。在2000年底到200

11、1年底對其他4臺機也進行了泄水錐加長。該轉輪在湖北省的長順水電站（H max =45.11m ，3×10MW ，HLA551-LJ-220）使用，尚未發現振動、擺度超出規范規定的現象。1.3D399（D294、D398等）、A858a （A722、A742等）三峽轉輪三峽水電站左岸電站（H max =113m ，14×700MW ）14臺機組中，有8臺套機組由法國阿爾斯通（Alstom ）公司與瑞士ABB 公司提供。其中，法國阿爾斯通公司制造水輪機，ABB公司制造發電機，挪威克瓦納（Kvaerner ）公司作為分包單位參與水輪機的水力設計和模型試驗，水輪機型號為HL261.

12、7-LJ-980，轉輪葉片為15個；另6臺套機組由VGS聯營體（德國Voith 公司，加拿大GE 公司，德國Siemens 公司）提供，水輪機型號為HL261.7-LJ-940，轉輪葉片為13個，兩種型號水輪機轉輪均為形葉片型線。在三峽左岸電站機組中，“東電”與VGS 聯營體簽訂了分包合同，并達成了“技術轉讓、聯合設計”等多項協議。VGC 提供的三峽左岸電站F599模型轉輪，在“東電”的DF-100水力通用試驗臺上進行了復試，國產化的轉輪型號為D294（模型最優效率max =9月完成了模型試驗，其中D399轉輪完全克服了D389轉輪用于三峽右岸電站的不足，達到了設計優化的目的。“東電”與國外的

13、廠商在三峽右岸電站12臺機組采購招標中同臺競爭，獲得了4臺套的供貨合同。“哈電”作為分包商與法國阿爾斯通公司、挪威克瓦納公司一起承擔三峽左岸電站8臺水輪機的制造合同。阿爾斯通、挪威克瓦納為三峽電站提供了L241轉輪。在克瓦納水力試驗室，L241模型轉輪的目擊驗收試驗結果表明，綜合能量特性和空化特性基本滿足了合同要求，其模型最大效率max =95.26%，模型加權平均效率w =92.87%）。湖北省使用D294型水輪機的水電站有：洞坪（H max =100.88m ，2×55MW ，HLD294-LJ-272，真機max =96.26%、w =91.32%），首臺機組于2006年1月投

14、產；寺坪（H max =83.0m ，2×38MW ，HLD294-LJ-240），首臺機組于2006年7月投產；以及芭蕉河一級（H max =108.2m ，2×17MW ，HLD294-LJ-94.54%（保證值為94.51%），額定效率為89.53%（保證值為87.85%），無棄水期加權平均效率為92.29%（保證值為91.16%）。由于種種原因，穩定性指標未能達到合同工保證值。“哈電”于1999-2001年對L241的復制轉輪A722進行 148，真機max =96.01%、w=91.16%）、鄂坪（H max =110.72m ，2×Water Powe

15、r Vol35No7第35卷第7期王春暖：優秀混流式水輪機轉輪的應用綜述機電與金屬結構了全面細致的模型試驗，同時設計開發了A742、A795、A796轉輪，進而研究出A823、A824、A825、A826轉輪。20022003年進行了三峽右岸電站水輪機的研制，先開發了A826、A848、A854轉輪及A826的修型A828a 和A848；在2003年又進行了最后一輪優化工作，設計開發了A858、A859、A860。試驗結果表明，A858轉輪較優。A858又進行優化設計，研制出水力性能優秀的A858a 轉輪，用于三峽右岸電站。“哈電”在三峽右岸電站12臺機組采購招標中，也獲得了4臺套的供貨合同。

16、“哈電”、“東電”各獲得4臺套的供貨合同機組的相繼投產，這是我國擁有自主知識產權的世界最大的水電機組，是中國實行重大技術裝備“引進、消化、吸收、再創新”戰略的成功實例。14A384轉輪隔河巖水電站（H max =121.5m ，2×300MW+2×306MW ，）的水輪機，由加拿大GE 公司引進，采取“聯合設計、合作制造、等比換貨、技術轉讓”的合作方式，1991年1月經“哈電”復試，編號為“A384”，用于隔河巖水電站水輪機型號為HL384-LJ-574（真機max =95.29%）,1993年6月第一臺機組投入運行。A384轉輪應用于湖北省招徠河水電站（H max =10

17、9.0m ，3×12MW ），水輪機為HLA384-LJ-125（真機max =94.2%，真機加權平均效率w =90.8%）。該電站首臺機組于2005年6月發電。15A630及A801轉輪A630轉輪是為天生橋一級水電站（H max =143m ，4×300MW ）建設而從法國奈爾皮克(Nevrpic公司引進技術并國產化的設備, 水輪機型號為HLA630-LJ-577.5（真機max =96.2%）,1998年12月第一臺機組投入運行。“哈電”在A630的基礎上，利用CFD 軟件分析軟件對其進行了改型和性能的優化，研制出水力性能優秀的A801轉輪用于公伯峽水電站（H ma

18、x =106.6m ，5×300MW ），水輪機型號為HLA801-LJ-580。16A339、A575C 轉輪A339系“由“哈電”自主研制的轉輪，首用于天生橋二級電站（H max =204.0m ，6×220MW ）的14號機組，水輪機型號為HLA339-LJ-450, 真機max =94.5%，1號機組于1992年投產。天生橋二級二期工程的5、6號兩臺機組的水輪機，是在一期工程4臺機組HLA339的基礎上，經優化和改進后為HLA575C, 水輪機型號為HLA575C-LJ-448，5號機組2000年11月投產。17二灘轉輪（A678、D242）二灘水電站（H max

19、=189.2m ，6×550MW ），水輪發電機組由加拿大GE 公司制造，該電站的前4臺水輪機轉輪由加拿大GE 公司生產，水輪機型號為HLF497-LJ-625.7（真機max =96.02%），1998年8月18日首臺機組發電。從第2臺機組開始，部分部件分別由“東電”和“哈電”制造；而后2臺轉輪由“東電”和“哈電”制造，其葉片均由GE 公司提供。引進F497轉輪技術后，經“哈電”復試模型轉輪編號為A678，由“哈電”制造的水輪機轉輪型號為HLA678-LJ-626，1999年投產；而“東電”試驗臺復試的模型轉輪編號為D242。18構皮灘電站的A897轉輪構皮灘水電站（H max =

20、200.0m ，5×600MW ），水頭變幅并不大，業主對水輪機最高效率要求高，而且要具有高效寬廣的效率圈。全部水力設計由“哈電”獨立完成，采用創新設計理念，優化設計出A897轉輪，并進行了模型效率試驗。該轉輪具有長短葉片，已用于構皮灘水電站，預計2009年首臺機組發電。A897轉輪模型試驗驗收分國內和國外兩個階段，分別在“哈電”和瑞士洛桑EPFL-LMN 進行，其結論是一致的：水輪機模型最高效率平均值為95.17%，換算到原型最高效率96.65%，原型水輪機加權平均效率為94.7%，水輪機模型額定點效率平均值為91.5%，換算到原型為93.0%，均滿足合同的要求；在單位飛逸轉速、模

21、型各工況點的壓力脈動幅值等方面，均滿足合同的要求；水輪機模型在運行區域內沒有出現空化現象。19錦屏二級水電站轉輪我國在采用現代先進技術對水輪機性能進行開發方面起步較晚，尤其是對300m 以上水頭段混流式水輪機性能的研究較少，技術儲備相對薄弱。根據錦屏二級水電站（H max =318.8m ，8×600MW ），“哈電”采用CFD 優化分析手段，對模型水輪機的轉輪及其過流部件，進行了全面的水力性能優化，模型轉輪試驗在“哈所”高水頭試驗1臺進行。模型試驗結果表明，“哈電”為錦屏二級水電站開發的水輪機具有優秀的水力性能，模型最高效率94.6%，空化性能和穩定性都達到了預期目標。錦屏二級水電

22、站最終優化的模型水輪機，在中國水利水電科學研究院等國內外試驗臺同臺對比試驗的結果表明，各項性能指標優秀，其綜合性能指標與伏依特（Voith ）公司和阿爾斯通（Alstom ）公司的相當，達到了國際先進水平。110A351轉輪魯布革水電站（H max =372.5m ，4×150MW ），由于高水頭、容量大、水電機組技術要求高、設計制造難度大、國內經驗不足等原因，國家決定采取“技貿結合、合作生產的方針。經國際招標，確定由挪威克瓦納公司與“哈電”合作生產水輪機，德國西門子公司與“哈電”合作生產發電機。水輪機系從挪威克瓦納公司引進技術，經“哈電”復試的編號為A351轉輪，最大使用水頭400

23、m ，用在魯布革水電站的機組型號為HLA351-LJ-344.2，真機max =94.6%，真機w =93.77%；首臺機組于1988年12月投入運行。水輪機具有長葉片15個，短葉片15個（2個長葉片之間加1個短葉片，短葉片長度約為長葉片的2/3），有了短葉片可使轉輪出水速度均勻，減少水力損失，在機組帶部分負荷時的效率較高，從而使水輪機的加權平均效率較高，并具有抗空蝕和抗泥沙磨損性能好的特點。安全經濟性的表現是；高效率區寬廣；運行穩定性好；大修周期長，10年1大修，有利于電網安全運行。另外，由于轉輪與水輪機軸接觸面采用摩擦力傳遞力矩，各臺轉輪和備用轉輪可以互換。A351轉輪在很多中小型水電站上

24、得到廣泛應用，使水頭300400m 間的水電站有了可與沖擊式水輪機進行比選Water Power Vol35No7機電與金屬結構水力發電2009年7月的可能性，并展示出混流式機組所具有的比轉速高、尺寸小、重量輕及能充分利用水電站工作水頭等特點。如貴州省大七孔水電站通過機組機型的比選和設計優化，確定選用額定轉速為1000r /min、額定容量為16MW 的HLA351-LJ-120立軸混流式機組。該水輪機轉輪直徑雖較小，“哈電”采用先進技術精心設計，精心制作，材料、工藝、質量控制較好，轉輪達到了較高的質量水平。葉片的材料、工藝和質量非常重要，如果控制不好，葉片則會出現裂紋甚至于斷落。如：石板水電

25、站（H max =229.2m ，3×355MW ）水輪機型號為HLA351-LJ-240，首臺機組于1997年2月投入運行。3臺機組投入運行后，轉輪葉片出現了不同程度的穿透性裂紋；又如2000年投運的某水電站，出現了3個轉輪（轉輪直徑D 1=1.625m ）多個葉片嚴重裂紋并斷落的嚴重問題。目前能生產這種轉輪的廠家越來越多，并用于臥式機組，工藝水平也提高很快，有的轉輪直徑已小于1.0m 。111其他轉輪大朝山水電站（H max =85.63m ，6×225MW ），“東電”中標，其推薦的水輪機轉輪為從加拿大GE 公司引進的技術，“X ”形葉片，水輪機型號為HL （L261

26、）-LJ-580，引進技術國產化的型號為HLD267-LJ-580。雙溝水電站（額定水頭97m ，2×140MW ），水輪機型號為HLA883-LJ-400。三板溪水電站（H max =156.5m ，4×250MW ），A855模型轉輪w =93.11%，水輪機型號為HLA855-LJ-505（真機w =94.52%），首臺機組于2006年7月投產。2推廣使用優秀轉輪在中小型水電站水輪機選型設計及設備招標中，建議關注上述的優秀混流式轉輪。關注這些較優秀轉輪在電站中，特別是中小型電站中的應用情況和運行經驗；關注其在能量指標、穩定性等水力性能上進一步改進、優化的科研新成果。設

27、備采購的”市場化”，為先進、優良的設備進入中小型水電站打開了大門，中小型水電站即使尚無條件委托科研單位“量身打造”，但仍有選用優秀水輪機轉輪的可能性。各設計院在進行水輪機選型設計時，應多方收集資料并從中選用作為比較方案及推薦方案；一些“老水電站”的機組增容改造，也可從這些優秀水輪機轉輪中選取。按水電機組設備招標文件要求，在中小型水電建設項目中獲得優秀轉輪的正規途徑之一是：（1）具有知識產權的研制單位直接生產，比如：“東電”、“哈電”就有生產中小型水電機組的分廠或公司，利用其強大的技術、設備的優勢，直接向中小型水電站供貨。（2）具有知識產權的研制單位的“東電”或“哈電”，與中型電機制造企業組成“

28、聯合體”合作投標，其中機組最核心的水輪機轉輪等部件，由研制單位直接生產。（3）在水電機組設備招標過程中，中小型電機制造企業單獨投標，其投標文件中要具有知識產權的研制單位提供的技術支持函件，中標后的轉輪，必須由具有知識產權的研制Water Power Vol35No7單位制造。（4）由研制單位向中小型電機制造企業轉讓部分轉輪技術。3結語為了促進優秀轉輪在中小型水電站的推廣使用，維護轉輪研發單位的知識產權不受侵犯，確保水電設備投產后能正常運轉，建議有關主管部門與技術監督部門配合，采取正面引導的方式，以有力的措施，規范中小型水電設備市場，在具有知識產權的研制單位與中小型水電機組制造企業之間進行協調，使其雙贏。參考文獻：1趙春明. 三門峽電站擴機的水輪機試驗研究J.水電站機電技術,1999，(4：17-26.2鄭清順，李永興. 魯布革水輪機運行總結J.云南水力