明槽轴流定浆式水轮机性能衰减原因分析及改造对策

刘红军 谢向东 宋 佳 韩 猛 王闻通

（江苏省灌溉总渠管理处，江苏淮安 223200）

1 工程概况

高良涧闸水电站建成于1995年8月，系利用闸两端空箱岸墙建成水电站，从闸上游翼墙引水至闸边孔出水，90°弯管进水流道，开敞式引水室平面呈非对称蜗形，肘形出水流道，见图1。电站采用ED760-LM-120型明槽轴流定浆式水轮机，EDJ-LM-120Z型硬齿面圆柱齿轮箱增速传动，SF123-6/590型立式同步发电机，见图2。

电站运行至2013年10月，平均累计运行10.46万台时，水轮机相对于1995年性能普遍显著下降，以3#水轮机为例，叶轮和转轮室间隙超过15 mm，转轮室磨损痕迹深度达1.2 mm，3.2 m设计水头下机组出力约减少30%。有研究表明，轴流定浆式水轮机轮缘间隙增加至15 mm时，额定工况出力下降29.7%［1］，设备检测数据和研究结论基本吻合。

图1 高良涧闸水电站进出水流道示意图

图2 高良涧闸水电站机组结构图

2 水流的影响分析

2.1 引水室对水流影响分析

开敞式混凝土引水室内的水流相对于导水叶位置可以分为三个区域，即：导水叶以下的滞水区、导水叶区域的环流区和导水叶以上的自由进水区。引水室平面呈非对称蜗形，主要作用是和导水机构形成一个适当的进入转轮的环量，使水流通过蜗壳的作用形成环流，再通过分布均匀的导水叶作用于转轮，激发转轮旋转；导水叶以上空间相对空旷，水流流速小、自由度大，部分水流不再顺着蜗壳从四周进入转轮，而是直接越过水轮机顶盖拐弯后进入转轮。开敞式引水室内蜗形鼻端不仅不能起到导水作用，反而起到阻水作用，鼻端后壁容易形成漩涡和涡带［2］，作用于转轮的水流在失去轴对称时就会产生一个不平衡横向力，引起转轮振动，导致水轮机效能降低。

高良涧闸水电站设计的引水室平面均呈非对称蜗形，1#-4#机组引水室均设有蜗形鼻端，因施工错误，1#、2#机组蜗形鼻端设置在水流方向左侧，导致环流和叶轮旋转方向不一致，后将1#、2#机组引水室蜗形鼻端予以拆除。偏心涡带是引起机组振动的主要原因，这与电站水轮机的实际损伤结果相一致，蜗形鼻端后导水叶振动明显大于其他部位，3#水轮机导水叶轴孔垂直水流方向最大磨损达12 mm。蜗形鼻端阻水和机组出力情况也相吻合，相对于岸墙位置1#和4#机组位于外侧、2#和3#机组位于内侧，两对机组进出水流道相近，区别仅在于有无蜗形鼻端。从图3可推算出，设计水头3.2 m下1#比4#机组出力高6.3%，2#比3#机组出力高10.7%，流道相近无蜗形鼻端机组出力明显高于有蜗形鼻端机组出力，因此，可以判断开敞式引水室蜗形鼻端是水轮机效能降低的主要因素。

图3 高良涧闸水电站机组水头特性曲线（1995～2002年）

2.2 进出水流道对水流影响分析

1#和4#机组进水端和出水端均位于外侧，水流顺畅，机组出力明显高于内侧的2#和3#机组（图3）。内侧机组上游进水流道直线段长度1.4 m，比外侧机组直线段少2.5 m，水流未经过充分调整，进入转轮的水流流态相对较差，影响机组出力，且出水端位于闸边孔内侧，机组尾水必须具备一定动能以克服出流阻滞［3］，也影响了水轮机的效能。

管理单位采用不平衡的优化闸门调度，在闸门安全开启高度内适当提高边孔闸门开启高度，降低边机组水流出口端水位，增加水头和增强水流动能，使水流自由度减小，在蜗壳的作用下环流增强，以提高水电机组功率，但功率提高至一定程度后，功率不再随边孔闸门开高的继续增加而增加［3］。

3 水轮机结构形式的影响分析

3.1 水轮机导轴承结构形式的影响分析

明槽式水轮机多采用水润滑橡胶轴承，高良涧闸水电站ED760-LM-120型水轮机选用的也是水润滑橡胶轴承。这种轴承要求以清洁有压水作为润滑水源，但由于开敞式引水室结构形式水流无法和导轴承分离，建造和运行维护清洁润滑水源都很困难，故明槽式水轮机水导轴承多数直接引用河水润滑。河水富含各种杂质，不可避免地使橡胶轴承快速磨损，导致主轴摆度变大，转轮与转轮室接触、碰撞和磨损［4］，运行一段时间后转轮间隙变大，容积损伤变大，机组出力下降。

3.2 水轮机顶盖等上部荷载传递方式的影响分析

ED760-LM-120型水轮机采用导水叶轴传递垂直方向荷载，采用拉杆传递水平方向荷载，导水叶轴辅助承担水平方向荷载，这种荷载传递方式需基于零件紧密的尺寸配合，故普遍适用于结构简单的明槽式水轮机。由于水流中紊流的存在、机械加工精度的偏差和蜗形鼻端产生的不平衡水平力，使导水叶常处于轻微振动状态，拆卸时发现转轮室导水叶轴孔普遍存在垂直水流方向磨损，而当导水叶轴孔磨损量超过轴台肩尺寸后，导水叶轴则不能传递上部荷载，水轮机上环和顶盖等上部结构直接压在导水叶上，将造成导水叶开关困难；随着导水叶轴约束减少和连接拉杆的钢筋磨损，承载水轮机水导轴承、顶盖等的水平受力体系逐步转变为在磨损范围内的几何可变体系，水平方向的位移将大大增加主轴摆度。

4 运行管理的影响分析

4.1 管理精细化水平的影响分析

机组出力绝大多数集中在理论出力附近，但也存在机组实际出力偏离很大的工况。受水情、工情和管理水平等因素影响，水轮发电机组低效率的运行方式客观存在。通过定量计算理论功率，对比现有功率，实时判别机组运行状态，避免机组低效运行尤为重要。

高良涧闸水电站依据机组水头特性曲线，将机组运行状态划分为高效运行区、合理运行区和低效运行区［4］，合理运行区包括了80%的机组出力状况。采用不平衡的优化闸门调度［3］可以将机组运行状态维持在合理运行区以上，当机组处于低效运行区时，分析具体原因并加以处置，可避免粗放管理的盲目性，减少机组低效运行，提高发电收益。

4.2 设备维修养护的影响分析

水轮机故障的发展是渐变的，是一个从量变到质变的过程。轴流定浆式水轮机特性曲线狭窄，对流量变化极为敏感，当转轮间隙增加到一定程度，有效流量大量减少将使转轮运行工况点远离其有效工作区域，出力急剧下降。1996年3#机组性能下降16%，详见表1，随后虽然经过多次维修，性能也很难完全恢复；2002年4#机组经维修后性能由87%恢复至92%。

设备维修是保持机组性能的重要手段，对机组进行维修势必产生维修成本并减少发电收益，故电站管理单位更重视损坏设备的维修，对机组性能缓慢变化和设备日常养护重视程度不足。然而机组出力下降造成长期的发电收益损失往往超过维修损失，因此，加强机组性能定量化分析、重视设备日常维护非常必要。

5 结论

（1）水流、机体结构和运行管理等因素均对明槽式水轮机性能构成影响。

（2）混凝土蜗形引水室中的蜗形鼻端并不适用于开敞式引水室，平面呈非对称蜗形的开敞式引水室内蜗形鼻端不仅不能起到导水作用，反而易引起水轮机转轮振动降低性能，进入水轮机的水流应经过流道充分调整以达到平顺。

（3）明槽式水轮机结构简单，投资低，但运行一段时间后转轮间隙容易变大，机组性能下降较快。

（4）精细的运行管理和必要的机组维修可以保持明槽式水轮机高效运行。

表1 高良涧闸水电站多年设计水头工况性能比较表

6 电站增效改造对策

除了更新老化的设备，可从减少机组振动故障着手，延缓设备性能衰减。

6.1 拆除开敞式引水室蜗形鼻端

拆除后可以避免鼻端阻水，减弱鼻端后壁的漩涡，减小不平衡力，使机组振动减轻，有利于提升出力。

6.2 进水流道弯管末端增设“井”形导流板

2#、3#机组进水流道直线段短促，水流未得到充分调整，可在流道直线段末端增设导流板，加大对水流的约束，梳理紊乱水流，减轻机组振动。“井”形导流板［5］水平上层板向下倾斜10°，水平下层板向上倾斜10°，以此可增加引水室导水叶层水流流速，增强环流。

6.3 水轮机增设辅助支撑系统

在水轮机上环和转轮室之间增设4个支撑立柱，立柱包括上环连接板、导向支柱（上设导流尾翼）、调节螺栓、支柱和转轮室连接板。将支柱的底端焊接在转轮室连接板上，支柱的顶端经调节螺栓联接导向支柱一端，导向支柱另一端经螺栓连接上环连接板，通过调节螺栓调节高度，整体构成明槽轴流定浆式水轮机支撑立柱。

水轮机上部结构垂直方向荷载由支撑立柱承担，水轮机水平方向荷载受力状态由铰接变为刚性连接，可使水轮机振动减轻，水导轴承稳定性大幅度增强，避免水轮机几何不稳定而产生叶轮与转轮室接触、碰撞和磨损等状况，解决水轮机各部件磨损后导水叶承载开关困难问题，避免水轮机因结构缺陷导致性能快速下降。

6.4 加强设备养护和运行管理

随着机组长期运行，机组性能将逐步降低，机组维修是恢复机组性能的重要手段。为保证维修效果，可在水导轴承处增设振动检测装置，监控水轮机运行状况。重视运行管理，通过关注机组出力和性能曲线变化，可保障机组得到及时管护和维修，延缓机组性能衰减过程。

［1］ 王岩.轴流定桨式水轮机轮缘间隙对转轮性能影响的分析研究［D］.兰州：兰州理工大学，2008.

［2］ 湖北省水利勘测设计院.大型电力排灌站［M］.北京：水利电力出版社，1984：109-110.

［3］ 刘红军，戴兴标.优化闸门调度条件下提高岸墙小水电发电功率之探索［J］.南水北调与水利科技，2010，8（2）：47-48.

［4］ 刘红军.高良涧闸水电站管理中的定量化分析［J］.小水电，2004（6）：18.

［5］ 余春和，咸锟，凌一清.水泵及水泵站［M］.南京：河海大学，1986:195.