优秀混流式水轮机转轮的应用综述

第35卷第7期2009年7月

水力发电

机电与金属结构

文章编号：0559－9342（2009）07－0053－04

优秀混流式水轮机转轮的应用综述

王春暖

（湖北省电力公司，湖北武汉430077）

关键词：水轮机；混流式；转轮；推广应用；中小型水电站摘

要：在改革开放的方针指引下，我国通过“引进技术、国产化”及自主研发，制造出一批优秀的水轮机设备，建议在中小型水电站中推广应用；并就此提出了一些值得关注的问题，以及规范中小型水电设备市场问题的建议。

ReviewofApplicationoftheExcellentMixed-flowWaterTurbineRunner

WangChunnuan

（HubeiElectricPowerCo.，WuhanHubei430077）

KeyWords：hydroturbine；mixedflowtype；runner；popularizationandapplication;midium-smallhydropowerstationAbstract：Sincethereform,AbatchoftheExcellenthydroturbinehavebeenresearchedanddevelopedindependentlyinourcountry,theauthorrecommendstheturbinesforuseinmedium-smallwaterpowergeneratorstation.Somequestionsshouldbedeservedattention,andthemarketofmiddle-smallhydropowerequipmentshouldbestandardized.

中图分类号：TK733.1

文献标识码：B

在改革开放方针的指引下，从20世纪80年代开始，随着鲁布革、天生桥、五强溪、隔河岩、二滩等大型水电站工程的建设，我国电机制造厂商通过水电项目国内外“合作生产、技贸结合”等方式进行了技术引进。哈尔滨电机厂有限责任公司（简称“哈电”）、东方电机股份有限公司（简称“东电”）两大制造企业对三峡水电站机组的制造已从引进技术、分包制造发展到自主创新；从而在较短的时间内，全面掌握了特大型水电机组整体制造的核心技术，特别是在水轮机转轮设计等方面，取得了重大突破。

“东电”、“哈电”等单位，抓住“引进技术”的机遇、加速“国产化”的过程并自主开发研制出一批优秀水轮机新转轮，在能量、空蚀性能和运行稳定性、可靠性等方面，已达到国际先进水平。

这些性能优越的水轮机转轮，极大地丰富了我国的水轮机型谱系列，各水头段水轮机的衔接日趋合理，品种较齐全，已充分具有可供选择的余地。在中小型水电站能进一步推广使用这些转轮，就是科学技术继续转化为生产力的体现，也是贯彻执行国家“节能”方针的具体行动。

俄罗斯列宁格勒金属工厂引进了PO45/820转轮技术，并完成了模型试验及验收，其编号为F13。又将F13模型机组的尾水管换成按三门峡水电站实际流道设计的模型进行了试验研究，编号为F12。F12转轮用于三门峡水电站的6号、7号机组（单机容量75MW，水轮机型号为HLF12-LJ-550，真机最优效率ηmax=94.2%），6号机组于1993年12月投产。在前苏联1982年重新制定的轴流式和混流式水轮机型谱中，

PO45是用于最低水头段的混流式水轮机，转轮推荐使用最

大水头为45m，而三门峡水电站为最高水头47.7m，尽管三门峡转轮采用全不锈钢制造，使用水头可以提高，但厂家仍十分重视转轮的结构的强度计算工作，在制作中采取措施提高上冠、下环和叶片的不锈钢冶炼质量，加强质量监控，确保了不锈钢转轮的质量。

在JB/T6310—92《中小型轴流式混流式水轮机转轮系列型谱》中F13的推荐使用水头Hmax=50m。湖北省白水峪水电站的3台机组(最大水头Hmax=46.5m，装机容量3×15MW)的水轮机型号均为HLF13-LJ-240，1997年9月20日首台机组并网发电，投入运行后，机组出力、稳定性及抗空蚀性能等情况良好。

1部分优秀混流式水轮机转轮及其应用概况

最大使用水头50~400m范围内的部分优秀混流式转轮

1.2A551转轮

五强溪水电站（Hmax=60.1m，5×240MW）A551转轮由德收稿日期：2008-08-20

作者简介：王春暖（1933—），男，山东龙口人，教授级高工，从事

（见表1）大部分已广泛推广应用于中小型水电站，现将其应用概况作如下的简介。

1.1F13转轮

富春江水电设备总厂为三门峡扩机而于1991年6月从

水电技术管理工作.

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国Voith公司引进并由Voith—哈电联营承包制造和供货。经哈尔滨大电机研究所（简称“哈所”）试验台复试，国产化的编号为“A551”。五强溪水电站水轮机型号为HLA551-LJ-

38MW，HLD294—LJ—210）等。

“东电”自三峡左岸电站VGS水轮机模型验收试验后，就在总结这一试验结果的基础上，开始了历时4年的三峡右岸电站水轮机的水力开发工作，进行了精心的水力设计和大量的模型试验研究，水力开发工作围绕着在保持能量、空化性能与左岸电站水轮机相当的前提下，考虑如何最大限度地提高右岸电站水轮机水力稳定性，消除左岸电站水轮机存在的部分负荷压力脉动带。全面的模型试验先后开展了4轮共

830，1994年12月首台机组投入运行，1996年底5台机组全

部投入运行。投运以来，各台机组均存在一个较宽的超标振动区，而且在各个水头下，5台机组超标振动区的负荷范围基本接近。为了改善机组的运行稳定性，1997年1月，Voith公司进行了五强溪模型水轮机补充试验：对泄水锥进行加长改造，同时关闭机组的大轴补气阀。五强溪水电站在1997年

11个模型转轮的水力优化和模型试验。从1999年6月开

始，设计优化出了D297、D298和D3113个转轮。其中，D298转轮具有良好的水力稳定性。从2000年10月开始，对D298进行了优化改型，进而优化出D298A转轮。F599转轮进一步的复核试验结果再一次证明了F599转轮高部分负荷压力脉动带的存在。F599和D298A两转轮在中立试验台的同台对比试验结果再次表明，D298A的能量、空化性能与F599转轮基本相当，但水轮机流道各部位压力脉动明显低于F599转轮。从2002年10月开始，在分析总结D289A模型试验结果的基础上，设计优化出了D386、D387、D388、D3894个转轮。模型试验表明，其中D389转轮在保持优良能量、空化性能的同时，水力稳定性全面超过D298A转轮，D389转轮完全消除了高部分负荷的压力脉动带。从2003年7月开始，在分析总结D389转轮模型试验结果的基础上，开展了第4轮水力开发，设计优化出了D398、D399和D400共3个转轮。2003年

11月对3号机泄水锥进行加长延伸段的改造，经过2年的

运行检验，机组的稳定性比改造前好。在2000年底到2001年底对其他4台机也进行了泄水锥加长。

该转轮在湖北省的长顺水电站（Hmax=45.11m，3×10

MW，HLA551-LJ-220）使用，尚未发现振动、摆度超出规范规

定的现象。

1.3D399（D294、D398等）、A858a（A722、A742等）三峡转轮

三峡水电站左岸电站（Hmax=113m，14×700MW）14台机

组中，有8台套机组由法国阿尔斯通（Alstom）公司与瑞士

ABB公司提供。其中，法国阿尔斯通公司制造水轮机，ABB

公司制造发电机，挪威克瓦纳（Kvaerner）公司作为分包单位参与水轮机的水力设计和模型试验，水轮机型号为

HL261.7-LJ-980，转轮叶片为15个；另6台套机组由VGS

联营体（德国Voith公司，加拿大GE公司，德国Siemens公司）提供，水轮机型号为HL261.7-LJ-940，转轮叶片为13个，两种型号水轮机转轮均为Х形叶片型线。在三峡左岸电站机组中，“东电”与VGS联营体签订了分包合同，并达成了“技术转让、联合设计”等多项协议。VGC提供的三峡左岸电站F599模型转轮，在“东电”的DF-100水力通用试验台上进行了复试，国产化的转轮型号为D294（模型最优效率ηmax=

9月完成了模型试验，其中D399转轮完全克服了D389转轮

用于三峡右岸电站的不足，达到了设计优化的目的。“东电”与国外的厂商在三峡右岸电站12台机组采购招标中同台竞争，获得了4台套的供货合同。

“哈电”作为分包商与法国阿尔斯通公司、挪威克瓦纳公司一起承担三峡左岸电站8台水轮机的制造合同。阿尔斯通、挪威克瓦纳为三峡电站提供了L241转轮。在克瓦纳水力试验室，L241模型转轮的目击验收试验结果表明，综合能量特性和空化特性基本满足了合同要求，其模型最大效率ηmax=

95.26%，模型加权平均效率ηw=92.87%）。

湖北省使用D294型水轮机的水电站有：洞坪（Hmax=

100.88m，2×55MW，HLD294-LJ-272，真机ηmax=96.26%、

ηw=91.32%），首台机组于2006年1月投产；寺坪（Hmax=83.0

m，2×38MW，HLD294-LJ-240），首台机组于2006年7月投

产；以及芭蕉河一级（Hmax=108.2m，2×17MW，HLD294-LJ-

94.54%（保证值为94.51%），额定效率为89.53%（保证值为87.85%），无弃水期加权平均效率为92.29%（保证值为91.16%）。由于种种原因，稳定性指标未能达到合同工保证

值。“哈电”于1999-2001年对L241的复制转轮A722进行

148，真机ηmax=96.01%、ηw=91.16%）、鄂坪（Hmax=110.72m，2×

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了全面细致的模型试验，同时设计开发了A742、A795、A796转轮，进而研究出A823、A824、A825、A826转轮。2002~2003年进行了三峡右岸电站水轮机的研制，先开发了A826、

A848、A854转轮及A826的修型A828a和A848；在2003年

又进行了最后一轮优化工作，设计开发了A858、A859、

A860。试验结果表明，A858转轮较优。A858又进行优化设

计，研制出水力性能优秀的A858a转轮，用于三峡右岸电站。“哈电”在三峡右岸电站12台机组采购招标中，也获得了4台套的供货合同。“哈电”、“东电”各获得4台套的供货合同机组的相继投产，这是我国拥有自主知识产权的世界最大的水电机组，是中国实行重大技术装备“引进、消化、吸收、再创新”战略的成功实例。

1．4A384转轮

隔河岩水电站（Hmax=121.5m，2×300MW+2×306MW，）

的水轮机，由加拿大GE公司引进，采取“联合设计、合作制造、等比换货、技术转让”的合作方式，1991年1月经“哈电”复试，编号为“A384”，用于隔河岩水电站水轮机型号为

HL384-LJ-574（真机ηmax=95.29%）,1993年6月第一台机组

投入运行。

A384转轮应用于湖北省招徕河水电站（Hmax=109.0m，3×12MW），水轮机为HLA384-LJ-125（真机ηmax=94.2%，真

机加权平均效率ηw=90.8%）。该电站首台机组于2005年6月发电。

1．5A630及A801转轮

A630转轮是为天生桥一级水电站（Hmax=143m，4×300

MW）建设而从法国奈尔皮克(Nevrpic)公司引进技术并国产

化的设备,水轮机型号为HLA630-LJ-577.5（真机ηmax=

96.2%）,1998年12月第一台机组投入运行。“哈电”在A630

的基础上，利用CFD软件分析软件对其进行了改型和性能的优化，研制出水力性能优秀的A801转轮用于公伯峡水电站（Hmax=106.6m，5×300MW），水轮机型号为HLA801-LJ-580。

1．6A339、A575C转轮

A339系“由“哈电”自主研制的转轮，首用于天生桥二级

电站（Hmax=204.0m，6×220MW）的1~4号机组，水轮机型号为

HLA339-LJ-450,真机ηmax=94.5%，1号机组于1992年投产。

天生桥二级二期工程的5、6号两台机组的水轮机，是在一期工程4台机组HLA339的基础上，经优化和改进后为

HLA575C,水轮机型号为HLA575C-LJ-448，5号机组2000

年11月投产。

1．7二滩转轮（A678、D242）

二滩水电站（Hmax=189.2m，6×550MW），水轮发电机组

由加拿大GE公司制造，该电站的前4台水轮机转轮由加拿大GE公司生产，水轮机型号为HLF497-LJ-625.7（真机

ηmax=96.02%），1998年8月18日首台机组发电。

从第2台机组开始，部分部件分别由“东电”和“哈电”制造；而后2台转轮由“东电”和“哈电”制造，其叶片均由GE公司提供。

引进F497转轮技术后，经“哈电”复试模型转轮编号为

A678，由“哈电”制造的水轮机转轮型号为HLA678-LJ-626，1999

年投产；而“东电”试验台复试的模型转轮编号为D242。

1．8构皮滩电站的A897转轮

构皮滩水电站（Hmax=200.0m，5×600MW），水头变幅并不

大，业主对水轮机最高效率要求高，而且要具有高效宽广的效率圈。全部水力设计由“哈电”独立完成，采用创新设计理念，优化设计出A897转轮，并进行了模型效率试验。该转轮具有长短叶片，已用于构皮滩水电站，预计2009年首台机组发电。

A897转轮模型试验验收分国内和国外两个阶段，分别

在“哈电”和瑞士洛桑EPFL-LMN进行，其结论是一致的：水轮机模型最高效率平均值为95.17%，换算到原型最高效率

96.65%，原型水轮机加权平均效率为94.7%，水轮机模型额

定点效率平均值为91.5%，换算到原型为93.0%，均满足合同的要求；在单位飞逸转速、模型各工况点的压力脉动幅值等方面，均满足合同的要求；水轮机模型在运行区域内没有出现空化现象。

1．9锦屏二级水电站转轮

我国在采用现代先进技术对水轮机性能进行开发方面

起步较晚，尤其是对300m以上水头段混流式水轮机性能的研究较少，技术储备相对薄弱。

根据锦屏二级水电站（Hmax=318.8m，8×600MW），“哈电”采用CFD优化分析手段，对模型水轮机的转轮及其过流部件，进行了全面的水力性能优化，模型转轮试验在“哈所”高水头试验1台进行。模型试验结果表明，“哈电”为锦屏二级水电站开发的水轮机具有优秀的水力性能，模型最高效率

94.6%，空化性能和稳定性都达到了预期目标。

锦屏二级水电站最终优化的模型水轮机，在中国水利水电科学研究院等国内外试验台同台对比试验的结果表明，各项性能指标优秀，其综合性能指标与伏依特（Voith）公司和阿尔斯通（Alstom）公司的相当，达到了国际先进水平。

1．10A351转轮

鲁布革水电站（Hmax=372.5m，4×150MW），由于高水头、

容量大、水电机组技术要求高、设计制造难度大、国内经验不足等原因，国家决定采取“技贸结合、合作生产‘的方针。经国际招标，确定由挪威克瓦纳公司与“哈电”合作生产水轮机，德国西门子公司与“哈电”合作生产发电机。

水轮机系从挪威克瓦纳公司引进技术，经“哈电”复试的编号为A351转轮，最大使用水头400m，用在鲁布革水电站的机组型号为HLA351-LJ-344.2，真机ηmax=94.6%，真机ηw=

93.77%；首台机组于1988年12月投入运行。

水轮机具有长叶片15个，短叶片15个（2个长叶片之间加1个短叶片，短叶片长度约为长叶片的2/3），有了短叶片可使转轮出水速度均匀，减少水力损失，在机组带部分负荷时的效率较高，从而使水轮机的加权平均效率较高，并具有抗空蚀和抗泥沙磨损性能好的特点。安全经济性的表现是；高效率区宽广；运行稳定性好；大修周期长，10年1大修，有利于电网安全运行。另外，由于转轮与水轮机轴接触面采用摩擦力传递力矩，各台转轮和备用转轮可以互换。

A351转轮在很多中小型水电站上得到广泛应用，使水

头300~400m间的水电站有了可与冲击式水轮机进行比选

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的可能性，并展示出混流式机组所具有的比转速高、尺寸小、重量轻及能充分利用水电站工作水头等特点。如贵州省大七孔水电站通过机组机型的比选和设计优化，确定选用额定转速为1000r/min、额定容量为16MW的HLA351-LJ-120立轴混流式机组。该水轮机转轮直径虽较小，“哈电”采用先进技术精心设计，精心制作，材料、工艺、质量控制较好，转轮达到了较高的质量水平。

叶片的材料、工艺和质量非常重要，如果控制不好，叶片则会出现裂纹甚至于断落。如：石板水电站（Hmax=229.2m，3×

355MW）水轮机型号为HLA351-LJ-240，首台机组于1997

年2月投入运行。3台机组投入运行后，转轮叶片出现了不同程度的穿透性裂纹；又如2000年投运的某水电站，出现了

3个转轮（转轮直径D1=1.625m）多个叶片严重裂纹并断落

的严重问题。

目前能生产这种转轮的厂家越来越多，并用于卧式机组，工艺水平也提高很快，有的转轮直径已小于1.0m。

1．11其他转轮

大朝山水电站（Hmax=85.63m，6×225MW），“东电”中标，

其推荐的水轮机转轮为从加拿大GE公司引进的技术，“X”形叶片，水轮机型号为HL（L261）-LJ-580，引进技术国产化的型号为HLD267-LJ-580。

双沟水电站（额定水头97m，2×140MW），水轮机型号为HLA883-LJ-400。

三板溪水电站（Hmax=156.5m，4×250MW），A855模型转轮ηw=93.11%，水轮机型号为HLA855-LJ-505（真机ηw=

94.52%），首台机组于2006年7月投产。

2推广使用优秀转轮

在中小型水电站水轮机选型设计及设备招标中，建议关

注上述的优秀混流式转轮。关注这些较优秀转轮在电站中，特别是中小型电站中的应用情况和运行经验；关注其在能量指标、稳定性等水力性能上进一步改进、优化的科研新成果。

设备采购的”市场化”，为先进、优良的设备进入中小型水电站打开了大门，中小型水电站即使尚无条件委托科研单位“量身打造”，但仍有选用优秀水轮机转轮的可能性。各设计院在进行水轮机选型设计时，应多方收集资料并从中选用作为比较方案及推荐方案；一些“老水电站”的机组增容改造，也可从这些优秀水轮机转轮中选取。

按水电机组设备招标文件要求，在中小型水电建设项目中获得优秀转轮的正规途径之一是：

（1）具有知识产权的研制单位直接生产，比如：“东电”、“哈电”就有生产中小型水电机组的分厂或公司，利用其强大的技术、设备的优势，直接向中小型水电站供货。

（2）具有知识产权的研制单位的“东电”或“哈电”，与中型电机制造企业组成“联合体”合作投标，其中机组最核心的水轮机转轮等部件，由研制单位直接生产。

（3）在水电机组设备招标过程中，中小型电机制造企业单独投标，其投标文件中要具有知识产权的研制单位提供的技术支持函件，中标后的转轮，必须由具有知识产权的研制

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单位制造。

（4）由研制单位向中小型电机制造企业转让部分转轮技术。

3结语

为了促进优秀转轮在中小型水电站的推广使用，维护转

轮研发单位的知识产权不受侵犯，确保水电设备投产后能正常运转，建议有关主管部门与技术监督部门配合，采取正面引导的方式，以有力的措施，规范中小型水电设备市场，在具有知识产权的研制单位与中小型水电机组制造企业之间进行协调，使其双赢。

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