金懂性

(广西水利电业集团新疆克州水利发电有限公司，新疆 阿克陶 845550)

1 工程概况

五一桥水电站位于雅砻江下游一级支流九龙河上，与九龙县城相距45km，与九龙河龙头水库溪古电站厂房相距20.5km。五一桥水电站枢纽工程由水电站、供水发电涵洞、导流泄洪洞、溢洪道等建筑物构成，大坝坝型采用碾压式均值土石坝型式。水轮机机组为卧式，装机3×44MW，机组转速500r/min。五一桥水电站所处流域干流为山区性河流，泥沙含量较大，年平均泥沙含量达0.594kg/m3。水电站在建设过程中所配备的水轮发电机组高水头，大容量，并主要采用HLD74-LJ-390型水轮机设备。考虑到该水电站建站期间方案设计以及主要设备安装方面均缺乏实践经验，技术水平较低，造成水轮机在运行过程中泥沙含量较高，机组运行过程中频繁出现振动，转轮以及导叶等主要运行部件空蚀，过流元件严重磨蚀，轴承与导叶密封不严进而引发十分严重的漏水问题，2005-2010年多次进行的停机检修也未能使水轮机机组达到安全可靠运行的要求。

根据HLD74-LJ-390型水轮机特性曲线，设备额定工效为85.8%，为进行水轮机扩容，必须进行效率修正，但水电站HLD74-LJ-390型水轮机加工水平不高，出于尺寸效应、工艺水平等所限，其效率修正几乎是难以实现的(原水轮机参数情况详见表1)。HLD74-LJ-390型水轮机单位设计流量过大(1.42m3/s)，远远超出4%的出力限制，所以，水电站实际运行很难达到设计要求的过流流量，水轮机机组长期运行于低负荷区域，难以充分发挥水能，严重影响机组运行安全和水电站经济效益的顺利发挥，为此必须进行五一桥水电站机组水轮机技术改造。

表1 原水轮机参数情况汇总

按照设计要求，在进行五一桥水电站扩容改造时，主要对水轮机、发电机、调速器等埋入部件以外的主体部件进行全部更换，在此过程中，水轮机转轮的设计至关重要。

2 水电站机组水轮机技术改造设计

2.1 转轮改造设计

2.1.1 转轮长短叶片组合

借鉴同等规模水电站转轮改造设计经验，低比速长叶片转轮进出口半径差距较大，在哥氏力的影响下，相邻叶片间水流流速分布呈现不均匀性，在低荷载运行工况下，引发转轮叶片正面水流流速转变为负流速的极端情况的可能性很大，负流速必然引起涡流，加剧水轮机振动，使水轮机机组转轮实际运行效率大大降低[1]。按照五一桥水电站机组水轮机改造设计报告，选用型号为ZZ560-LH-500的立轴、蜗壳轴流转桨式水轮机，并通过在水轮机相邻叶片间接近进口处添加短叶片的方式确保叶片出口宽度不变的情况下，进口处宽度减小，通过长短叶片的组合提高转轮运行的稳定性和工效。在水轮机转轮改造的过程中，若包括蜗壳、座环及尾水管等在内的埋入件不变，则固定导叶的高度也无需调整，而对于活动导叶，由于其进出口之间存在一段增加导叶高度的斜坡，会引起过流面积的扩散而增大水力损失。所以，五一桥水电站转轮导叶高度应按考虑水头扩散损失的水头导叶高度设计[2]。

为防止短叶片添加后过流量的减小，将五一桥水电站机组水轮机转轮19个叶片改成15个短叶片+15个长叶片，为防止哥氏力作用引起转轮正反面流速不同而增加水力损失(图1(a))，应将短叶片出水边靠近前部长叶片(图1(b))，增加出水边正面水流流速而消除哥氏力作用，同时将标准正曲率半径导叶改为偏心负曲率导叶，使其在水力矩的作用下，产生自关闭倾向，提高导叶运行的安全性，增强密封效果。考虑到A351水轮机在当前国内水电站常用的高水头混流式水轮机中性能优良，所以五一桥水电站水轮机转轮在选用A351的基础上进行改型设计。按照先长叶片再短叶片的次序设计，在长叶片翼型的前2/3处厚度相等，后1/3开始逐渐变薄，其翼型与短叶片相同，长度为短叶片的2-3倍。通过流场分析软件所预测得转轮直径500mm，试验水头25mm的情况下转轮参数详见表2。

(a) (b)

表2 五一桥水电站水轮机转轮参数

由表2试验结果可知，A351转轮改型设计后工效可达94.3%，100%负荷下水轮机装置水头空蚀系数0.044，限制工况下流量可达298L/s，符合五一桥水电站水轮机转轮改型设计的效率要求。

2.1.2 扩容改造水轮机转轮参数

根据五一桥水电站扩容改造水轮机综合特性，水轮机额定出力点效率较高，高低水头之间的出力点设置在高功效区域，保证水轮机加权平均工效达到最大。结合类似机组规模水电站的扩容改造经验，为防止水轮机在不稳定区域运行，高低水头之比应控制在1.30以内，五一桥水电站扩容改造后高低水头之比为11.34∶9.01<1.30，所以选择ZZ560-LH-500水轮机满足五一桥水电站扩容增效改造设计，水轮机转轮参数详见表3。

表3 扩容改造水轮机转轮参数

根据五一桥水电站设计技术文件，其水轮机活动导叶中心安装高程2150.5m，尾水高程2154.7m，可以按下式确定水轮机转轮吸出高程允许值：

(1)

式中：Hn为水轮机转轮吸出高程允许值，m；E为尾水高程，m；K为水轮机转轮名义吸出高程，m，取K=0.65；σe为额定水头，m；Hr为转轮直径，m。计算出水轮机转轮吸出高程允许值为-3.29m，ZZ560-LH-500水轮机扩容增效后满足安装高程设计要求，还能适应混凝土蜗壳和尾水管扩散口的水流流速，实现动能水头损失的最小化。

2.2 水轮机结构设计

该水电站原水轮机转轮调整角度的过程主要借助销子定位完成，调整存在很大难度，准确度和可靠性差，故在水轮机技术改造的过程中，提倡使用5叶片转轮并焊接，以确保结构调整后达到运行准确度以及可靠性等方面的要求。为保证流道相似，还必须采取相应措施使转轮体转变成锥形结构[3]。结合类似工程优化设计经验，应引入耐空蚀、抗磨蚀属性和焊接性能优异的PK-YBG317 0Cr16Ni5Mo型叶片，同时按照三坐标形式加工处理，以优化叶片几何形状。五一桥水电站机组水轮机原轴承主要使用的是浸油筒型式的稀油润滑轴承，该轴承结构简单，性能一般，其所配置的主要元件无法为水轮机运行自动化监测提供条件，为此，该水电站机组水轮机轴承结构在技术改造时改用便于实现自动化监测的稀油润滑筒式轴承，其结构剖面具体见图2。

图2 水轮机稀油润滑筒式轴承结构剖面

由剖面图可知，稀油润滑筒式轴承结构在主轴下部设置了密封装置，能有效防止下游水位升高导致轴承进水，此外，改进后的轴承结构采用的是活塞和空气围带结合作用型式，有效避免了轴承进水和机组检修的难题。

五一桥水电站原机组并未在尾水椎管设置补气装置，机组长期运行于低负荷情况下很容易出现气蚀和振动，在此次技术改造过程中，于机组水轮机转轮中心体位置增设φ150圆盘形补气阀装置(图2)，从而有效解决水轮机机组低负荷运行的气蚀与振动。

3 结 论

在对五一桥水电站机组水轮机扩容改造后，水轮机机组在投入运营后的第一年共运行18384.57h，年总发电量达54970万kW，且运行稳定性显著提高，机组轴承摆度值改造后降低至0.25mm，纵向和横向振动值均保持在0.02mm以内，尾水管压力脉动不超过0.05MPA，五一桥水电站机组水轮机扩容改造的成功实践可为类似水电站水轮机技术改造提供借鉴参考。