浅淡对原型水轮机的研究方法

黄源芳，刘 洁,2

(1. 中国长江三峡工程开发总公司，湖北 宜昌 443002；2. 华中科技大学，武汉 430074)

浅淡对原型水轮机的研究方法

黄源芳1，刘 洁1,2

(1. 中国长江三峡工程开发总公司，湖北 宜昌 443002；2. 华中科技大学，武汉 430074)

文章在介绍水力机械三大类研究方法后，着重阐述对已成为存在事实的原型水轮机研究方法。文章以较丰富的实例介绍了统计分析法、试验分析法和综合分析法的内容和要点。最后，对水力机械领域在研究中存在的一些问题，及对研究应用这种研究方法提出了建议。

存在事实；水力机械；研究方法

1 水轮机研究方法概述

水力机械（Hydraulic Machinery）通常是水电设备中水轮机、水泵、水泵水轮机及其辅助设备的总称。对水力机械的研究方法，大同小异，本文以水轮机为例予以研究。

水轮机是以水为工作介质的原动机，已有近一百八十多年的历史。一百八十年来，对其研究方法归纳起来，大体可分为三大类：第一类是计算理论研究。从伯努里方程( Bernoulli equation )，到采用求解纳维尔斯托克斯方程（Navier Stokes equation）、建立湍流模型进行CFD分析，其趋势是在基础理论研究的基础上诞生新的应用理论和研究方法，或创造出新的水力机械，或不断提出改进、优化水轮机性能的方法和途径。现代CFD分析计算的发展，是使其计算条件和分析结果更贴近实际。第二类是模型试验研究。无论是水力的、结构的问题，都可以通过建立水力模型、结构模型进行模型试验、模态分析，其趋势是使给定的模型试验条件与原型实际运行条件更加接近，并在其模型试验结果与原型运行的实际之间，找出一定的相应的因果（相似）关系（Scale effect），以便通过试验验证，改善和提高水轮机的性能和运行稳定性，同时优化结构部件设计。第三类是原型研究，即对事实上已存在的水轮机进行研究。通过对原型进行的各种试验，了解其实际性能特性；或通过对已投入运行的水轮机现状进行调查，分析产生各种异常现象的因果关系，减缓或消除引起麻烦、导致异常的不利因素，并将新的认识反馈到新的水轮机的设计中，推动水轮机技术的进步与发展。

过去人们对水力机械的研究往往更多侧重于利用数理知识、流体动力学的基础进行计算和理论的研究，这种带有基础性的应用理论研究，目的是为了寻找和探求新的理论突破或开拓新的应用领域。同时由于过去我国试验装备、试验技术相对落后，试验研究和试验结果的重要性和对相关理论的指导性没有得到足够的重视，试验结果也往往只是一种参考，实际并未把其试验的结果与原型运行的实际表现联系起来。随着改革开放，我们走出去看到了西方的先进试验装备，精确制作的模型，引进和接受随工程项目逐步转让的技术及技术载体，人们更有信心把试验、实验研究成果直接用于设计。人们更加认真地通过仔细观察模型试验过程的各种表像，来预测原型的运行特性。即使对水电站原型运行中出现的各种异常，也还可通过还原试验、比较研究找到原因，应用于改进新的原型设计、制造。这种研究方法的应用，找到了解决问题的办法和途径，并在实际工程上取得了预期的结果。

人们往往对第三种研究方法缺乏认识。即对“存在的事实”的研究，还不能引起有关部门、企业的足够重视。或者是匮于缺乏经费，或者是缺乏权威部门的组织，或者研究分析方法本身还存在某些不足。可喜的是，过去几年对大型水电机组的运行稳定性进行过较大规模的调查研究，对大型水电机组进行过现场性能测试和动应力测试，对受河流泥沙磨损影响严重的水轮机，进行全国范围的问卷调查和重点调研。水力机械行业已逐渐认同这种看似简单但却十分实用的研究方法。因而有更多的投入试运行的新机组，有问题修复后重新投入运行的老机组，准备进行更新改造的机组都希望通过按规程规范或合同要求进行的现场试验、原型实验，达到或验证设备，或找准问题，或弄清现状，或改善性能，或协调电站与电网的调度关系的目的。

本文重点是研究第三种研究方法，即基于存在事实的水力机械研究方法。

2 水力机械研究中“基于存在的事实”

这种研究方法的特点就是“基于存在的事实”。何谓“存在的事实”呢？所谓事实，就是已实际存在的“水力机械”，就是那看得见、摸得着、算得出、量得到的水力机械的现象和数据。例如，迄今世界上尺寸最大的水轮机是中国葛洲坝水电站的 176MW 转桨式水轮机。世界上单机容量最大的水轮发电机组是中国三峡水电站最大容量840MVA的机组。这就是已存在的事实。

美国大古力电站水轮机的转轮是最早在电站工地组焊加工、静平衡的 700MW 混流式水轮机转轮。黄河小浪底电站6台300MW水轮机、红水河龙滩电站7台700MW水轮机、黄河拉西瓦电站6台700MW水轮机、三峡右岸电站12台水轮机中的4台700MW水轮机的转轮都采用相同的方法，即在电站现场设机械加工车间，将若干散件组焊加工成整体转轮的形式。有的已成为现实，如大古力、小浪底电站的水轮机。有的已形成“决策”（合同），如龙滩、拉西瓦、三峡，这从某种意义上说也已成为事实。

经常看到国内许多论证报告或技术刊物上的文章，特别是高水头水轮机论证中通常引述的苏联的罗贡（有的文章称为罗贡斯克）电站，“装设有6台转轮直径6.6m、圆筒阀直径11.0m的300m水头的600MW水电机组，1976年9月开工，1989年投入运行”。这是事实（工程计划），也不是事实（实际未投入运行）。

据某设计院的论证资料，世界上装设有圆筒阀的水轮机（含合同中已规定装设）约有 100多台，最多是在加拿大，其次是在中国，共有 6个国家（“苏联”按一个国家统计）的水轮机装有圆筒阀。这基本上也是事实。

巴基斯坦塔贝拉电站水轮机、黄河小浪底电站水轮机在投入运行初期，水轮机叶片就出现裂纹。云南大朝山电站水轮机 72h运行时，叶片也出现裂纹。广西岩滩电站4台水轮机，每台机（新转轮更换前）几乎每个叶片都有裂纹，多年累计裂纹总长度达200多米。以上这些也是人所共知的“存在的事实”。

三峡水轮机从招标文件编制开始，到左岸电站14台机组全部投入运行，每走一步都是业内人士关注的焦点。在合同执行过程中，左岸有一台顶盖，在厂内制造过程中被报废了。有一台转轮的下环铸件，探伤发现有900多条大小裂纹被拒收了。有一台水轮机转轮上冠毛坯，重180多吨的不锈钢铸件，检测发现有一条长约1m的贯穿性裂纹，也被拒收了。三峡左岸的水轮机到安装时才发现有一台水轮机的座环连接板处的焊缝有较严重裂纹，现场处理合格后再进行下一道工序。三峡水轮机在投入运行后有2台水轮机的蜗壳导流板被撕裂了。调速器在运行中也出现过问题。水冷的定子绕组的发电机的纯水系统水泵也出现过问题。即使是三峡如此重要的项目，也不可避免会出一点问题。这些也都是“存在的事实”，当然这是存在的历史事实。

研究“存在的事实”是为了某种特定的目的；或是找出事故原因，采取措施改正，避免错误重现；或是为改进提高运行效能，充分合理利用水力资源；或是延长水力机械设备寿命，降低运行成本。研究目的尽管不同，但影响研究成果最根本的因素都是需要对引证的事实进行核实分析，绝不能把“道听途说”视为事实。有的貌似“存在的事实”，实际上可能反映的并“不是事实”。例如，某研究报告为了求证射流泵是一种适合某项大工程水轮机顶盖排水和技术供水的可靠的设备，引证了二十多年前在东北白山、西北龙羊峡水电站就曾使用过射流泵的工程实例，还引证龙羊峡射流泵的应用还获得过科技进步奖的事实。这些都有设计文件、当事人和科技进步奖证书为证。作为引证这种“存在的事实”说明射流泵在大型电站的应用是成功的，当然自有其道理，因为已运行了二十多年，并获得过科技进步奖。“既有技术进步，又有运行实践”，似对射流泵应用于某项大型工程“很有说服力”。但是，这个曾经是“存在的”事实，随着时间的推移和运行实践，情况却发生了变化。事实上二十多年前装设的这套射流泵装置，因其运行噪声大、振动大早已拆除了十多年，早已改用减压阀供水了。射流泵在白山、龙羊峡电站的应用，已成为“历史事实”，而不是“存在的事实”了。这样，为求证某个大型项目适宜应用射流泵的依据就不再存在了。

研究“存在的事实”需要依据事实本身的特性为依归。黄河小浪底电站的水轮机转轮是制造厂将叶片、上冠、下环等散件运输到工地，在现场加工厂内组焊、加工成整体转轮，经静平衡后交付给需方的。制造厂在现场组装、焊接、加工形成的整体转轮在小浪底是“存在的事实”。小浪底水轮机在运行初期，多个叶片曾出现裂纹，这是另一个“存在的事实”。在水轮机行业内也曾有过这样的一种看法，即把上述这两个“存在的事实”作为“因果关系”联系起来。认为制造厂在现场制作整体转轮这个“事实”是导致叶片出现裂纹这个“事实”的“原因”。在当初探讨小浪底水轮机叶片出现裂纹成因时，多种假设、逐个排除的方法是合适的。后来小浪底水轮机出现裂纹的原因己经查明，即在机组启动过程中，由于叶片上出现13Hz的低频高幅振动与轴系一阶扭振的也是接近13Hz的频率发生共振，导致转轮个个叶片都产生裂纹，采取相应措施后问题己得到基本解决。这实际上已明确排除了现场加工的转轮的“制造质量”是导致叶片出现裂纹的因素。把这种实际上并不相关的“事实”生硬地扯在一起，就离开了“事实”本身的特性。人们当然不会同意这种看法。否则龙滩、拉西瓦电站的水轮机转轮，三峡右岸12台中的4台水轮机转轮就不会用现场组焊加工成整体转轮的工艺方案了。这个方案被事实证明技术上是成熟的。当然，由制造厂商负责在现场加工中也会出现某些加工质量问题，就如同制造厂商在工厂车间加工也会出现某些加工质量问题一样，则依具体情况分别处理就行了。这个现场加工方案的技术可行性和过去成功的经验并不影响研究叶片出现裂纹这个“存在的事实”。

某项大型水电工程水轮机在2003年7月投产前，国内外许多专家十分关注这个设计难度大、零部件分散在世界各地制造的水轮机在投入运行后会不会出什么问题。这种担心是可以理解的。专家们依据的“存在事实”是美国大古力第三电厂700MW水轮机出现过裂纹，委内瑞拉古里电站 640MW 水轮机出现过裂纹，巴基斯坦塔贝拉电站440MW水轮机运行1000多小时出现过裂纹，黄河小浪底电站 306MW 水轮机在运行不到1000h出现裂纹，云南大朝山电站230MW水轮机72h试运行就出现裂纹。而提供这些出现过裂纹的水轮机的设计、制造者，竟不幸又是某大型水电工程左岸水轮机的供货商。依据这些“存在的事实”进行推演评估：“三峡水轮机（该水轮机在投入运行时）不出裂纹才怪呢”。这类意见之所以受到重视则是：“宁可信其有，不可信其无”。“对于三峡（这项）巨型工程，怎么强调(困难)也不过分”。实际上，另一个“存在的事实”却是：小浪底、大朝山叶片裂纹的成因找到了，采用合适的措施解决了。塔贝拉水轮机经过修复后，没有看到裂纹扩大、频繁大修的报道。这里只引证“出了事”这个事实。如果不探究“解决了否”？更不研究如何解决？这样就不能给人们提供全面准确的事实作为判据。

研究“存在的事实”，要分析成为事实的“依据”是否可靠。某刊物某篇文章论证高水头混流式水轮机应用时，引证了许多电站水轮机的水头范围、性能参数，其中最醒目的是“罗贡电站”。“罗贡电站”以世界最高的土石坝、世界最高的坝（335m）而闻名。在水力机械行业，则以高水头（300m）容量最大（660MW）的水轮机引人注目。引证的“事实”是从某技术书刊和杂志的文章以及苏联解体前大量技术刊物的大量文章。我去过俄罗斯列宁格勒金属工厂和莫斯科全苏中央设计总院，苏联解体后还通过我国驻塔吉克大使馆了解过罗贡电站情况。我曾接过一个电话询问关于“罗贡电站水轮机”的情况。客观的事实是，某篇文章引证的数据是罗贡电站设计的水轮机参数。由于苏联解体，原属苏联的塔吉克境内著名的大水电站，例如努列克电站和罗贡电站己为塔吉克共和国所拥有。努列克电站仍在运行，罗贡电站的施工现场，由于塔吉克内战而曾被损坏，迄今无力复工，当然就没有投入运行。引证罗贡电站的直径 6.6 m、水头 300m的水轮机和直径11m 的圆筒阀作为论据，在某种意义上是“事实”。但罗贡电站的这个“事实”并未成为“存在的”事实。由此可见，对“存在的事实”的研究、引证不能只从“文章”到文章，也需有可靠的旁门(“依据”)佐证。

3 基于“存在的事实”的研究方法

事实本身已能说明问题，现实存在的就应该是“合理”的，为什么还要讨论研究方法呢？在技术领域，当两个或多个技术方案比较时，特别是各方持不同意见激烈争论时，往往认为最终确定为“实施”的方案就是合理的，反之则是不合理的。事实胜于雄辩。

对已成为“存在的事实”应该怎么对待，从“存在的事实”能导出什么样的结论，能否从中得到“正确”的结论甚至可作为“普遍规律”来推而广，研究方法之一是“统计分析法”。就是将“相同的”以及“相似的”诸多事实集合在一起进行分析，从而得出反映事实本质的规律性的东西。这是应用最普遍的对“存在事实”的研究方法。对水力机械研究来说，就是把水轮机这一大类放在一起研究，把水泵作为另一大类放在一起研究；细分起来，就是把混流式、轴流式、冲击式水轮机各自单独集合在一起进行研究。譬如，在通常的技术论证报告中，把诸多电站水轮机参数集合在“水头 H～比转速 ns”关系曲线上，各制造厂根据自身经验并参考其他工程实例得出的H～ns公式等见图1。这种统计分析方法直观、实用，有说服力，外行也能一目了然。应用这种研究方法得出的结论，一般来说应该是“毫无疑义”的。但有时也会招来更大争论。究其原因，则是出在“根本”上。那就是把并不“相同”，并不“相似”，甚至并不“相关”的“存在事实”硬拼凑在一起，或者把因果关系颠倒的“存在事实”生搬硬凑到一起。其俗称为“张冠李戴”。把并不“存在的事实”作为“存在的事实”与其他事实并列，这样当然就得不到“毫无疑议”的结论了。最常见的是将水轮机比速系数K值的选择“神秘化”，把K值的大小作为衡量水轮机参数合理与否的唯一有力例证。我读过一篇文章，文中对众多电站的最大水头 Hmax/最小水头 Hmin，最大水头 Hmax/额定水头Hr和最小水头Hmin/额定水头Hr的比值进行统计分析，众多电站作为实例绘制在图上，从而导出某工程水轮机的设计难度的结论。这种硏究方法是有一定道理的，但细究起来，还应对这些电站水轮机的制造年代（时间差异），水轮机制造厂商（技术差异），水轮机实际运行状况（事实差异）进行分析。否则这种貌似有说服力的图表，并不能得出正确的结论。

又如，假若我们把装有圆筒阀的水轮机的最大运行水头（m）与水轮机额定容量（MW）分别作为纵座标、横座标，将装有圆筒阀的电站的“点”点上去，会得出一定的相关曲线。若以此为依据，推导出在某个最大水头某个额定容量的水轮机“必须”装设圆筒阀的结论。这样的统计分析方法恐怕就很难为大家所接受。

表1为装设有 ALSTOM 制造的圆筒阀的主要电站。

图1 福伊特西门子水电公司（VSH)生产的混流式水轮机Hr～ns统计图

表1 装有ALSTOM制造的筒阀的主要电站

又例如，某项工程为了评估其不同投标厂商提供的水轮机的稳定性，采用统计分析法对其提供的压力脉动值（△H/H）进行统计，采用同一尺度（△H/H=4%）衡量，压力脉动值小于这个尺度者则不予统计，大于这个值则进行统计。最后靠统计“点数”来进行判断，那个点数多就说明其稳定性差。应该说这里采用的统计分析在方法上是正确的，问题是分析时应用的这个衡量标准（4%）是否科学。这是应用“统计分析法”研究“存在的事实”时应该慎重处理的例子。

方法之二是“试验分析法”。事实已经存在，水轮机正在运行，还要对其进行“试验分析”。这是由于水轮机从模型试验到原型运行的某些相似性（能量、空化）和某些不相似性（运行稳定性）决定的。

“试验分析法”就是对已“存在的事实”(正在运行的机组)，进行单项或多项的再试验，并通过对试验结果的分析，以便对已“存在的事实”有更深刻的把握。所谓“透过事实的表象，了解事实的本质”。或者在这基础上合理推断出可应用于其他类似工程的结论。

前面提到的世界上尺寸最大的水轮机，即葛洲坝二江电厂176MW水轮机，曾经成为上世纪70年代总体设计（当年称“选型”）大辩论时的核心课题。焦点就是4个叶片的转桨式水轮机，能否在最大水头27m正常运行。按“统计分析法”查找已成为“存在的事实”的电站，我国水轮机型谱中应用水头最高 22m，但该实例电站水轮机叶片的材料是碳钢20SiMn。葛洲坝水轮机采用 4个叶片、采用不锈钢材料能否安全运行到27m水头，采用正常的设计方法计算分析，强度设计工程师得出的结论是可以的。但考虑到叶片在水中的疲劳影响，当时就没有人能说得清楚。后来决定在湖北蒲圻陆水电站进行试验。为此，专门做了一台直径3.3m的转轮。直径 3.3m的转轮既是原型（对陆水电站）转轮，又是模型机（对葛洲坝电站）转轮。转轮的 2个叶片用 15MnMoVCu材料、另 2个叶片用0Cr13Ni6Mo不锈钢材料制成。实际试验水头为23.4～24.6m。从实测叶片最高应力推算到27m水头时，合成主应力为88.69MPa，飞逸工况时为110～130 MPa，安全系数达3～4倍。后来又在水头25～25.6m范围内满负荷下连续运行4天，运行正常，无不稳定现象。期间共运行12000h，最高运行水头已达25.82m，运行稳定。这说明，用不锈钢材料制造的葛洲坝4叶片水轮机，完全可以应用到27m水头运行。这种研究方法是合宜的，形成结论的依据是科学的。但这个意见当时并未为决策者所接受。也许是葛洲坝水轮机太重要了。不同意见者的依据很简单：“那仅仅是一次性的试验，就能说明长期运行没问题吗？”所以最终结论还是比较稳妥：“葛洲坝4叶片水轮机运行最高水头为23m，在27m运行时加强观察”。20多年来，这两台176MW水轮机最高运行水头实际曾达到26.5m，当然叶片也没有出现任何强度问题。

当初人们听说三峡左岸水轮机模型验收，水轮机尾水管压力脉动值没有全面满足合同保证值时，人们大吃一惊：三峡怎么会是一个这样的水平？人们并不了解，这种情况在三峡以前已有不止一例。见表2，10个电站水轮机压力脉动最大值与合同保证值比较。不同的是，三峡水轮机模型验收是第一次公开这样的结果，并要求合同方改进设计进行再试验。人们更关心三峡水轮机高水头运行时的稳定性，为此除进行设计改进、重新进行试验外，作为验收试验不满足合同要求的附加条件，合同双方还商定，在运行水头与三峡电站最接近的湖南江垭水电站进行水轮机原型压力脉动试验。实际试验水头达106m，接近三峡水轮机最大水头 113m。试验时出力 70MW（70%额定容量），尾水管锥管压力脉动为△H/H=6.43%。与1997年江垭水轮机模型验收试验时测得的结果：出力65～70MW时，尾水管压力脉动最大值△H/H=6.2%比较，可见模型试验结果与原型实测结果比较接近。江垭电站水轮机尾水管内的最大压力脉动为△H/H=9.9%，出现在出力为30MW(30%额定容量)时，见图 2。江垭尾水管压力脉动试验结果。通过对已“存在的事实”江垭100MW水轮机的压力脉动试验，更深刻揭示X叶片水轮机在百米水头段运行的特性。加拿大 GE水电公司据此试验结果，并分析了三峡与江垭水轮机情况的异同，预计三峡水轮机在高水头运行时是可以稳定运行的。当然，现在三峡水轮机还未在100m水头以上运行，我们可以不认同这个结论，因为两者尺寸还是有很大的差异。但江垭水轮机试验，毕竟是一次在中国水电界最大规模的由中外专家共同参与的，并由国外合格试验公司主导进行的与目标电站运行条件最贴近的水轮机稳定性试验，由全国水轮机标准化技术委员会专家组进行全程目击监理。采用这种“试验分析”法对“存在的事实”进行研究，从而导出对目标电站水轮机性能的预测，不失为一种更为贴近的试验研究评估方法。

表2 十个电站水轮机压力脉动最大值与保证值比较

对已“存在的事实”即原型进行试验，现在已更多引起人们的重视。三峡左岸电站已投产机组都进行过不同项目的现场试验，包括叶片动应力测试、压力脉动测试和其他运行稳定性试验，以便不仅从同一模型试验结果中了解水轮机性能的共性，而且能充分了解同一模型不同原型之间性能的差异，从而深刻了解水轮机性能的共性和把握各别机组的“个性”。因为影响水轮机稳定运行的因素比水轮机模型试验限定的运行条件要复杂得多，例如引水钢管无法模拟。通过对每台机组进行试验，使其“个性”更加彰显。黄河万家寨电站水轮机经过现场试验后，提出改进机组运行的区域。在水轮机运转特性图上划分为“稳定运行区”、“过渡运行区”和“禁止运行区”，见图3，并在此科学论证基础上，与山西、内蒙古电网磋商，“分区安全运行”获得电网的大力支持，对解决电网运行调度与水轮机运行稳定性的矛盾取得了满意的结果。

采用这种“试验分析方法”，通常出现的问题是试验实施单位（公司）是否是合格的单位，是否具有相关试验设备和实施经验，是否对试验结果有一定的分析能力。某大型电站请所在省的试验机构进行了多次现场试验，试验报告数千言，有数据，有分析，但在试验报告后面的结论中最末一条，说明“本次所测得的数据普遍偏大，是否与传感器的标定误差有关，尚待今后证实”。

方法之三是综合分析法。对于“存在的事实”，在进行“统计分析”，或/和在进行“试验分析”的基础上，已积累了丰富的第一手资料和相类似电站水轮机的资料。人们往往容易止步于这一阶段，因为“综合分析法”是最费力的一个阶段或一种方法。

“综合分析法”就是对搜集到的资料，或在分析时还必须补充进行收集的资料进行整理，梳理出分析对象即“存在的事实”也即原型水轮机的各个方面表征：其一为“性能表征”，即能量特性，空化特性等运行特性；其二为“历史表征”，即模型试验时的表征，投入商业运行时的表征，过去（运行若干万小时后）检修的表征；其三为“现状表征”，指被研究对象此刻的表征，主要指“结构（或在某次检修处理后）表征”，如结构尺寸、轴承间隙、叶片型线等变化，以及“性能表征”，即（检修投入）运行时各项运行性能数据，如水头、出力、温升、振动、摆度、噪声等。其四为“综合评价表征”，即对“已存在的事实”，本例为已投入运行的目标水轮机，在对前述表征分析（列表、数据、曲线资料）前提下，对目标水轮机按“安全运行”和“性能特性”两项评价，给出 A“优”、B“好”、C“正常”、D“不正常”的四个评级；并与同一电站内运行的其他水轮机，与目标水轮机按前述两项比较，做出“相当”、“较好”、“较差”的评价；还通过与已搜集到的同类似水轮机的性能做出“相当”、“较好”、“较差”的评价。通过对各方面表征的“综合分析”，特别对“大型”水轮机而言，就能做到既把握“存在的事实”的全貌又能做到把握“存在的事实”的特质。在此基础上，通过对上述特性的综合分析，采用多个假定并逐项排除的方法，寻找导致差异或损坏（例如空蚀或磨损）的原因，确定应采取的措施以求设备性能或设备寿命得到改善。

图2 GE江垭电站水轮机模型和原型尾水管压力脉动最大值比较

图3 万家寨电站水轮机运行分区图

当前，在水力机械行业里，比较缺乏的就是对“存在事实”的综合分析研究，比较困难的是供综合分析的基础资料的不确定性和资料综合的难度。通常我们在运行调查时发现有以下几种情况：

（1）对应该较真实记录水轮机运行参数的“运行日志”，不少记录不全，或列出的运行参数没有全部填写，或没有责任人署名；

（2）对比较真实反映水轮机大修前后状况的“检修记录”或“检修小结”，抽象的描述多，具体的数据少，记录不够详尽；

（3）日积月累的每天的值班记录、“运行日志”、“检修记录”这些珍贵史料记录过后被束之高阁，无人问津，缺乏定期系统的整理，资料综合十分困难。

（4）缺乏电站水轮机运行（生产）的信息管理系统即ePMS，或有了这样的信息系统而缺乏数据及时输入，缺乏日常维护和阶段小结，缺乏系统及时升级，不能保证系统正常运行。

（5）这些“运行”、“试验”、“检修”史料属“保密”范围，一般只供“内部”使用，有个别的不愿与同行分享，更不太愿意公开提供。

（6）就“运行”论运行，就“检修”论检修，就“试验”论试验。由于日常电力生产、检修工作压力太大，或由于人手不够或技术力量不足，或认为这种工作没有产生什么经济效益，所以难以充分利用这些“史实”进行“综合分析”，也缺乏一定的机制和体制打破这种“对外封闭”的状态。

（7）在这些“史料”（“存在的事实”）中，有些体制上的因素或个人认知能力的不同而影响史料的真实性。在肯定电力劳动竞赛或运行奖惩规定的正面作用时，往往也同时出现一些负面的因素。某些电厂规定，在一个运行时段内出现多少次“非正常停机”事故，就得在一定范围内（个人、班组、全厂）在一定时间内（本月或全年）扣发奖金。为了避免“城门失火，殃及池鱼”，有时对“非正常停机”原因的分析往往容易采取“往外推”。 本是“调整不当”，或“运行不当”，或“操作不当”造成的事故，推到制造质量或安装不良上，或推到设计不当所造成。只从这样记录事故的“史料”进行综合分析，就很难查找到事故的“真凶”。

在对这些“史料”（存在的事实）分析做结论时，一些现实因素必须考虑。例如，目前实行的厂、网分开竞价上网的体制；水轮机在“正常运行区域”以外区域运行遭受的损坏；为了电网安全的“热备用”使机组在极低负荷运行甚至空载运行的时间；为了电网安全而实际担任“主力调频电站”的机组在满负荷和低负荷之间快速调整对水轮机的损坏；这些现实的与经济效益休戚相关的因素，使得电厂甚至不敢与电网协商机组运行区域的划分和改进运行区域的问题。甚至错误认为，这是绝对“得罪不起（电网）的”。在这种思想支配下，对水轮机运行在正常“运行范围”以外的工况、参数、现象，往往缺少收集、整理和系统分析。

在对这些“史料”（存在的事实）分析时，往往容易走向两个极端：一个极端是“简单化绝对化”。例如，人们往往视水轮机的比速系数 K值为分析一切“史料”，诊断疑难杂症的首位依据。清江隔河岩 310MW水轮机K值为2349，与三峡左岸水轮机相同，中国第一、世界第二。曾有人预言，如此的“高参数”的水轮机，必然运行不正常，损伤破坏必然严重，肯定不会有什么好结果。当然，经过10年运行，隔河岩水轮机也出现过这样那样的问题。但在对10个水电站已运行的 44台混流式水轮机运行状况和相关史实调研比较后，却发现隔河岩水轮机的总评，却能位居“三甲”之列。在2005年12月再次回访时，尽管运行在划定的正常运行区域以外的时间较长，过流部件在12年运行后基本正常。又例如，广西岩滩4台308.7MW水轮机，比速系数K值为1942，是地地道道的“低参数”水轮机。从1992年9月第一台投入运行起到2002年5月，在水库水质与设计没有什么变化的情况下，52个叶片中却有51个叶片都产生裂纹，并且多为重复在同一部位或不同部位出现裂纹。没有出现裂纹的是2#机转轮的4#叶片。怎样解释这个4#叶片从未出现过裂纹，我们迄今没有找到答案。常常遇到同一电站同一厂商供货的设计参数和结构尺寸相同的水轮机，为何表现出的运行特性有所不同甚至有时还“大相径庭”，所有这些说明事物是比较复杂的，影响因素是多方面的。简单化是最省力的，但并不能找出有说服力的依据。在水力机械行业里，有许多是“看得见”、“摸得着”、“算得出”和“测得到”的事实，还有一些是内部存在的尚未被揭示的矛盾，需要我们细细观察，认真研究，多方假定，最后证实肯定无疑时再下结论，才予以“充分肯定”，这样才比较妥当。

另一个极端是“不可知论者”或“多疑论”者。过多的夸大水轮机运行的复杂性和我们对水轮机认知的“无能为力”，对出现的“事故”缺乏客观全面的了解，甚至对水轮机行业的前途缺乏信心。看到岩滩4台水轮机叶片几乎片片都裂，焊补后又裂，但就是看不到另一个“存在的事实”，即每台水轮机在投入运行后10多年间，一直能在年运行小数较高的状况下运行，而电站的实际年发电量，却并未因反复检修水轮机而减少的事实（见表3，岩滩电站历年发电量统计）。这当然得感谢岩滩电厂运行检修有道。我们都知道，混流式水轮机已有近200年的历史，是各类水轮机中技术最成熟、应用最广泛的一种水轮机型式。混流式水轮机的结构经过漫长的考验，已经形成传统的成熟的结构形式。我们当代人肯定有能力解决一些新的难题，但也不是我们当代人就能把所有未知的问题“都解决掉”。

表3 广西岩滩水电厂历年发电量统计

4 结束语

中国（大陆）最早的水电站，是1912年建成的云南石龙坝电站，装设2台单机容量240kW水轮发电机组，由德国西门子和德国福依特供货，其发电机现在还在运行。世界上尺寸最大的水轮机（葛洲坝二江电厂2台176MW），恐怕我们难以看到会有那项工程能超过它。目前世界上最大容量的水轮发电机组是三峡840MVA机组，我们过去也研究过在三峡电站采用1000MW 水轮发电机组。现在我们是否有必要为中国人竖立更大容量1000MW水轮发电机组的里程碑呢，我国在黄河上的万家寨电站，装有6台由两个国际知名厂家设计制造的水轮发电机组，到目前为止，其中叶片未做任何防护（泥沙磨损）就投入运行的水轮机，运行状况（泥沙磨损程度）还比加以防护的要好。三峡左岸水轮机在合同执行中出现过“拒收”、“报废”正在加工制作的部件或铸件。这些“存在的事实”留给我们很大的思考空间，给我们研究分析提供了一个又一个的依据研究基于“存在事实”的水力机械研究方法，研究“存在的事实”，即正在运行的水轮机及其相关的运行条件，这种研究方法正在更多为国际电工委员会水轮机技术委员会(IEC/TC4)所采用。2005年5月成立的为制订河流泥沙对水轮机影响导则而成立的 29工作组，正在全世界范围内对水电站水轮机受泥沙磨损的状况进行调查。可以相信，基于存在事实的水力机械研究方法必将得到更广泛的应用。并在对其研究中遵循“客观、理性”的原则，定能把水力机械的技术进步推向新的阶段，促进当今我国水电事业的大发展。

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Discussion of Research Methodology for Prototype Turbine

HUANG Yuan-fang1, LIU Jie1,2
（1. China Three Gorges Project Corporation, Yichang 443002, China;2. Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China）

This paper firstly introduces 3 general classes of research methodology of hydraulic machinery. It mainly emphasizes the study method for the prototype turbine that became existed fact.Through illustration of abounding instances, this paper presents the contents and outline of statistical analysis method, test analysis method and synthesis analysis method. In conclusion, the paper provides useful suggestion on the application of these methods due to some existing problems in research field of hydraulic machinery.

existed fact; hydraulic machinery; research methodology

TK730.1

A

1000-3983(2011)05-0035-09

2010-03-31

黄源芳（1939-），1962年毕业于华中科技大学水力机械制造专业，中国长江三峡工程开发总公司科学技术委员会委员，教授级高级工程师，博士后科研工作站导师，长期从事水电站机电设计与技术管理工作。