灯泡贯流式水轮机导叶与桨叶协联关系探讨

熊建平，陈燕新，陈梁年

（东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020）

1 前言

保持导叶开度与桨叶开度协联关系是灯泡贯流式水轮机运行的基本要求，直接关系到水轮机运行的效率、机组的稳定性及使用寿命。灯泡贯流式水轮机水头低，水头波动相对水头所占百分比较大，容易引起机组负荷的较大波动，也可能产生异常的振动和噪声。

实际工程中，灯泡贯流式水轮机应注意保证在合同规定的水头及功率限制范围内运行，并尽可能使运行工况为协联工况或接近协联工况，以充分利用水能，避免异常的振动和噪声，满足水轮机空化性能要求。有的水电站由于运行人员对协联工况的理解存在偏差，机组运行经常严重偏离协联工况，导致水轮机出现异常的振动、噪音及空化现象，严重危害电站的安全稳定运行。

下面将从多个方面对灯泡贯流式水轮机导叶与桨叶协联关系相关问题进行探讨。

2 导叶与桨叶协联关系含义

导叶与桨叶协联关系可根据电站所用水轮机模型综合特性曲线来进行相似换算确定。

2.1 根据GB相关标准理解导叶与桨叶协联关系的含义

GB/T 15468-2006《水轮机基本技术条件》中对导叶与桨叶的协联关系没有明确定义，但在该规范的3.10.4款中对水轮机模型综合特性曲线定义时，明确综合特性曲线“绘在以单位转速和单位流量为纵坐标系统内，表示模型水轮机效率等性能的等值曲线，对于特定电站应表示出运行范围。”，并且“对于导叶和桨叶双调节的水轮机还应表示出协联工况下导叶开度、叶片转角和空化系数的等值线”。

据此，灯泡贯流式水轮机导叶与桨叶的协联关系可理解为水轮机模型综合特性曲线中某一单位转速n11（对应电站某一水头）下水轮机具有某一效率时所对应的导叶开度、桨叶开度。如图1所示，实际上，在水轮机模型综合特性曲线范围内任何一点的导叶开度α、桨叶开度β都是协联关系工况点，该工况对应的是某一单位转速n11、单位流量Q11、水轮机效率值η、空化系数σ等，这些值可从曲线中插值得到，并可换算为原型水轮机相关参数。

2.2 根据综合特性曲线绘制方法理解导叶与桨叶协联关系的含义

我们从水轮机相关教科书中可以清楚地知道水轮机模型导叶与桨叶的协联曲线是如何绘制在综合特性曲线中的。下面以图2示例作简要说明。

图2 某一单位转速时试验测量确定导叶与桨叶协联关系示例

模型试验时，针对某一单位转速n11（对应电站某一水头），在每个桨叶开度β时进行不同导叶开度α的模型效率试验，所得的数据可绘制图2所示水轮机效率η包络线，该线上任何一点所对应着一个协联工况点，该协联点所对应的水轮机效率η、导叶开度α、桨叶开度β、水轮机单位流量Q11等可以通过数据插值得到。

图2仅示意了3个桨叶开度。为了绘制出准确的、完整的效率包络线，应在数量足够的不同的桨叶开度下进行不同导叶开度工况点试验，采集足够的模型试验数据点，以确保能利用计算机编程实现曲线的精准绘制及得到可靠的数据插值。

同样在不同的单位转速（对应电站不同的水头）重复进行上述试验测量，可得到对应的效率包络线，利用这些效率包络线及插值得到的协联工况点数据，可绘制出图1所示水轮机模型综合曲线，包括等效率曲线、等导叶开度线、等桨叶开度线等。

从图2所示效率包络线中b点及f点的效率示意，可以清楚地表明，在桨叶开度为小开度或大开度时水轮机协联工况时协联工况点的效率并不一定是该桨叶开度下的最高效率，但均接近最高效率。这也为电站现场进行协联试验寻找协联工况点提供了依据。协联试验时可在某一水头下，不同桨叶开度时依据模型综合特性曲线换算得到的原型导叶开度附近进行不同导叶开度下的相关试验。

2.3 水轮机运转综合特性曲线中的导叶与桨叶协联关系

电站水轮机运转特性曲线是根据其模型水轮机综合特性曲线进行换算而绘制的，如图3所示，其中也包括了对应的导叶与桨叶的协联关系。图中可以直观地找到某一水头下水轮机不同功率的工况点（也即协联工况点）对应的导叶开度、桨叶开度。运转特性曲线中的导叶开度、桨叶开度表示方式一般与水轮机模型综合特性曲线中的表示方式一致，如：图3采用角度表示，也可用开口值表示。

图3 某电站水轮机运转特性曲线示例

2.4 水轮机导叶与桨叶协联曲线绘制及理论延展优化

将水轮机运转特性曲线中的导叶开度、桨叶开度协联关系分别换算成电站导叶相对开度与桨叶相对开度的协联关系曲线，如图4所示。图中导叶相对开度是指水轮机的导叶开度换算到导叶接力器行程并除以导叶接力器总行程的百分比、桨叶相对开度是指桨叶开度换算到桨叶接力器行程并除以桨叶接力器总行程的百分比。

图4 电站水轮机导叶与桨叶协联关系曲线及理论延展优化示例

图4中的椭圆虚线框内包括的部分是协联曲线优化延展，即把导叶相对开度及桨叶相对开度均延展到0开度（导叶、桨叶全关位置），实际上这增加的部分是没有进行模型试验的，不能从模型综合特性曲线中得到。这样做的好处是便于调速器从导叶及桨叶全关开度至协联工况开度的平稳过渡，不会突然从全关位置跳转到较大的导叶开度及桨叶开度，避免机组在这些过渡工况产生剧烈振动。

要注意的是，协联曲线中一般标有水轮机最小功率限制线、额定功率限制线、最大功率限制线。对于水轮机最大功率与额定功率相同的机组，高于额定水头的最大功率限制线与额定功率限制线重合。机组应禁止在最大功率限制线（额定功率限制线）外运行，同时尽量避免长时间在最小功率限制线以下运行。实际机组运行时以给定不同水头下机组功率（发电机功率）范围的方式来限定（注：机组功率Nf=水轮机功率Nr×发电机效率ηf）。

3 协联关系曲线中水头的正确理解

在清楚上述导叶开度与桨叶开度的协联关系含义后，只有正确理解导叶与桨叶协联关系曲线中水头的含义，才能较准确地给定调速器所用协联数据对应的水头，使机组运行时能处于协联运行工况或接近协联运行工况。

3.1 协联关系对应的水轮机水头的含义

GB/T 15468-2006《水轮机基本技术条件》中对水轮机水头的定义是：“水轮机做功用的有效水头，为水轮机进、出口断面的总单位能量差”。我们常将这一有效水头俗称为净水头。

水轮机净水头是水轮机进口和出口的比能差。从原理上来说包括三个方面，进出口测量面压力势能差（即差压变送器测量值）、进出口测量面相对于基准面高程差和进出口测量面动能差。

在模型试验时，采用电磁流量计精确测量机组各工况下的流量，在精确计算进出口断面面积的基础上，计算得到进出口断面流速，因此可精确计算水轮机净水头。而水轮机模型综合特性曲线上的单位转速即是由此净水头换算得到的。

图4中导叶与桨叶协联关系曲线中的水头是水轮机净水头，如果电站水头给定与协联曲线中的水头不能对应，则按图4给定的协联关系，实际上是不可能在协联工况下运行的。

有的技术文件中把电站水轮机的进出口断面的压力差的差压变送器描述为“测量水轮机净水头的差压变送器”，这本身并不能算错，但如果直接把它测量得到的压力差等同于水轮机协联关系曲线中的水头则是有偏差的、不适合的。该压力差是压力势能差，并未考虑动能方面的影响因素。如果要将此值引入调速器当作净水头使用，则需要根据净水头含义结合其他测量参数进行相关换算才可能。

另外，差压测量数值受测压管长度、弯头数量、残留气体杂质、测压座是否堵塞及水压波动等因素影响，与实际数值可能存在较大偏差，并且对于同一电站的不同机组在同一时刻所得到的压差值也可能各不相同，难以采信，一般仅作为进出口压力变动的参考值，建议不要使用。

3.2 灯泡贯流式水轮机净水头的常用给定方式

从灯泡贯流式机组实际运行来说，水轮机运行水头（净水头）通常可采用“净水头=毛水头-进出口水力损失”来给定，即“净水头=上游水位H1-下游水位H2-水头损失ΔH”。这里的水头损失是指上游水位到机组进口测压断面之间、尾水管出口测压断面至尾水下游水位之间由于流道的原因引起的额外水力损失，主要是指机组进口拦污栅至进口测压断面之间的水力损失，尾水管出口闸门处引起的水力损失也可适当考虑。

根据贯流式水轮机电站现场协联调试经验，一般水头损失ΔH可取一个定常值，由于电站实际不同及各机组安装位置不同，可给定的水头损失可略有差异，这主要是由于电站的各台机组安装位置不同而可能引起的实际尾水位存在差异所致，具体给定水头损失值可最终根据水轮机现场协联调试试验来确定。

通常一段时间内，上、下游水位是相对稳定的数值，水位测量的变送器装在水位相对平稳的位置，能实时反映电站上、下游水位的变化，上、下游水位差送去一个恒定的水力损失，得到的“净水头”值是较稳定值，接近水轮机真实净水头。

要注意的是当进口拦污栅阻塞严重，拦污栅前后水压差超出一定值时，应及时进行清理，否则给定的水头将偏差真实净水头较大，也即导致水轮机运行工况与协联运行工况偏差较大。

4 现场协联调试及优化方法

灯泡贯流式水轮机应按厂家给定的导叶与桨叶协联关系运行，并且水头采用厂家认可的方式给定，以便水轮机实际运行尽可能接近协联工况。由于大中型灯泡贯流式水轮机大多进行全流道模拟的模型试验，原型水轮机协联关系是通过模型换算（包括进行导叶接力器行程与导叶开度换算、桨叶接力器行程与桨叶开度换算）得到的，精度非常高，理论上可不进行优化调整。

工程实际中，由于水头测量或给定不准确、水轮机制造偏差及流道差异等其他原因，如：原型水轮机与模型水轮机存在相似性偏差、导叶及桨叶加工及安装存在偏差等。一般还是建议电站进行协联优化调整试验，对协联曲线进行修正 。

灯泡贯流式水轮机现场协联试验一般采用固定桨叶开度，改变导叶开度的方式进行（方法1），也可以采用固定导叶开度、改变桨叶开度的方式进行（方法2），方法1是模型试验时常用方式，方法2用在大导叶开度时比较方便。下面仅对方法1调试试验及相关要求进行简单说明。

4.1 协联调试基本条件及要求

协联调试前应进行必要的准备和检查：

（1）电站水头及上、下游水位满足机组规定的运行范围要求；

（2）机组及相关设备工作正常，用于试验的所有表计应标定合格；

（3）调速器工作正常，无异常抽动现象；水轮机净水头信号引入调速器后就能够按厂家给定的协联曲线运行；

（4）停机状态下进行复核检查，确认调速器中保存的协联数据与制造厂提供的协联曲线或数据一致；

（5）机组协联试验时其他机组宜停机或带部分负荷运行，以避免上、下游水位的波动偏大，满足水头的波动应不超过平均值的±1%要求；

（6）试验应具备充分的安全措施。

4.2 协联关系优化前验证试验

协联调试试验前应进行必要的协联验证试验：

（1）调速器协联自动，开机并网，带负荷，从导叶、桨叶小开度到大开度，选择数个合适点验证，记下每个验证点的上下游水位、导叶开度、桨叶开度、机组负荷。

（2）根据机组负荷、振动和噪声情况，综合分析，确认是否需要优化协联关系。

4.3 协联调试及协联优化

协联调试试验及协联优化的步骤：

（1）根据电站上、下游水位，给定水头（水头H=上游水位－下游水位－ΔH）对照厂家给出的协联曲线进行调试，ΔH由厂前事先预给定，试验后可进行必要调整。

（2）调速器在给定水头下自动协联。打开导叶，桨叶随动至指定的桨叶相对开度后，改现地手动操作，保持桨叶相对开度不变，在此时的导叶相对开度的附近可通过手动缓慢开启或关闭导叶，调整导叶相对开度，仔细寻找机组负荷较大、振动最小、噪声最轻的工况点，并记录该点上下游水位、导叶开度、桨叶开度、机组负荷、导轴承（包括发导和水导）水平及垂直振动、合同规定测试位置的噪音等。

（3）协联改自动。打开导叶，桨叶随动至下一个指定桨叶相对开度后，再改手动，保持桨叶相对开度不变，开启或关闭导叶，按（1）～（2）的步骤寻找该点最佳协联数据。

（4）要注意的是调试时应优先考虑机组运行的稳定情况。结合协联关系曲线中给定的水轮机功率限制线，注意保证机组功率不得超出电站机组规定的最大功率，防止意外损害水轮发电机组。

（5）根据协联调试数据，进行计算分析，作成图5所示试验曲线，确定各桨叶开度下协联关系的导叶开度。从图5可以清楚地看出，在某一桨叶开度β时调节导叶开度，其中协联的效率曲线上的效率点不一定是该桨叶开度时的最高效率点，但至少是接近最高效率点。

图5 某水头下水轮机效率与功率关系协联试验示图

（6）将（5）中得到的协联关系绘制到厂家给出的协联曲线中进行对比，以确定协联关系调整的趋势。

（7）根据多个水头下协联优化的规律，对厂家给出的原协联关系各水头下曲线进行优化，并输入调速器中。

5 协联关系相关问题研讨

5.1 调速器输入水头选取误区

调速器输入的水头应与厂家给出的水头定义相当。如果电站水头给定不准确，则按厂家给出的协联曲线运行显然是达不到协联运行的要求的，甚至运行在振动较大、噪音异常、空化严重的工况。因此，需要重视并避免水头给定的误区，如：把机组进出口断面压差直接当作电站净水头的方式。

实际上，我们通过同一时刻观察、记录电站多台机组进出口断面的变送器压差可能看到，各台机组压差可能都存在较大的差异，这是由于测量管路安装、测差头是否堵塞等多种因素的差异造成的。另外，机组运行一段时间后若测压管路出现局部堵塞情况也将导致变送器压差出现误差。可见，从多方面来分析，均不应当把进出口断面压差直接当作低水头的贯流机水头输入调速器。

5.2 调速器自动水头输入及自动协联可行性

调速器水头按照“H=上游水位-下游水位-ΔH（给定某一恒定值）”给定，ΔH一般由厂家预给定，按此方式接入水头信号，调速器按此得到的水头在厂家给出的协联关系曲线上采用计算机计算插值的方法运行在导叶开度与桨叶开度匹配的各协联工况点。

考虑到上下游水位的实时波动，调速器可设定水头波动在某一范围内时不进行调节，避免导叶、桨叶的不停抽动，实际上可理解为在上、下游水位小波动范围内为近似协联运行，这样也便于运行工况的相对稳定。

目前，国内调速器厂家大多能达到上述水轮机水头输入给定要求。调速器采用自动采集输入的方式是可行的。这样可以减小电站运行操作人员手动给定水头的工作量，如果手动给定水头，则必须要求电站运行操作经常关注水头的变化情况，以保证机组尽可能运行在接近协联运行的工况。

5.3 同一电站不同机组协联关系中水头损失设置差异

由于上、下游水位测量的变送器设置在水位波动较小、方便安装的位置，又由于同一电站各台机运行时下游尾水管实际尾水位受到边岸、挡水墙等的影响而有所不同，各机组实际运行水头可能是有差异的，所以可采用不同的ΔH取值来进行调整。ΔH的实际取值，可通过电站现场协联调试试验来最终给定。

5.4 机组各运行水头下功率限制的严格控制

机组在不同水头下运行时，特别需要注意的是，电站应充分考虑机组运行功率限制线，包括各水头下最大功率及最小功率，并有效地进行实际运行控制。例如：在低于额定水头又与额定水头相差不多的水头运行时，加大导叶开度、桨叶开度，可能仍然达到额定功率的，但这时可能空化情况严重，机组振动、噪音也可能明显增大，也可能由于该处效率变化大、工况不稳而导致机组负荷周期性出现较大的波动，这将缩短机组寿命，甚至危害电站安全稳定运行。避免在此类工况运行的方法是充分考虑该水头下的功率限制、适当减少负荷运行。

5.5 机组负荷周期性波动原因分析

电站在某些工况下运行时，机组负荷可能产生明显的周期性波动，个别电站有某种工况下可能出现波动较大的情况。现对其原因分析如下：

机组负荷的基本计算公式为：

Nf=Nr×ηf=γ×H×Q×ηt×ηf

其中，Nf— 机组功率（kW）；

Nt—水轮机功率（kW）；

ηf—发电机效率；

ηt—水轮机效率；

γ—水的比重（9.81 kN/m3）；

H—水头（m）；

Q—流量（m3/s）。

从上述公式中可见，机组负荷在某一时段内周期性波动较大的原因无非是水头H、流量Q、水轮机效率的变化较大造成的（在机组某一功率附近，可把发电机效率当作一恒定参数来对待）：

（1）协联关系的不断调整：上、下游水位波动较大，调速器为了机组发某一预定功率而发出指令，频繁调整导叶开度、桨叶开度，导致实际水头（压差）变化较大、流量变化较大，导致负荷的周期性变化；

（2）工况水力不稳定，周期性变化较大：水头给定不准确、水轮机偏离协联工况运行、机组在机组运行范围外运行（包括在水轮机功率限制线外运行），均可能导致运行工况不稳定，从而使负荷周期性变化较大；

（3）进水口拦污栅影响：由于机组长时间运行后拦污栅没能得到及时处理，水头测量与实际水头偏差较大，或者堵塞物使进口水流发生周期性变化，这都可能导致水头变化或水轮机严重偏离协联工况运行，使机组负荷产生周期性变化；

（4）尾水出口建筑物设置或障碍物影响：由于机组尾水管出口建筑物或障碍物对水流的影响，导致尾水管出口水流压力周期性波动，使实际水头周期性变化。如：某电站在尾水闸门后上侧设置了鱼道，经观察，在某工种工况下，鱼道横梁对尾水出流产生了周期性阻碍，可以看到此时水浪周期性反冲鱼道横梁，导致尾水出口压力产生了较大的波动，此时，机组负荷波动非常明显。

5.6 机组异常振动噪音相关分析及改善

从可查阅到的目前国内外灯泡贯流式机组的相关论文以及我公司一些电站机组协联调试经验来看，机组协联与振动、噪音存在一定的关系，协联工况运行时机组振动、噪音相对较小，但偏离协联工况较多运行时往往振动、噪音较大，甚至异常增大。因此，电站应尽可能使机组协联或接近协联运行。另外，在水轮机合同规定运行范围外或是电站上游蓄水位还未达到合同要求时，机组运行也可能导致异常的振动和噪音，此时导叶与桨叶的开度也可能不能直接从水轮机模型综合曲线中得出，因此也无所谓导叶与桨叶协联工况运行，此时对导叶与桨叶开度进行适当的调整是必要的。

电站机组如果出现异常振动、噪音，其改善对策需要进行针对性的检查、试验研究才能确定。可能的检查、改善措施如下：

（1）检查确认机组在合同规定的运行范围内运行，并且机组在协联或接近协联的工况运行。另外，应确认机组运行时电站上、下游水位是否在合同规定的范围内。注意运行工况应严格控制在机组功率的限制范围内，并协联运行，既充分发挥水轮机的水力性能，又有效降低机组的振动、噪音，保证机组的使用寿命。

（2）导叶和桨叶不宜频繁调节，运行工况应保持相对稳定，避免机组流态紊乱，机组负荷波动较大。对于灯泡贯流式水轮机，水头变化相对水头占较大比重，如果水头产生了较小的变化，就进行水轮机导叶、桨叶的调整，以达到某一给定的功率，则机组可能需要频繁调节，此时，应给定水头变化达到一定值（需考虑协联影响，由厂家给定）时再发出导叶、桨叶调节指令的类似调节方案，避免频繁调节。

（3）检查确认机组进、出口流道是否对水流有异常阻碍，以排除流道原因产生的异常情况。

（4）机组正常运行做负荷调节时，导叶的开关速率可以适当降低，以配合桨叶的开关速率让机组负荷变化过程中尽可能都很好的协联运行，避免机组负荷大波动调整时，出现失协联振动以及逆功率调节现象。

（5）如果同一电站多台机组中仅某台机组出现了异常振动及噪音，则还需要对转轮各桨叶的制造组装角度的一致性进行复查，确保符合设计要求。如：国内某高水头灯泡贯流式电站曾经出现一台机因为各桨叶组装角度不一致的原因产生水力不平衡导致的异常振动、噪音。

6 结语

灯泡贯流式水轮机导叶开度与桨叶开度保持协联关系是电站机组运行的基本要求，协联关系的正确理解、协联使用水头的正确设定是关键。本文从模型水轮机及原型水轮机的导叶与桨叶协联关系的含义进行了较详细说明，对现场协联调试及优化方法进行了介绍，同时对协联关系相关问题进行了研讨，供贯流式水轮机设计、运行相关人员参考。