淺談混流式水輪機轉輪裂紋原因分析及預防措施

■李偉君 ■興國縣長岡水庫工程管理局，江西 興國 342400

混流式水輪機作為反擊式水輪機的一種類型，其應用水頭的范圍極其廣泛，從20m-700m 的水頭均可使用。混流式水輪機的結構較為簡單，其制造以及安裝過程也十分方便，運行的過程也較為可靠和安全，此外混流式水輪機具有較好的運轉效率以及比較低的汽蝕系數。這種水輪機的進水部件是具有鋼板里襯的蝸殼，座環支柱也稱為固定導葉并在轉輪四周布置導水機構導葉，座環支柱具有兩個非常堅固的上環和下環且這兩個環和蝸殼焊接在一起。導葉軸頸利用襯套支撐在底環以及固定在頂蓋的套筒之上，襯套一般選用鋼材質或者是尼龍材質。導葉開度通過導水機構的兩個接力器進行改變，此外還可以通過控制環連接的推拉桿傳動來實現。

1 混流式水輪機之轉輪概述

轉輪是各種類型水輪機正常運行不可缺少的核心部件，其主要功能就是將水能轉換為機械能。而且轉輪也在一定程度上直接決定著水輪機的過流能力強弱、水力效率高低、運轉工況的穩定與否以及汽蝕性能是否良好的關鍵因素。在實際操作中，轉輪的各個部分設計和制造必須要充分滿足水力設計的型線要求，必須要具有高強度且具備較強的抗汽蝕的能力以及耐磨損的性能。根據水輪機轉輪所轉換水流能量的形式不同，可以將水輪機分為反擊式和沖擊式水輪機兩大類。將水流的位能、壓能和動能轉換成固體機械能的水輪機稱為反擊式水輪機。根據轉輪區域水流運動方向的特征，反擊式水輪機又可分為軸流式水輪機、混流式水輪機、斜流式水輪機以及貫流式水輪機。其中混流式水輪機由于水頭型號和流量大小的不同，其配備的轉輪形狀也存在區別。一般而言，水頭越高的話轉輪的葉片高度就要適當減小且長度要相應增加，水流的流動在轉輪中越加趨于幅向流動。隨著水頭高度的降低，轉輪的葉片長度要相應變短且高度要逐漸增加，如此水流流動的方向就越來越趨于軸流方向。然而，不論是什么形狀的轉輪一般都是由轉輪上冠、轉輪下環、轉輪葉片、上下止漏裝置以及泄水錐和減壓裝置組成。

2 混流式水輪機轉輪出現裂紋的原因分析

根據歷年的相關資料顯示，混流式水輪機轉輪出現裂紋的狀況并不是十分罕見的現象，這種水輪機投入使用的運轉過程中發生轉輪裂紋是普遍存在的。以我國某地的某一水電站為例，該水電站在投入運行使用后的第一次定期維護中就發現水輪機轉輪出現裂紋的現象，在其后續機組的定期維護中同樣發現了轉輪葉片出現裂紋的現象，而且此水輪機投入運行長達十年之久，在這十幾年的運轉期間，水輪機葉片裂紋的問題從未間斷過，但該水電站的相關維護人員并沒有對此問題進行深入研究和采取有效的解決措施，每次的定期維護中都會有裂紋現象出現。該水電站所采用的混流式水輪機的額定功率是582MW，能夠承受的極限功率為612MW，公稱直徑是6257mm，額定的水頭為165m 以及額定的轉速是142.9 轉每分鐘。轉輪采用的是不銹鋼材質的，轉輪上冠形似圓錐體且上冠上固定均勻分布的葉片，在外圍開幾個減壓孔，在側面裝有減壓裝置。葉片斷面為翼形，采用數控機床加工，將葉片的厚度控制在188 毫米之內。下環采用具有錐角的直線形，泄水錐采用鋼板焊接的方式，里面空心，下面開口，以便排出通過止漏環的漏水以及潤滑軸承的潤滑水。

就目前而言，經過觀察和深入分析，導致此水電站混流式水輪機轉輪出現裂紋的原因主要由以下幾點:

(1)轉輪焊接質量存在風險。由于混流式水輪機的轉輪應用水頭型號不同，那么他們的構造也就存在區別，制作的材料以及加工的手法也大相徑庭。在此水電站的轉輪主要采取的是焊接結構，即轉輪的上冠、葉片以及下環均采用單獨鑄造，然后加工焊接而成。雖然此舉具有良好的技術經濟效果，節省了鑄造材料，但是由于鑄件小，形狀簡單，降低了對鑄造能力的要求，如此焊接的工作量就會加大，確保每條焊縫的質量以及消除焊接溫度的應力等處理可能就不會很精細。

(2)轉輪變形所致。轉輪葉片強度最弱的地方在于出水邊，而分瓣轉輪一直會在出水邊不斷運轉并對出水邊產生難以負荷的壓力，加之出水邊的汽蝕能力最差，所以在壓力和汽蝕的雙重影響下轉輪葉片很容易出現裂紋現象。

(3)超負荷運行的影響。水輪機組投入運行之后，一般為了追求經濟效益而忽視其正常的運轉時間和定期維護，那么整個機組的運轉時間就很容易超出其自身所能承載的負荷量，進而導致轉輪葉片的受損，甚至出現裂紋。

(4)尾水管壓力的影響。水輪機在整體運行的過程中，尾水管必然會出現渦帶，其出現一定會對水流產生影響并產生一定的脈動壓力，這種壓力會傳到轉輪葉片上進而對葉片引發共振導致轉輪葉片出現裂紋［1］。

3 混流式水輪機轉輪裂紋的預防措施

轉輪的良好運轉對水輪機機組的整體運轉意義顯著，因此必須要盡力保證轉輪的平滑，出現裂紋之后也應該及時進行修復或者是更換，在今后的定期檢修和維護中可以從以下幾個方面進行努力:

(1)在最初的選用材質上就要小心謹慎，應盡量選擇不銹鋼材質的材料進行焊接，因為不銹鋼的焊接具有高塑性。

(2)隨著科學技術的發展，混流式水輪機也進行了技術方面的改進和創新，使得水輪機中的水流運轉較為穩定，但是還是不能準確預測脈動壓力幅值，因此在今后的水輪機改善之中應該結合本地水電站的運轉特征，具體問題具體分析，選取合理且科學的設計方案和運行規劃。

(3)超負荷的工作運轉會對轉輪葉片造成極大的損害，因此，在今后的運行中應按照正常且合理的運轉方式和運行時間進行控制，不要讓轉輪的葉片受到自身所不能承載的壓力和工作負荷。

(4)發現轉輪出現裂紋予以及時解決固然重要，但是當前并沒有十分有效的監測手段，因此最為重要的是日常的預防，也就是說要十分重視對水輪機的定期監測和維護，隨時發現問題隨時解決問題。同時對裂紋進行修復時應該采取徹底的解決辦法，對于十分嚴重的裂紋狀況就要采取專業化的處理方式，改善轉輪葉片的受力幅度，確保修復之后不會再次出現裂紋。

4 結束語

綜上所述，混流式水輪機的廣泛應用伴隨的是轉輪葉片穿線裂紋的現象屢見不鮮，進而導致整體機組的運行出現障礙，甚至在很大程度上影響著水電站運行的經濟效益。與此同時，水輪機的正常運轉對于機組的整體安全十分重要，而轉輪作為機組安全運轉的核心部件之一，其損壞必然會對機組整體順利運行帶來阻礙作用。因此，在廣泛采用混流式水輪機進行能量轉換的時候，必須要對轉輪裂紋的問題予以高度關注并及時采取有效的應對措施進行修復，此舉既是對水電站安全運營的保障，同時也是出于對經濟效益的考慮［2］。

［1］陽新峰.大型混流式水輪機轉輪裂紋原因分析及對策［J］.四川水力發電，2013，32(zl):169 -174.

［2］魏瑞秀.混流式水輪機轉輪裂紋原因及預防措施的探討［J］.山東工業技術，2014，(3):15 -16.