水輪機轉輪葉片裂紋原因分析與研究

張彥南

（1.四川大學水電學院，成都 610065；2.達州市發展和改革委員會，達州 635000；3.達州市工程咨詢中心，達州 635000）

水輪機轉輪葉片裂紋原因分析與研究

張彥南

（1.四川大學水電學院，成都 610065；2.達州市發展和改革委員會，達州 635000；3.達州市工程咨詢中心，達州 635000）

水輪發電機組在運行中，由于工藝、水力因素等原因，轉輪葉片很容易產生裂紋甚至斷裂，導致的結果是機組的壽命減小，停機檢修時間長，電站的經濟損失也相應增大。為減輕轉輪葉片產生裂紋的程度，以某混流式機組為例，從葉片強度、工藝特性等方面進行分析，找到了引起該機組轉輪葉片產生裂紋的原因，并采取對應措施，以避免該問題的發生。為今后同類型機組的裂紋問題研究，提供了參考依據。

水輪機轉輪裂紋原因

引言

水輪機轉輪，是機組完成機電能量轉換的核心裝置。其性能的好壞，關系到整個機組的運行穩定性。因此，確保轉輪的性能滿足要求，是機組設計的關鍵。通過對西南地區數個電站的中小型混流式水輪機調研發現，當機組運行一段時間后，轉輪葉片均會不同程度出現裂紋問題。其后果是機組的水力特性變差、發電效率下降并伴隨著噪音增大。所以，解決轉輪葉片產生裂紋的問題，具有工程實用價值。

目前，對水輪機轉輪葉片的裂紋研究較多。而大多數研究主要是對機組的振動特性進行分析，計算出各階模態的固有頻率后，在機組運行中，避免發生共振的頻率，以此來降低裂紋發生的程度。然而，裂紋產生的原因是綜合性的，除共振因素外，強度特性、材料的選擇、工藝性能的好壞也會導致疲勞失效，從而產生裂紋。故對該問題的分析中，應該從多種因素進行分析，以便能夠明確轉輪葉片產生裂紋的主因，并采取針對性的措施，達到防范裂紋的目的。

1　機組工程概況

以四川省達州地區某電站混流式機組為研究案例，機組的轉輪直徑為1.5m，容量為20MW，電站的部分參數見表1。

表1　電站部分參數

自該機組投入運行1年之后，13個轉輪葉片均產生了嚴重裂紋，裂紋類型為貫穿性，13個葉片的裂紋位置也大致相同，即主要存在于葉片和上冠之間的搭接區域。由于該問題，機組的發電效率急劇下降，嚴重影響了電站的經濟效益，故尋找裂紋原因并進行處理，是十分必要的。

2　原因分析

（1）轉輪型號不匹配。根據電站機組的運行特性曲線可以看出，該機組的轉輪型號與電站當地的水文條件，存在一定的差異。即在任何的運行工況下，與機組的最有工況參數均有較大的偏差。該因素容易導致葉片流場脫流和高頻率振動，由于水流的頻率也較高，故機組長期在高頻率條件下運行，則會發生共振，從而產生裂紋。

（2）強度特性原因。若轉輪設計時，尺寸、材料等條件不合理，會導致葉片的強度不足，從而產生疲勞破壞，發生裂紋。按照轉輪翼型尺寸，建立三維實體模型，對額定水頭和最大水頭工況，進行有限元分析，計算結果，由圖1～4所示。

圖1　葉片變形分布（額定水頭）

圖2　葉片變形量分布（最大水頭）

圖3　應力分布（額定水頭）

圖4　應力分布（最大水頭）

由圖1～4所示，在兩種工況下，應力集中的位置大致相同。即發生在葉片和上冠的聯接區域。從圖1和圖2可知，葉片的變形量從上冠至下環，逐漸增大。加之葉片的出水端壁厚較薄，故容易引發疲勞失效。變形量的極大值，出現在下環，因此，轉輪設計時，如果下環的壁厚較薄，其變形量將增大，從而引發上冠部分和葉片的搭接區域應力增大，由此會導致裂紋的發生。故從上述分析可知，該仿真結果與實際裂紋產生的區域一致。

（3）機組的補氣原因分析。從上述的分析可知，機組在運行時，長期偏離最優工況，故在尾水管中，流場的壓力脈動會增加，該因素會導致機組劇烈振動。因此，傳統的補氣方式，補氣量不足以滿足要求，繼而導致葉片裂紋。

（4）葉片工藝性原因分析。若葉片和上冠、下環的焊接中，焊縫質量不佳，內部存在焊接殘余應力，導致該區域應力相對集中，強度卻非常薄弱。也會導致葉片產生裂紋。

3　改造方案的提出

根據轉輪裂紋產生的原因分析，采用更換轉輪的方式進行處理，對新轉輪的相應措施為：

（1）葉片材料和焊接工藝。①轉輪的所有部件材料，均更換為ZG0Cr13Ni5Mo VOD。②改進葉片與上冠、下環的焊接工藝。加入熱處理環節，以消除內部的殘余應力［3］，采用ASME標準進行探傷檢查。

（2）過流部件結構改進。采取更換轉輪的形式改進性能，轉輪的主體結構和尺寸是不能進行更改的，其具體的改進細節，主要有：①根據有限元分析結果，下環的厚度需要增大，以便減小應力集中的程度，一定程度上可以提高轉輪的強度性能。②傳遞轉輪和主軸扭矩的部件，由原先的銷結構改變為鍵結構。③在尾水管上，添加補氣管，增大機組的補氣量，改善轉輪葉片的裂紋程度。

改造轉輪后機組運行2500h后的狀態顯示，機組的額定效率提升至92.1%，汽蝕程度減輕，說明水力性能變得比較優越，且尚未監測到裂紋。由此可以說明，改造后的機組，疲勞失效程度有所減輕，達到了改善機組性能的目的。

4　結論

對達州市某電站混流式機組進行轉輪改造時，從轉輪型號、強度特性、補氣量以及工藝性能4個方面進行分析，得出了產生裂紋的主要原因，并針對性地提出了更換材料、加厚上冠和下環的壁厚、增加補氣量等措施。從改造效果來看，基本達到了減輕裂紋的目的，機組的發電效率也提升到了合理的水平。同時，也應該看到，由于不同的機組之間，機組類型，尺寸、工藝、精度等條件的差異性較大，故要達到改善裂紋的效果，不能夠一概而論，必須以當地的實際條件為依據，才能提出行之有效的優化措施。

［1］王旭，羅凱.流固耦合的水輪機轉輪靜應力仿真與模態分析［J］.水力發電，2015，41（12）：72-75.

［2］劉德民.基于流固耦合的水輪機振動的數值研究 ［D］.成都：西華大學，2008.

［3］王錦亞.數控加工技術 ［M］.北京：北京郵電大學出版社，2016.

AnalysisandResearchontheCrackofTurbine Runner Blade

ZHANG Yannan
（1.CollegeofHydroelectricEngineering，SichuanUniversity，Chengdu 610065；2.DazhouDevelopment andReform Commission，Dazhou635000；3.DazhouEngineeringConsultingCenter，Dazhou 635000）

Hydroelectric generating units in operation，due to the technology and the hydraulic factors，runner blade is easy to produce crack and even fracture，leads to the results is unit of life reduced downtime maintenance for a long time，economic losses of the power plant will also increase accordingly.To alleviate the runner blade cracks，a Francis turbine as an example，from the strength of blade and the characteristics of the process analysis，to find the causes of cracks in the turbine runner blades，and take corresponding measures，in order to avoid the occurrence of the problem.In order to provide reference for the study of the crack problem of the same type unit in the future.

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