水輪機轉輪葉片裂紋成因及處理措施

王偉軍

摘 要：就水輪機轉輪葉片裂紋產生的原因及處理措施進行了研究，結合工程實例，從制造質量、水力彈性振動等方面分析了水輪機葉片轉輪裂紋產生的原因，并根據實踐經驗，提出了相關的預防措施，為有效控制和減少葉片裂紋提供一定的借鑒。

關鍵詞：水輪機；轉輪葉片；裂紋；水力彈性振動

中圖分類號：TK730.8 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.106

在水輪機實際應用中，轉輪葉片裂紋的頻繁產生，不僅對機組安全運行構成很大威脅，也給水電廠帶來極大的經濟損失。因此，為了防止因水輪機轉輪的問題而給水電站的安全、穩(wěn)定、經濟運行帶來嚴重威脅，就需要分析裂紋產生的原因，采取有效的措施預防控制，以降低水輪機轉輪葉片裂紋的發(fā)生，進而提高水輪機的安全、穩(wěn)定性，保證機組的安全經濟運行。本文論述了轉輪葉片裂紋產生原因，并介紹了裂紋處理的主要措施。

1 工程概況

某水電站共有4臺混流式機組，機組型號HLVS220-LJ-670，單機275 MW，額定流量424.6 m3/s，額定轉速100 r/min，飛逸轉速175 r/min，最大水頭85.4 m，額定水頭73 m，最小水頭62.65 m。機組導水機構裝設有23個固定導葉、24個活動導葉，活動導葉通過2個液壓直缸接力器操作，由油壓裝置提供壓力。轉輪為不銹鋼材質，葉片由數控加工成型，葉片、下環(huán)、上冠用不銹鋼組焊，進而加工成轉輪。在2014-11進行的1號發(fā)電機組檢修中，發(fā)現(xiàn)內部部分葉片出現(xiàn)輕微裂紋，其裂紋位置均位于上冠熔全線和水邊背面上，裂紋從起裂處延伸至葉片母材料，其形狀類似拋物線形狀，裂紋斷口為疲勞特征。

2 水輪機轉輪葉片裂紋成因

據分析，該水電站機組從開機至停機過程中，水力脈動與軸系與扭振耦合引起的共振與導葉關閉過程中機組存在慣性停機時，卡門渦引起葉片水彈力共振導致葉片裂紋產生，還有在機組的不良運行工況的誘發(fā)下也是產生裂紋的主要因素。其中的任何一個原因都可導致初始裂紋的產生和發(fā)展。

綜合分析，轉輪裂紋產生的原因主要有4方面：①機組選型不當，過分追求機組的超發(fā)能力，而忽略了機組在額定工況以外運行區(qū)域的穩(wěn)定范圍，導致機組在低負荷運行區(qū)域運行時，轉輪應力過大，機組存在安全隱患；②轉輪在設計階段已經測算出最大應力在葉片出水邊與下環(huán)連接部位，在結構設計時未有針對性地采取降低應力的有效措施，導致最大應力點始終存在于葉片出水邊與下環(huán)連接部位的薄弱環(huán)節(jié)；③轉輪焊接階段，對焊接質量把控不嚴，在焊縫處出現(xiàn)氣孔、縮頸現(xiàn)象，加劇應力集中；④下導軸瓦瓦托設計不合理，與頂瓦支柱螺栓接觸的部位厚度只有5 mm，無法承載軸瓦受力，在運行時發(fā)生斷裂，導致導瓦間隙變大，使得機組運行時振動、擺度值加大，加劇轉輪裂紋的產生。

3 防止裂紋的主要措施

3.1 選型正確

吸出高度H、額定出力P、額定轉速n、轉輪公稱直徑D等主要參數的選擇要結合電站特點，例如水質、負荷調節(jié)范圍、水頭變幅以及水輪機的的綜合特性等。渦列頻率可表達為：

F=（0.18-0.2）W2/δ2. （1）

式（1）中：W2為出口相對速度；δ2為出口邊厚度。

當渦列頻率與葉片自振頻率相同產生強烈振動時，容易造成葉片過度疲勞，引發(fā)轉輪葉片出現(xiàn)裂紋。這就是混流式水輪機固有的缺點。

3.2 優(yōu)化設計

設計單位在設計時，一方面要考慮提高水輪機的效率，另一方面要考慮盡可能減少壓力脈動的現(xiàn)象；在確保水輪機剛度滿足要求的情況下，充分考慮靜強度的要求，還要避免共振現(xiàn)象發(fā)生；適當增加葉片厚度和葉片與上冠、下環(huán)焊縫圓弧過渡半徑，能盡量地避免應力集中，同時還可采取避開共振區(qū)的適當措施，防止葉片出現(xiàn)開裂。

3.3 控制水輪機制造的質量

在轉輪組裝完成后按照規(guī)定焊接。在焊接完成后進行退火熱處理，以降低焊接口的殘余應力值。對焊縫進行無損檢測，保證過流表面光滑，避免凹凸不平和裂紋的出現(xiàn)。葉片、下環(huán)、上冠和圓弧不可出現(xiàn)傷痕或鏟磨縮頸。

3.4 補氣充分

水輪機補氣方式主要有2種，即錐管自然補氣法和主軸中心孔自然補氣法。其中，主軸中心孔自然補氣法的補氣量大致為0.25%～1%的額定流量，通常要在發(fā)電機頂端設置補氣閥來避免補氣通道堵塞。

錐管自然補氣法分為2種，分別為十字架補氣法和錐管壁補氣法。十字架補氣法經常用于小型水輪機，它的優(yōu)點是可以降低壓力脈動，缺點是容易被沖掉或發(fā)生空蝕，難以提高工作效率；錐管壁補氣法利用錐管補氣，但當真機壓力過高時，會出現(xiàn)無法吸入空氣的現(xiàn)象。該水電站發(fā)電機軸頂部處設有大軸補氣裝置，采用自然補氣方法；在頂蓋、底環(huán)和基礎環(huán)上預留強迫補氣的管道，必要時使用（目前暫未投入）。

3.5 避振防裂

水輪機在運轉時要承受動應力和靜應力。有效地減小或避免裂紋的形成或是擴大的方式就是在機組運行方式上進行優(yōu)化，讓機組避開強振動區(qū)長時間運行，盡量在設計最優(yōu)工況下運行。同時在機組運行中，還應加強對機組各部擺度、振動的在線監(jiān)測裝置以及在機組檢修期時加強對轉輪及過流部件的檢查和跟蹤檢查處理。在水輪機運行過程中，轉輪葉片所承受動應力按照性質分類可以分為4種：固定葉片和轉動葉片相互作用所產生的壓力脈動所形成的動應力，超出出力工況下和部分負荷工況下由渦帶形成的壓力脈動所產生的動應力，由于進出水流不均勻而產生的動應力，卡門渦和葉道渦引起的動應力。

綜合分析1號機組在5個水頭運行的試驗，1號機組大致分為4個負荷運行區(qū)域，即小開度區(qū)、水力振動區(qū)、過渡區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，如圖1和表1所示。

該水電站機組全水頭振區(qū)界定結論：①小開度區(qū)是指活動導葉開度較小，導葉出流角與轉輪葉片入流角不匹配，水流狀態(tài)不穩(wěn)定，導致水擺出現(xiàn)隨機高頻波形。同時，該運行區(qū)域機組效率低，不宜長期運行。②水力振動區(qū)是指在此區(qū)間，機組出現(xiàn)明顯的低頻水力振動現(xiàn)象，通頻幅值增大明顯，對機組安全穩(wěn)定運行造成影響。③過渡區(qū)是指在此區(qū)間依然存在低頻水力振動現(xiàn)象，但已開始漸趨消失，對機組安全穩(wěn)定運行影響不大。④穩(wěn)定運行區(qū)是指在此區(qū)間低頻水力振動現(xiàn)象已完全消失，機組可長期安全、穩(wěn)定地運行。

運行值班人員可根據當前水頭高度與省電力調度控制中心溝通，調整機組所帶的負荷避免在不良工況下運行。通過采取以上措施，該機組運行良好，發(fā)電效率也提升到合理的水平。

4 結束語

綜上所述，水輪機轉輪裂紋缺陷是水電站普遍存在的問題，嚴重影響著機組整體的安全運行，因而對此類缺陷的檢查和處理工作是水電廠的重要工作。水輪機轉輪葉片裂紋的產生與設計、制造、運行和材料等因素有關，其出現(xiàn)的主要原因有水力彈性振動、補氣不力、脈動大、制造質量不高、造型不當等。為了有效控制和減少轉輪葉片裂紋，對裂紋產生的原因進行正確的診斷，并積極采取一些有針對性的預防措施，以避免該問題的發(fā)生，有利于確保水輪發(fā)電機組的安全、可靠、經濟運行。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕