水輪機轉輪葉片裂紋原因及預防措施研究

【摘要】水輪機是水力發電廠的重要機械設備，在實際應用中將水能轉換為旋轉機械能，從而帶動發電機發電。近年來水輪機葉片裂紋問題逐漸明顯，嚴重影響了水輪機的總體運轉效率，導致電站運行存在嚴重的安全隱患。針對此種情況，加大力度對水輪機裂紋進行原因分析，并提出有效的預防措施，是當前水電站所面臨的一項重要問題。

【關鍵詞】水輪機葉片；裂紋原因；預防措施

引言

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問題而給水電站的安全、穩定、經濟運行帶來嚴重威脅，就需要分析轉輪葉片裂紋產生的原因，采取有效的措施進行預防控制，以降低水輪機轉輪葉片裂紋的發生，進而提高水輪機的安全、穩定性，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，并介紹裂紋處理的主要措施。

一、水輪機轉輪葉片裂紋分析

水輪機轉輪葉片裂紋產生的原因主要有以下幾個方面：

1、水輪機轉輪葉片老化嚴重

眾所周知，任何機械設備都是有使用期限的，如果設備老化到一定程度，必然會出現損壞，尤其是對水輪機轉輪葉片來說，其與水壓發生作用與反作用力，易產生裂紋。

2、水輪機轉輪葉片制造材質、加工過程存在問題

水輪機轉輪葉片主要材質是鋼，如果原材料質量不過關，加工制造的葉片也容易產生裂紋。如果在葉片鍛造過程中，鍛造工藝不過關，有氣泡存在葉片之中，那氣泡存在的位置就是個隱患源，葉片就會在這個隱患處出現裂紋。

3、轉輪振動過大造成葉片裂紋出現

（1）尾水管渦帶所產生的，以低于轉速頻率來表現的轉輪振動劇烈造成葉片裂紋。

（2）某些中、高混流式轉輪的下止漏環配置不當也會誘發接近轉速頻率的自激振動造成葉片裂紋。

（3）葉片出水邊形狀欠佳所產生的卡門渦振，頻率很高時會使葉片產生裂紋影響轉輪使用壽命。

4、水力因素

在水輪機轉輪葉片上出現的規律性裂紋絕大多數都屬于疲勞裂紋，斷口呈現明顯的貝殼紋。從力學及材料力學上來說，疲勞裂紋的出現就是葉片所承受的動應力超過了葉片材料疲勞強度極限的結果。也就是說葉片承受動載荷的能力不足時，將可能出現葉片裂紋。葉片疲勞來源于作用其上的交變載荷，而交變載荷又由轉輪的水力自激振動引發，這可能是卡門渦列、水力彈性振動或水壓力脈動所誘發。

5、機械因素

（1）發電機的轉子與水輪機的轉軸中心線不重合。

（2）發電機組基座松動，或地基不堅實，發生不均勻沉陷。

（3）水輪機水導軸承出現故障。

二、水輪機葉片裂紋預防措施

1、裂紋無損探傷檢查

在大修時對轉輪進行無損探傷檢查，及時處理缺陷，消除事故隱患是十分必要的。嚴重的裂紋等缺陷用肉眼和放大鏡外觀檢查即可發現，但較細小的缺陷和內部的缺陷需用無損探傷檢查才能發現。常用的無損檢測方法有以下幾種：磁粉探傷、滲透探傷、超聲波探傷、金屬磁記憶、射線檢測等。裂紋集中的部位，由于透照布置比較困難，不能用射線透照法進行無損探傷。根據水輪機葉片表面比較粗糙、結構復雜和厚度變化大的特點，一般應采用滲透、磁粉、超聲波和金屬磁記憶的方法進行無損檢測。

2、優化設計

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，還要避免共振現象發生；適當增加葉片厚度和葉片與上冠、下環焊縫圓弧過度半徑，能盡量地避免應力集中，同時還可采取避開共振區運轉的適當措施，防止葉片出現開裂。

3、裂紋清理及開坡口

裂紋鏟除常用兩種方法：風鏟和炭弧氣刨。風鏟鏟除裂紋所形成的坡口較規則，易于保證焊接質量，但勞動強度大，速度慢，鏟頭可根據裂紋深度的不同而選用，坡口要求規則平滑并用30%的硫酸或硝酸酒精清洗；炭弧氣刨可對較深的裂紋進行多次吹割，這種方法操作簡便，速度快，但坡口內往往有滲碳層，要用異型砂輪磨削。為了防止過熱引起變形和裂紋擴展，炭弧氣刨必須間斷使用。

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，它的優點是可以降低壓力脈動，缺點是容易被沖掉或發生空蝕，難以提高工作效率；錐管壁補氣法利用錐管補氣，但當真空壓力過高時，會出現無法吸入空氣的現象。有些水電站發電機軸頂部設有大軸補氣裝置，采用自然補氣方法；在頂蓋、底環和基礎環上預留強迫補氣的管道，必要時使用。

5、結合水輪機實際運行情況進行維護

根據水輪機轉輪振動的原因進行分析，如我們常說的水導振動大，也就說明盤車數據不合格，推力頭鏡板和推力瓦之間不平行。一般采用處理鏡板與推力頭之間的絕緣墊，使之達到平衡。以轉速250轉的機組為例，一般在水導處，不超過35絲 。停機定期維護時，要進行盤車，檢查水輪機大軸與發電機轉子的同心度。

結語

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，以避免該問題的發生，有利于確保水輪發電機組的安全、可靠、經濟運行。

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