混流式水輪機轉輪裂紋原因和分析

胡成鵬

【摘 要】隨著中國經濟的發展，資源消耗速度加快，和水電站的開發越來越流行。就大多數水電站而言，混流式水輪機是用來發電的，焊接技術經常使用。然而，汽輪機組的運行暴露出一些弊端，大大降低了機組的整體運行效益。本文從水輪機轉輪的重要性入手，以水電站為例，分析水輪機運行過程中水輪機葉片產生的原因，并提出相應的預防措施。

【關鍵詞】混流式水輪機；轉輪裂紋；原因分析；預防措施

混流式水輪機作為反擊式水輪機的一種類型， 它的應用范圍十分廣泛，它可以從20m-700m頭使用。的混流式水輪機的結構比較簡單，制造和安裝過程也很方便，操作過程更加安全可靠。此外，混流式水輪機具有較好的運行效率和較低的空化系數。渦輪的進口部分是一個內襯鋼板的蝸輪殼。閥座環支柱也稱為固定導向葉片，導向葉片分布在轉輪周圍。閥座環支柱有兩個很強的上、下環，兩個環與蝸殼焊接在一起。導葉軸支承在底環上，軸套通過軸套固定在頂蓋上，襯套一般由鋼材料或尼龍材料制成。導葉開口由導向機構的兩個繼電器單元改變，也可通過控制環推桿的傳動實現。

一、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， 它的主要功能是將水能轉化為機械能。轉輪在一定程度上決定了溢流能力、水力效率、運行工況的穩定性和汽蝕性能等關鍵因素。在實際運行中，轉輪各部件的設計和制造必須完全滿足液壓設計的要求。它必須具有高強度和較強的抗氣蝕和耐磨性。根據水輪機轉輪水流能量的不同形式，汽輪機可分為反擊式和沖擊式兩種。將流體的勢能、壓力和動能轉化為固體機械能的渦輪機稱為反擊式渦輪機。根據轉輪內水流運動方向的特點，反擊式水輪機可分為軸流式水輪機、混流式水輪機、斜流式水輪機和貫流式水輪機。由于水頭和流量的不同，弗蘭西斯水輪機轉輪形狀也不同。總的來說，水頭越高，轉輪的葉片高度應相應減小，長度也應相應增加，水流的流向趨于車輪的振幅。隨著水頭高度的減小，轉輪葉片長度應變短，高度應逐漸增大，從而使流動方向趨于軸流方向。然而，任何形狀的車輪通常由轉輪上冠、車輪下環、轉輪葉片、上下止漏裝置、卸料錐和卸壓裝置組成。

二、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，在弗蘭西斯水輪機轉輪中，裂紋不是罕見的現象，在水輪機運行中，轉輪裂紋是常見的現象。以我國某水電站為例，在水電站第一次正常養護中發現了水輪機轉輪裂紋。在轉輪葉片裂紋的現象在后續單元的定期維護，和水輪機投入運行已長達十年，并在渦輪葉片裂紋問題近十年的運行過程中，它從未中斷，但水電站相關維修人員沒有進行深入的研究和采取有效的措施來解決這一問題，并將在每次維護裂縫現象。用于水電站混流式水輪機的額定功率是582mw，終極的力量是612mw，公稱直徑6257mm，額定水頭165m和額定轉速142.9 rpm。這個輪子是不銹鋼做的。所述轉輪上冠為固定在上冠上的均勻分布葉片的圓錐體，在周邊開有若干泄壓孔，卸壓裝置安裝在側面。葉片部分為機翼型，采用數控機床控制葉片厚度在188毫米以內。下環采用錐角直線。卸料錐采用鋼板焊接。內部是中空的，底部開著，以泄漏環和潤滑軸承的潤滑水的泄漏。

目前，通過對該水電站弗蘭西斯水輪機轉輪裂紋的觀察和深入分析，主要是由以下幾點引起的。

（一）車輪焊接的質量存在風險。由于弗蘭西斯渦輪頭的頭部類型不同，其結構也不同，材料和加工工藝也有很大不同。該水電站轉輪主要采用焊接結構，即轉輪上冠、葉片和下環采用單獨鑄造，然后加工焊接。雖然它具有良好的技術經濟效果，但節省了鑄造材料，但由于鑄件小，形狀簡單，降低了鑄造能力的要求，增加了焊接工作量，而且每個焊縫的質量和消除焊接溫度的壓力都不是很好。

（二）車輪的變形。轉輪葉片最薄弱的部分是出水邊緣，分離輪總是在出水口處運行，產生水負荷難以承受的壓力。另外，排氣口的空化能力最差，在壓力和空化的雙重影響下，葉輪容易破碎。

（三）超負荷運行的影響。水輪發電機組投運后，為了追求經濟效益，忽視了正常運行時間和定期檢修。然后，整個裝置的運行時間很容易超過它所能承載的負荷，從而導致車輪葉片甚至裂紋的損壞。

（四）的排氣壓力的影響。在整個汽輪機運行過程中，尾水管不可避免地會出現渦流帶，這將影響流量并產生一定的脈動壓力。這種壓力將上升到轉輪的葉片，并引起葉片的共振引起的轉輪葉片的裂紋。

三、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，我們必須盡力保證車輪的平順性。裂縫發生后，應及時修復或及時更換。在今后的日常維護和保養中，我們可以從以下幾個方面作出努力：

（一）在材料的初始選擇時應謹慎。不銹鋼焊接應具有高塑性，應選用不銹鋼材料進行焊接。

（二）隨著科學技術的發展，混流式水輪機也取得了技術上的改進和創新，使水輪機內的水流量更加穩定，但仍不能準確預測脈動壓力的幅值。因此，今后應將水輪機的改進與水電站的運行特性相結合，具體分析和選擇合理、科學的設計和操作規程。作記號。

（三）堅持避振。水輪機由于自身的能量特性、空化特性和強度限制，具有一定的運行限制。因此，在水輪機全水頭性能試驗的基礎上，合理確定其運行極限面積（即較大的振動面積），盡量避免該區域的運行，以減少液壓振動對車輪的損傷。這是為了避免轉輪裂紋的最重要措施，已經由三三峽、隔河巖運行實踐驗證，萬佳翟和許多其他的發電廠。自1998機組投入運行以來，兩灘水電站進行了多項穩定性試驗。通過長期的經驗積累和分析總結，初步確定了每套機組運行的3個運行條件：穩定運行區、許可運行區和禁止運行區，隨著水頭的上升，上述地區的趨勢向上移動。在穩定運行負荷區，對單元機組的振動在一個小的值基本上是穩定的，和機組的運行是穩定的（例如，水導擺是穩定在60 ～ 70μm）；在特許經營區域負荷，機組的振動是比較大的有一個跳躍，水輪機的尾管的渦帶和尾管具有較大的噪聲；對機組振動的工作負載區禁止達到（即振動區）。在損壞的情況下，機組運行穩定性明顯較差，整機發生間歇性振動，振動值保持在很高的值，噪聲較大。在這方面，我們制定了嚴格的操作規程，以確保機組能夠最大限度地避免振動區的運行。近年來，兩灘水電站6臺機組的裂紋數量不斷減少，主要是由于采取了避振運行措施。。

（四）發現車輪裂紋及時解決是很重要的，但目前還沒有很有效的監測方法。因此，最重要的是日常的預防，也就是說，必須高度重視汽輪機的定期監測和維護，并隨時發現問題。同時，在裂縫修復時應采取徹底的解決辦法。對于非常嚴重的裂紋條件，應采取專門的處理措施，以提高轉輪葉片的受力幅度，以確保修復后裂紋不會再次出現。

四、結束語

綜上所述， 混流式水輪機的廣泛應用伴隨著汽輪機葉片的頻繁裂紋，導致機組整體運行，甚至在很大程度上影響了水電站運行的經濟效益。同時，汽輪機的正常運行對機組的整體安全非常重要，而水輪機是機組安全運行的核心部件之一。汽輪機的損壞將不可避免地給機組的平穩運行帶來障礙。因此，混流式水輪機廣泛應用于能量轉換時，必須高度重視車輪裂紋問題，并采取有效措施及時修復。這不僅是水電站安全運行的保證，也是經濟效益的考慮。

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