水輪機轉輪葉片裂紋成因及處理措施

張謙 陳劍波

【摘 ?要】本文對水輪機轉輪葉片裂紋成因及處理措施進行了探討，文章從闡述水輪機出現轉輪葉片裂紋問題的概況入手，進一步分析了葉片裂紋產生原因，最后提出了預防水輪機轉輪葉片裂紋生成的措施。

【關鍵詞】水輪機轉輪葉片裂紋;概況;產生原因;處理措施

前言

隨著社會的進步，各行各業的發展都呈現出全新的局面，建筑行業的發展使得水電站的建設不斷加快，優質水電站的運行，為群眾生活做出了巨大貢獻。但在水電站內部，水輪機作為一個長時間高負荷運轉的設備元件，極易發生故障，出現葉片裂紋等問題，對設備的正常工作、水電站的安全運行構成威脅，因此如何解決類似問題，值得思考。

1.水輪機出現轉輪葉片裂紋問題概述

在日常生活中，水輪機的轉輪出現葉片裂紋是一個較為常見的現象，其誘因表現在脈動大、制造工藝低、造型設計不合理、液壓彈性振動、供氣量少等多個方面。而該現象無疑會對機組的安全運行、甚至整個水電站系統的穩定運轉造成嚴重不利影響。事實上，也有專門的技術人員對該現象進行嚴密控制，通過分析造成該問題的具體原因，采取科學的預防措施，避免裂紋的出現幾率，確保水輪機的安全性。

2.葉片裂紋產生原因

2.1受力分析

混流式水輪機與轉槳式水輪機是兩種完全不同的設備類型，其中，前者的葉片往往由上冠和下環進行固定，因此不能按照水流和工作的變動情況做好相關的調節工作，而要在前期設計好的程序中加以處理，一旦前期設計不到位，就極可能造成無撞擊進口和反向出口的最佳條件被破壞的問題，進而使得水流方向和流量出現變化，在葉片出水處和末尾水管內部形成移動旋渦，而因旋渦輪流產生的交變力又會與因葉片沖擊形成的頻率產生共振效應，這種共振現象只要維持了一定的時間，就會對葉片造成損壞，使其出現葉片裂紋問題。其中，尤其要關注水力問題，當水輪機機組正處于一種非設計工況或過渡工況運行狀態時，由于水流出現異常狀況，會使得機組元件的振動現象明顯加劇，因為單位體積水流的能量是由水頭決定的，因此振動現象也往往可以被水頭控制，隨其降低而弱化。

2.2超負荷工作

一般情況下，水電站的運行對應著極大的工作強度，為確保運行效率，可能迫使水輪機運行超出其正常的效率范圍，一旦轉輪承受應力的時間超出正常限度，就會因為超負荷運行對設備自身及其葉片形成破壞，構成一定的安全風險。在對水輪機進行設計的過程中，如果缺乏對其運行環境的全面調查，不同把握各地區的實際水流條件，也可能使得葉片在承受水的應力時出現異常，一般來說，葉片最大受力點處于出水處和下環二者間的銜接位置，該位置的受力能力往往較弱，長時間的接受壓力沖擊就會使得葉片不堪重負，最終出現裂縫。而在水輪機的長期使用階段，也可能出現工作人員操作不當的現象，這是導致葉片被損壞的直接原因，比如采用焊接技術時，其對水流沖擊的承受能力不足，可能出現輕微變形進而形成對應的氣縫;而在水輪機的生產環節，也極易發生不精密加工等失誤現象，所生產的葉片質量得不到有效保證，零部件連接不夠穩固，無法承受較大的水流沖擊，便會在后期的高強度工作中出現開裂問題。

3.預防水輪機轉輪葉片裂紋生成的措施

3.1確保正確選型

結合水電站的運行情況看，水輪機的型號是影響其工作效率的首要因素。因此在前期的設備采購階段，就要對市場行情有全面和準確的把握，在眾多產品中選擇符合水電站實際情況的水輪機，確保其質量、使用壽命等滿足水利工程的需要。在選擇過程中，應該根據抽吸高度、額定轉速、額定輸出等指標，明確各個水電站工程的水質、調節范圍、渦流頻率，要盡量規避所選擇的葉片的固有振動頻率與渦系相近的現象，這可能會因為二者頻率接近一致而出現劇烈振動，使得轉輪葉片始終處在一致疲勞運行的狀態中。

3.2加強水輪機制造質量把控

由于水輪機一直處于高負荷運行的狀態，其內部元件極易受到外力磨損，出現各種不可控的故障，進而引發嚴重的安全事故，質量不合格的水輪機尤甚。為從源頭上避免這個問題，應該首先樹立可靠的質量控制防線，相關單位應該安排專人對設備部件的加工、裝配和試驗進行監督管理，在設備的前期設計到后期生產制造整個環節進行跟進，確保其加工和安裝都達到相關的行業標準。在渦輪轉輪組的裝配流程結束后，應該對其規格加以測量，并且確認無誤后進入焊接流程;為盡可能地降低焊接界面的殘余應力，要適時采取退火工藝;焊接結束后，則要對焊縫做無損表面檢測，以免在水流經的表面有不正常的凸起和裂紋，一旦在檢測中發現此類問題，必須及時進行處理，以免其被錯誤地得到使用。

3.3優化水輪機設計方案

液壓機械的使用壽命和在運行中發生故障的幾率是直接取決于設計質量的，因此要在確保水輪機運行效率的前提下，對其壓力脈動進行有效控制。對應到設計環節中，就要高度關注渦輪的剛度和靜強度問題，采取合理的設計策略，以免部件間出現共振現象。在汽輪機葉片應力太大的條件下，則要對其流體力學加以改善，根據需要適當增加葉片厚度和上下半環弧過渡半徑，以此確保其耐用性。

3.4采取避震措施

水輪機在運行過程中，不僅會產生自身的振動，而且還會承受動應力和靜應力，這些物理因素都會導致葉片產生裂紋。為了更準確地掌握水輪機各部件在運行中的振動和擺振幅，可通過專業的振動測試設備對機組各部件進行在線監測。在分析數據后，可以檢測或更換具有異常振動幅度的部件。根據不同應力的特點，應從不同應力源進行科學監測，總結不同應力引起的不同應力和葉片裂紋的特征。不同的生活條件和相應的解決辦法。

3.5水輪機進行充分補氣

對水輪機進行周期性的補氣，往往會采用椎管自然補氣法以及主軸中心孔自然補氣法。主軸中心孔自然補氣法的補氣量通常會是額定流量的百分之五左右。椎管自然補氣法又分為十字架補氣法以及椎管壁補氣法，前者能夠使壓力的脈動適當的降低;后者則會在很大程度上受到機泵設備的影響。一些大型的水電站我們會用自然補氣法，并且輔助物理補氣管理，從而實現補氣。

結語

綜上所述，加強對水輪機轉輪葉片裂紋成因及處理措施的探討，對于水電站的順利運行有著極其重要的現實意義。相關工作人員需要明確水輪機出現轉輪葉片裂紋問題的原因——如受力影響、超負荷工作等;在此基礎上，提出預防水輪機轉輪葉片裂紋生成的措施，確保正確選型，加強水輪機制造質量把控，優化水輪機設計方案，采取避震措施，對水輪機進行充分補氣。

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（作者單位：湖南省電力公司水電分公司柘溪檢修部）