大變幅高水頭機組轉輪裂紋處理

楊秀江，宋汝會

(光照發電廠，貴州 盤州 561405)

0 引言

光照水電站位于貴州省晴隆縣與關嶺縣交界，是北盤江干流茅口以下梯級水電開發“一庫五級”的龍頭水電站，是貴州省境內為數不多的具有不完全多年調節性能的大型水電站。電站4臺單機容量260 MW的混流式水輪發電機組，總裝機容量1 040 MW，設計年均發電量27.54億kWh。水輪機由哈爾濱電機廠有限責任公司生產，型號為HLA855a-LJ-505，設計水頭135m，實際運行最大水頭159m，最小水頭112m，水頭變幅近50m。

自2008年投產發電以來，電廠按照機組狀態進行26次不同級別檢修，在檢修中對轉輪進行檢查發現4臺水輪機轉輪葉片均出現不同程度貫穿性裂紋，發生位置集中在上冠與下環葉片出水邊處。具體裂紋統計見表1。

表1 光照水電站轉輪裂紋情況統計

1 研究的目的與意義

近年來，大量大型水輪發電機組不斷地投入運行，隨著機組尺寸的增加以及轉速不斷提高，水電機組的運行穩定性及機組關鍵部件的裂紋、斷裂問題成為了國內外水電站安全穩定運行的兩大問題。水輪機轉輪裂紋問題相對復雜，涉及多個學科，需要先進的儀器進行測試。國內外許多水電站都曾經出現過水輪機組的轉輪裂紋問題，特別是水電機組在偏工況運行時，受到水力振動的影響，導致機組關鍵部件的疲勞甚至遭到破壞。因此，如何解決在運機組轉輪裂紋問題顯得十分重要和急迫。

光照電站4臺機組投運至今已有12年，4臺水輪機轉輪葉片均出現不同程度的貫穿性裂紋，平均每年檢修維護費用增加超400萬元，給電站的安全生產和經濟運行帶來了巨大隱患和損失。分析機組轉輪葉片裂紋產生機理，對大變幅高水頭的大型轉輪反復出現裂紋的機理進行綜合分析，根據研究結果制定處理方案并在真機上進行實施驗證，以從根本上解決光照水電站轉輪裂紋反復發生的問題。

2 轉輪裂紋產生機理

針對光照水電站轉輪大變幅高水頭的特點，先后從轉輪的運行工況、材質、內部流場、葉片靜動應力等方面，集成統計對比分析、化學檢測、真機試驗、CFD流場計算(computational fluid dynamics，CFD)、流固耦合計算等方法分析裂紋機理，找出了光照水電站轉輪裂紋的產生機理。

2.1 設計選型分析

對巴基斯坦塔貝拉電站、美國CHIEF JOSEPH電站、大古力電站、埃及阿斯旺電站、蘇聯的布拉茨克和克拉斯諾雅爾斯克電站等國外電站，廣東楓樹壩電廠、萬家寨水電廠及三峽電廠等國內電站轉輪裂紋情況統計分析。

從理論上分析轉輪在設計上是否存在缺陷和不足。通過分析光照轉輪滿足機組出力要求，選型合理正確。

2.2 運行工況分析

主要是開展機組穩定性試驗，找出機組穩定運行區、過渡運行區和振動區，然后對機組歷史運行情況進行統計分析，對比機組在穩定運行區、過渡運行區和振動區運行時間及占比情況。2011年5月—2015年3月，對4臺機組進行了694m，702m，710m，718m，726m，734m，742m庫水位的振動區試驗。

通過分析40 %開度以下的運行區域均屬于振動運行區域范圍，同時在4臺機組在低水頭、大負荷也存在振動運行區。3號機組振動區域范圍較大，長期處于低負荷、振動區域運行。

2.3 材質分析

為分析光照水電站轉輪材料是否滿足要求，利用機組轉輪裂紋常規補焊處理機會，對葉片靠近上冠出水邊裂紋處取樣，進行化學成分、沖擊韌性和硬度進行分析。對轉輪葉片、上冠、下環及焊接材料的材質成份、強度、韌性等進行了復核。通過復核材質滿足設計要求，但存在局部偏析問題，同時局部有氣孔現象。

2.4 水輪機全流道CFD流場分析

(1) 為了分析各種水頭下光照水輪機在不同運行工況下的內部流態情況，根據機組的振動區和實際運行工況，該項目中共選擇了3個水頭，共9個工況進行內部流場分析及計算。該次計算采用的是ANSYS軟件對水輪機全流道進行CFD流場分析。

通過計算額定水頭額定功率(H=135m，P=260 MW)工況流域內部流態較好，流動沿幾何方向，無明顯旋渦、二次流等不良流態。轉輪內部的流動較為平滑，流動與葉片幾何貼合較好，無明顯不良流動結構。

轉輪內部壓力分布合理。低水頭最大功率(H=115m，P=205 MW)流態開始變差，流域內部流態總體較好，旋渦、二次流等不良流態規模小，轉輪內部的流動出現分離，尤其是轉輪進口位置出現回流，流態較額定水頭更為紊亂。低水頭低功率(H=115m，P=115 MW)流態較差，流域內部流態紊亂，尤其在導葉和尾水管內部觀察到明顯的旋渦、二次流等不良流態。轉輪內部的流動較為紊亂，葉片進口邊附近出現回流，工作面靠近上冠的區域存在明顯低壓，出現分離流動，在葉片背面靠近出口邊位置存在明顯低壓區，此處流動分離加劇，流動狀況不良。轉輪出口位置流動分離較大，流動狀態較差。

(2) 針對上述的流動分析得出，低水頭條件下水輪機內部流動紊亂，不良流態較為復雜，因此，在低水頭條件下對水輪機內部的壓力脈動進行計算及分析。計算工況包含低水頭大功率(H=115m，P=205 MW)、低水頭低功率(H=115m，P=115 MW)、低水頭其他功率(H=115m，P=165 MW)。

通過計算在額定水頭低負荷和低水頭工況時，機組內部流動狀態差，存在機組內部的靜動翼干涉、尾水管渦帶等旋渦影響的壓力脈動。

(3) 基于流固耦合的轉輪應力特性分析。針對混流式水輪機采用“順序耦合法”的流固耦合數值計算實現對轉輪葉片應力大小及分布進行計算分析，對轉輪強度進行復核。在葉片靜強度分析中，建立流場和結構場兩個物理場，流場計算結果中的水壓力通過流固交界面傳遞給結構場，作為結構場分析計算的載荷條件；同時結構分析結果中的邊界位移也可以通過交界面傳遞給流場，從而引起流場域網格的變形，以進行新的流場計算，如此交互迭代來模擬二者的相互作用，并最后收斂到平衡的解。

為了求解轉輪在水中的模態，需要對轉輪在水中的流固耦合振動問題進行求解。水中的葉片和轉輪的模態分析采用直接耦合的方法進行有限元計算，利用非對稱廣義Lanczos法計算光照水電廠轉輪在水中及空氣中的動態特性。共選擇了3個不同工況進行水輪機轉輪應力特性的對比分析及計算，計算包括靜應力和動應力。靜態特性計算結果表明，靜應力的大小未超過許用應力，不是裂紋產生的主要原因，但轉輪葉片出口邊靠近上冠與下環處存在應力集中點，可能是造成裂紋的因素之一，需要進行改進消除集中應力，改善裂紋問題。

通過對光照水電廠轉輪和葉片的動態特性計算，結果表明，轉輪與葉片的固有頻率有效的避開了流體的激振頻率，轉輪葉片具有良好的動態特性。目前存在的葉片裂紋的根源也不是水力激振和轉輪及葉片的共振引起。

3 轉輪裂紋處理對策

根據裂紋產生的機理，采用在葉片出水邊與轉輪上冠和下環的連接處加三角塊的方式降低葉片的最大應力，同時轉移最大應力位置，通過仿真計算，制定適應于光照水電站的“均應非等厚三角塊”轉輪裂紋處理對策和方案，對轉輪葉片高應力區進行修型和加強處理，改善應力分布，提升抗裂紋能力。

通過計算三個工況的最大應力，分別從125.35 MPa降低為97.24 MPa，108.08 MPa降低為83.92 MPa，120.48 MPa降低為92.83 MPa。

4 轉輪裂紋處理及效果驗證

2017年3—4月采用“均應非等厚三角塊”對光照水電站3號機組轉輪葉片實施修型和加強處理，嚴格按照“PT檢測-劃線-等離子切割-切割面打磨-三角塊裝配-單側焊縫焊接-清根-清根側打磨PT-焊接清根側焊縫-焊縫打磨-焊縫UT探傷-修型拋光”的施工工藝流程，做好現場條件動態調節控制。

裂紋處理后，于2017年5月、2018年1月分別對機組開展了穩定性試驗、水輪機效率試驗等真機試驗和長時間的實際運行，驗證了光照水電廠轉輪裂紋處理的方式方法正確，改善了機組穩定運行工況。

2017年5月完成大變幅高水頭水輪機轉輪裂紋成因分析和對策處理體系構建，總結裂紋成因分析、實施方案制定及現場處理工藝流程等，于2017年5月建立了集運行工況分析、機理分析、CFD流場計算、流固耦合數值仿真計算、材料分析、原型試驗驗證等五位一體的大變幅高水頭轉輪裂紋成因分析和對策處理體系，創新性地提出了水電站轉輪裂紋問題的研究處理方法。

5 結束語

光照電站自采取均應非等厚三角塊結構處理措施以來，截至2020年4月份，在歷次機組檢修中，從未出現過以往的貫穿性裂紋現象，處理對策有了階段性成果，提高了設備的健康水平和安全可靠性能，為同類型大變幅高水頭水輪機組類似問題的處理提供了參考。