水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋成因及處理措施

王偉軍

摘 要：就水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋產(chǎn)生的原因及處理措施進(jìn)行了研究，結(jié)合工程實(shí)例，從制造質(zhì)量、水力彈性振動(dòng)等方面分析了水輪機(jī)葉片轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的原因，并根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了相關(guān)的預(yù)防措施，為有效控制和減少葉片裂紋提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；轉(zhuǎn)輪葉片；裂紋；水力彈性振動(dòng)

中圖分類號(hào)：TK730.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.106

在水輪機(jī)實(shí)際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的頻繁產(chǎn)生，不僅對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行構(gòu)成很大威脅，也給水電廠帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為了防止因水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的問題而給水電站的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來嚴(yán)重威脅，就需要分析裂紋產(chǎn)生的原因，采取有效的措施預(yù)防控制，以降低水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的發(fā)生，進(jìn)而提高水輪機(jī)的安全、穩(wěn)定性，保證機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。本文論述了轉(zhuǎn)輪葉片裂紋產(chǎn)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(tái)混流式機(jī)組，機(jī)組型號(hào)HLVS220-LJ-670，單機(jī)275 MW，額定流量424.6 m3/s，額定轉(zhuǎn)速100 r/min，飛逸轉(zhuǎn)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(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝設(shè)有23個(gè)固定導(dǎo)葉、24個(gè)活動(dòng)導(dǎo)葉，活動(dòng)導(dǎo)葉通過2個(gè)液壓直缸接力器操作，由油壓裝置提供壓力。轉(zhuǎn)輪為不銹鋼材質(zhì)，葉片由數(shù)控加工成型，葉片、下環(huán)、上冠用不銹鋼組焊，進(jìn)而加工成轉(zhuǎn)輪。在2014-11進(jìn)行的1號(hào)發(fā)電機(jī)組檢修中，發(fā)現(xiàn)內(nèi)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(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋成因

據(jù)分析，該水電站機(jī)組從開機(jī)至停機(jī)過程中，水力脈動(dòng)與軸系與扭振耦合引起的共振與導(dǎo)葉關(guān)閉過程中機(jī)組存在慣性停機(jī)時(shí)，卡門渦引起葉片水彈力共振導(dǎo)致葉片裂紋產(chǎn)生，還有在機(jī)組的不良運(yùn)行工況的誘發(fā)下也是產(chǎn)生裂紋的主要因素。其中的任何一個(gè)原因都可導(dǎo)致初始裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展。

綜合分析，轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的原因主要有4方面：①機(jī)組選型不當(dāng)，過分追求機(jī)組的超發(fā)能力，而忽略了機(jī)組在額定工況以外運(yùn)行區(qū)域的穩(wěn)定范圍，導(dǎo)致機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪應(yīng)力過大，機(jī)組存在安全隱患；②轉(zhuǎn)輪在設(shè)計(jì)階段已經(jīng)測(cè)算出最大應(yīng)力在葉片出水邊與下環(huán)連接部位，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)未有針對(duì)性地采取降低應(yīng)力的有效措施，導(dǎo)致最大應(yīng)力點(diǎn)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(zhuǎn)輪焊接階段，對(duì)焊接質(zhì)量把控不嚴(yán)，在焊縫處出現(xiàn)氣孔、縮頸現(xiàn)象，加劇應(yīng)力集中；④下導(dǎo)軸瓦瓦托設(shè)計(jì)不合理，與頂瓦支柱螺栓接觸的部位厚度只有5 mm，無(wú)法承載軸瓦受力，在運(yùn)行時(shí)發(fā)生斷裂，導(dǎo)致導(dǎo)瓦間隙變大，使得機(jī)組運(yùn)行時(shí)振動(dòng)、擺度值加大，加劇轉(zhuǎn)輪裂紋的產(chǎn)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(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)輪公稱直徑D等主要參數(shù)的選擇要結(jié)合電站特點(diǎn)，例如水質(zhì)、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍、水頭變幅以及水輪機(jī)的的綜合特性等。渦列頻率可表達(dá)為：

F=（0.18-0.2）W2/δ2. （1）

式（1）中：W2為出口相對(duì)速度；δ2為出口邊厚度。

當(dāng)渦列頻率與葉片自振頻率相同產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)時(shí)，容易造成葉片過度疲勞，引發(fā)轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂紋。這就是混流式水輪機(jī)固有的缺點(diǎn)。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)時(shí)，一方面要考慮提高水輪機(jī)的效率，另一方面要考慮盡可能減少壓力脈動(dòng)的現(xiàn)象；在確保水輪機(jī)剛度滿足要求的情況下，充分考慮靜強(qiáng)度的要求，還要避免共振現(xiàn)象發(fā)生；適當(dāng)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(yīng)力集中，同時(shí)還可采取避開共振區(qū)的適當(dāng)措施，防止葉片出現(xiàn)開裂。

3.3 控制水輪機(jī)制造的質(zhì)量

在轉(zhuǎn)輪組裝完成后按照規(guī)定焊接。在焊接完成后進(jìn)行退火熱處理，以降低焊接口的殘余應(yīng)力值。對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，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(bǔ)氣充分

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

錐管自然補(bǔ)氣法分為2種，分別為十字架補(bǔ)氣法和錐管壁補(bǔ)氣法。十字架補(bǔ)氣法經(jīng)常用于小型水輪機(jī)，它的優(yōu)點(diǎn)是可以降低壓力脈動(dòng)，缺點(diǎn)是容易被沖掉或發(fā)生空蝕，難以提高工作效率；錐管壁補(bǔ)氣法利用錐管補(bǔ)氣，但當(dāng)真機(jī)壓力過高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)無(wú)法吸入空氣的現(xiàn)象。該水電站發(fā)電機(jī)軸頂部處設(shè)有大軸補(bǔ)氣裝置，采用自然補(bǔ)氣方法；在頂蓋、底環(huán)和基礎(chǔ)環(huán)上預(yù)留強(qiáng)迫補(bǔ)氣的管道，必要時(shí)使用（目前暫未投入）。

3.5 避振防裂

水輪機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)要承受動(dòng)應(yīng)力和靜應(yīng)力。有效地減小或避免裂紋的形成或是擴(kuò)大的方式就是在機(jī)組運(yùn)行方式上進(jìn)行優(yōu)化，讓機(jī)組避開強(qiáng)振動(dòng)區(qū)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，盡量在設(shè)計(jì)最優(yōu)工況下運(yùn)行。同時(shí)在機(jī)組運(yùn)行中，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)機(jī)組各部擺度、振動(dòng)的在線監(jiān)測(cè)裝置以及在機(jī)組檢修期時(shí)加強(qiáng)對(duì)轉(zhuǎn)輪及過流部件的檢查和跟蹤檢查處理。在水輪機(jī)運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)輪葉片所承受動(dòng)應(yīng)力按照性質(zhì)分類可以分為4種：固定葉片和轉(zhuǎn)動(dòng)葉片相互作用所產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)所形成的動(dòng)應(yīng)力，超出出力工況下和部分負(fù)荷工況下由渦帶形成的壓力脈動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力，由于進(jìn)出水流不均勻而產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力，卡門渦和葉道渦引起的動(dòng)應(yīng)力。

綜合分析1號(hào)機(jī)組在5個(gè)水頭運(yùn)行的試驗(yàn)，1號(hào)機(jī)組大致分為4個(gè)負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域，即小開度區(qū)、水力振動(dòng)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(jī)組全水頭振區(qū)界定結(jié)論：①小開度區(qū)是指活動(dòng)導(dǎo)葉開度較小，導(dǎo)葉出流角與轉(zhuǎn)輪葉片入流角不匹配，水流狀態(tài)不穩(wěn)定，導(dǎo)致水?dāng)[出現(xiàn)隨機(jī)高頻波形。同時(shí)，該運(yùn)行區(qū)域機(jī)組效率低，不宜長(zhǎng)期運(yùn)行。②水力振動(dòng)區(qū)是指在此區(qū)間，機(jī)組出現(xiàn)明顯的低頻水力振動(dòng)現(xiàn)象，通頻幅值增大明顯，對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)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(dòng)現(xiàn)象，但已開始漸趨消失，對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行影響不大。④穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)是指在此區(qū)間低頻水力振動(dòng)現(xiàn)象已完全消失，機(jī)組可長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

運(yùn)行值班人員可根據(jù)當(dāng)前水頭高度與省電力調(diào)度控制中心溝通，調(diào)整機(jī)組所帶的負(fù)荷避免在不良工況下運(yùn)行。通過采取以上措施，該機(jī)組運(yùn)行良好，發(fā)電效率也提升到合理的水平。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋缺陷是水電站普遍存在的問題，嚴(yán)重影響著機(jī)組整體的安全運(yùn)行，因而對(duì)此類缺陷的檢查和處理工作是水電廠的重要工作。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的產(chǎn)生與設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行和材料等因素有關(guān)，其出現(xiàn)的主要原因有水力彈性振動(dòng)、補(bǔ)氣不力、脈動(dòng)大、制造質(zhì)量不高、造型不當(dāng)?shù)?。為了有效控制和減少轉(zhuǎn)輪葉片裂紋，對(duì)裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行正確的診斷，并積極采取一些有針對(duì)性的預(yù)防措施，以避免該問題的發(fā)生，有利于確保水輪發(fā)電機(jī)組的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]張健.大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋產(chǎn)生的原因分析與處理[J].水電與新能源，2015（09）.

[2]袁知智，張立超.混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋原因及預(yù)防措施的探討[J].城市建設(shè)理論研究：電子版，2016（14）.

[3]張榮富.水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的產(chǎn)生原因及對(duì)策[J].南方農(nóng)機(jī)，2016，47（3）.

〔編輯：劉曉芳〕