水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋成因及處理措施

張謙 陳劍波

【摘 ?要】本文對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋成因及處理措施進(jìn)行了探討，文章從闡述水輪機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋問(wèn)題的概況入手，進(jìn)一步分析了葉片裂紋產(chǎn)生原因，最后提出了預(yù)防水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋生成的措施。

【關(guān)鍵詞】水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋;概況;產(chǎn)生原因;處理措施

前言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，各行各業(yè)的發(fā)展都呈現(xiàn)出全新的局面，建筑行業(yè)的發(fā)展使得水電站的建設(shè)不斷加快，優(yōu)質(zhì)水電站的運(yùn)行，為群眾生活做出了巨大貢獻(xiàn)。但在水電站內(nèi)部，水輪機(jī)作為一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備元件，極易發(fā)生故障，出現(xiàn)葉片裂紋等問(wèn)題，對(duì)設(shè)備的正常工作、水電站的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅，因此如何解決類(lèi)似問(wèn)題，值得思考。

1.水輪機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋問(wèn)題概述

在日常生活中，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)葉片裂紋是一個(gè)較為常見(jiàn)的現(xiàn)象，其誘因表現(xiàn)在脈動(dòng)大、制造工藝低、造型設(shè)計(jì)不合理、液壓彈性振動(dòng)、供氣量少等多個(gè)方面。而該現(xiàn)象無(wú)疑會(huì)對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行、甚至整個(gè)水電站系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)造成嚴(yán)重不利影響。事實(shí)上，也有專(zhuān)門(mén)的技術(shù)人員對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行嚴(yán)密控制，通過(guò)分析造成該問(wèn)題的具體原因，采取科學(xué)的預(yù)防措施，避免裂紋的出現(xiàn)幾率，確保水輪機(jī)的安全性。

2.葉片裂紋產(chǎn)生原因

2.1受力分析

混流式水輪機(jī)與轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)是兩種完全不同的設(shè)備類(lèi)型，其中，前者的葉片往往由上冠和下環(huán)進(jìn)行固定，因此不能按照水流和工作的變動(dòng)情況做好相關(guān)的調(diào)節(jié)工作，而要在前期設(shè)計(jì)好的程序中加以處理，一旦前期設(shè)計(jì)不到位，就極可能造成無(wú)撞擊進(jìn)口和反向出口的最佳條件被破壞的問(wèn)題，進(jìn)而使得水流方向和流量出現(xiàn)變化，在葉片出水處和末尾水管內(nèi)部形成移動(dòng)旋渦，而因旋渦輪流產(chǎn)生的交變力又會(huì)與因葉片沖擊形成的頻率產(chǎn)生共振效應(yīng)，這種共振現(xiàn)象只要維持了一定的時(shí)間，就會(huì)對(duì)葉片造成損壞，使其出現(xiàn)葉片裂紋問(wèn)題。其中，尤其要關(guān)注水力問(wèn)題，當(dāng)水輪機(jī)機(jī)組正處于一種非設(shè)計(jì)工況或過(guò)渡工況運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，由于水流出現(xiàn)異常狀況，會(huì)使得機(jī)組元件的振動(dòng)現(xiàn)象明顯加劇，因?yàn)閱挝惑w積水流的能量是由水頭決定的，因此振動(dòng)現(xiàn)象也往往可以被水頭控制，隨其降低而弱化。

2.2超負(fù)荷工作

一般情況下，水電站的運(yùn)行對(duì)應(yīng)著極大的工作強(qiáng)度，為確保運(yùn)行效率，可能迫使水輪機(jī)運(yùn)行超出其正常的效率范圍，一旦轉(zhuǎn)輪承受應(yīng)力的時(shí)間超出正常限度，就會(huì)因?yàn)槌?fù)荷運(yùn)行對(duì)設(shè)備自身及其葉片形成破壞，構(gòu)成一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。在對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，如果缺乏對(duì)其運(yùn)行環(huán)境的全面調(diào)查，不同把握各地區(qū)的實(shí)際水流條件，也可能使得葉片在承受水的應(yīng)力時(shí)出現(xiàn)異常，一般來(lái)說(shuō)，葉片最大受力點(diǎn)處于出水處和下環(huán)二者間的銜接位置，該位置的受力能力往往較弱，長(zhǎng)時(shí)間的接受壓力沖擊就會(huì)使得葉片不堪重負(fù)，最終出現(xiàn)裂縫。而在水輪機(jī)的長(zhǎng)期使用階段，也可能出現(xiàn)工作人員操作不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象，這是導(dǎo)致葉片被損壞的直接原因，比如采用焊接技術(shù)時(shí)，其對(duì)水流沖擊的承受能力不足，可能出現(xiàn)輕微變形進(jìn)而形成對(duì)應(yīng)的氣縫;而在水輪機(jī)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，也極易發(fā)生不精密加工等失誤現(xiàn)象，所生產(chǎn)的葉片質(zhì)量得不到有效保證，零部件連接不夠穩(wěn)固，無(wú)法承受較大的水流沖擊，便會(huì)在后期的高強(qiáng)度工作中出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題。

3.預(yù)防水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋生成的措施

3.1確保正確選型

結(jié)合水電站的運(yùn)行情況看，水輪機(jī)的型號(hào)是影響其工作效率的首要因素。因此在前期的設(shè)備采購(gòu)階段，就要對(duì)市場(chǎng)行情有全面和準(zhǔn)確的把握，在眾多產(chǎn)品中選擇符合水電站實(shí)際情況的水輪機(jī)，確保其質(zhì)量、使用壽命等滿(mǎn)足水利工程的需要。在選擇過(guò)程中，應(yīng)該根據(jù)抽吸高度、額定轉(zhuǎn)速、額定輸出等指標(biāo)，明確各個(gè)水電站工程的水質(zhì)、調(diào)節(jié)范圍、渦流頻率，要盡量規(guī)避所選擇的葉片的固有振動(dòng)頻率與渦系相近的現(xiàn)象，這可能會(huì)因?yàn)槎哳l率接近一致而出現(xiàn)劇烈振動(dòng)，使得轉(zhuǎn)輪葉片始終處在一致疲勞運(yùn)行的狀態(tài)中。

3.2加強(qiáng)水輪機(jī)制造質(zhì)量把控

由于水輪機(jī)一直處于高負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)，其內(nèi)部元件極易受到外力磨損，出現(xiàn)各種不可控的故障，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，質(zhì)量不合格的水輪機(jī)尤甚。為從源頭上避免這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)該首先樹(shù)立可靠的質(zhì)量控制防線，相關(guān)單位應(yīng)該安排專(zhuān)人對(duì)設(shè)備部件的加工、裝配和試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)督管理，在設(shè)備的前期設(shè)計(jì)到后期生產(chǎn)制造整個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行跟進(jìn)，確保其加工和安裝都達(dá)到相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在渦輪轉(zhuǎn)輪組的裝配流程結(jié)束后，應(yīng)該對(duì)其規(guī)格加以測(cè)量，并且確認(rèn)無(wú)誤后進(jìn)入焊接流程;為盡可能地降低焊接界面的殘余應(yīng)力，要適時(shí)采取退火工藝;焊接結(jié)束后，則要對(duì)焊縫做無(wú)損表面檢測(cè)，以免在水流經(jīng)的表面有不正常的凸起和裂紋，一旦在檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題，必須及時(shí)進(jìn)行處理，以免其被錯(cuò)誤地得到使用。

3.3優(yōu)化水輪機(jī)設(shè)計(jì)方案

液壓機(jī)械的使用壽命和在運(yùn)行中發(fā)生故障的幾率是直接取決于設(shè)計(jì)質(zhì)量的，因此要在確保水輪機(jī)運(yùn)行效率的前提下，對(duì)其壓力脈動(dòng)進(jìn)行有效控制。對(duì)應(yīng)到設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，就要高度關(guān)注渦輪的剛度和靜強(qiáng)度問(wèn)題，采取合理的設(shè)計(jì)策略，以免部件間出現(xiàn)共振現(xiàn)象。在汽輪機(jī)葉片應(yīng)力太大的條件下，則要對(duì)其流體力學(xué)加以改善，根據(jù)需要適當(dāng)增加葉片厚度和上下半環(huán)弧過(guò)渡半徑，以此確保其耐用性。

3.4采取避震措施

水輪機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，不僅會(huì)產(chǎn)生自身的振動(dòng)，而且還會(huì)承受動(dòng)應(yīng)力和靜應(yīng)力，這些物理因素都會(huì)導(dǎo)致葉片產(chǎn)生裂紋。為了更準(zhǔn)確地掌握水輪機(jī)各部件在運(yùn)行中的振動(dòng)和擺振幅，可通過(guò)專(zhuān)業(yè)的振動(dòng)測(cè)試設(shè)備對(duì)機(jī)組各部件進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。在分析數(shù)據(jù)后，可以檢測(cè)或更換具有異常振動(dòng)幅度的部件。根據(jù)不同應(yīng)力的特點(diǎn)，應(yīng)從不同應(yīng)力源進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測(cè)，總結(jié)不同應(yīng)力引起的不同應(yīng)力和葉片裂紋的特征。不同的生活條件和相應(yīng)的解決辦法。

3.5水輪機(jī)進(jìn)行充分補(bǔ)氣

對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行周期性的補(bǔ)氣，往往會(huì)采用椎管自然補(bǔ)氣法以及主軸中心孔自然補(bǔ)氣法。主軸中心孔自然補(bǔ)氣法的補(bǔ)氣量通常會(huì)是額定流量的百分之五左右。椎管自然補(bǔ)氣法又分為十字架補(bǔ)氣法以及椎管壁補(bǔ)氣法，前者能夠使壓力的脈動(dòng)適當(dāng)?shù)慕档?后者則會(huì)在很大程度上受到機(jī)泵設(shè)備的影響。一些大型的水電站我們會(huì)用自然補(bǔ)氣法，并且輔助物理補(bǔ)氣管理，從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)氣。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，加強(qiáng)對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋成因及處理措施的探討，對(duì)于水電站的順利運(yùn)行有著極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。相關(guān)工作人員需要明確水輪機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋問(wèn)題的原因——如受力影響、超負(fù)荷工作等;在此基礎(chǔ)上，提出預(yù)防水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋生成的措施，確保正確選型，加強(qiáng)水輪機(jī)制造質(zhì)量把控，優(yōu)化水輪機(jī)設(shè)計(jì)方案，采取避震措施，對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行充分補(bǔ)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）