燈泡貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室裂紋分析及改善方法

李俊娜

（浙江富春江水電設(shè)備股份有限公司，浙江 杭州311121）

燈泡貫流式水輪機(jī)自引入我國(guó)以來(lái)，以其投資少，過(guò)流能力大，運(yùn)行效率高，運(yùn)行性能穩(wěn)定，建造周期短等優(yōu)勢(shì)，迅速發(fā)展起來(lái)。現(xiàn)在運(yùn)行的燈泡貫流式水輪機(jī)如紅花、凌津?yàn)⒔疸y臺(tái)、新政、水口、百龍灘、株溪口、桃源、尼那等多個(gè)電站轉(zhuǎn)輪室均出現(xiàn)了問(wèn)題，電站業(yè)主及水輪機(jī)廠家均受輪室裂紋問(wèn)題困擾。經(jīng)過(guò)對(duì)多個(gè)電站轉(zhuǎn)輪室裂紋問(wèn)題的了解，現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)輪室裂紋問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出改善方法，供參考。

1 轉(zhuǎn)輪室裂紋成因分析

根據(jù)多個(gè)電站轉(zhuǎn)輪室的裂紋現(xiàn)象分析，轉(zhuǎn)輪室裂紋的產(chǎn)生與以下4個(gè)因素有關(guān)。

（1）時(shí)效作用

各電站在水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行5、6年以上轉(zhuǎn)輪室出現(xiàn)裂紋。由于轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部水壓隨負(fù)荷的變化發(fā)生變化，且有壓力脈動(dòng)存在，以及開(kāi)機(jī)、停機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壓力的急劇變化，使轉(zhuǎn)輪室承受交變應(yīng)力。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，長(zhǎng)期承受較復(fù)雜的交變應(yīng)力，在應(yīng)力超過(guò)水中疲勞強(qiáng)度時(shí)，逐漸產(chǎn)生裂紋。由于初期不能發(fā)現(xiàn)細(xì)小裂紋，直到目視可見(jiàn)時(shí)，往往裂紋已經(jīng)延伸到母材。

（2）結(jié)構(gòu)件應(yīng)力集中作用

貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室為懸臂結(jié)構(gòu)，支撐點(diǎn)在轉(zhuǎn)輪室的上游側(cè)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪室尾部振動(dòng)較大。轉(zhuǎn)輪室尾部的結(jié)構(gòu)各有差異，尾端材料也有不同，但轉(zhuǎn)輪室裂紋大多出現(xiàn)在轉(zhuǎn)輪室尾端合縫法蘭和轉(zhuǎn)輪室母材焊接的位置。部分轉(zhuǎn)輪室尾端有焊接大法蘭結(jié)構(gòu)的，裂紋往往從尾部法蘭、合縫法蘭及母材的組合焊縫開(kāi)始，延伸至母材。組合焊縫處應(yīng)力集中不可避免，超過(guò)疲勞極限處先產(chǎn)生裂紋。

（3）轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)過(guò)大

燈泡貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室不埋入混凝土，且為懸臂結(jié)構(gòu)，機(jī)組運(yùn)行中振動(dòng)不可避免。早期的電站轉(zhuǎn)輪室沒(méi)有測(cè)量振動(dòng)的裝置，對(duì)轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)情況不了解，近期建造的電站轉(zhuǎn)輪室上安裝有測(cè)振動(dòng)裝置，但沒(méi)有明確的規(guī)范標(biāo)明轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的安裝位置和振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)范圍，各電站振動(dòng)測(cè)點(diǎn)安裝位置五花八門(mén)，測(cè)量數(shù)據(jù)沒(méi)有可參考性，轉(zhuǎn)輪室的振動(dòng)也不作為考核電站穩(wěn)定性的指標(biāo)。在轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)增大和發(fā)更多電量沖突時(shí)，電站一般會(huì)選擇多發(fā)電。這樣往往會(huì)造成轉(zhuǎn)輪室長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)振動(dòng)偏大，進(jìn)而引起轉(zhuǎn)輪室的裂紋問(wèn)題。

（4）超出運(yùn)行范圍運(yùn)行

燈泡貫流式水輪機(jī)大多為徑流式水電站，受自然流量的變化影響很大，電站有通航、供水、旅游等考慮，水頭的變化范圍很大。電站大多都會(huì)存在超過(guò)運(yùn)行范圍運(yùn)行的情況，如低于最低水頭，加大導(dǎo)葉開(kāi)度發(fā)電，高于最高水頭又不能泄流太多帶小負(fù)荷運(yùn)行等情況。流道內(nèi)水流態(tài)不穩(wěn)定，水力原因引起的振動(dòng)就會(huì)加劇，加速轉(zhuǎn)輪室裂紋的產(chǎn)生。

2 提高轉(zhuǎn)輪室壽命的改善方法

從以上4點(diǎn)分析可以看出，提高轉(zhuǎn)輪室的使用壽命，需從提高疲勞強(qiáng)度，增加表面強(qiáng)度、改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化選型、避開(kāi)振動(dòng)區(qū)域運(yùn)行這5個(gè)方面考慮。

（1）提高疲勞強(qiáng)度

針對(duì)轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提高疲勞強(qiáng)度主要從減緩應(yīng)力集中，提高表面質(zhì)量?jī)煞矫嬷?。減少應(yīng)力集中主要是減少焊縫數(shù)量，即盡量少拼板，盡量避免和減少T形和十字形焊縫。組合焊縫均要求清根焊透，做UT檢查，提高焊縫質(zhì)量。根據(jù)裂紋的位置，提高表面質(zhì)量主要考慮對(duì)轉(zhuǎn)輪室尾部的組合焊縫表面進(jìn)行處理，角焊縫打磨出圓角，且表面打磨光滑。

（2）增加表面強(qiáng)度

眾所周知，構(gòu)件表面粗糙度對(duì)構(gòu)件疲勞影響較大。新裝轉(zhuǎn)輪室內(nèi)表面全部為金加工表面，隨著運(yùn)行時(shí)間增加，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)表面會(huì)產(chǎn)生氣蝕，氣蝕孔和氣蝕后的粗糙表面會(huì)嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)輪室疲勞性能。為防止氣蝕，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)表面可涂覆具有高耐磨損性的涂層。轉(zhuǎn)輪室表面涂層工藝要求高，具有涂覆技術(shù)的廠家不多，費(fèi)用高，且有效保護(hù)時(shí)間短，故此方法暫時(shí)采用較少。

（3）改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)輪室的裂紋是長(zhǎng)期振動(dòng)，反復(fù)應(yīng)力導(dǎo)致疲勞的產(chǎn)物，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可考慮增加構(gòu)件剛性，減小振動(dòng)，以增加轉(zhuǎn)輪室的使用壽命。改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮。

1）減小轉(zhuǎn)輪室的懸臂長(zhǎng)度。目前燈泡貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室上游側(cè)與外導(dǎo)環(huán)下游側(cè)用螺栓連接，銷(xiāo)釘定位，轉(zhuǎn)輪室尾部沿徑向與伸縮節(jié)法蘭之間有O型密封條，密封條有壓縮余量，允許轉(zhuǎn)輪室尾部在徑向擴(kuò)張和收縮。這樣轉(zhuǎn)輪室形成了以上游端部法蘭固定的懸臂結(jié)構(gòu)，懸臂越長(zhǎng)，則振動(dòng)越劇烈。在滿(mǎn)足轉(zhuǎn)輪吊裝要求的前提下，盡量縮短轉(zhuǎn)輪室的懸臂長(zhǎng)度，可有效減小轉(zhuǎn)輪室的振幅。

2）轉(zhuǎn)輪室主體外側(cè)增加筋板。目前，轉(zhuǎn)輪室主體多采用防氣蝕性能較好的S135鋼板，壓模成型，焊接成結(jié)構(gòu)件。鋼板壓型受到板厚的制約，厚度超過(guò)75 mm，鋼板壓型就容易產(chǎn)生裂紋。為了增加轉(zhuǎn)輪室的剛性，轉(zhuǎn)輪室主體外側(cè)焊接筋板是行之有效的方法。燈泡貫流式水輪機(jī)水頭低，轉(zhuǎn)輪室的平均應(yīng)力都比較小，影響轉(zhuǎn)輪室壽命的主要是徑向振動(dòng)引起疲勞而破壞。轉(zhuǎn)輪室主體外側(cè)軸向筋板對(duì)轉(zhuǎn)輪室徑向剛性效果不是太好，但可以增加轉(zhuǎn)輪室的整體剛性，增加環(huán)向筋板的數(shù)量可以明顯增加轉(zhuǎn)輪室的徑向剛性，經(jīng)有限元分析比較，環(huán)向筋板的厚度和徑向高度對(duì)轉(zhuǎn)輪室的剛性影響明顯，增加環(huán)向筋板的高度以增加剛性更經(jīng)濟(jì)。環(huán)向筋板上面再加焊圓筒使環(huán)向筋板成T型結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)輪室可具有更高的徑向剛性。

3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)優(yōu)化。轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)注意一些細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，會(huì)有助于提高轉(zhuǎn)輪室的壽命。如轉(zhuǎn)輪室尾部采用厚板，合縫面法蘭螺栓靠近轉(zhuǎn)輪室本體，合縫面把合螺栓做成雙排螺栓，合縫法蘭螺栓靠近尾部，合理設(shè)計(jì)螺栓預(yù)緊力等。

4）有限元分析轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)特性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中注意改善。隨著科技的發(fā)展，有限元分析方法逐漸應(yīng)用于水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中，轉(zhuǎn)輪室的激勵(lì)源，如壓力脈動(dòng)，轉(zhuǎn)輪室與葉片間隙的不均勻性，空化等，都會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)輪室的振動(dòng)特性有影響。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中根據(jù)水力性能加載激勵(lì)源，分析振動(dòng)特性，根據(jù)分析結(jié)果，局部改善結(jié)構(gòu)，以減小振幅和振動(dòng)頻率。

（4）優(yōu)化選型

水輪機(jī)選型時(shí)，選擇單位流量高，轉(zhuǎn)輪直徑小的轉(zhuǎn)輪可以節(jié)約成本，但如果設(shè)計(jì)工況偏離最優(yōu)點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，就有可能產(chǎn)生轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)大的問(wèn)題。目前還沒(méi)有很好的辦法來(lái)解決已發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)問(wèn)題。所以水輪機(jī)選型時(shí)應(yīng)該選擇合理的轉(zhuǎn)輪直徑，且多了解運(yùn)行機(jī)組的真實(shí)情況，優(yōu)化選型。

（5）避開(kāi)振動(dòng)區(qū)域運(yùn)行

水輪發(fā)電機(jī)組在設(shè)計(jì)工況附近運(yùn)行，既可以得到高電量，也可以減小振動(dòng)。多臺(tái)機(jī)組的電站根據(jù)電網(wǎng)要求和電站水頭情況，可適當(dāng)選擇運(yùn)行機(jī)組的臺(tái)數(shù)獲取更好的運(yùn)行工況，避開(kāi)振動(dòng)區(qū)域。盡量在運(yùn)行范圍以外不運(yùn)行，或減少運(yùn)行時(shí)間。

3 結(jié)束語(yǔ)

轉(zhuǎn)輪室為燈泡貫流式水輪機(jī)的主要部件，增加轉(zhuǎn)輪室的使用壽命，可以減少燈泡機(jī)的檢修量，加長(zhǎng)檢修周期，提高機(jī)組的運(yùn)行可靠性及使用壽命，有效提高電站的經(jīng)濟(jì)效益。從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面看，轉(zhuǎn)輪室使用壽命問(wèn)題有必要做深入研究及改進(jìn)。