老江底水電站水輪機水力穩定性分析

任啟淼，郭建偉，楊 強，劉光寧

（1.貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002；2.哈爾濱大電機研究所，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 電站概況

老江底水電站位于云貴兩省界河黃泥河上，裝機容量100 MW，年利用小時數為4 230 h，為 “無人 值班，少人值守”電站。老江底下游為已建成的魯布革水電站，其廠房尾水位接魯布革水庫回水。電站安裝2臺立式混流水輪發電機組，水輪機型號為HLA 551—LJ—315，額定水頭為58.5 m，發電機型號為SF 50—30/6800，水輪機轉輪采用鑄焊結構，葉片采用數控加工，上冠、下環以及葉片材料均采用馬氏體不銹鋼材料ZG06Cr13Ni5Mo。2006年6月開始進行設備安裝，2008年8月1號機組投產，2009年2號機組投產。

2 轉輪裂紋情況

老江底水電站于2008年8月首臺機組（1號機組）投產到2010年1月，累計運行4 098 h，在例行檢查中發現轉輪13個葉片有8個出現貫穿性裂紋，其中1個葉片裂紋在進水邊靠近下環處，其余均在出水邊，裂紋長度大約為100～300 mm，而且裂紋形狀不規則。廠家進行了補焊修復后投入運行，累計運行1 528 h，2010年8月，對轉輪再次進行檢查時，發現1號機組轉輪又出現了裂紋，上冠處出水邊8道，下環處出水邊4道。

2010年4月，2號機轉輪葉片也發現了裂紋，生產廠家施工人員對2號機轉輪進行了全面的檢查探傷，共計發現20條裂紋。主要分布在葉片與下環的出水邊處，有部分裂紋零星分布在葉片中部和與上冠結合部，但均在出水邊。

3 轉輪裂紋原因分析

3.1 選型設計

老江底水電站水輪機選用的HLA551，已在多個水電站成功使用，運行良好，是60 m水頭段常用典型轉輪。

老江底水電站水頭變幅（Hmax-Hmin）/H0＝0.3 344，最大水頭與最小水頭的比值為1.472，最大水頭與設計水頭的比值為1.043，最小水頭與設計水頭的比值為0.7 086，最大水頭與額定水頭的比值為1.12，水輪機運行的各種特征水頭都在合理范圍內。水輪機運行工況處于或接近最優工況區，機組選型設計合理。

3.2 材料選用

老江底水電站水輪機轉輪采用鑄焊結構，上冠、下環和葉片采用馬氏體不銹鋼材料ZG06Cr13Ni5Mo，葉片采用鑄造（VOD精煉鑄造）成型、數控加工，葉片厚度15～22 mm。

轉輪進行的有限元分析表明，在最大水頭下，暫時過負荷超過水輪機額定出力時，各部件材料的最大允許應力不超過其屈服強度的50%。在最大飛逸轉速或水壓試驗的條件下，相應部件工作應力不超過屈服強度的75%。材料屈服強度規定值為550 MPa，強度極限750 MPa。

2010年1月發現裂紋以后，業主單位和東風電機廠均對此轉輪材料進行了取樣檢驗，結果表明：葉片材料的化學成分、抗拉強度、沖擊韌性以及硬度等力學性能均符合ZG06Cr13Ni5Mo的標準。由此說明，老江底水電站在轉輪材料的選用上沒有問題。

3.3 制造方面

從老江底水電站轉輪裂紋的位置來看，裂紋不在葉片的最大應力部位（轉輪出水邊和上冠連接處），而且不在焊縫處或者焊縫周圍。由此可以說明，葉片的鑄件質量以及焊接質量不是引起裂紋的主要原因。

3.4 運行工況

2009年7月～2010年6月電站的運行水頭見表1。

葉片第一次斷裂前，機組運行時間為4 098 h，其中： 出力≤20 MW 為 359 h，20～25 MW 為 491 h，25～40 MW 為 1 846 h，40～51 MW 為 1 402 h。第二次斷裂前，機組運行時間為1 528 h，其中出力： 20～25 MW為 72 h，25～40 MW 為 436 h，40～51 MW為1 020 h。

機組運行時，在某些負荷段，在中控室感覺廠房振動較大，偶爾在尾水管內會發出較大的爆裂聲音（這種聲音在中控室感覺像有放炮爆破的聲音），尾水管內經常有比較均勻的拍擊聲音。由于電站擺度振動在線監測系統出現問題，未能獲得定量的檢測數據。

從表1可以看出，水輪機的運行水頭未超出設計的水頭范圍，但是運行負荷較低，超出了水輪機的最優負荷區，機組運行狀態不穩定，可能引發葉道渦、卡門渦、尾水渦帶等一系列水力不穩定。

表1 運行水頭統計

3.5 壓力脈動

壓力脈動實質上是水輪機偏離最優運行工況而產生的一系列水力不穩定的表現，包括葉片進口沖角增大帶來的葉道渦，繞流經過固定導葉、活動導葉以及葉片而引起的卡門渦，水力自激振動，尾水渦帶等。

老江底水電站運行的情況表明，水輪機在運行時不但是尾水管壓力脈動幅度較大，而且轉輪上腔甚至蝸殼也存在較大的壓力脈動。由于老江底水電站并沒有進行模型驗收試驗，轉輪的水力性能借鑒的是原有的模型試驗資料和國內其他工程的經驗。查閱相關資料并結合本電站的運行情況分析，老江底水電站可能存在葉片繞流引起的卡門渦，部分負荷的低頻壓力脈動可能是葉片裂紋的主要原因之一。部分負荷的低頻壓力脈動，誘發過高的動態應力，會使轉輪葉片開裂。

4 處理及效果

4.1 處理方法

針對水輪機運行在低負荷區時間較長的情況，要求電站運行單位按照規范要求，保證機組在不同的水頭下運行負荷在相應的45%～100%范圍內，嚴格控制機組在低負荷運行的時間。進行真機實測，科學劃分水輪機的運行區域（即允許運行區，不推薦運行區，穩定運行區，不允許運行區）。

針對機組可能出現的水力不穩定現象，進行轉輪葉片出水邊打磨處理，在中心線到下環段沿出水邊打磨50 mm寬，出水邊厚度打磨到5 mm（下環處5 mm，逐步過渡到中心線），并對出水邊倒角修圓。

改善尾水補氣措施，加強大軸中心孔補氣，將轉輪處的真空破壞閥換成浮球閥，并取消原設置在發動機軸上的真空破壞閥。

4.2 效果

經過處理后，機組投入運行，到目前為止未發現機組出現異常情況，出力達到設計要求，振動擺度滿足規范要求，大軸中心孔補氣順暢。

5 結語

混流式水輪機轉輪葉片裂紋是較為普遍的問題，導致轉輪裂紋的潛在原因很多，常見的有選型設計不當、制造質量缺陷以及水輪機水力不穩定等，水輪機的運行工況也常常會誘發裂紋的產生。老江底水電站經過修薄水輪機葉片出水邊和調整機組運行規范，使水輪機的穩定運行得到很大的改善，防止了水輪機裂縫的產生。

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