水輪機輪葉操作機構故障與疲勞強度分析

林漢偉

(飛來峽水利樞紐管理處，廣東 清遠 511825)

1 前言

某水電站位于廣東省珠江水系北江流域上，共裝有4臺燈泡貫流式機組，單機容量為35MW，機組主輔設備由奧地利ELIN公司和MCE公司提供。電站#3水輪發電機組于1999年9月并網運行，2007年12月首次A級檢修，2011年12月#3機組操作機構出現活塞缸耳柄斷裂故障，累計A級檢修前#3機組運行了40671小時，至活塞缸耳柄斷裂時又運行了20114小時，即#3機組首次投運至故障發生時累計運行了60785小時，輪葉操作累計約18000次(平均每天約7次)。

2 耳柄斷裂故障

2011年12月23日，電站#3機組在帶35MW負荷運行過程中水導軸承處振動異常，同時出現有功與定子電流波動等異常現象，但導葉與輪葉未見異常調節。為查明故障，機組進行開、停機及空載試驗，啟、停過程振動大，現場可監聽到水輪機室撞擊聲音，但仍能平穩停機。此現象說明水輪機操作機構存在故障，導致輪葉失控及有功負荷波動。機組流道排空后，發現轉輪室上半部局部位置存在明顯磨擦過熱痕跡，但機加工車紋清晰;#1輪葉開度異常，葉片邊緣無刮痕;輪葉密封尚好，僅微量滲油。以上現象說明不存在流道內重大撞擊導致故障。隨后拆出輪葉進入輪轂內部檢查，發現#1輪葉活塞缸耳柄從根部斷裂，拐臂連桿及銷軸脫落至輪轂內(斷裂形貌見圖1)，致使輪葉操作失控。

從活塞缸耳柄根部斷口形貌可清晰看出起裂點、疲勞輝紋線、二次起裂點和瞬斷區，可見這是一個疲勞破壞所導致故障。在耳柄根部上約1毫米處存在一道淺裂紋，裂紋形成后，交變應力使裂紋的兩側時而張開時而閉合，相互擠壓反復研磨，這樣形成了光滑區。隨著應力的間斷和大小的變化，在光滑區留下多條疲勞輝紋線。至于粗糙的斷裂區，則是最后突然脆性拉裂所形成[1]。

圖1 活塞缸耳柄斷裂形貌圖

3 轉輪活塞缸有限元計算

進行應力計算是疲勞強度分析的前提，為了準確得到活塞缸耳柄的應力情況，采取有限元法，對活塞缸在各種操作工況下的應力進行詳細計算，然后根據機組輪葉實際操作情況，對其疲勞強度進行計算分析，為活塞缸耳柄斷裂原因分析及制定處理方案提供理論依據。

3.1 水輪機主要技術參數

水輪機型號：燈泡貫流式KR4/700;轉輪直徑：D=7.0m;額定轉速：n=83.33rpm;額定水頭：Hr=8.53m;最大水頭：HMAX=15.00m;最小水頭：HMIN=3.00m;水輪機額定功率：Nr=35.69Mw;水輪機最大出力：NMAX=39.97Mw;正向推力：F1=4500KN;反向推力：F2=5400KN;活塞缸操作最大油壓：6MPa;輪葉操作壓力：5.5MPa 和 4MPa。

活塞缸耳柄材料：GS20Mn5v，其抗拉強度δb=550MPa，屈服極限 δs=360MPa。

3.2 有限元計算模型及結果

由于活塞缸為周期對稱結構，取缸體1/4作為計算模型。計算工況為缸體下行耳柄受拉和缸體上行耳柄受壓兩種工況，活塞缸油壓4MPa時應力計算結果：上行最大應力402MPa，下行最大應力469MPa。

4 疲勞強度分析

4.1 計算參數的選取

有限元計算表明最大應力出現在活塞缸耳柄根部，該處應力集中最為嚴重，且與裂紋起裂點吻合，以該區域為疲勞強度評估分析區。根據3#機組運行時各工況下輪葉開關腔油壓差變化，轉輪葉片活塞缸正常工作時實際壓力差不超過4MPa，故選取4MPa、3MPa油壓計算耳柄根部的操作應力。

4.2 疲勞強度計算結果與評估

據運行統計數據，機組按服役50年壽命設計，則輪葉操作約7.2×104次，遠小于材料在空氣中的疲勞極限所對應的循環數(N=107次)，按輪葉操作近似于N=105得到疲勞極限值δ-1=335.5MPa。活塞缸耳柄疲勞強度計算如下：

尺寸系數：Cd=0.75(構件尺寸對疲勞性能的影響)

表面加工系數：Cs=0.90(構件表面粗糙度對疲勞性能的影響)

有效應力集中系數：Kf=1(計算為局部應力)

疲勞極限取：δ-1=335.5MPa(N=105 次)

交變應力幅值：δa=469MPa(下行，4MPa壓差，見表1)

耳柄的拉壓疲勞安全系數計算公式[2]：

表1 各種結構方案耳柄根部的疲勞安全系數

按上述公式計算得到各種結構方案耳柄根部的疲勞安全系數見表1。通常疲勞安全系數應該大于1.4，由計算結果可以看出，如活塞缸按使用50年壽命計算，長圓筒結構無論操作油壓差是4.0MPa還是3.0MPa，耳柄的強度均不能滿足疲勞性能的要求。活塞缸整體應力水平不高，應力集中是疲勞破壞的主要原因，為了提高耳柄的疲勞強度，應在耳柄根部采用半徑足夠大的過渡圓角，盡可能地消除或減緩應力集中。疲勞強度計算結果表明，活塞缸去除長圓筒后，耳柄增加R10的過渡圓角，能很好改善局部應力，滿足疲勞強度要求。

5 結語

根據上述計算成果，電站在#3機組活塞缸耳柄根部加工了R10的過渡圓角，并對操作機構連桿銷軸重新制作和調質處理，取得較為理想的效果，恢復了機組發電。轉輪作為水輪發電機組的重要結構部件，應力集中造成此次操作機構活塞缸耳柄斷裂，電站其它機組也存在類似隱患，運行管理單位應加強檢測，適時對轉輪重新進行優化設計和更新改造。

[1]龐立軍，鐘蘇.飛來峽電站轉輪接力器缸疲勞強度評估分析報告[R].黑龍江：哈動國家水力發電設備工程技術研究中心有限公司，2012.

[2]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2011.