大型水輪機轉輪動應力現場測試研究

鄧 斌，魏 夏

（國網新源控股有限公司，北京市 100761；國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100161）

大型水輪機轉輪動應力現場測試研究

鄧 斌1，魏 夏2

（國網新源控股有限公司，北京市 100761；國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100161）

近年來，大型水輪發電機組不斷地投入運行，隨著機組尺寸的增加以及結構上的偏薄設計，水輪發電機組轉輪裂紋問題已成為困擾水電站安全穩定運行的一個重要問題。本文利用動應力測試系統開展水輪機真機轉輪在不同運行工況下動應力特性的現場測試，結合轉輪動應力現場測試結果，分析引起水輪機轉輪裂紋的主要原因，并提出了處理措施。研究結果為研究分析機組穩定性狀況和轉輪葉片產生裂紋的原因提供技術依據。

水輪機；轉輪；動應力；裂紋

0 引言

隨著水電工程建設的高速發展，機組容量和尺寸的逐步增大，機組相對強度下降，機組關鍵部件的裂紋問題逐漸突顯，成為影響國內外大型水力發電廠安全運行的主要問題之一［1］。為提升水輪機運行壽命，減少轉輪葉片裂紋的概率，本文研究了水輪機轉輪葉片動應力現場測試技術，并對轉輪裂紋問題進行深入研究及討論。

論文選取某水電站一臺大型軸流式水輪機，該水電站總裝機容量630MW，單機容量105MW，共6臺，選用ZZ440A-LH-750水輪機，SF105-66/12800型發電機。水輪機主要參數見表1。

表1 水輪機主要參數Tab.1 Main parameters of turbine

續表

該水電站自首臺機組在調試或運行過程中，曾發生過多次抬機事故，機組轉動部分上抬高度為25～29mm，造成水輪機工作密封跳出、接頭撕開，集電環碳刷和刷架、勵磁引線絕緣的破壞等。后在檢修時發現，6臺機組水輪機轉輪葉片都出現了不同程度的裂紋，有的已非常嚴重，直接危及機組的安全運行。其中2號機組最為嚴重，6個葉片均存在不同程度的裂紋。

1 現場測試技術

1.1 轉輪葉片固有頻率測試

轉輪葉片固有頻率測試方法采用脈沖激勵法即錘擊法，對激發力和被激發體的響應進行傳遞函數分析，以得到被激發體的各階固有頻率。

轉輪葉片固有頻率測試在空氣中進行，測試結果給出的頻率值為空氣中的固有頻率，根據有關文獻資料計算結果表明，葉片在水體中的振動主頻約為空氣中的60%～70%，而振型基本一致。

本次試驗選擇兩個葉片（2號和6號）進行了葉片固有頻率測試，響應測點的布置見圖1。

圖1 位移傳感器的安裝Fig.1 Installation of displacement sensors

1.2 轉輪葉片應力測試技術

轉輪葉片應力測試方法采用電阻應變測量法，通過測量葉片應變值，經計算得到葉片的平均應力和動態應力。

（1）葉片應力測點布置。電阻應變片布置在兩個葉片上（2號和6號），每葉片布置8點，共16點。根據電站轉輪葉片出現裂紋的情況，將電阻應變片布置在裂紋產生的葉片出水邊側R450扇區處的正、背面上。圖2為2號葉片正面應變片的布置情況。

（2）葉片應力測試方法。轉輪葉片應力測試方法采用電阻應變測量法，通過測量葉片應變值，經式（1）計算得到葉片的平均應力和動態應力。

式中：σ——計算得出的應力值，MPa；

ε——試驗測得的應變值，μm/m；

E——材料的彈性模量，E=2.1×105MPa。

測試裝置采用多通道應變采集系統，最高采樣速率30kS/s，內置可編程濾波器、橋路、低電壓增益等，可進行1/4橋、半橋和全橋的應變測量。應變采集系統采用16Ah蓄電池對其進行供電，利用兩個計時器控制應變采集系統的供電和數據采集。

整個測試裝置密封后安裝于轉輪泄水錐中，應變片輸出信號通過信號線直接與應變信號采集儀連接。測試過程中，采集的數據直接存儲于可移動CF存儲卡中，試驗結束后取出CF存儲卡，讀取試驗采集數據。

圖2 葉片正面應變片的布置Fig.2 Layout of strain gauge in front of the runner

2 試驗內容與工況

試驗項目和試驗工況見表2。

表2 試驗項目和試驗工況Tab.2 Test items and conditions

3 試驗結果

3.1 轉輪葉片固有頻率測試結果

2號機組轉輪葉片固有頻率共測試了2號和6號兩個葉片，測試結果（轉輪葉片前18階固有頻率）見表3，其中前5階按位移傳感器測量結果給出，后13階按加速度傳感器測量結果給出。

表3 2號機轉輪葉片固有頻率測試結果Tab.3 Test results of natural frequeney of runner blade of Unit 2

3.2 葉片靜應力試驗結果

2號葉片各測點的靜應變值（平均應變值）與負荷的關系曲線見圖3，各測點在不同負荷下的平均應變值統計見表4，實測葉片最大平均應變值為87μs，發生在機組滿負荷工況（86.83MW），葉片背面距出水邊450mm、距葉片外圓100mm的SG8測點，換算到平均應力值（靜應力）為拉應力18.2MPa（材料的彈性模量E按210GPa計算）。

從圖3中可看出，SG1、SG7、SG8的靜應力在空載時為拉應力，其中SG1和SG8的靜應力隨負荷的增加拉應力增大，在機組滿負荷時為最大，SG7的靜應力隨負荷的增加拉應力降低。SG2、SG3、SG4、SG5、SG6的靜應力在空載時為壓應力，其中SG2、SG5、SG6的靜應力隨負荷的增加壓應力增大，在機組滿負荷時為最大，SG3和SG4的靜應力隨負荷的增加壓應力降低，在滿負荷時為拉應力。從數值上看，各測點實測的應變值都不大，說明在測點布置的部位葉片的靜態變形量不大。

表4 2號平均應變值與機組有功功率統計表Tab.4 Statistical table of the average strain value and active power of Unit 2

圖3 轉輪平均應變值與機組有功功率的關系Fig.3 Relationship between the average strain value and active power

3.3 葉片動應力試驗結果

各測點葉片動應力混頻幅值（97%置信度）、脈動主頻與機組有功功率的關系曲線見圖4和圖5。

葉片各測點動應力混頻幅值隨負荷變化的規律與尾水管錐管壓力脈動變化趨勢基本相同，在25～55MW負荷范圍內相對較大，實測葉片背面距出水邊450mm、距葉片外圓100mm處的SG8測點動應力最大混頻幅值為39.4MPa，脈動頻率主要集中在226～230Hz和292～230Hz兩個區域，約為導葉過流頻率的6倍和8倍。其他負荷工況，葉片動應力幅值相對較小。

圖4 轉輪動應力與機組有功功率的關系（升負荷）Fig.4 Relationship between the dynamic stress and active power(increasing load)

圖5 轉輪動應力與機組有功功率的關系（降負荷）Fig.5 Relationship between the dynamic stress and active power(decreasing load)

4 轉輪葉片裂紋原因分析

（1）機組運行和葉片裂紋情況。根據電站資料，電站轉輪葉片裂紋都出現在R450扇區附近，裂紋斷口處較光滑，裂紋上下錯牙。試驗機組為2號機，裂紋最為嚴重，6個葉片均存在不同程度的裂紋。

根據電站記錄，電站機組處于頻繁開、停機狀態，白天停機，晚上開機，每天運行10h左右，有效運行時間內通常帶負荷為40～50MW。

（2）轉輪葉片材料分析。轉輪葉片材料為ZG00 Cr13Ni6Mo，從葉片裂紋處取下樣塊，材料化學成分和金相組織分析合格，見表5。

（3）振動原因分析。從試驗結果看，引起葉片振動的原因可能有以下兩方面因素：

表5 2號轉輪葉片材料分析結果Tab.5 Analysis results of runner material of unit 2

1）葉片出水邊處的卡門渦頻率與葉片的某階固有頻率接近，引起葉片共振。

從葉片固有頻率測試結果可以看出，傳遞函數幅值最大的4階固有頻率分別為510.13、321.53、139.16、372.07Hz。根據相關資料［3］-［5］，對于軸流機組葉片在水體中的振動頻率約為空氣中的60%～70%，而振型基本一致。如按此估算，則321.53Hz或372.07Hz在水中的頻率很可能為228Hz左右。

另外，機組在負荷30～50MW時，機組過流量約200～300m3/s，葉片出水邊處平均流速約7～10m/s。當水輪機在此負荷范圍運行時，由于流量較小，在離心力的作用下，大部分水流沿葉片外圓區域的葉片流道通過轉輪。因此，葉片出水邊靠近外圓區域流速要明顯高于平均流速，一般可按1.5～2倍進行估算，則葉片出水邊靠近外圓區域流速可能在15～20m/s。卡門渦頻率可按公式 計算，斯特魯哈數Sh一般取0.22～0.24，水輪機出水邊靠近外圓處的厚度d為16mm，則估算的卡門渦頻率在200～300Hz，與共振頻率基本接近。

2）導葉、葉片過流頻率與葉片的某階固有頻率接近，引起葉片共振。

由相鄰導葉間流速及壓力分布不均勻的水流和轉輪相互作用，以及相鄰葉片間流道中的流速及壓力不均勻都可引起水流的脈動。從試驗結果看，在蝸殼進口甚至尾水錐管都可以明顯地看到導葉過流頻率（24×1.515=36.36Hz），在機組不發生共振的情況下，其還是主頻。轉輪進口（在內頂蓋上測量）大部分工況下脈動主頻與葉片過流頻率有關（6×1.515=9.09Hz），約為 7.5Hz，為轉頻的 5倍，其原因是測點處本身以一倍轉頻在旋轉，因此疊加后應該為轉頻的5倍。根據測試結果分析，對于該水輪機因動靜干擾所引起的水流脈動還是比較明顯的。

對于導葉過流頻率，一般情況下，在轉動部件上（如轉輪葉片）可以明顯地測到，而在固定部件上測量應該不是很明顯。對于該水輪機，在蝸殼進口甚至尾水錐管都可以明顯地看到存在導葉過流頻率的脈動成分，這可能是由于動靜干擾引起了葉片振動，從而使水流產生了脈動。

導葉過流頻率乘上葉片數6，其頻率為218.16Hz（6×24×1.515=218.16Hz），與前面分析的葉片固有頻率約228Hz比較接近，非常有可能引發葉片產生共振。

根據以上分析，水輪機在25～55MW負荷范圍內，因卡門渦或動靜干擾產生的水力激振源，與葉片固有頻率相接近，引發葉片局部共振，從而引起葉片產生疲勞裂紋。從測試結果看，實測葉片最大動應力為39.4MPa，其幅值不是非常高，但由于其交變的頻率較高，如長時間在此負荷范圍內運行，極易引發疲勞破壞，產生疲勞裂紋。因此，認為該水輪機葉片裂紋產生的主要原因是：在25～55MW負荷范圍內，葉片局部共振引起的高周疲勞［6］-［7］。

5 結論

本文圍繞水輪機轉輪葉片裂紋問題開展試驗研究與分析，找出轉輪出現裂紋的原因。經分析，該水輪機的葉片裂紋主要原因為：在25～55MW負荷范圍內，葉片局部共振引起的高周疲勞。

為延長轉輪的疲勞壽命，建議對2號機進行試驗性處理，將R450圓弧的半徑適當加大，同時將靠近外圓區域的出水邊厚度適當減薄，消除葉片尾部產生的卡門渦，同時避免機組在不穩定工況區運行［8］。

［1］薛偉，陳昭運.水輪機葉片裂紋原因及預防措施研究［J］.大電機技術，2002.XUE Wei,CHEN ZhaoYun.Study on Blade Cracks of Hydraulic Turbine Runner and Preventing Methods［J］.Large Electric Machine Technology,2002.

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［6］鄭津生，常喜兵，王倫其，等.仙游抽水蓄能電站水泵水輪機設計技術［J］.東方電機，2014（4）.ZHENG Jinsheng,CHANG Xibing,Wang Lunqi,et.For Design of pump turbine for Xianyou pumped storage power station［J］.Oriental motor,2014(4).

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［8］張雷，袁波，汪衛平.立式水輪發電機組軸承油霧的治理［J］.水電與抽水蓄能，2015，1（1）：43-48.ZHANG Lei,YUAN Bo,WANG Weiping.Oil Vapor Treatment of Vertical Hydrogenerator Bearing［J］.Hydropower and Pumped Storage,2015,1(1):43-48.

鄧 斌（1981—），男，本科，主要研究方向：水電站技術管理。E-mail：bin-deng@sgxy.sgcc.com.cn

魏 夏（1987—），男，碩士，主要研究方向：水電機組狀態評價。

Research of Dynamic Stress Test Runner of Large Turbine

DENG Bin, WEI Xia
(State Grid Xinyuan Company LTD, Beijing, 100761, China; Technology center State Grid Xinyuan Company LTD, Beijing, 100161, China)

In recent years, large-scale hydro units in operation continuously.An important issue which hydro group runner cracks is caused distress Hydropower safe and stable operation with the increase in unit size and thin and structural design.In this article, dynamic stress test system to be used in different operating conditions and the transition process in the dynamic stress characteristic of the field test.Combined with dynamic stress runner field test results, the main reason to be analyzed the reason caused the runner cracks and proposed actions.Technical basis is provided the research and analysis unit stability condition and runner blade cracks.

turbine; runner; dynamic stress; crack

TV743.1

A 學科代碼：570.2510

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.010