混流式水輪機轉輪葉片裂紋問題的處理研究

楊潔冰，亓　深

（嘉陵江亭子口水利水電開發有限公司，四川 蒼溪 628400）

混流式水輪機轉輪葉片裂紋問題的處理研究

楊潔冰，亓深

（嘉陵江亭子口水利水電開發有限公司，四川 蒼溪 628400）

疲勞裂紋、泥沙磨損和空蝕是影響水輪機使用壽命最主要的三個因素，在水輪機維護方面，人們通常只注重泥沙磨損和空蝕問題，往往忽略了裂紋問題。近幾年，由于水輪機結構新型材料的出現以及制作工藝的提高，電站維護工作中空蝕方面的問題基本得到解決。隨著水輪機使用參數逐漸增加，機組尺寸和單機容量相應增大，混流式水輪機的運行穩定性問題也逐漸突出，主要表現在尾水管里襯鋼板撕裂和水輪機轉輪葉片裂紋等方面。本文通過相關實例，分析并總結了引起裂紋的主要原因，并為防止裂紋的出現提出了一些建議。

水輪機；轉輪葉片；裂紋

1　裂紋產生的原因

1.1制造質量

水輪機轉輪（導葉）嚴重裂紋，往往導致葉片斷裂事故，威脅著水電站的安全經濟運行和可靠性，因此對裂紋的檢查和處理是水電站檢修工作的必須課。有相當一部分裂紋現象的出現，本質上是水輪機質量問題，比如傳統工藝下的轉輪，其葉片的焊接點往往在熄弧、尾部和頭部等部位，在運行時極易產生裂紋。后來通過包頭焊的方式，錯開熄弧點和起弧點，裂紋問題基本得到解決。

葉片裂紋的產生主要是由殘余應力造成的，由于某些比較大型的混流式水輪機轉輪焊接處復雜，其內部填充的焊接材料較多，即使對焊接口進行熱處理，仍然會保留比較大的殘余應力。雖然目前國內在殘余應力的測量方面的技術還不夠精確，但焊接轉輪處的殘余應力較高是公認的事實。我們可以通過仿真實驗技術，研究新的焊接方法來完善焊接工藝。

1.2水力彈性振動

以亭子口為例，亭子口一共有4臺混流式機組，機組型號HLVS220－LJ－670，單機275MW，額定流量424.6m3/s，額定轉速100 r/min，飛逸轉速175 r/min，最大水頭85.4m，額定水頭73m，最小水頭62.65 m。機組導水機構裝設有23個固定導葉、24個活動導葉，活動導葉通過2個液壓直缸接力器操作，由油壓裝置提供壓力。轉輪為不銹鋼材質，葉片由數控加工成型，葉片、下環、上冠用不銹鋼組焊，進而加工成轉輪。在2014年12月進行的1號發電機組檢修中，發現內部部分葉片出現輕微裂紋，其裂紋位置均位于上冠熔全線和水邊背面上，裂紋從起裂處延伸至葉片母材料，其形狀類似拋物線形狀，裂紋斷口為疲勞特征。據分析，亭子口水電站機組從開機至停機過程中，水力脈動與軸系與扭振耦合引起的共振與導葉關閉過程中機組存在慣性停機時，卡門渦引起葉片水彈力共振導致葉片裂紋產生，還有在機組的不良運行工況的誘發下也是產生裂紋的主要因素。其中的任何一個原因都可導致初始裂紋的產生和發展。如果長期不處理會惡化機組發電能量，可以通過加補焊與修整出水邊等措施后對焊縫進行打磨和拋光。

1.3轉輪葉片裂紋分布

裂紋存在的部位是相對有一定的規律性，混流式轉輪主要發生在：1）葉片與上冠下環交界處；2）葉片出水邊外邊下部；3）轉輪葉片進水口處靠下環轉彎處；4）葉片背面中部區域及上冠下環間流道。

2　防止裂紋的主要措施

2.1選型正確

吸出高度H、額定出力P、額定轉速n、轉輪公稱直徑D等主要參數的選擇要結合電站特點。例如水質、負荷調節范圍、水頭變幅以及水輪機的的綜合特性等。渦列頻率可表達為：

F=（0.18-0.2）W2/δ2

式W2出口相對速度；δ2出口邊厚度。當渦列頻率與葉片自振頻率相同產生強烈振動時，容易造成葉片過度疲勞，引發轉輪葉片出現裂紋，這就是混流式水輪機固有的缺點。

2.2控制水輪機制造的質量

在轉輪組裝完成后按照規定進行焊接。在焊接完成后進行退火熱處理以降低焊接口的殘余應力值。對焊縫進行無損檢測，保證過流表面光滑，避免凹凸不平和裂紋的出現。葉片、下環、上冠和圓弧不可以出現傷痕或鏟磨縮頸。

2.3補氣充分

目前國內水輪機補氣方式主要有兩種：錐管自然補氣法和主軸中心孔自然補氣法。其中主軸中心孔自然補氣法的補氣量大致為0.25%～1%的額定流量，通常要在發電機頂端設置補氣閥來避免補氣通道堵塞。

錐管自然補氣法分為兩種，分別為十字架補氣法和錐管壁補氣法。十字架補氣法經常用于小型水輪機，它的優點是可以降低壓力脈動，缺點是容易被沖掉或發生空蝕，難以提高工作效率；錐管壁補氣法利用錐管補氣，但當真機壓力過高時會出現無法吸入空氣的現象。

亭子口水電站發電機軸頂部處設有大軸補氣裝置，采用自然補氣方式；在頂蓋、底環和基礎環上預留強迫補氣的管道，必要時使用（目前暫未投入）。

2.4避振防裂

水輪機在運轉時要承受動應力和靜應力。有效的減小或避免裂紋的形成或是擴大的方式就是在機組運行方式上進行優化，讓機組避開強振動區長時間運行，盡量在設計最優工況下運行。同時在機組運行中還應加強對機組各部擺度、振動的在線監測裝置以及在機組檢修期時加強對轉輪及過流部件的檢查和跟蹤檢查處理。通過有限元計算技術進行分析可以獲得葉片最大靜應力值。正常工況下整體轉輪的最大應力值一般在110MPa以下，由于分瓣面處葉片存在附加應力，其靜應力最大不應超過95MPa。在水輪機運行過程中，轉輪葉片所承受動應力按照性質分類可以分為四種：固定葉片和轉動葉片相互作用所產生的壓力脈動所形成的動應力；超出出力工況下和部分負荷工況下由渦帶形成的壓力脈動所產生的動應力；由于進出水流不均勻而產生的動應力；卡門渦和葉道渦引起的動應力。

亭子口水電站機組全水頭振區界定結論：

綜合分析1號機組在5個水頭運行的試驗，1號機組大致分為4個負荷運行區域，即小開度區、水力振動區、過渡區和穩定區（見圖1、表1）。

1）小開度區是指活動導葉開度較小，導葉出流角與轉輪葉片入流角不匹配，水流狀態不穩定，導致水擺出現隨機高頻波形。同時，該運行區域機組效率低，不宜長期運行。

2）水力振動區是指在此區間，機組出現明顯的低頻水力振動現象，通頻幅值增大明顯，對機組安全穩定運行造成影響。

3）過渡區是指在此區間依然存在低頻水力振動現象，但已開始漸趨消失，對機組安全穩定運行影響不大。

4）穩定運行區是指在此區間低頻水力振動現象已完全消失，機組可長期安全穩定運行。

圖1　不同水頭下運行區域劃分示意圖

表1　1號機組試驗結論

運行值班人員可根據當前水頭高度與四川省電力調度控制中心溝通，調整機組所帶的負荷避免在不良工況下運行。

3　結束語

混流式水輪機葉片裂紋是一個比較普遍的問題，傳統工藝下的水輪機的“強振區”比較窄，由于焊接殘余應力較低、機組尺寸小、轉輪轉速適中、參數較低等原因，“裂紋問題”控制得比較好。混流式轉輪葉片裂紋出現的原因比較多，其出現的原因主要有高頻壓力、水力彈性振動、導葉出水邊出現卡門渦、補氣不力、脈動大、制造質量不高、造型不當等。近幾年，國外一些企業專門針對混流式水輪機進行了疲勞和動態應力的研究以及壽命和可靠性的研究，提出了降低水輪機出力負荷的建議，而現在國內在這方面還缺乏研究。根據以往電站運營經驗來看，避振防裂是相對有時效性的一種方法，特別是在機組剛投運時期，需要我們對真機進行比較細致的實測，收集機組振動特性的有關信息，做好避振防裂的相關工作。

[1]覃大清，劉光寧，陶星明.混流式水輪機轉輪葉片裂紋問題[J].大電機技術，2005，07（25）.

[2]羅偉文，鄭時雄，黃振峰，等.大型混流式水輪機轉輪葉片裂紋及其成因分析[J].機械工程師，2006，08（10）.

[3]羅偉文，鄭時雄，黃振峰，等.混流式水輪機轉輪葉片裂紋故障及其原因分析[J].新技術新工藝，2006，09（25）.

TK730.3+23

A

1672-5387（2016）11-0006-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.11.002

2016-09-07

楊潔冰（1990-），男，助理工程師，從事水電站運行工作。