運行工況對水輪機轉輪裂紋影響分析

雷明川

摘 要：某電站自投產以來，機組系統調壓任務重，長時間處于低負荷運行狀態，在歷次4臺機組的檢修中均發現轉輪葉片有貫穿性裂紋。裂紋的處理不僅影響檢修工期，更影響水電站的正常穩定運行，大大降低了電站的經濟效益。為此，分析了機組在低負荷和額定負荷工況時轉輪和尾水管錐管壓力脈動情況。結果表明，機組在低負荷工況時壓力脈動明顯高于額定負荷工況，低負荷工況時轉輪和尾水管錐管脈動頻率與其主頻一致，是導致轉輪裂紋形成的主要因素之一。

關鍵詞：轉輪；裂紋；壓力脈動

中圖分類號：TK730.3+23 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）26-0004-03

轉輪是水輪機的核心部件，轉輪強度、性能將直接影響機組正常穩定運行。轉輪在運行過程中，受水力作用、泥沙磨損、壓力脈動等綜合影響將產生汽蝕坑、點狀、線狀、面狀缺陷，而對機組運行穩定性影響最大的就是轉輪貫穿性裂紋。如沒有及時發現和處理，有可能會發展到轉輪葉片斷裂，直接使轉輪出現動不平衡，擴大機組運行時的振動和噪音，降低機組安全穩定運行。

造成轉輪貫穿性裂紋的因素有多方面，比如：

（1）由于水力設計因素，致使壓力脈動、振動超標，裂紋極短時間內就會產生；

（2）設計時沒有保證葉片材料的化學成分、機械性能以及承受工作應力的能力符合要求和各部件的倒角沒有適當修圓，臨近表面的連接沒有光滑連續，直接導致應力集中，最終導致葉片本身承受動載荷能力下降；

（3）鑄造缺陷和制造工藝也會影響葉片疲勞強度、較低葉片承受動載荷能力的主要缺陷，將導致缺陷處應力集中，使裂紋產生、擴展；

（4）運行工況，電站投產以來機組系統調壓任務重，長時間低負荷運行會使葉片在交變應力作用下產生裂縫或加劇裂紋的發展，對轉輪造成疲勞損壞，增加了轉輪承受的外應力，從而造成了轉輪葉片的貫穿性裂紋。

（5）多種因素綜合作用，如水輪機軸和發電機軸不同心、水力作用力和磁拉力相互作用使轉輪產生共振，從而加速裂紋的發展。

1 某電站轉輪現狀

某電站裝機單機230MW，經濟運行負荷為140MW～230MW，轉輪采用鑄焊分瓣結構，工地把合并焊接上冠、下環和部分葉片。轉輪標稱直徑6659m，轉輪葉片數為13片。自投產以來，在歷年檢修過程中，都發現4臺機組有不同程度的貫穿性裂紋，最長裂紋達到500mm，如圖1所示。檢修中經常性花費大量時間處理裂紋，不僅影響了檢修工期，更影響了水電站的正常穩定運行，大大降低了電站的經濟效益。并且經常性的打磨焊接裂紋缺陷可能會導致轉輪存在靜不平衡，這樣長期積累影響就會增強機組運行時的振動和噪音，裂紋產生的幾率也就會增加。

從歷次檢修發現的轉輪裂紋情況分析，裂紋斷口光滑、有海灘條帶、無明顯塑性變形，因此可以確定裂紋屬于疲勞性裂紋特征。轉輪出現疲勞性裂紋是由于轉輪的局部結構存在薄弱的環節，如轉輪葉片出水邊無光滑過渡、葉片與上冠之間的角度為銳角，在特定的一些運行工況下（主要是有較高的動應力的低負荷工況）長期運行導致的。作為已投產電站本身來說，我們主要考慮機組的運行工況對轉輪裂紋的影響。運行工況直接影響著機組運行時的振動，而流道內的壓力脈動是機組產生振動原因之一，特別是在低負荷運行時，轉輪內部及尾水管中的壓力脈動特別明顯，在水輪機層、蝸殼進人門和尾水管進人門處能清晰的聽見渦帶撞擊轉輪室、尾水管壁的聲音。長期保持低負荷運行，轉輪處于低頻疲勞狀態，就會在葉片與上冠、下環焊縫熱影響區產生裂紋[1]。文中根據機組歷史運行情況，提取出了機組在100MW和230MW時轉輪和尾水管錐管內的壓力脈動數據，并進行了時域和頻譜分析。

2 不同工況下壓力脈動情況

壓力脈動是混流式水輪機的固有特性，也是混流式轉輪葉片裂紋的主要水力誘因。若脈動壓力的頻率與轉輪整體或葉片的固有頻率耦合則會引發共振，導致葉片加速疲勞開裂[2]。因此分析了機組負荷在100MW和230MW時轉輪上腔和尾水管錐管壓力脈動情況對轉輪裂紋影響。壓力監測點位置如圖2所示。

2.1 時域分析

（1）尾水管錐管壓力脈動，圖3是尾水管錐管壓力脈動時域圖。

（2）轉輪上腔壓力脈動，圖4是轉輪上腔壓力脈動時域圖。

從圖3和圖4可以看出，在低負荷（100MW）時，尾水管錐管、轉輪內壓力脈動幅值明顯比額定負荷（230MW）時的壓力脈動要高，并且波動性更強。在額定負荷時，壓力脈動指標很平穩，對轉輪的影響要小于低負荷工況。為了進一步了解脈動頻率對轉輪的影響，對上述時域圖進行了頻譜分析。

2.2 頻域分析

該電站額定轉速n=100r/min，根據轉輪轉頻公式[3] f轉輪=可得，該電站轉頻為1.667Hz，尾水管壓力脈動頻率f尾水管=，因此f尾水管=0.417～0.833Hz。圖5和圖6是根據現場實測數據得到的尾水管錐管和轉輪上腔壓力脈動頻譜分析圖。

將圖5和圖6數據做對比分析，結果見表1。

從表1中數據可以得出，低負荷時，轉輪上腔和尾水管錐管的壓力脈動主頻與計算值一致，是誘發和造成轉輪裂紋因素之一，并且主頻對應的脈動幅值都比額定工況下的脈動幅值高。低負荷工況下，脈動幅值較大對應的頻率比額定工況分布的多，這與現場在低負荷工況下所聽到的噪音和數據顯示的振動值是一致的。

3 結論與建議

根據時域和頻譜分析可以得出，機組在低負荷工況時壓力脈動明顯高于額定負荷工況，低負荷工況時轉輪和尾水管錐管脈動頻率與其主頻一致，是導致轉輪裂紋形成的主要因素之一；該電站轉輪出現裂紋與機組系統在低負荷工況長期運行時有著直接聯系的。因此在運行和檢修中，建議：

（1）有必要在機組大修時對應力集中等易于產生裂紋的

部位進行無損探傷（超聲波、磁粉探傷）檢查，對發現的缺陷及時處理，把事故消滅在萌芽狀態，保證機組的安全經濟運行。

（2）壓力脈動的產生是由于機組在振動區運行時間較長，建議對機組進行穩定性試驗，確定機組振動區運行時的負荷和經濟運行區。電站應積極聯系調度，使機組長期在經濟運行區運行，電站運行人員應根據調度負荷指令合理分配各機組運行時的負荷。

（3）針對出現裂紋的轉輪，應采用現代科學手段，如數值模擬分析對其進行模擬計算，分析裂紋發生、擴大的機理，為后續轉輪裂紋處理提供理論基礎。

（4）對轉輪進行改造，如將轉輪葉片出水邊修圓處理，在容易出現裂紋的地方進行補強處理[4]。

（5）電站現有的自然補氣裝置如不能滿足補氣要求，應增加強迫補氣裝置。

（6）隨時觀察尾水位變化情況，應保證尾水位在規定范圍內。

參考文獻：

[1]林洪德，張利民.水輪機轉輪裂紋的原因及預防措施[J].工藝與裝備，2013（4）：5-11.

[2]羅偉文，鄭時雄，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（8）：98-100.

[3]何秀華.水泵壓力脈動的類型研究[J].排灌機械，1996（4）：47-50.

[4]梁衛.烏江渡發電廠水輪機轉輪葉片裂紋分析及補強處理[J].貴州水力發電，2010，24（6）：54-57.endprint