燈泡貫流式水輪機轉輪室裂紋分析及改善方法

李俊娜

（浙江富春江水電設備股份有限公司，浙江 杭州311121）

燈泡貫流式水輪機自引入我國以來，以其投資少，過流能力大，運行效率高，運行性能穩定，建造周期短等優勢，迅速發展起來。現在運行的燈泡貫流式水輪機如紅花、凌津灘、金銀臺、新政、水口、百龍灘、株溪口、桃源、尼那等多個電站轉輪室均出現了問題，電站業主及水輪機廠家均受輪室裂紋問題困擾。經過對多個電站轉輪室裂紋問題的了解，現對轉輪室裂紋問題進行分析，并提出改善方法，供參考。

1 轉輪室裂紋成因分析

根據多個電站轉輪室的裂紋現象分析，轉輪室裂紋的產生與以下4個因素有關。

（1）時效作用

各電站在水輪發電機組運行5、6年以上轉輪室出現裂紋。由于轉輪室內部水壓隨負荷的變化發生變化，且有壓力脈動存在，以及開機、停機時，轉輪室內壓力的急劇變化，使轉輪室承受交變應力。隨著運行時間的增加，長期承受較復雜的交變應力，在應力超過水中疲勞強度時，逐漸產生裂紋。由于初期不能發現細小裂紋，直到目視可見時，往往裂紋已經延伸到母材。

（2）結構件應力集中作用

貫流式水輪機轉輪室為懸臂結構，支撐點在轉輪室的上游側，導致轉輪室尾部振動較大。轉輪室尾部的結構各有差異，尾端材料也有不同，但轉輪室裂紋大多出現在轉輪室尾端合縫法蘭和轉輪室母材焊接的位置。部分轉輪室尾端有焊接大法蘭結構的，裂紋往往從尾部法蘭、合縫法蘭及母材的組合焊縫開始，延伸至母材。組合焊縫處應力集中不可避免，超過疲勞極限處先產生裂紋。

（3）轉輪室振動過大

燈泡貫流式水輪機轉輪室不埋入混凝土，且為懸臂結構，機組運行中振動不可避免。早期的電站轉輪室沒有測量振動的裝置，對轉輪室振動情況不了解，近期建造的電站轉輪室上安裝有測振動裝置，但沒有明確的規范標明轉輪室振動測點的安裝位置和振動標準范圍，各電站振動測點安裝位置五花八門，測量數據沒有可參考性，轉輪室的振動也不作為考核電站穩定性的指標。在轉輪室振動增大和發更多電量沖突時，電站一般會選擇多發電。這樣往往會造成轉輪室長時間內振動偏大，進而引起轉輪室的裂紋問題。

（4）超出運行范圍運行

燈泡貫流式水輪機大多為徑流式水電站，受自然流量的變化影響很大，電站有通航、供水、旅游等考慮，水頭的變化范圍很大。電站大多都會存在超過運行范圍運行的情況，如低于最低水頭，加大導葉開度發電，高于最高水頭又不能泄流太多帶小負荷運行等情況。流道內水流態不穩定，水力原因引起的振動就會加劇，加速轉輪室裂紋的產生。

2 提高轉輪室壽命的改善方法

從以上4點分析可以看出，提高轉輪室的使用壽命，需從提高疲勞強度，增加表面強度、改進結構設計、優化選型、避開振動區域運行這5個方面考慮。

（1）提高疲勞強度

針對轉輪室結構特點，提高疲勞強度主要從減緩應力集中，提高表面質量兩方面著手。減少應力集中主要是減少焊縫數量，即盡量少拼板，盡量避免和減少T形和十字形焊縫。組合焊縫均要求清根焊透，做UT檢查，提高焊縫質量。根據裂紋的位置，提高表面質量主要考慮對轉輪室尾部的組合焊縫表面進行處理，角焊縫打磨出圓角，且表面打磨光滑。

（2）增加表面強度

眾所周知，構件表面粗糙度對構件疲勞影響較大。新裝轉輪室內表面全部為金加工表面，隨著運行時間增加，轉輪室內表面會產生氣蝕，氣蝕孔和氣蝕后的粗糙表面會嚴重影響轉輪室疲勞性能。為防止氣蝕，轉輪室內表面可涂覆具有高耐磨損性的涂層。轉輪室表面涂層工藝要求高，具有涂覆技術的廠家不多，費用高，且有效保護時間短，故此方法暫時采用較少。

（3）改進結構設計

轉輪室的裂紋是長期振動，反復應力導致疲勞的產物，結構設計可考慮增加構件剛性，減小振動，以增加轉輪室的使用壽命。改進結構設計主要從以下幾個方面來考慮。

1）減小轉輪室的懸臂長度。目前燈泡貫流式水輪機轉輪室上游側與外導環下游側用螺栓連接，銷釘定位，轉輪室尾部沿徑向與伸縮節法蘭之間有O型密封條，密封條有壓縮余量，允許轉輪室尾部在徑向擴張和收縮。這樣轉輪室形成了以上游端部法蘭固定的懸臂結構，懸臂越長，則振動越劇烈。在滿足轉輪吊裝要求的前提下，盡量縮短轉輪室的懸臂長度，可有效減小轉輪室的振幅。

2）轉輪室主體外側增加筋板。目前，轉輪室主體多采用防氣蝕性能較好的S135鋼板，壓模成型，焊接成結構件。鋼板壓型受到板厚的制約，厚度超過75 mm，鋼板壓型就容易產生裂紋。為了增加轉輪室的剛性，轉輪室主體外側焊接筋板是行之有效的方法。燈泡貫流式水輪機水頭低，轉輪室的平均應力都比較小，影響轉輪室壽命的主要是徑向振動引起疲勞而破壞。轉輪室主體外側軸向筋板對轉輪室徑向剛性效果不是太好，但可以增加轉輪室的整體剛性，增加環向筋板的數量可以明顯增加轉輪室的徑向剛性，經有限元分析比較，環向筋板的厚度和徑向高度對轉輪室的剛性影響明顯，增加環向筋板的高度以增加剛性更經濟。環向筋板上面再加焊圓筒使環向筋板成T型結構，轉輪室可具有更高的徑向剛性。

3）結構設計細節優化。轉輪室結構設計時注意一些細節設計，會有助于提高轉輪室的壽命。如轉輪室尾部采用厚板，合縫面法蘭螺栓靠近轉輪室本體，合縫面把合螺栓做成雙排螺栓，合縫法蘭螺栓靠近尾部，合理設計螺栓預緊力等。

4）有限元分析轉輪室振動特性，結構設計中注意改善。隨著科技的發展，有限元分析方法逐漸應用于水輪機發電機組的結構設計。水輪發電機組運行中，轉輪室的激勵源，如壓力脈動，轉輪室與葉片間隙的不均勻性，空化等，都會對轉輪室的振動特性有影響。結構設計中根據水力性能加載激勵源，分析振動特性，根據分析結果，局部改善結構，以減小振幅和振動頻率。

（4）優化選型

水輪機選型時，選擇單位流量高，轉輪直徑小的轉輪可以節約成本，但如果設計工況偏離最優點較遠時，就有可能產生轉輪室振動大的問題。目前還沒有很好的辦法來解決已發電機組的轉輪室振動問題。所以水輪機選型時應該選擇合理的轉輪直徑，且多了解運行機組的真實情況，優化選型。

（5）避開振動區域運行

水輪發電機組在設計工況附近運行，既可以得到高電量，也可以減小振動。多臺機組的電站根據電網要求和電站水頭情況，可適當選擇運行機組的臺數獲取更好的運行工況，避開振動區域。盡量在運行范圍以外不運行，或減少運行時間。

3 結束語

轉輪室為燈泡貫流式水輪機的主要部件，增加轉輪室的使用壽命，可以減少燈泡機的檢修量，加長檢修周期，提高機組的運行可靠性及使用壽命，有效提高電站的經濟效益。從技術和經濟兩方面看，轉輪室使用壽命問題有必要做深入研究及改進。