淺析混流式水輪機轉輪葉片增加強度的可行性

張秉章；高建成

（青海黃河水電公司公伯峽發電分公司，海東810902）

0 引言

公伯峽水電站共安裝5 臺立軸混流式水輪機，型號為HLA801—LJ—580；轉輪為整體轉輪、鑄焊結構，材料為全馬氏體不銹鋼，葉片采用真空精煉鑄造、數控加工，下環用鋼板卷焊。公伯峽水電站首臺水輪發電機組于2004 年投運，投運至今已有16 年時間，設備總體運行情況良好，各機組轉輪葉片裂紋呈現逐年上升趨勢。

1 公伯峽水電站機組參數

1.1 水輪機基本參數

型號：HLA801-LJ-580；最大水頭：106.6m；設計水頭：99.3m；最小水頭：96.7m；額定流量：338.71m3/s；額定轉速：125r/min；額定功率：306MW。

1.2 發電機基本參數

型號：SF300.6-48/13200；額定容量：334000kVA；額定電壓：18000V；額定電流：10713A；功率因數：0.90；飛逸轉速：230r/min。

1.3 現狀介紹

近年來公伯峽水電站水輪發電機組檢修中發現水輪機轉輪葉片上冠、下環處均出現不同程度的裂紋。

2019 年 12 月 03 日，4 號機組 C 級檢修中檢查水輪機轉輪及尾水管湊合節時，發現轉輪有5 個葉片的出水邊上部均出現了不同程度的裂紋，共計6 條，其中轉輪葉片有4 條為貫穿性裂紋，有2 條為淺表性裂紋；尤其是轉輪11#葉片裂紋較嚴重，貫穿性裂紋長度達到430mm。附現場照片（圖1）。

圖1 現場照片

2020 年 2 月 27 日，5 號機組 C 級檢修中檢查水輪機過流部件，對轉輪葉片探傷時，發現轉輪有5 個葉片的出水邊上部均出現了不同程度的裂紋；尤其是轉輪2#、10#葉片裂紋在2018 年4 月份進行的C 級檢修中也出現在相同部位的區域，其中2# 葉片貫穿性裂紋長度達到110mm，并出現氣孔，附現場照片（圖2）。

圖2 現場照片

通過分析2018、2019 年中8 個月份對5#機組承擔的出力分布情況，5#機組有很大一部分時間運行在50MW以下，即轉輪長期在0～40%Pr（Pr 為額定出力）工況運行。水電機組的運行工況不良是轉輪葉片產生裂紋的主要原因之一。近年由于電網結構變化，機組在低負荷（40%Pr）以下運行時間的加長，造成機組運行工況嚴重偏離設計時的連續穩定運行區域，運行工況對葉片產生裂紋的影響主要反映在不同水頭、不同負荷下，葉片承受的動載荷不同，若構件所承受的動應力幅值超過了材料本身的疲勞極限，則極易導致疲勞裂紋的出現。與此同時，若動載荷幅值過大，會加速裂紋的出現。水輪機葉片的動載荷主要來自于水流的沖擊力，因而在循環應力幅中，拉應力時疲勞裂紋萌生和擴展的主要因素。水輪機運行在極小負荷區及強渦帶區時，葉片承受的動應力較大，水輪機在不合理的工況下運行還可能與機組不穩定運行的其它因素疊加，加速裂紋的形成和發展。

考慮到公伯峽電站機組轉輪葉片貫穿性裂紋對轉輪工況、壽命的影響，電站多次組織專家到現場，實地查看了轉輪裂紋的情況，并出具了《公伯峽水輪機組轉輪裂紋分析報告》，其中建議在葉片上冠側、下環側出水邊應力集中處補焊三角塊來實現加強轉輪葉片的強度，其可降低應力集中對轉輪的影響，有效起到延緩裂紋產生的作用，防患于未然。

2 補焊三角塊來實現增加轉輪葉片強度可行性論證

由公伯峽電站4#、5#機組轉輪裂紋情況可初步判斷，機組長期在低負荷運行是造成葉片裂紋的一個主要因素。在今后若機組延續在低負荷運行工況運行，轉輪裂紋將呈逐年加劇的趨勢。裂紋長度逐漸加長，裂紋形式由淺表性裂紋向貫穿性裂紋發展，長此以往將造成機組效率下降、振動加劇，威脅機組安全穩定運行。因此，尋求有效延緩轉輪裂紋的措施勢在必行，通過增加轉輪葉片出水邊加裝三角塊增加葉片強度的措施需進一步研究。

2.1 補強三角塊電站原理示意

圖3 是葉片出水邊補強三角塊的形狀示意圖，補強三角塊原理是限制水輪機在各運行工況下轉輪的動態應力幅值。限制動態應力幅值的一個主要措施即為降低靜應力水平。轉輪在不發生共振的條件下，根據應力與水頭成比例的關系，壓力脈動ΔH/H 動靜應力比Δσ/σ 也基本成線性關系，如果降低靜應力水平同樣也相當于降低了動應力的幅值，這也是近年來很多電站轉輪出現裂紋后常采用的降低靜應力水平來處理的主要原理。具體的措施是優化轉輪的結構尺寸、適當加厚局部區域的尺寸，在出水邊施焊加裝降低應力三角塊。

2.2 空間可行性

公伯峽電站水輪機轉輪葉片形式屬于較老式葉片，葉片整體跨度不是很長，在轉輪葉片出水邊上冠及下環區域均存在可以利用的空間來增加補強三角塊。

2.3 靜平衡影響評估

對于現有電站轉輪葉片增加補強三角塊均采用三維建模軟件UG 進行建模，保證三角區域與葉片原有流線的完美過渡。其次，補強三角塊均采用數控精加工，各三角塊間差別微乎其微。但限于現場操作空間及施焊中不同操作者習慣等原因，勢必會引起轉輪一定程度的重量不平衡。眾所周知，轉輪靜平衡是考察力矩影響，補強三角塊力矩半徑靠近轉動中心，因此不會造成大的不平衡。

2.4 已增加補強三角塊案例

小浪底、萬家寨、五強溪、景洪等電站采用的都是施加應力三角塊的方法來增強葉片強度，其靜應力降低了40～50%。圖4 為景洪電站轉輪施加減應力三角塊的結構形式，圖5 為五強溪電站轉輪加焊減應力三角塊的應力分布。李家峽電站改造時，在模型轉輪設計時在葉片出水邊上冠側、下環側均施加減應力三角塊，大大降低了葉片的靜應力。

圖3 補強三角塊尺寸示意圖

圖4 景洪轉輪三角塊

圖5 五強溪轉輪三角塊

表1

萬家寨、小浪底、五強溪、景洪在加裝三角塊后對轉輪葉片出水邊減少裂紋的效果明顯，在其他電站有過增加補強三角塊的成功經驗，根據相關電站反饋轉輪葉片在增加補焊三角塊之后未發現由此引發的轉輪不平衡問題，對機組運行工況未發現任何影響。

3 工程內容

①加裝的三角塊采用三維建模軟件UG 進行建模；②采用數控精加工，減小誤差；③根據檢修條件在轉輪室或者安裝間進行加裝焊接、應力處理；④結合葉片線型進行流線打磨處理。

4 結論

水輪機轉輪是水電站勢能轉換成動能的核心部件，轉輪結構設計、制造、安裝、運行、維修質量決定水輪機整體性能，利用機組檢修A/B/C 級期間，在水尾管內搭設腳手架，在轉輪室內進行應力三角塊的加裝工作，減緩轉輪葉片裂紋的產生，實現水輪機安全穩定運行，縮減檢修工期，提高機組利用小時，創造經濟效益。