■李偉君 ■興國縣長(zhǎng)岡水庫工程管理局，江西 興國 342400

混流式水輪機(jī)作為反擊式水輪機(jī)的一種類型，其應(yīng)用水頭的范圍極其廣泛，從20m-700m 的水頭均可使用?；炝魇剿啓C(jī)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，其制造以及安裝過程也十分方便，運(yùn)行的過程也較為可靠和安全，此外混流式水輪機(jī)具有較好的運(yùn)轉(zhuǎn)效率以及比較低的汽蝕系數(shù)。這種水輪機(jī)的進(jìn)水部件是具有鋼板里襯的蝸殼，座環(huán)支柱也稱為固定導(dǎo)葉并在轉(zhuǎn)輪四周布置導(dǎo)水機(jī)構(gòu)導(dǎo)葉，座環(huán)支柱具有兩個(gè)非常堅(jiān)固的上環(huán)和下環(huán)且這兩個(gè)環(huán)和蝸殼焊接在一起。導(dǎo)葉軸頸利用襯套支撐在底環(huán)以及固定在頂蓋的套筒之上，襯套一般選用鋼材質(zhì)或者是尼龍材質(zhì)。導(dǎo)葉開度通過導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的兩個(gè)接力器進(jìn)行改變，此外還可以通過控制環(huán)連接的推拉桿傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。

1 混流式水輪機(jī)之轉(zhuǎn)輪概述

轉(zhuǎn)輪是各種類型水輪機(jī)正常運(yùn)行不可缺少的核心部件，其主要功能就是將水能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。而且轉(zhuǎn)輪也在一定程度上直接決定著水輪機(jī)的過流能力強(qiáng)弱、水力效率高低、運(yùn)轉(zhuǎn)工況的穩(wěn)定與否以及汽蝕性能是否良好的關(guān)鍵因素。在實(shí)際操作中，轉(zhuǎn)輪的各個(gè)部分設(shè)計(jì)和制造必須要充分滿足水力設(shè)計(jì)的型線要求，必須要具有高強(qiáng)度且具備較強(qiáng)的抗汽蝕的能力以及耐磨損的性能。根據(jù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪所轉(zhuǎn)換水流能量的形式不同，可以將水輪機(jī)分為反擊式和沖擊式水輪機(jī)兩大類。將水流的位能、壓能和動(dòng)能轉(zhuǎn)換成固體機(jī)械能的水輪機(jī)稱為反擊式水輪機(jī)。根據(jù)轉(zhuǎn)輪區(qū)域水流運(yùn)動(dòng)方向的特征，反擊式水輪機(jī)又可分為軸流式水輪機(jī)、混流式水輪機(jī)、斜流式水輪機(jī)以及貫流式水輪機(jī)。其中混流式水輪機(jī)由于水頭型號(hào)和流量大小的不同，其配備的轉(zhuǎn)輪形狀也存在區(qū)別。一般而言，水頭越高的話轉(zhuǎn)輪的葉片高度就要適當(dāng)減小且長(zhǎng)度要相應(yīng)增加，水流的流動(dòng)在轉(zhuǎn)輪中越加趨于幅向流動(dòng)。隨著水頭高度的降低，轉(zhuǎn)輪的葉片長(zhǎng)度要相應(yīng)變短且高度要逐漸增加，如此水流流動(dòng)的方向就越來越趨于軸流方向。然而，不論是什么形狀的轉(zhuǎn)輪一般都是由轉(zhuǎn)輪上冠、轉(zhuǎn)輪下環(huán)、轉(zhuǎn)輪葉片、上下止漏裝置以及泄水錐和減壓裝置組成。

2 混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)裂紋的原因分析

根據(jù)歷年的相關(guān)資料顯示，混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)裂紋的狀況并不是十分罕見的現(xiàn)象，這種水輪機(jī)投入使用的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)生轉(zhuǎn)輪裂紋是普遍存在的。以我國某地的某一水電站為例，該水電站在投入運(yùn)行使用后的第一次定期維護(hù)中就發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象，在其后續(xù)機(jī)組的定期維護(hù)中同樣發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象，而且此水輪機(jī)投入運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)十年之久，在這十幾年的運(yùn)轉(zhuǎn)期間，水輪機(jī)葉片裂紋的問題從未間斷過，但該水電站的相關(guān)維護(hù)人員并沒有對(duì)此問題進(jìn)行深入研究和采取有效的解決措施，每次的定期維護(hù)中都會(huì)有裂紋現(xiàn)象出現(xiàn)。該水電站所采用的混流式水輪機(jī)的額定功率是582MW，能夠承受的極限功率為612MW，公稱直徑是6257mm，額定的水頭為165m 以及額定的轉(zhuǎn)速是142.9 轉(zhuǎn)每分鐘。轉(zhuǎn)輪采用的是不銹鋼材質(zhì)的，轉(zhuǎn)輪上冠形似圓錐體且上冠上固定均勻分布的葉片，在外圍開幾個(gè)減壓孔，在側(cè)面裝有減壓裝置。葉片斷面為翼形，采用數(shù)控機(jī)床加工，將葉片的厚度控制在188 毫米之內(nèi)。下環(huán)采用具有錐角的直線形，泄水錐采用鋼板焊接的方式，里面空心，下面開口，以便排出通過止漏環(huán)的漏水以及潤(rùn)滑軸承的潤(rùn)滑水。

就目前而言，經(jīng)過觀察和深入分析，導(dǎo)致此水電站混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)裂紋的原因主要由以下幾點(diǎn):

(1)轉(zhuǎn)輪焊接質(zhì)量存在風(fēng)險(xiǎn)。由于混流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪應(yīng)用水頭型號(hào)不同，那么他們的構(gòu)造也就存在區(qū)別，制作的材料以及加工的手法也大相徑庭。在此水電站的轉(zhuǎn)輪主要采取的是焊接結(jié)構(gòu)，即轉(zhuǎn)輪的上冠、葉片以及下環(huán)均采用單獨(dú)鑄造，然后加工焊接而成。雖然此舉具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，節(jié)省了鑄造材料，但是由于鑄件小，形狀簡(jiǎn)單，降低了對(duì)鑄造能力的要求，如此焊接的工作量就會(huì)加大，確保每條焊縫的質(zhì)量以及消除焊接溫度的應(yīng)力等處理可能就不會(huì)很精細(xì)。

(2)轉(zhuǎn)輪變形所致。轉(zhuǎn)輪葉片強(qiáng)度最弱的地方在于出水邊，而分瓣轉(zhuǎn)輪一直會(huì)在出水邊不斷運(yùn)轉(zhuǎn)并對(duì)出水邊產(chǎn)生難以負(fù)荷的壓力，加之出水邊的汽蝕能力最差，所以在壓力和汽蝕的雙重影響下轉(zhuǎn)輪葉片很容易出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。

(3)超負(fù)荷運(yùn)行的影響。水輪機(jī)組投入運(yùn)行之后，一般為了追求經(jīng)濟(jì)效益而忽視其正常的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間和定期維護(hù)，那么整個(gè)機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間就很容易超出其自身所能承載的負(fù)荷量，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片的受損，甚至出現(xiàn)裂紋。

(4)尾水管壓力的影響。水輪機(jī)在整體運(yùn)行的過程中，尾水管必然會(huì)出現(xiàn)渦帶，其出現(xiàn)一定會(huì)對(duì)水流產(chǎn)生影響并產(chǎn)生一定的脈動(dòng)壓力，這種壓力會(huì)傳到轉(zhuǎn)輪葉片上進(jìn)而對(duì)葉片引發(fā)共振導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂紋［1］。

3 混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋的預(yù)防措施

轉(zhuǎn)輪的良好運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)水輪機(jī)機(jī)組的整體運(yùn)轉(zhuǎn)意義顯著，因此必須要盡力保證轉(zhuǎn)輪的平滑，出現(xiàn)裂紋之后也應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行修復(fù)或者是更換，在今后的定期檢修和維護(hù)中可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行努力:

(1)在最初的選用材質(zhì)上就要小心謹(jǐn)慎，應(yīng)盡量選擇不銹鋼材質(zhì)的材料進(jìn)行焊接，因?yàn)椴讳P鋼的焊接具有高塑性。

(2)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，混流式水輪機(jī)也進(jìn)行了技術(shù)方面的改進(jìn)和創(chuàng)新，使得水輪機(jī)中的水流運(yùn)轉(zhuǎn)較為穩(wěn)定，但是還是不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)脈動(dòng)壓力幅值，因此在今后的水輪機(jī)改善之中應(yīng)該結(jié)合本地水電站的運(yùn)轉(zhuǎn)特征，具體問題具體分析，選取合理且科學(xué)的設(shè)計(jì)方案和運(yùn)行規(guī)劃。

(3)超負(fù)荷的工作運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片造成極大的損害，因此，在今后的運(yùn)行中應(yīng)按照正常且合理的運(yùn)轉(zhuǎn)方式和運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行控制，不要讓轉(zhuǎn)輪的葉片受到自身所不能承載的壓力和工作負(fù)荷。

(4)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)裂紋予以及時(shí)解決固然重要，但是當(dāng)前并沒有十分有效的監(jiān)測(cè)手段，因此最為重要的是日常的預(yù)防，也就是說要十分重視對(duì)水輪機(jī)的定期監(jiān)測(cè)和維護(hù)，隨時(shí)發(fā)現(xiàn)問題隨時(shí)解決問題。同時(shí)對(duì)裂紋進(jìn)行修復(fù)時(shí)應(yīng)該采取徹底的解決辦法，對(duì)于十分嚴(yán)重的裂紋狀況就要采取專業(yè)化的處理方式，改善轉(zhuǎn)輪葉片的受力幅度，確保修復(fù)之后不會(huì)再次出現(xiàn)裂紋。

4 結(jié)束語

綜上所述，混流式水輪機(jī)的廣泛應(yīng)用伴隨的是轉(zhuǎn)輪葉片穿線裂紋的現(xiàn)象屢見不鮮，進(jìn)而導(dǎo)致整體機(jī)組的運(yùn)行出現(xiàn)障礙，甚至在很大程度上影響著水電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。與此同時(shí)，水輪機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)于機(jī)組的整體安全十分重要，而轉(zhuǎn)輪作為機(jī)組安全運(yùn)轉(zhuǎn)的核心部件之一，其損壞必然會(huì)對(duì)機(jī)組整體順利運(yùn)行帶來阻礙作用。因此，在廣泛采用混流式水輪機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的時(shí)候，必須要對(duì)轉(zhuǎn)輪裂紋的問題予以高度關(guān)注并及時(shí)采取有效的應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行修復(fù)，此舉既是對(duì)水電站安全運(yùn)營(yíng)的保障，同時(shí)也是出于對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的考慮［2］。

［1］陽新峰.大型混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋原因分析及對(duì)策［J］.四川水力發(fā)電，2013，32(zl):169 -174.

［2］魏瑞秀.混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋原因及預(yù)防措施的探討［J］.山東工業(yè)技術(shù)，2014，(3):15 -16.