楊潔冰，亓　深

（嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 蒼溪 628400）

混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)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(fā)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(jī)使用壽命最主要的三個因素，在水輪機(jī)維護(hù)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(jī)結(jié)構(gòu)新型材料的出現(xiàn)以及制作工藝的提高，電站維護(hù)工作中空蝕方面的問題基本得到解決。隨著水輪機(jī)使用參數(shù)逐漸增加，機(jī)組尺寸和單機(jī)容量相應(yīng)增大，混流式水輪機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性問題也逐漸突出，主要表現(xiàn)在尾水管里襯鋼板撕裂和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋等方面。本文通過相關(guān)實(shí)例，分析并總結(jié)了引起裂紋的主要原因，并為防止裂紋的出現(xiàn)提出了一些建議。

水輪機(jī)；轉(zhuǎn)輪葉片；裂紋

1　裂紋產(chǎn)生的原因

1.1制造質(zhì)量

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪（導(dǎo)葉）嚴(yán)重裂紋，往往導(dǎo)致葉片斷裂事故，威脅著水電站的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(dāng)一部分裂紋現(xiàn)象的出現(xiàn)，本質(zhì)上是水輪機(jī)質(zhì)量問題，比如傳統(tǒng)工藝下的轉(zhuǎn)輪，其葉片的焊接點(diǎn)往往在熄弧、尾部和頭部等部位，在運(yùn)行時極易產(chǎn)生裂紋。后來通過包頭焊的方式，錯開熄弧點(diǎn)和起弧點(diǎn)，裂紋問題基本得到解決。

葉片裂紋的產(chǎn)生主要是由殘余應(yīng)力造成的，由于某些比較大型的混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪焊接處復(fù)雜，其內(nèi)部填充的焊接材料較多，即使對焊接口進(jìn)行熱處理，仍然會保留比較大的殘余應(yīng)力。雖然目前國內(nèi)在殘余應(yīng)力的測量方面的技術(shù)還不夠精確，但焊接轉(zhuǎn)輪處的殘余應(yīng)力較高是公認(rèn)的事實(shí)。我們可以通過仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，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(jī)組，機(jī)組型號HLVS220－LJ－670，單機(jī)275MW，額定流量424.6m3/s，額定轉(zhuǎn)速100 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速175 r/min，最大水頭85.4m，額定水頭73m，最小水頭62.65 m。機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝設(shè)有23個固定導(dǎo)葉、24個活動導(dǎo)葉，活動導(dǎo)葉通過2個液壓直缸接力器操作，由油壓裝置提供壓力。轉(zhuǎn)輪為不銹鋼材質(zhì)，葉片由數(shù)控加工成型，葉片、下環(huán)、上冠用不銹鋼組焊，進(jìn)而加工成轉(zhuǎn)輪。在2014年12月進(jìn)行的1號發(fā)電機(jī)組檢修中，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部部分葉片出現(xiàn)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(jù)分析，亭子口水電站機(jī)組從開機(jī)至停機(jī)過程中，水力脈動與軸系與扭振耦合引起的共振與導(dǎo)葉關(guān)閉過程中機(jī)組存在慣性停機(jī)時，卡門渦引起葉片水彈力共振導(dǎo)致葉片裂紋產(chǎn)生，還有在機(jī)組的不良運(yùn)行工況的誘發(fā)下也是產(chǎn)生裂紋的主要因素。其中的任何一個原因都可導(dǎo)致初始裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展。如果長期不處理會惡化機(jī)組發(fā)電能量，可以通過加補(bǔ)焊與修整出水邊等措施后對焊縫進(jìn)行打磨和拋光。

1.3轉(zhuǎn)輪葉片裂紋分布

裂紋存在的部位是相對有一定的規(guī)律性，混流式轉(zhuǎn)輪主要發(fā)生在：1）葉片與上冠下環(huán)交界處；2）葉片出水邊外邊下部；3）轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水口處靠下環(huán)轉(zhuǎn)彎處；4）葉片背面中部區(qū)域及上冠下環(huán)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(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)輪公稱直徑D等主要參數(shù)的選擇要結(jié)合電站特點(diǎn)。例如水質(zhì)、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍、水頭變幅以及水輪機(jī)的的綜合特性等。渦列頻率可表達(dá)為：

F=（0.18-0.2）W2/δ2

式W2出口相對速度；δ2出口邊厚度。當(dāng)渦列頻率與葉片自振頻率相同產(chǎn)生強(qiáng)烈振動時，容易造成葉片過度疲勞，引發(fā)轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂紋，這就是混流式水輪機(jī)固有的缺點(diǎn)。

2.2控制水輪機(jī)制造的質(zhì)量

在轉(zhuǎn)輪組裝完成后按照規(guī)定進(jìn)行焊接。在焊接完成后進(jìn)行退火熱處理以降低焊接口的殘余應(yīng)力值。對焊縫進(jìn)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(xiàn)。葉片、下環(huán)、上冠和圓弧不可以出現(xiàn)傷痕或鏟磨縮頸。

2.3補(bǔ)氣充分

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

錐管自然補(bǔ)氣法分為兩種，分別為十字架補(bǔ)氣法和錐管壁補(bǔ)氣法。十字架補(bǔ)氣法經(jīng)常用于小型水輪機(jī)，它的優(yōu)點(diǎn)是可以降低壓力脈動，缺點(diǎn)是容易被沖掉或發(fā)生空蝕，難以提高工作效率；錐管壁補(bǔ)氣法利用錐管補(bǔ)氣，但當(dāng)真機(jī)壓力過高時會出現(xiàn)無法吸入空氣的現(xiàn)象。

亭子口水電站發(fā)電機(jī)軸頂部處設(shè)有大軸補(bǔ)氣裝置，采用自然補(bǔ)氣方式；在頂蓋、底環(huán)和基礎(chǔ)環(huán)上預(yù)留強(qiáng)迫補(bǔ)氣的管道，必要時使用（目前暫未投入）。

2.4避振防裂

水輪機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時要承受動應(yīng)力和靜應(yīng)力。有效的減小或避免裂紋的形成或是擴(kuò)大的方式就是在機(jī)組運(yùn)行方式上進(jìn)行優(yōu)化，讓機(jī)組避開強(qiáng)振動區(qū)長時間運(yùn)行，盡量在設(shè)計最優(yōu)工況下運(yùn)行。同時在機(jī)組運(yùn)行中還應(yīng)加強(qiáng)對機(jī)組各部擺度、振動的在線監(jiān)測裝置以及在機(jī)組檢修期時加強(qiáng)對轉(zhuǎn)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(shù)進(jìn)行分析可以獲得葉片最大靜應(yīng)力值。正常工況下整體轉(zhuǎn)輪的最大應(yīng)力值一般在110MPa以下，由于分瓣面處葉片存在附加應(yīng)力，其靜應(yīng)力最大不應(yīng)超過95MPa。在水輪機(jī)運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)輪葉片所承受動應(yīng)力按照性質(zhì)分類可以分為四種：固定葉片和轉(zhuǎn)動葉片相互作用所產(chǎn)生的壓力脈動所形成的動應(yīng)力；超出出力工況下和部分負(fù)荷工況下由渦帶形成的壓力脈動所產(chǎn)生的動應(yīng)力；由于進(jìn)出水流不均勻而產(chǎn)生的動應(yīng)力；卡門渦和葉道渦引起的動應(yīng)力。

亭子口水電站機(jī)組全水頭振區(qū)界定結(jié)論：

綜合分析1號機(jī)組在5個水頭運(yùn)行的試驗(yàn)，1號機(jī)組大致分為4個負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域，即小開度區(qū)、水力振動區(qū)、過渡區(qū)和穩(wěn)定區(qū)（見圖1、表1）。

1）小開度區(qū)是指活動導(dǎo)葉開度較小，導(dǎo)葉出流角與轉(zhuǎn)輪葉片入流角不匹配，水流狀態(tài)不穩(wěn)定，導(dǎo)致水?dāng)[出現(xiàn)隨機(jī)高頻波形。同時，該運(yùn)行區(qū)域機(jī)組效率低，不宜長期運(yùn)行。

2）水力振動區(qū)是指在此區(qū)間，機(jī)組出現(xiàn)明顯的低頻水力振動現(xiàn)象，通頻幅值增大明顯，對機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。

3）過渡區(qū)是指在此區(qū)間依然存在低頻水力振動現(xiàn)象，但已開始漸趨消失，對機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行影響不大。

4）穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)是指在此區(qū)間低頻水力振動現(xiàn)象已完全消失，機(jī)組可長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1　不同水頭下運(yùn)行區(qū)域劃分示意圖

表1　1號機(jī)組試驗(yàn)結(jié)論

運(yùn)行值班人員可根據(jù)當(dāng)前水頭高度與四川省電力調(diào)度控制中心溝通，調(diào)整機(jī)組所帶的負(fù)荷避免在不良工況下運(yùn)行。

3　結(jié)束語

混流式水輪機(jī)葉片裂紋是一個比較普遍的問題，傳統(tǒng)工藝下的水輪機(jī)的“強(qiáng)振區(qū)”比較窄，由于焊接殘余應(yīng)力較低、機(jī)組尺寸小、轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速適中、參數(shù)較低等原因，“裂紋問題”控制得比較好?；炝魇睫D(zhuǎn)輪葉片裂紋出現(xiàn)的原因比較多，其出現(xiàn)的原因主要有高頻壓力、水力彈性振動、導(dǎo)葉出水邊出現(xiàn)卡門渦、補(bǔ)氣不力、脈動大、制造質(zhì)量不高、造型不當(dāng)?shù)?。近幾年，國外一些企業(yè)專門針對混流式水輪機(jī)進(jìn)行了疲勞和動態(tài)應(yīng)力的研究以及壽命和可靠性的研究，提出了降低水輪機(jī)出力負(fù)荷的建議，而現(xiàn)在國內(nèi)在這方面還缺乏研究。根據(jù)以往電站運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)來看，避振防裂是相對有時效性的一種方法，特別是在機(jī)組剛投運(yùn)時期，需要我們對真機(jī)進(jìn)行比較細(xì)致的實(shí)測，收集機(jī)組振動特性的有關(guān)信息，做好避振防裂的相關(guān)工作。

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

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

[3]羅偉文，鄭時雄，黃振峰，等.混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋故障及其原因分析[J].新技術(shù)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(yùn)行工作。