雷明川

摘 要：某電站自投產(chǎn)以來，機組系統(tǒng)調(diào)壓任務(wù)重，長時間處于低負荷運行狀態(tài)，在歷次4臺機組的檢修中均發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)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(wěn)定運行，大大降低了電站的經(jīng)濟效益。為此，分析了機組在低負荷和額定負荷工況時轉(zhuǎn)輪和尾水管錐管壓力脈動情況。結(jié)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(zhuǎn)輪和尾水管錐管脈動頻率與其主頻一致，是導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪裂紋形成的主要因素之一。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪是水輪機的核心部件，轉(zhuǎn)輪強度、性能將直接影響機組正常穩(wěn)定運行。轉(zhuǎn)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(chǎn)生汽蝕坑、點狀、線狀、面狀缺陷，而對機組運行穩(wěn)定性影響最大的就是轉(zhuǎn)輪貫穿性裂紋。如沒有及時發(fā)現(xiàn)和處理，有可能會發(fā)展到轉(zhuǎn)輪葉片斷裂，直接使轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)動不平衡，擴大機組運行時的振動和噪音，降低機組安全穩(wěn)定運行。

造成轉(zhuǎn)輪貫穿性裂紋的因素有多方面，比如：

（1）由于水力設(shè)計因素，致使壓力脈動、振動超標，裂紋極短時間內(nèi)就會產(chǎn)生；

（2）設(shè)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(yīng)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(xù)，直接導(dǎo)致應(yīng)力集中，最終導(dǎo)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(dǎo)致缺陷處應(yīng)力集中，使裂紋產(chǎn)生、擴展；

（4）運行工況，電站投產(chǎn)以來機組系統(tǒng)調(diào)壓任務(wù)重，長時間低負荷運行會使葉片在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂縫或加劇裂紋的發(fā)展，對轉(zhuǎn)輪造成疲勞損壞，增加了轉(zhuǎn)輪承受的外應(yīng)力，從而造成了轉(zhuǎn)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(fā)電機軸不同心、水力作用力和磁拉力相互作用使轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生共振，從而加速裂紋的發(fā)展。

1 某電站轉(zhuǎn)輪現(xiàn)狀

某電站裝機單機230MW，經(jīng)濟運行負荷為140MW～230MW，轉(zhuǎn)輪采用鑄焊分瓣結(jié)構(gòu)，工地把合并焊接上冠、下環(huán)和部分葉片。轉(zhuǎn)輪標稱直徑6659m，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為13片。自投產(chǎn)以來，在歷年檢修過程中，都發(fā)現(xiàn)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(jīng)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(wěn)定運行，大大降低了電站的經(jīng)濟效益。并且經(jīng)常性的打磨焊接裂紋缺陷可能會導(dǎo)致轉(zhuǎn)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(chǎn)生的幾率也就會增加。

從歷次檢修發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪出現(xiàn)疲勞性裂紋是由于轉(zhuǎn)輪的局部結(jié)構(gòu)存在薄弱的環(huán)節(jié)，如轉(zhuǎn)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(yīng)力的低負荷工況）長期運行導(dǎo)致的。作為已投產(chǎn)電站本身來說，我們主要考慮機組的運行工況對轉(zhuǎn)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(nèi)的壓力脈動是機組產(chǎn)生振動原因之一，特別是在低負荷運行時，轉(zhuǎn)輪內(nèi)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(zhuǎn)輪室、尾水管壁的聲音。長期保持低負荷運行，轉(zhuǎn)輪處于低頻疲勞狀態(tài)，就會在葉片與上冠、下環(huán)焊縫熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋[1]。文中根據(jù)機組歷史運行情況，提取出了機組在100MW和230MW時轉(zhuǎn)輪和尾水管錐管內(nèi)的壓力脈動數(shù)據(jù)，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(zhuǎn)輪葉片裂紋的主要水力誘因。若脈動壓力的頻率與轉(zhuǎn)輪整體或葉片的固有頻率耦合則會引發(fā)共振，導(dǎo)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(zhuǎn)輪上腔和尾水管錐管壓力脈動情況對轉(zhuǎn)輪裂紋影響。壓力監(jiān)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(zhuǎn)輪上腔壓力脈動，圖4是轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪內(nèi)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(wěn)，對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速n=100r/min，根據(jù)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)頻公式[3] f轉(zhuǎn)輪=可得，該電站轉(zhuǎn)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(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)得到的尾水管錐管和轉(zhuǎn)輪上腔壓力脈動頻譜分析圖。

將圖5和圖6數(shù)據(jù)做對比分析，結(jié)果見表1。

從表1中數(shù)據(jù)可以得出，低負荷時，轉(zhuǎn)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(fā)和造成轉(zhuǎn)輪裂紋因素之一，并且主頻對應(yīng)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(yīng)的頻率比額定工況分布的多，這與現(xiàn)場在低負荷工況下所聽到的噪音和數(shù)據(jù)顯示的振動值是一致的。

3 結(jié)論與建議

根據(jù)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(zhuǎn)輪和尾水管錐管脈動頻率與其主頻一致，是導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪裂紋形成的主要因素之一；該電站轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)裂紋與機組系統(tǒng)在低負荷工況長期運行時有著直接聯(lián)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(yīng)力集中等易于產(chǎn)生裂紋的

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

（2）壓力脈動的產(chǎn)生是由于機組在振動區(qū)運行時間較長，建議對機組進行穩(wěn)定性試驗，確定機組振動區(qū)運行時的負荷和經(jīng)濟運行區(qū)。電站應(yīng)積極聯(lián)系調(diào)度，使機組長期在經(jīng)濟運行區(qū)運行，電站運行人員應(yīng)根據(jù)調(diào)度負荷指令合理分配各機組運行時的負荷。

（3）針對出現(xiàn)裂紋的轉(zhuǎn)輪，應(yīng)采用現(xiàn)代科學手段，如數(shù)值模擬分析對其進行模擬計算，分析裂紋發(fā)生、擴大的機理，為后續(xù)轉(zhuǎn)輪裂紋處理提供理論基礎(chǔ)。

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

（5）電站現(xiàn)有的自然補氣裝置如不能滿足補氣要求，應(yīng)增加強迫補氣裝置。

（6）隨時觀察尾水位變化情況，應(yīng)保證尾水位在規(guī)定范圍內(nèi)。

參考文獻：

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