抽水蓄能机组转轮的疲劳寿命预估方法研究

高冠群，郭　磊，张　鑫

(1.河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北 石家庄　050300;2.南昌工程学院，江西 南昌　330099)



抽水蓄能机组转轮的疲劳寿命预估方法研究

高冠群1，郭磊2，张鑫1

(1.河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北 石家庄050300;2.南昌工程学院，江西 南昌330099)

摘要：影响抽水蓄能机组转轮疲劳寿命的主要因素包括平均应力、应力集中、尺寸因数、表面状态等.以张河湾抽水蓄能电站机组等为例，用MSC Fatigue专业疲劳计算软件进行实例分析，并依据疲劳计算得出的疲劳损伤数据和日常运行参数，对该蓄能电站机组转轮年度运行寿命折损进行分析，得出制造、运行、检修等方面的结论.

关键词：抽水蓄能机组；转轮；疲劳寿命；运行折损

截止2015年底全国在运的大型抽水蓄能机组已逾百台，而且电网公司在中短期规划中还将陆续开工20个抽水蓄能项目，总装机容量约2 655万kW.抽水蓄能技术由于洁净环保、运行灵活、反应快速，在系统中具有调峰填谷、调频调相、事故黑启动等功能，被越来越引起重视[1]，并且随着我国社会对环保意识的唤起和对新能源开发利用的深入，大型抽水蓄能电站的建设在我国中远期水电开发规划中还将占据很大比重.所以掌握蓄能机组关键部件寿命折损显得尤为重要.

可逆式水泵水轮机是抽水蓄能机组的重要机械设备，转轮是其核心部件.由于蓄能机组较之常规水电机组工况转换频繁、水头高、过渡工况更复杂[2]，势必会对转轮带来更大的疲劳损伤.为提高机组的健康水平，因此研究和掌握抽水蓄能机组转轮的疲劳失效规律，用于指导在运电站制定优化的运行方案、合理的维护保养周期，有针对性的转轮检修项目已是投运抽水蓄能电站亟待研究的课题.本文主要分析总结了基MSC Fatigue疲劳分析软件的蓄能机组转轮疲劳寿命预估方法以及结合机组运行实际数据的后续分析方法.

1影响转轮疲劳寿命的客观因素[3-6]

1.1平均应力的影响

由于应力寿命曲线都是根据材料在等幅对称循环载荷下的试验数据总结得出的，所以在应用时需要考虑平均应力的影响，选择Goodman经验公式.

式中，Sa—应力幅值；Se—为等效应力幅值；Sm—平均应力；Su—材料强度极限.

1.2应力集中影响

应力集中对疲劳强度的影响极大，并且是各种影响因素中起主要作用的因素，它大大降低了零构件的疲劳强度.应力集中降低疲劳强度的作用可以用疲劳缺口系数来表征.疲劳缺口系数Kf为光滑试样的疲劳极限与净截面尺寸及加工方法相同的缺口试样疲劳极限之比，Kf一般取值在1.5～3之间.

1.3尺寸影响

试样和零件的尺寸对其疲劳强度影响也很大.一般说来，零件和试样的尺寸增大时疲劳强度降低.这种疲劳强度随零件尺寸增大而降低的现象称为疲劳的尺寸影响，亦称为尺寸效应.尺寸效应的大小用尺寸系数CSIZE来表征.定义为：当应力集中和终加工方法相同时，试样或零件的疲劳极限与几何相似的标准尺寸试样的疲劳极限之比，尺寸系数的值一般在0.5～1之间.

1.4表面状态的影响

疲劳裂纹源通常萌生于试件表面，这是因为外表面的应力水平往往最高，外表面的缺陷往往也最多，另外，表面层材料的约束小，裂纹容易萌生.因此零部件的表面状况对其疲劳强度有着显著的影响，其影响程度用表面敏感系数CSUR来表示.

通常，材料的疲劳强度或疲劳寿命是由标准光滑试件得到的，在用此数据估算零部件的疲劳强度或疲劳寿命时，需要做表面敏感系数的修正.因为绝大多数结构或机械的疲劳关键部位往往就是应力集中部位，进行表面敏感系数的修正时要注意表面状况的对应.机械加工的零部件其表面敏感系数在0.9～1之间，通常取值0.9.

1.5综合影响参数K

由于应力集中、尺寸因数、表面状态对疲劳强度的影响都是以比例形式表示，所以，

规定综合参数K，整体表示集中影响因素：

综合前述各个参数的取值范围，从工程经验分析K的合理取值范围为1.5～6.7之间.

2张河湾抽水蓄能电站机组转轮疲劳寿命预估方法

2.1蓄能机组转轮在稳定运行期间的疲劳寿命预估

使用MSC Fatigue专业疲劳计算软件进行疲劳寿命预估，需要先对转轮做静力学分析，从中得到危险点位置和应力特点，得到不同工况下的动应力均值和动应力双幅值.再将不同工况下的应力计算结果导入MSC Fatigue专业疲劳计算软件中进行计算分析.本文疲劳寿命预估所需要的某大型抽水蓄能机组动应力谱直接引用厂内试验所得数据(见表1).

表1　某蓄能电站机组不同工况下的动应力均值和动应力双幅值表

将表1水轮机工况4下的应力计算结果导入MSC Fatigue专业疲劳计算软件中，根据工程计算经验取K值为2，进行疲劳计算.转轮材料的强度极限为780 MPa，疲劳极限为210 MPa.计算[7-8]得到该蓄能机组在工况4下转轮的对数疲劳寿命分布云图(见图1).

图1　该蓄能机组在水轮机工况4下转轮的对数疲劳寿命分布云图

由图1可知，转轮的初始裂纹位于叶片进水边与上冠交接处，其对数寿命LL为6.42(图中红色区域为应力集中的易损区域)，由于疲劳计算中载荷谱选定5个转轮周期，将各参数引入转轮的稳定运行疲劳公式，于是转轮的疲劳寿命为：

FL=5T×10LL=5×0.18×106.42(s)=657.6h即该台蓄能机组在出力75 MW稳定运行657.6 h后，在转轮的叶片进水边与上冠交接处会发生疲劳裂纹.

同理可以软件疲劳计算得到该大型抽水蓄能机组其他工况的疲劳寿命(见表2).

表2　该蓄能机组在稳定运行工况下转轮的疲劳寿命计算结果

2.2机组转轮在过渡工况期间的疲劳寿命预估

用同样的方法，将水轮机开机过渡工况应力和应力幅值计算结果导入MSC Fatigue专业疲劳计算软件中，根据工程计算经验取K值为2，进行疲劳计算.转轮材料的强度极限为780 MPa，疲劳极限为210 MPa.计算得到该蓄能机组在水轮机开机过渡工况下转轮的对数疲劳寿命分布云图(见图2).

由于开、关机过程的计算以每次开、关机的应力谱作为时间历程，从水轮机开机过程转轮的对数疲劳寿命云图得出转轮的对数疲劳寿命LL为4.32(图中红色区域为应力集中的易损区域)，于是：

FL=10LL=104.32(次)=20 893(次)

即该台蓄能机组在水轮机开机20 893次就会产生疲劳裂纹.

其他过渡工况过程中转轮的疲劳寿命计算方法和使用的分析软件与水轮机开机工况一样，在这里就不累述，计算结果(见表3).

图2　该蓄能机组水轮机开机过程转轮的对数疲劳寿命云图

工况转轮疲劳寿命/次发电工况开机20893发电工况停机30903抽水工况开机4266抽水工况停机4266

3张河湾抽水蓄能电站机组转轮年度运行寿命折损分析

3.1折损分析所需支持数据

寿命折损分析的基础参数是：(1)机组某一个时段的运行总次数、运行总时长；(2)该台机组的暂态工况、各个稳态运行工况的疲劳寿命计算结果.本次分析基于华北网管辖某大型抽水蓄能电站2014年全年机组运行相关参数.

3.2重点工况遴选

表2发电工况的9个工况中，工况4、工况5、工况6，因为转轮疲劳寿命太低，为了保护机组转轮，提高机组整体寿命，该蓄能电站发电最低工况设置为75 MW,且要求调度负荷单机不小于150 MW，既不允许机组发电工况处于工况4、5、6下运行.

其余六个工况是运行允许工况，为：工况1、工况2、工况3、工况7、工况8、工况9.统计显示工况2、工况3、工况7,为及其常用工况，占比达到网调、省调调度情况的97%以上.

所以分析机组年度疲劳损伤我们只考虑主要和重要因素，将机组发电运行小时数平均分配在工况2、工况3、工况7下进行计算，以此来确定1年内机组的疲劳寿命损伤.

3.32014年度机组运行寿命计算

启动次数：为原始参数；

累计运行小时数：为原始参数；

机组启停一次损伤比重计算方法：(1/启动时转轮疲劳寿命)+(1/停机时转轮疲劳寿命)；

运行一小时损伤比重计算方法：累计运行小时数×3/Σ(重点工况转轮疲劳寿命)

累计损伤比重计算方法：发电年度启停损伤比重+抽水年度启停损伤比重+发电年运行损伤比重+抽水年运行损伤比重

具体计算分析统计(见表4).

表4　该抽水蓄能电站2014年度机组转轮疲劳寿命损伤统计表

4结论

(1)由图1，图2可见，对于抽水蓄能机组来说，无论是稳定运行还是过渡工况，产生应力最大的区域存在于叶片进水边与上冠交接处，所以转轮的初始疲劳裂纹也是会在此部位最先出现，所以在制造期间，需重点加强此部位的结构强度和抗疲劳强度；在日常检查、维护、检修时要着重检查此部位.

(2)分析表2数据，可知该蓄能电站机组在水轮机稳态工况，出力小于150 MW时，转轮疲劳寿命小时数偏小，为提高机组转轮疲劳寿命，该电站宜保证机组出力大于150 MW运行.

(3)分析表2数据，可知蓄能机组抽水工况造成的疲劳损伤大于发电工况的疲劳损伤，开停机过渡工况造成的疲劳损伤大于稳定运行造成的疲劳损伤，抽水方向过渡工况造成的疲劳损伤大于开机方向过渡工况造成的疲劳损伤.上述参数分析后得出的结论完全符合实际运行情况和运维人员的直观感觉.研究成果可以进一步指导日常机组运行，即：①避免短时的启停运行；②抽水工况启动后尽量长时间运行保证上库蓄水量，减少启动次数.

(4)分析表3数据，可知目前影响转轮疲劳寿命的关键因素，是机组启停的过渡工况.但是蓄能机组的功能与定位要求其必须频繁处于过渡工况，所以，如果以后该大型抽水蓄能电站机组启停次数还是保持2014年的强度，那么6～7年后就要在机组大修过程中重点检修机组转轮了，而转轮的大修周期应该定在8年左右为宜.

参考文献：

[1]单锋，王炯.抽水蓄能电站一起灭磁电阻烧毁事故分析[J].浙江水利水电专科学校学报，2011，23(3)：12-14.

[2]张岩雨，王青亚.影响蓄能机组水泵方向启动成功率的因素[J].浙江水利水电专科学校学报，2011，23(2)：31-33.

[3]黄丽华，米毓德.大型混流式水轮机转轮疲劳设计方法的研究[J].机械工程学报，1993，29(1):58-65.

[4]李伟，张礼达.混流式水轮机转轮的疲劳寿命估算方法[J].科学之友，2010,6(4):3-5.

[5]王少波，王正伟，孔德铭,等.混流式水轮机转轮的疲劳寿命研究[J].水力发电学报，2006,25(4)：135-138.

[6]张丽霞.混流式水轮机转轮叶片疲劳裂纹控制研究[D].北京：清华大学材料科学与工程系，2010.

[7]王国军.MSC Fatigue疲劳分析实例指导教程[M].北京：机械工业出版社，2009.

[8]周传月，郑红霞.MCS Fatigue疲劳分析应用与实例[M].北京：科学出版社，2005.

Prediction of Fatigue Life for Pumped Storage Unit Runner

GAO Guan-qun1, GUO Lei2, ZHANG Xin1

(1.Hebei Zhanghewan Pumped Storage Power Generation Co. Ltd., Shijiazhuang 050300, China;2.Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China)

Abstract:Main influential factors on fatigue life of pumped storage power unit runner are stated in this paper, such as mean stress, stress concentration, sizes and surface situations and so on, and the use of MSC professional fatigue calculation software is also described, taking the units in Zhanghewan Pumped Storage Power Station for example. Based on the fatigue damage data and daily operation parameters obtained by the fatigue calculation, the annual operating life loss of the turbine runner units in pumped storage power station is analyzed in detail, and the conclusion is drawn out which has guiding significance to manufacturing, operation and maintenance.

Key words:pumped storage power unit; runner; fatigue life; operating break

收稿日期：2015-10-10

作者简介：高冠群(1979-)，男，黑龙江鹤岗人，工程师，从事蓄能电站生产管理工作.

中图分类号：TV734

文献标志码：A

文章编号：1008-536X(2016)04-0017-05