大型水轮机转轮动应力现场测试研究

邓 斌，魏 夏

（国网新源控股有限公司，北京市 100761；国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161）

大型水轮机转轮动应力现场测试研究

邓 斌1，魏 夏2

（国网新源控股有限公司，北京市 100761；国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161）

近年来，大型水轮发电机组不断地投入运行，随着机组尺寸的增加以及结构上的偏薄设计，水轮发电机组转轮裂纹问题已成为困扰水电站安全稳定运行的一个重要问题。本文利用动应力测试系统开展水轮机真机转轮在不同运行工况下动应力特性的现场测试，结合转轮动应力现场测试结果，分析引起水轮机转轮裂纹的主要原因，并提出了处理措施。研究结果为研究分析机组稳定性状况和转轮叶片产生裂纹的原因提供技术依据。

水轮机；转轮；动应力；裂纹

0 引言

随着水电工程建设的高速发展，机组容量和尺寸的逐步增大，机组相对强度下降，机组关键部件的裂纹问题逐渐突显，成为影响国内外大型水力发电厂安全运行的主要问题之一［1］。为提升水轮机运行寿命，减少转轮叶片裂纹的概率，本文研究了水轮机转轮叶片动应力现场测试技术，并对转轮裂纹问题进行深入研究及讨论。

论文选取某水电站一台大型轴流式水轮机，该水电站总装机容量630MW，单机容量105MW，共6台，选用ZZ440A-LH-750水轮机，SF105-66/12800型发电机。水轮机主要参数见表1。

表1 水轮机主要参数Tab.1 Main parameters of turbine

续表

该水电站自首台机组在调试或运行过程中，曾发生过多次抬机事故，机组转动部分上抬高度为25～29mm，造成水轮机工作密封跳出、接头撕开，集电环碳刷和刷架、励磁引线绝缘的破坏等。后在检修时发现，6台机组水轮机转轮叶片都出现了不同程度的裂纹，有的已非常严重，直接危及机组的安全运行。其中2号机组最为严重，6个叶片均存在不同程度的裂纹。

1 现场测试技术

1.1 转轮叶片固有频率测试

转轮叶片固有频率测试方法采用脉冲激励法即锤击法，对激发力和被激发体的响应进行传递函数分析，以得到被激发体的各阶固有频率。

转轮叶片固有频率测试在空气中进行，测试结果给出的频率值为空气中的固有频率，根据有关文献资料计算结果表明，叶片在水体中的振动主频约为空气中的60%～70%，而振型基本一致。

本次试验选择两个叶片（2号和6号）进行了叶片固有频率测试，响应测点的布置见图1。

图1 位移传感器的安装Fig.1 Installation of displacement sensors

1.2 转轮叶片应力测试技术

转轮叶片应力测试方法采用电阻应变测量法，通过测量叶片应变值，经计算得到叶片的平均应力和动态应力。

（1）叶片应力测点布置。电阻应变片布置在两个叶片上（2号和6号），每叶片布置8点，共16点。根据电站转轮叶片出现裂纹的情况，将电阻应变片布置在裂纹产生的叶片出水边侧R450扇区处的正、背面上。图2为2号叶片正面应变片的布置情况。

（2）叶片应力测试方法。转轮叶片应力测试方法采用电阻应变测量法，通过测量叶片应变值，经式（1）计算得到叶片的平均应力和动态应力。

式中：σ——计算得出的应力值，MPa；

ε——试验测得的应变值，μm/m；

E——材料的弹性模量，E=2.1×105MPa。

测试装置采用多通道应变采集系统，最高采样速率30kS/s，内置可编程滤波器、桥路、低电压增益等，可进行1/4桥、半桥和全桥的应变测量。应变采集系统采用16Ah蓄电池对其进行供电，利用两个计时器控制应变采集系统的供电和数据采集。

整个测试装置密封后安装于转轮泄水锥中，应变片输出信号通过信号线直接与应变信号采集仪连接。测试过程中，采集的数据直接存储于可移动CF存储卡中，试验结束后取出CF存储卡，读取试验采集数据。

图2 叶片正面应变片的布置Fig.2 Layout of strain gauge in front of the runner

2 试验内容与工况

试验项目和试验工况见表2。

表2 试验项目和试验工况Tab.2 Test items and conditions

3 试验结果

3.1 转轮叶片固有频率测试结果

2号机组转轮叶片固有频率共测试了2号和6号两个叶片，测试结果（转轮叶片前18阶固有频率）见表3，其中前5阶按位移传感器测量结果给出，后13阶按加速度传感器测量结果给出。

表3 2号机转轮叶片固有频率测试结果Tab.3 Test results of natural frequeney of runner blade of Unit 2

3.2 叶片静应力试验结果

2号叶片各测点的静应变值（平均应变值）与负荷的关系曲线见图3，各测点在不同负荷下的平均应变值统计见表4，实测叶片最大平均应变值为87μs，发生在机组满负荷工况（86.83MW），叶片背面距出水边450mm、距叶片外圆100mm的SG8测点，换算到平均应力值（静应力）为拉应力18.2MPa（材料的弹性模量E按210GPa计算）。

从图3中可看出，SG1、SG7、SG8的静应力在空载时为拉应力，其中SG1和SG8的静应力随负荷的增加拉应力增大，在机组满负荷时为最大，SG7的静应力随负荷的增加拉应力降低。SG2、SG3、SG4、SG5、SG6的静应力在空载时为压应力，其中SG2、SG5、SG6的静应力随负荷的增加压应力增大，在机组满负荷时为最大，SG3和SG4的静应力随负荷的增加压应力降低，在满负荷时为拉应力。从数值上看，各测点实测的应变值都不大，说明在测点布置的部位叶片的静态变形量不大。

表4 2号平均应变值与机组有功功率统计表Tab.4 Statistical table of the average strain value and active power of Unit 2

图3 转轮平均应变值与机组有功功率的关系Fig.3 Relationship between the average strain value and active power

3.3 叶片动应力试验结果

各测点叶片动应力混频幅值（97%置信度）、脉动主频与机组有功功率的关系曲线见图4和图5。

叶片各测点动应力混频幅值随负荷变化的规律与尾水管锥管压力脉动变化趋势基本相同，在25～55MW负荷范围内相对较大，实测叶片背面距出水边450mm、距叶片外圆100mm处的SG8测点动应力最大混频幅值为39.4MPa，脉动频率主要集中在226～230Hz和292～230Hz两个区域，约为导叶过流频率的6倍和8倍。其他负荷工况，叶片动应力幅值相对较小。

图4 转轮动应力与机组有功功率的关系（升负荷）Fig.4 Relationship between the dynamic stress and active power(increasing load)

图5 转轮动应力与机组有功功率的关系（降负荷）Fig.5 Relationship between the dynamic stress and active power(decreasing load)

4 转轮叶片裂纹原因分析

（1）机组运行和叶片裂纹情况。根据电站资料，电站转轮叶片裂纹都出现在R450扇区附近，裂纹断口处较光滑，裂纹上下错牙。试验机组为2号机，裂纹最为严重，6个叶片均存在不同程度的裂纹。

根据电站记录，电站机组处于频繁开、停机状态，白天停机，晚上开机，每天运行10h左右，有效运行时间内通常带负荷为40～50MW。

（2）转轮叶片材料分析。转轮叶片材料为ZG00 Cr13Ni6Mo，从叶片裂纹处取下样块，材料化学成分和金相组织分析合格，见表5。

（3）振动原因分析。从试验结果看，引起叶片振动的原因可能有以下两方面因素：

表5 2号转轮叶片材料分析结果Tab.5 Analysis results of runner material of unit 2

1）叶片出水边处的卡门涡频率与叶片的某阶固有频率接近，引起叶片共振。

从叶片固有频率测试结果可以看出，传递函数幅值最大的4阶固有频率分别为510.13、321.53、139.16、372.07Hz。根据相关资料［3］-［5］，对于轴流机组叶片在水体中的振动频率约为空气中的60%～70%，而振型基本一致。如按此估算，则321.53Hz或372.07Hz在水中的频率很可能为228Hz左右。

另外，机组在负荷30～50MW时，机组过流量约200～300m3/s，叶片出水边处平均流速约7～10m/s。当水轮机在此负荷范围运行时，由于流量较小，在离心力的作用下，大部分水流沿叶片外圆区域的叶片流道通过转轮。因此，叶片出水边靠近外圆区域流速要明显高于平均流速，一般可按1.5～2倍进行估算，则叶片出水边靠近外圆区域流速可能在15～20m/s。卡门涡频率可按公式 计算，斯特鲁哈数Sh一般取0.22～0.24，水轮机出水边靠近外圆处的厚度d为16mm，则估算的卡门涡频率在200～300Hz，与共振频率基本接近。

2）导叶、叶片过流频率与叶片的某阶固有频率接近，引起叶片共振。

由相邻导叶间流速及压力分布不均匀的水流和转轮相互作用，以及相邻叶片间流道中的流速及压力不均匀都可引起水流的脉动。从试验结果看，在蜗壳进口甚至尾水锥管都可以明显地看到导叶过流频率（24×1.515=36.36Hz），在机组不发生共振的情况下，其还是主频。转轮进口（在内顶盖上测量）大部分工况下脉动主频与叶片过流频率有关（6×1.515=9.09Hz），约为 7.5Hz，为转频的 5倍，其原因是测点处本身以一倍转频在旋转，因此叠加后应该为转频的5倍。根据测试结果分析，对于该水轮机因动静干扰所引起的水流脉动还是比较明显的。

对于导叶过流频率，一般情况下，在转动部件上（如转轮叶片）可以明显地测到，而在固定部件上测量应该不是很明显。对于该水轮机，在蜗壳进口甚至尾水锥管都可以明显地看到存在导叶过流频率的脉动成分，这可能是由于动静干扰引起了叶片振动，从而使水流产生了脉动。

导叶过流频率乘上叶片数6，其频率为218.16Hz（6×24×1.515=218.16Hz），与前面分析的叶片固有频率约228Hz比较接近，非常有可能引发叶片产生共振。

根据以上分析，水轮机在25～55MW负荷范围内，因卡门涡或动静干扰产生的水力激振源，与叶片固有频率相接近，引发叶片局部共振，从而引起叶片产生疲劳裂纹。从测试结果看，实测叶片最大动应力为39.4MPa，其幅值不是非常高，但由于其交变的频率较高，如长时间在此负荷范围内运行，极易引发疲劳破坏，产生疲劳裂纹。因此，认为该水轮机叶片裂纹产生的主要原因是：在25～55MW负荷范围内，叶片局部共振引起的高周疲劳［6］-［7］。

5 结论

本文围绕水轮机转轮叶片裂纹问题开展试验研究与分析，找出转轮出现裂纹的原因。经分析，该水轮机的叶片裂纹主要原因为：在25～55MW负荷范围内，叶片局部共振引起的高周疲劳。

为延长转轮的疲劳寿命，建议对2号机进行试验性处理，将R450圆弧的半径适当加大，同时将靠近外圆区域的出水边厚度适当减薄，消除叶片尾部产生的卡门涡，同时避免机组在不稳定工况区运行［8］。

［1］薛伟，陈昭运.水轮机叶片裂纹原因及预防措施研究［J］.大电机技术，2002.XUE Wei,CHEN ZhaoYun.Study on Blade Cracks of Hydraulic Turbine Runner and Preventing Methods［J］.Large Electric Machine Technology,2002.

［2］苏文涛.大型混流式水轮机模型内部流动稳定性研究［D］.哈尔滨工业大学，2014.

［3］孙志斌.带有缺陷的轴流水轮机叶片的动力特性分析［J］.江西水利科技，2015（2）.SUN Zhi bin.Dynamic behavior analysis of axial-flow turbine blades added dynamic stress［J］,Jiangxi Hydraulic Science& Technology,2015(2).

［4］宋立杰.贯流式水轮机过流部件强度及叶片的疲劳寿命分析［D］.东北大学，2012.

［5］周东岳，祝宝山，上官永红，等.基于流固耦合的混流式水轮机转轮应力特性分析［J］.水力发电学报，2012（8）.ZHOU Dongyue,ZHU Baoshan,SHANGGUAN Yonghong,et.Stress analysis of Francis turbine runner based on fluid-structure coupling［J］.Journal of Hydrelectric Engineering,2012(8).

［6］郑津生，常喜兵，王伦其，等.仙游抽水蓄能电站水泵水轮机设计技术［J］.东方电机，2014（4）.ZHENG Jinsheng,CHANG Xibing,Wang Lunqi,et.For Design of pump turbine for Xianyou pumped storage power station［J］.Oriental motor,2014(4).

［7］孔大明.应用模糊集判断水轮发电机轴承温度升高［J］.水电与抽水蓄能，2016，2（1）：44-49.KONG Daming.Application of Fuzzy Sets to Determine the Increasing Temperature of the Hydroelectric Generation’s Bearing［J］.Hydropower and Pumped Storage,2016,2(1):44-49.

［8］张雷，袁波，汪卫平.立式水轮发电机组轴承油雾的治理［J］.水电与抽水蓄能，2015，1（1）：43-48.ZHANG Lei,YUAN Bo,WANG Weiping.Oil Vapor Treatment of Vertical Hydrogenerator Bearing［J］.Hydropower and Pumped Storage,2015,1(1):43-48.

邓 斌（1981—），男，本科，主要研究方向：水电站技术管理。E-mail：bin-deng@sgxy.sgcc.com.cn

魏 夏（1987—），男，硕士，主要研究方向：水电机组状态评价。

Research of Dynamic Stress Test Runner of Large Turbine

DENG Bin, WEI Xia
(State Grid Xinyuan Company LTD, Beijing, 100761, China; Technology center State Grid Xinyuan Company LTD, Beijing, 100161, China)

In recent years, large-scale hydro units in operation continuously.An important issue which hydro group runner cracks is caused distress Hydropower safe and stable operation with the increase in unit size and thin and structural design.In this article, dynamic stress test system to be used in different operating conditions and the transition process in the dynamic stress characteristic of the field test.Combined with dynamic stress runner field test results, the main reason to be analyzed the reason caused the runner cracks and proposed actions.Technical basis is provided the research and analysis unit stability condition and runner blade cracks.

turbine; runner; dynamic stress; crack

TV743.1

A 学科代码：570.2510

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.010