水轮机转轮叶片裂纹成因及处理措施

王伟军

摘 要：就水轮机转轮叶片裂纹产生的原因及处理措施进行了研究，结合工程实例，从制造质量、水力弹性振动等方面分析了水轮机叶片转轮裂纹产生的原因，并根据实践经验，提出了相关的预防措施，为有效控制和减少叶片裂纹提供一定的借鉴。

关键词：水轮机；转轮叶片；裂纹；水力弹性振动

中图分类号：TK730.8 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.106

在水轮机实际应用中，转轮叶片裂纹的频繁产生，不仅对机组安全运行构成很大威胁，也给水电厂带来极大的经济损失。因此，为了防止因水轮机转轮的问題而给水电站的安全、稳定、经济运行带来严重威胁，就需要分析裂纹产生的原因，采取有效的措施预防控制，以降低水轮机转轮叶片裂纹的发生，进而提高水轮机的安全、稳定性，保证机组的安全经济运行。本文论述了转轮叶片裂纹产生原因，并介绍了裂纹处理的主要措施。

1 工程概况

某水电站共有4台混流式机组，机组型号HLVS220-LJ-670，单机275 MW，额定流量424.6 m3/s，额定转速100 r/min，飞逸转速175 r/min，最大水头85.4 m，额定水头73 m，最小水头62.65 m。机组导水机构装设有23个固定导叶、24个活动导叶，活动导叶通过2个液压直缸接力器操作，由油压装置提供压力。转轮为不锈钢材质，叶片由数控加工成型，叶片、下环、上冠用不锈钢组焊，进而加工成转轮。在2014-11进行的1号发电机组检修中，发现内部部分叶片出现轻微裂纹，其裂纹位置均位于上冠熔全线和水边背面上，裂纹从起裂处延伸至叶片母材料，其形状类似抛物线形状，裂纹断口为疲劳特征。

2 水轮机转轮叶片裂纹成因

据分析，该水电站机组从开机至停机过程中，水力脉动与轴系与扭振耦合引起的共振与导叶关闭过程中机组存在惯性停机时，卡门涡引起叶片水弹力共振导致叶片裂纹产生，还有在机组的不良运行工况的诱发下也是产生裂纹的主要因素。其中的任何一个原因都可导致初始裂纹的产生和发展。

综合分析，转轮裂纹产生的原因主要有4方面：①机组选型不当，过分追求机组的超发能力，而忽略了机组在额定工况以外运行区域的稳定范围，导致机组在低负荷运行区域运行时，转轮应力过大，机组存在安全隐患；②转轮在设计阶段已经测算出最大应力在叶片出水边与下环连接部位，在结构设计时未有针对性地采取降低应力的有效措施，导致最大应力点始终存在于叶片出水边与下环连接部位的薄弱环节；③转轮焊接阶段，对焊接质量把控不严，在焊缝处出现气孔、缩颈现象，加剧应力集中；④下导轴瓦瓦托设计不合理，与顶瓦支柱螺栓接触的部位厚度只有5 mm，无法承载轴瓦受力，在运行时发生断裂，导致导瓦间隙变大，使得机组运行时振动、摆度值加大，加剧转轮裂纹的产生。

3 防止裂纹的主要措施

3.1 选型正确

吸出高度H、额定出力P、额定转速n、转轮公称直径D等主要参数的选择要结合电站特点，例如水质、负荷调节范围、水头变幅以及水轮机的的综合特性等。涡列频率可表达为：

F=（0.18-0.2）W2/δ2. （1）

式（1）中：W2为出口相对速度；δ2为出口边厚度。

当涡列频率与叶片自振频率相同产生强烈振动时，容易造成叶片过度疲劳，引发转轮叶片出现裂纹。这就是混流式水轮机固有的缺点。

3.2 优化设计

设计单位在设计时，一方面要考虑提高水轮机的效率，另一方面要考虑尽可能减少压力脉动的现象；在确保水轮机刚度满足要求的情况下，充分考虑静强度的要求，还要避免共振现象发生；适当增加叶片厚度和叶片与上冠、下环焊缝圆弧过渡半径，能尽量地避免应力集中，同时还可采取避开共振区的适当措施，防止叶片出现开裂。

3.3 控制水轮机制造的质量

在转轮组装完成后按照规定焊接。在焊接完成后进行退火热处理，以降低焊接口的残余应力值。对焊缝进行无损检测，保证过流表面光滑，避免凹凸不平和裂纹的出现。叶片、下环、上冠和圆弧不可出现伤痕或铲磨缩颈。

3.4 补气充分

水轮机补气方式主要有2种，即锥管自然补气法和主轴中心孔自然补气法。其中，主轴中心孔自然补气法的补气量大致为0.25%～1%的额定流量，通常要在发电机顶端设置补气阀来避免补气通道堵塞。

锥管自然补气法分为2种，分别为十字架补气法和锥管壁补气法。十字架补气法经常用于小型水轮机，它的优点是可以降低压力脉动，缺点是容易被冲掉或发生空蚀，难以提高工作效率；锥管壁补气法利用锥管补气，但当真机压力过高时，会出现无法吸入空气的现象。该水电站发电机轴顶部处设有大轴补气装置，采用自然补气方法；在顶盖、底环和基础环上预留强迫补气的管道，必要时使用（目前暂未投入）。

3.5 避振防裂

水轮机在运转时要承受动应力和静应力。有效地减小或避免裂纹的形成或是扩大的方式就是在机组运行方式上进行优化，让机组避开强振动区长时间运行，尽量在设计最优工况下运行。同时在机组运行中，还应加强对机组各部摆度、振动的在线监测装置以及在机组检修期时加强对转轮及过流部件的检查和跟踪检查处理。在水轮机运行过程中，转轮叶片所承受动应力按照性质分类可以分为4种：固定叶片和转动叶片相互作用所产生的压力脉动所形成的动应力，超出出力工况下和部分负荷工况下由涡带形成的压力脉动所产生的动应力，由于进出水流不均匀而产生的动应力，卡门涡和叶道涡引起的动应力。

综合分析1号机组在5个水头运行的试验，1号机组大致分为4个负荷运行区域，即小开度区、水力振动区、过渡区和稳定区，如图1和表1所示。

该水电站机组全水头振区界定结论：①小开度区是指活动导叶开度较小，导叶出流角与转轮叶片入流角不匹配，水流状态不稳定，导致水摆出现随机高频波形。同时，该运行区域机组效率低，不宜长期运行。②水力振动区是指在此区间，机组出现明显的低频水力振动现象，通频幅值增大明显，对机组安全稳定运行造成影响。③过渡区是指在此区间依然存在低频水力振动现象，但已开始渐趋消失，对机组安全稳定运行影响不大。④稳定运行区是指在此区间低频水力振动现象已完全消失，机组可长期安全、稳定地运行。

运行值班人员可根据当前水头高度与省电力调度控制中心沟通，调整机组所带的负荷避免在不良工况下运行。通过采取以上措施，该机组运行良好，发电效率也提升到合理的水平。

4 结束语

综上所述，水轮机转轮裂纹缺陷是水电站普遍存在的问题，严重影响着机组整体的安全运行，因而对此类缺陷的检查和处理工作是水电厂的重要工作。水轮机转轮叶片裂纹的产生与设计、制造、运行和材料等因素有关，其出现的主要原因有水力弹性振动、补气不力、脉动大、制造质量不高、造型不当等。为了有效控制和减少转轮叶片裂纹，对裂纹产生的原因进行正确的诊断，并积极采取一些有针对性的预防措施，以避免该问题的发生，有利于确保水轮发电机组的安全、可靠、经济运行。

参考文献

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[2]袁知智，张立超.混流式水轮机转轮裂纹原因及预防措施的探讨[J].城市建设理论研究：电子版，2016（14）.

[3]张荣富.水轮机转轮叶片裂纹的产生原因及对策[J].南方农机，2016，47（3）.

〔编辑：刘晓芳〕