灯泡贯流式水轮机转轮室裂纹分析及改善方法

李俊娜

（浙江富春江水电设备股份有限公司，浙江 杭州311121）

灯泡贯流式水轮机自引入我国以来，以其投资少，过流能力大，运行效率高，运行性能稳定，建造周期短等优势，迅速发展起来。现在运行的灯泡贯流式水轮机如红花、凌津滩、金银台、新政、水口、百龙滩、株溪口、桃源、尼那等多个电站转轮室均出现了问题，电站业主及水轮机厂家均受轮室裂纹问题困扰。经过对多个电站转轮室裂纹问题的了解，现对转轮室裂纹问题进行分析，并提出改善方法，供参考。

1 转轮室裂纹成因分析

根据多个电站转轮室的裂纹现象分析，转轮室裂纹的产生与以下4个因素有关。

（1）时效作用

各电站在水轮发电机组运行5、6年以上转轮室出现裂纹。由于转轮室内部水压随负荷的变化发生变化，且有压力脉动存在，以及开机、停机时，转轮室内压力的急剧变化，使转轮室承受交变应力。随着运行时间的增加，长期承受较复杂的交变应力，在应力超过水中疲劳强度时，逐渐产生裂纹。由于初期不能发现细小裂纹，直到目视可见时，往往裂纹已经延伸到母材。

（2）结构件应力集中作用

贯流式水轮机转轮室为悬臂结构，支撑点在转轮室的上游侧，导致转轮室尾部振动较大。转轮室尾部的结构各有差异，尾端材料也有不同，但转轮室裂纹大多出现在转轮室尾端合缝法兰和转轮室母材焊接的位置。部分转轮室尾端有焊接大法兰结构的，裂纹往往从尾部法兰、合缝法兰及母材的组合焊缝开始，延伸至母材。组合焊缝处应力集中不可避免，超过疲劳极限处先产生裂纹。

（3）转轮室振动过大

灯泡贯流式水轮机转轮室不埋入混凝土，且为悬臂结构，机组运行中振动不可避免。早期的电站转轮室没有测量振动的装置，对转轮室振动情况不了解，近期建造的电站转轮室上安装有测振动装置，但没有明确的规范标明转轮室振动测点的安装位置和振动标准范围，各电站振动测点安装位置五花八门，测量数据没有可参考性，转轮室的振动也不作为考核电站稳定性的指标。在转轮室振动增大和发更多电量冲突时，电站一般会选择多发电。这样往往会造成转轮室长时间内振动偏大，进而引起转轮室的裂纹问题。

（4）超出运行范围运行

灯泡贯流式水轮机大多为径流式水电站，受自然流量的变化影响很大，电站有通航、供水、旅游等考虑，水头的变化范围很大。电站大多都会存在超过运行范围运行的情况，如低于最低水头，加大导叶开度发电，高于最高水头又不能泄流太多带小负荷运行等情况。流道内水流态不稳定，水力原因引起的振动就会加剧，加速转轮室裂纹的产生。

2 提高转轮室寿命的改善方法

从以上4点分析可以看出，提高转轮室的使用寿命，需从提高疲劳强度，增加表面强度、改进结构设计、优化选型、避开振动区域运行这5个方面考虑。

（1）提高疲劳强度

针对转轮室结构特点，提高疲劳强度主要从减缓应力集中，提高表面质量两方面着手。减少应力集中主要是减少焊缝数量，即尽量少拼板，尽量避免和减少T形和十字形焊缝。组合焊缝均要求清根焊透，做UT检查，提高焊缝质量。根据裂纹的位置，提高表面质量主要考虑对转轮室尾部的组合焊缝表面进行处理，角焊缝打磨出圆角，且表面打磨光滑。

（2）增加表面强度

众所周知，构件表面粗糙度对构件疲劳影响较大。新装转轮室内表面全部为金加工表面，随着运行时间增加，转轮室内表面会产生气蚀，气蚀孔和气蚀后的粗糙表面会严重影响转轮室疲劳性能。为防止气蚀，转轮室内表面可涂覆具有高耐磨损性的涂层。转轮室表面涂层工艺要求高，具有涂覆技术的厂家不多，费用高，且有效保护时间短，故此方法暂时采用较少。

（3）改进结构设计

转轮室的裂纹是长期振动，反复应力导致疲劳的产物，结构设计可考虑增加构件刚性，减小振动，以增加转轮室的使用寿命。改进结构设计主要从以下几个方面来考虑。

1）减小转轮室的悬臂长度。目前灯泡贯流式水轮机转轮室上游侧与外导环下游侧用螺栓连接，销钉定位，转轮室尾部沿径向与伸缩节法兰之间有O型密封条，密封条有压缩余量，允许转轮室尾部在径向扩张和收缩。这样转轮室形成了以上游端部法兰固定的悬臂结构，悬臂越长，则振动越剧烈。在满足转轮吊装要求的前提下，尽量缩短转轮室的悬臂长度，可有效减小转轮室的振幅。

2）转轮室主体外侧增加筋板。目前，转轮室主体多采用防气蚀性能较好的S135钢板，压模成型，焊接成结构件。钢板压型受到板厚的制约，厚度超过75 mm，钢板压型就容易产生裂纹。为了增加转轮室的刚性，转轮室主体外侧焊接筋板是行之有效的方法。灯泡贯流式水轮机水头低，转轮室的平均应力都比较小，影响转轮室寿命的主要是径向振动引起疲劳而破坏。转轮室主体外侧轴向筋板对转轮室径向刚性效果不是太好，但可以增加转轮室的整体刚性，增加环向筋板的数量可以明显增加转轮室的径向刚性，经有限元分析比较，环向筋板的厚度和径向高度对转轮室的刚性影响明显，增加环向筋板的高度以增加刚性更经济。环向筋板上面再加焊圆筒使环向筋板成T型结构，转轮室可具有更高的径向刚性。

3）结构设计细节优化。转轮室结构设计时注意一些细节设计，会有助于提高转轮室的寿命。如转轮室尾部采用厚板，合缝面法兰螺栓靠近转轮室本体，合缝面把合螺栓做成双排螺栓，合缝法兰螺栓靠近尾部，合理设计螺栓预紧力等。

4）有限元分析转轮室振动特性，结构设计中注意改善。随着科技的发展，有限元分析方法逐渐应用于水轮机发电机组的结构设计。水轮发电机组运行中，转轮室的激励源，如压力脉动，转轮室与叶片间隙的不均匀性，空化等，都会对转轮室的振动特性有影响。结构设计中根据水力性能加载激励源，分析振动特性，根据分析结果，局部改善结构，以减小振幅和振动频率。

（4）优化选型

水轮机选型时，选择单位流量高，转轮直径小的转轮可以节约成本，但如果设计工况偏离最优点较远时，就有可能产生转轮室振动大的问题。目前还没有很好的办法来解决已发电机组的转轮室振动问题。所以水轮机选型时应该选择合理的转轮直径，且多了解运行机组的真实情况，优化选型。

（5）避开振动区域运行

水轮发电机组在设计工况附近运行，既可以得到高电量，也可以减小振动。多台机组的电站根据电网要求和电站水头情况，可适当选择运行机组的台数获取更好的运行工况，避开振动区域。尽量在运行范围以外不运行，或减少运行时间。

3 结束语

转轮室为灯泡贯流式水轮机的主要部件，增加转轮室的使用寿命，可以减少灯泡机的检修量，加长检修周期，提高机组的运行可靠性及使用寿命，有效提高电站的经济效益。从技术和经济两方面看，转轮室使用寿命问题有必要做深入研究及改进。