混流式水轮机转轮裂纹原因分析及预防措施

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1、混流式水轮机转轮裂纹原因分析及预防措施混流式水轮机转轮裂纹原因分析及预防措施水轮机转轮，尤其是中、高比速混流式水轮机转轮中的裂纹现象，在世界各地普遍存在。国外的例子有埃及的阿斯旺高坝、美国的大古力700 MW机，俄罗斯的布拉茨克等。国内有岩滩、李家峡、小浪底、五强溪、二滩等大型水电站，在投运后水轮机转轮都不同程度的出现了裂纹。转轮裂纹严重影响电站的安全运行和经济效益，引起人们的极大关注。1转轮裂纹的产生原因转轮为什么会产生裂纹，人们对此做过许多研究，不时地提出一些假设。笔者把转轮裂纹分为规律性裂纹和非规律性裂纹两类。规律性裂纹是指不

2、同叶片上的裂纹具有大体一致的规律，所有叶片都开裂，裂纹的部位和走向也大致相同。非规律性裂纹或者只在个别叶片上发生，或者不同叶片上裂纹的部位、走向和其他特征各不相同。其产生的一般原因分述如下。1.1规律性裂纹失效分析结果表明-绝大多数规律性裂纹是疲劳裂纹，断口呈现明显的贝壳纹。叶片疲劳来源于作用其上的交变载荷，而交变载荷又由转轮的水力自激振动引发，这可能是卡门涡列、水力弹性振动或水压力脉动所诱发。1.1.1卡门涡列(1)黄坛口水电站1958年投运的4台HL310-LJ-230水轮机，运行不久转轮叶片出水边根部即发生总计67条裂纹。后

3、来查明，在某些水头下，当机组出力在5～8 MW时，叶片出水边卡门涡列频率与叶片自振频率耦合而引起共振，动应力急剧增加，使叶片疲劳开裂。采取修整叶片出水边厚度和形状，提高卡门涡列频率，避开了共振，转轮安全运行多年，再没有发生问题。(2)小浪底水电站水头范围68～141 m,额定出力306 MW。水轮机转轮上冠和下环为13.5不锈钢铸件，叶片由13.5不锈钢热模压后数控加工，再用309 L奥氏体不锈钢焊丝焊成整体。由于是异种钢焊接，转轮焊后不进行消除应力处理。为适应电站水头变幅大和多泥沙的运行条件，水轮机供应商采取了低比转速，小的出口直

4、径(D 2／D 1＝0.88),较大的导叶相对高度(b 0／D 1＝0.236),肥大的叶片头部，较厚的叶片出水边(δ=38 mm),喷涂碳化钨和设置筒形阀等技术措施。结果在机组停机过程中，当导叶全关后，由于叶片出水边太厚，转轮中再循环水流所感生的卡门涡与叶片一、二阶弯曲自振频率耦合发生共振，引起巨大动应力并伴生异常声响。在机组大负荷工况下，叶片后的卡门涡列与叶片高阶(五阶)自振频率耦合而引发水轮机固定部件的振动和噪音，叶片上也产生较大动应力。将叶片出水边修薄到7 mm后，上述两种现象均告消除。1.1.2水力弹性振动(1)小浪底水

5、电站最先投运的6号水轮机累计运行1 330h后检查发现-13个叶片出水边近上冠处均发生贯穿性裂纹，裂纹向叶片一侧延伸，走向完全相同，呈不规则抛物线状。起裂点均在焊缝与叶片母材相交处的负压面上，裂纹长度不等，最长达500 mm以上，部分叶片裂纹有分叉。随后投运的5号机仅经调试中的数十次开停机即告开裂，接着4、3号机也都没有幸免。水轮机供应商实测了起动过程中叶片开裂部位的动应力，幅值达±280 MPa,频率为12.75Hz。考虑转轮区域60%的水体质量，固定在推力轴承摩擦面上的轴系一阶扭转自振频率约为13 Hz。因而认为是发电机推力轴承

6、的摩阻过大，轴系的弹性振动诱发了叶片上的高幅动应力。应设置高压油顶起装置减小轴承摩擦阻力来解决叶片裂纹问题。中国专家组认为-起动过程中，由于叶片头部过度肥大，在导叶小开度时的不稳定水流冲击下激起水力弹性振动，其主频恰与主轴一阶扭振重合，引起叶片的高幅动应力。应采取向导叶后补气，加快起动速度，加大起动开度，加强叶片根部以增加其抵抗外力的能力等措施。全面采取这些措施后，起动中的叶片动应力大大减小，加上出水边修薄后，停机过程中和大负荷下动应力剧减，问题得到解决。(2)俄罗斯萨彦水电站实测数据-在起动后的8～10s,转轮叶片上的动应力处于1

7、00 MPa的高水平。这是水力弹性振动引起叶片高幅动应力的又一实例。引用网址：http://www.b2b99.com/hyzs/dz/10378.htm混流式水轮机转轮裂纹原因分析及预防措施 -(2)(3)小浪底水电站对推力轴承静摩擦系数的多次实测表明，弹性金属塑料瓦的静摩擦系数随机组停置时间的增长有明显地加大趋势。因此，长时间停机(例如1周以上)后，再行起动前仍以顶起发电机转子为好。1.1.3尾水管压力脉动水轮机部分工况下，尾水管中有涡带产生。涡带运动干扰水流而引起脉动压力，这种脉动还可能因涡带空腔与水体共振而增强。尾水管压力

8、脉动能以某种形态传递到转轮叶片上，转轮流道内还可能作用着水流脱流造成的脉动压力，并直接作用在叶片上。显然，这些脉动压力将引起叶片的交变应力。萨彦水电站水轮机在196 m水头，200～500 MW负荷范围内，叶片出水边近上冠处动应力峰值