水力机械运行安全可靠性及寿命

《水力机械运行安全可靠性及寿命》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、105大中型混流式水轮机运行稳定性专辑参考文献水力机械运行的安全可靠性及寿命105大中型混流式水轮机运行稳定性专辑参考文献l引言冲击式水轮机转轮的疲劳问题已多次见著报端。目前，混流式水轮机的疲劳问题也已经发生，尤其是运行在较宽的水头和负荷范围内以及高水头电站运行的水轮机。在某些情况下，由于空蚀问题导致机组频繁检修，从而降低了机组的安全性和可靠性。近几年对泥沙磨损深入研究结果表明，通过良好的水力设计以及随着涂覆材料技术的提高，增加了提高机组安全稳定运行的可能性。然而，随着价格竞争的日趋激烈，很难进行最合理结构设计。

2、本文对上述问题进行了详细研究，得到这样的结论即可以得到良好的水力机械设计。2水力负荷水轮机的发展趋势是在给定水头下力求提高比转速和增大容量。另外，在给定比转速下，提高使用水头以及扩大水头和流量的运行使用范围。目前，冲击式水轮机安全运行的最大水头大约为2000m，混流式水轮机(一级)大约为700m。影响水轮机寿命的主要因素是疲劳、泥沙磨损和空蚀。混流式水轮机的动态问题通常来自部分负荷和超负荷运行时产生的低周压力脉动和水流通过叶片和导叶产生的高周压力脉动以及可能发生的共振情况。冲击式水轮机的疲劳问题将通过优化结构设计

3、及改善材料特性来加以解决。这是因为冲击式水轮机的水力负荷是周期性的，而且不能通过水力设计来降低。对于轴流转桨式水轮机，通常不应在非协联工况下运行，以免发生不稳定的动态负荷以及由于叶片流道间压力脉动叠加的高静态应力而产生疲劳问题。本文将着重讨论冲击式和混流式水轮机的疲劳问题和动态水力负荷。3用断裂力学理论来分析冲击式水轮机水斗的水力负荷和交变应力对寿命的影响冲击式转轮承受着周期性的水力载荷作用，因而存在疲劳问题，这已有过多次报导。裂纹发生的原因主要归纳为：过高的应力幅值：过大的材料缺陷：对于激发性的材料缺陷引起的疲

4、劳扩展没有进行定期检查等。对冲击式水斗周期性非稳定性自由流面进行CFD分析将是非常困难的。但是，应用图解分析法研究整个冲击式水斗的流动已进行了多年。挪威科技大学学生MortenHana利用计算机技术对非稳定自由流面进行了研究，使该方法更趋合理和实用。图l给出了用图解法对全部流动进行的分析结果，仅进行少量分析也将是非常麻烦的。同时，对自由流面进行比较。对模型水轮机水斗表面的压力进行测量，以测定作用在水斗上的周期性水力负荷。自由表面图解分析法仅局限于水表面的微小质点，要完成上述所有工作需设定水表面的合成加速度矢量为常

5、量。在X、Y、Z方向的加速度矢量调节方程如下：(1)(2)(3)根据水流表面微点加速度可以计算出作用在水斗表面的水力负荷，其数值等于加速度乘以水层厚度和水的密度。105大中型混流式水轮机运行稳定性专辑参考文献图l在某一时间水流表面质点轨迹和形状采用有限元法对水斗的应力进行计算，计算模块取一个射流的水力负荷同时作用在3个水斗上。30年前，挪威工程师在水电站对冲击式水斗的应力进行了应变片测量，并与计算结果进行了比较。但是，由于至今还没有成熟的理论设计方法；因而该结果只能作为今天挪威工程师对不同转轮进行计算的基础(注：

6、HanaM下一步工作将是用CFD来解决这个问题)。用应变仪对不同水轮机水斗进行应力测量结果表明。为了确定材料的临界缺陷，利用断裂力学理论进行分析计算将是有效的。临界缺陷是指已达到完全疲劳但还未发生疲劳裂纹时的尺寸。著名的Paris定律见式(4)，图2给出了根据断裂力学理论来计算的疲劳扩展结果。屈服极限方程：(4)式(4)中，应力强度系数由应力峰-峰振幅值Ds和半椭圆表面裂纹深度或淹没裂纹深度的一半来表示。f是形状系数，在冲击式水斗根部f=1.25。DK值中最重要的是门槛值DKth，这时应力振幅Ds限制在给定裂纹深

7、度不扩展。除Ds=smax-smin外，另一个重要参数是比值R，这里R=smin/smax。R值通常由转轮上的残余应力和离心应力来确定。但是，高频应力振幅常常与来自水力载荷的应力相叠加，在水斗固有频率下，当挡水板安装在水流流出水斗时的旋转水斗附近位置时，由于射流冲击作用在水斗上引起共振而产生振动。由较重水斗和较轻轮盘组成的转轮具有比水斗固有频率更高的应力振幅，由水力负荷产生的应力幅值除外。图3上给出了卧轴冲击式转轮应力振幅测量值，由于该转轮具有较重的水斗和较轻的轮盘，因而产生了较高的叠加共振应力振幅。图3还给出了

8、立轴冲击式转轮单喷嘴和6喷嘴运行时测量的应力振幅(见图3中间和右边)。立轴冲击式转轮的轮盘与水斗相比，其厚度厚且刚度较好。105大中型混流式水轮机运行稳定性专辑参考文献图2Paris图表105大中型混流式水轮机运行稳定性专辑参考文献图3左图表示“Abjfra”电站卧轴水轮机水斗根部背部应力。中图和右图分别表示“Ylja”电站立轴单喷嘴和6喷嘴机组在最大水头运行时分水刃根部