混流式水轮机转轮裂纹原因和分析

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1、混流式水轮机转轮裂纹原因和分析水轮机转轮，尤其是中、高比转速混流式水轮机转轮中的裂纹现象，在世界各地普遍存在。国外例子有埃及的阿斯旺高坝、美国的大古力800MW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产生裂纹的原因但是为什么会产生裂纹呢？通过人们的许多研究，提出了一些假设，主要分为规律性裂纹和非规律性裂纹。规律性裂纹主要是指叶片上的裂纹具有大体一直的规律，几乎所有叶片都有，裂纹的部位和走向也大体一致。非规律性主要是指裂纹只要集中在个别的叶片

2、上，部位和走向也基本不一样。主要产生裂纹的原因主要有以下原因：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，端口呈现明显的贝纹。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，这坑呢个是卡门涡列、水力弹性振动或者水压脉动所诱发。1.2非规律性裂纹非规律性裂纹有的呈网状龟裂纹，有的呈脆性断口，也有的呈疲劳贝壳纹。这类裂纹多数由材料不良或制造质量缺陷造成。2裂纹的处理(1)裂纹处理的关键是找出产生裂纹的根本原因，对症下药。非规律性的裂纹一般比较好分析。难的是规律性裂纹，究竟是哪些原因起主导作用。最有力的手段就是破坏部位的动应力测试。从应力频谱中

3、分解出构成动应力主要分量的频率和幅值，进而跟踪查出相应的水力激振源。(2)裂纹的焊补工艺非常重要。埃及阿斯旺高坝工程的12台混流式水轮机转轮曾发生过严重裂纹。原美国阿里斯查摩公司为其更换了其中6台。法国电力公司采用合理的焊补工艺、焊接材料，在有经验的工程师指导下，由优秀焊工操作成功地修复了其他6台。很显然，两者处理效果相当而后者成本大为降低，焊补工艺的重要性由此可见一斑。(3)转轮裂纹，尤其是高应力区的裂纹，一经发现就应尽可能早的焊补处理。高应力区的裂纹多小浪底水轮机转轮叶片裂纹数由高疲劳引起，这种裂纹的形成有萌生期和发展期两个阶段。发展期的扩展速度取决于材料在水下的裂纹扩展速率和

4、裂纹尖端的应力状态，一般是比较快的。3预防措施3.1水力设计针对具体水电站的运行特点，选择和优化水轮机参数、设计并经模型试验验证一个水力稳定性最佳的转轮是预防裂纹的重要环节。3.2选材大型混流式水轮机的上冠、下环、叶片均宜采用13.5低碳马氏体不锈钢，焊材可用具有高塑性而强度相对稍低些的三相马氏体材料。3.3结构设计(1)静强度。对上面推荐的材料组合，整体转轮在正常工况下的最大静应力宜控制在110MPa以下。分瓣转轮由于分瓣处的叶片存在局部附加应力，最大静应力不应超过95MPa。(2)疲劳强度。转轮在工作中承受静应力和动应力，其强度理应按疲劳理论评定。当前存在两个困难-一是缺乏权威

5、的材料水下疲劳曲线，二是缺乏作用在转轮上的动载荷谱。因此，难以按疲劳损伤累积理论(PalmgremMiner理论)计算疲劳寿命。可在加速该领域基础工作的同时，暂按公开发表的资料，以偏安全的原则，选定材料水下疲劳曲线和动载荷谱进行计算。(3)应选定材料的裂纹扩展速率，确定裂纹前端的应力状态，校核并确认转轮内部的允许缺陷(无损探伤的灵敏度)是稳定的，不会继续扩展。3.4避免共振避免共振是转轮可靠性设计的重要一环。应准确计算出转轮叶片和下环在水中各种阶次和模态的固有频率，以及包括输水管道、导叶和转轮间环状水体在内的各种水力激振频率，并仔细加以比较和调整以避开可能发生的共振。3.5预留辅

6、助措施由于水力激振问题的复杂性，很难在设计阶段准确预测，即使有模型试验佐证但还存在模型和真机间的换算问题。另外起动、停机、甩负荷等过渡过程中的动载荷和动应力更是模型试验所难以模拟的。因此，在设计上应留有辅助的补救措施，例如-①改善尾水管压力脉动的补气措施②预防起动过程中水力弹性振动的补气措施③调整(多数情况下只需微调)部件固有频率和水力激振频率的预定方案④静止部件(顶盖、轴承等)采用较大的刚度。除设计方面应采取以上的措施，还应精心制造，合理运行。