摘要：随着人们用电需求量的不断增大，水电站的发展越发普及。就目前而言大多数水电站均选用混流式水轮机组进行发电，而且多采用焊接技术，然而水轮机机组的运行却不断暴露出一些弊端让机组的整体运作效益大打折扣。本文就混流式水轮机转轮裂纹原因与预防方法展开探讨。
关键词：预防措施；转轮裂缝；混流式水轮机
引言
一直以来，水轮机的转轮出现裂纹都是水电站中普遍现象，无论是国外还是国内都屡屡出现这种现象。比如国内的小浪底、二滩等一些大型水电站，投入了水轮机使用后转轮都出现了不同程度裂纹，严重影响到了电站安全运行与经济效益。因此，探析混流式水轮机出现裂纹原因以及预防措施具有实际价值。
1混流式水轮机之转轮概述
转轮是各种类型水轮机正常运行不可缺少的核心部件，其主要功能就是将水能转换为机械能。而且转轮也在一定程度上直接决定着水轮机的过流能力强弱、水力效率高低、运转工况的稳定与否以及汽蚀性能是否良好的关键因素。在实际操作中，转轮的各个部分设计和制造必须要充分满足水力设计的型线要求，必须要具有高强度且具备较强的抗汽蚀的能力以及耐磨损的性能。根据水轮机转轮所转换水流能量的形式不同，可以将水轮机分为反击式和冲击式水轮机两大类。将水流的位能、压能和动能转换成固体机械能的水轮机称为反击式水轮机。根据转轮区域水流运动方向的特征，反击式水轮机又可分为轴流式水轮机、混流式水轮机、斜流式水轮机以及贯流式水轮机。其中混流式水轮机由于水头型号和流量大小的不同，其配备的转轮形状也存在区别。一般而言，水头越高的话转轮的叶片高度就要适当减小且长度要相应增加，水流的流动在转轮中越加趋于幅向流动。随着水头高度的降低，转轮的叶片长度要相应变短且高度要逐渐增加，如此水流流动的方向就越来越趋于轴流方向。然而，不论是什么形状的转轮一般都是由转轮上冠、转轮下环、转轮叶片、上下止漏装置以及泄水锥和减压装置组成。
2造成转轮裂纹的原因分析
案例分析：以我国某地的某一水电站为例，该水电站在投入运行使用后的第一次定期维护中就发现水轮机转轮出现裂纹的现象，在其后续机组的定期维护中同样发现了转轮叶片出现裂纹的现象，而且此水轮机投入运行长达十年之久，在这十几年的运转期间，水轮机叶片裂纹的问题从未间断过，但该水电站的相关维护人员并没有对此问题进行深入研究和采取有效的解决措施，每次的定期维护中都会有裂纹现象出现。该水电站所采用的混流式水轮机的额定功率是 582MW，能够承受的极限功率为 612MW，公称直径是 6257mm，额定的水头为165m 以及额定的转速是 142.9 转每分钟。转轮采用的是不锈钢材质的，转轮上冠形似圆锥体且上冠上固定均匀分布的叶片，在外围开几个减压孔，在侧面装有减压装置。叶片断面为翼形，采用数控机床加工，将叶片的厚度控制在 188 毫米之内。下环采用具有锥角的直线形，泄水锥采用钢板焊接的方式，里面空心，下面开口，以便排出通过止漏环的漏水以及润滑轴承的润滑水。
2.1转轮焊接质量存在风险
由于混流式水轮机的转轮应用水头型号不同，那么他们的构造也就存在区别，制作的材料以及加工的手法也大相径庭。在此水电站的转轮主要采取的是焊接结构，即转轮的上冠、叶片以及下环均采用单独铸造，然后加工焊接而成。虽然此举具有良好的技术经济效果，节省了铸造材料，但是由于铸件小，形状简单，降低了对铸造能力的要求，如此焊接的工作量就会加大，确保每条焊缝的质量以及消除焊接温度的应力等处理可能就不会很精细。
2.2尾水管压力脉动
在进行运行时尾水管必然会产生出涡带，必然干扰水流产生出脉动压力，可能增加水体和涡带空体共振。这种脉动压力以某种形态传递给叶片上，进而引发共振而产生转轮裂纹。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆事实上影响转轮裂纹不仅仅上面几种原因，还包括材料、制造质量及不良运行方式等各种因素。
2.3转轮变形所致
转轮叶片强度最弱的地方在于出水边，而分瓣转轮一直会在出水边不断运转并对出水边产生难以负荷的压力，加之出水边的汽蚀能力最差，所以在压力和汽蚀的双重影响下转轮叶片很容易出现裂纹现象。
3混流式水轮机转轮裂纹的预防方法
3.1水力设计
尽管在现今的技术条件下，不可能设计出没有不稳定水流的混流式水轮机，也不能定量的预测水轮机压力脉动的幅值和相应的运行区域，模型试验结果与真机之间也还没有建立起有实用价值的换算关系。然而从宏观角度讲，好的水力设计和水轮机参数的优化组合能够扩大水轮机的稳定运行范围，因此，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化的转轮是预防裂纹的重要环节。
3.2选材
选材也是比较关键的预防措施，该水电站水轮机上冠、叶片及下环都采用了13.5的低碳马氏体不锈钢，这种焊材既可用还具有高塑性。
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（δ0.2的1/5）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
在可靠性设计时一定要重避免共振这个环节，要精准计算出叶片与下环处于水中各个阶次与模态下的固有频率，防止导叶、输水管道及转轮间换装水体产生出水力激振频率，同时好要仔细进行比较与调整，尽可能避免发生共振。
3.5预留辅助措施
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。
结语
综上所述，混流式水轮机的广泛应用伴随的是转轮叶片穿线裂纹的现象屡见不鲜，进而导致整体机组的运行出现障碍，甚至在很大程度上影响着水电站运行的经济效益。与此同时，水轮机的正常运转对于机组的整体安全十分重要，而转轮作为机组安全运转的核心部件之一，其损坏必然会对机组整体顺利运行带来阻碍作用。因此，在广泛采用混流式水轮机进行能量转换的时候，必须要对转轮裂纹的问题予以高度关注并及时采取有效的应对措施进行修复，此举既是对水电站安全运营的保障，同时也是出于对经济效益的考虑。
参考文献：
[1]阳新峰．大型混流式水轮机转轮裂纹原因分析及对策［J］．四川水力发电，2016.
[2]魏瑞秀．混流式水轮机转轮裂纹原因及预防措施的探讨［J］．山东工业技术，2015.
论文作者:许爽泷
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/2/20
标签：转轮论文; 水轮机论文; 裂纹论文; 叶片论文; 流式论文; 水电站论文; 水力论文; 《基层建设》2018年第36期论文;