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摘要：混流式水轮机的水力稳定性与机组运行工况密切相关。当水轮机在远离设计工况（最高效率点）运行时，会产生脱流和涡带，引起机组甚至相邻混凝土构件振动，并可能产生疲劳破坏。近年来，随着单机容量和水轮机尺寸的增大，有些电站因水头变幅大、负荷调节范围宽、水轮机性能不完全适应电站运行条件、制造质量存在问题和补气不利，水轮机出现不同程度的水力振动，导致转轮叶片裂纹，尾水管壁撕裂，有的甚至引起厂房或相邻水工建筑物发生共振，危及电站安全运行。本文对混流式（特别是高比速混流式）水轮机的水力稳定性问题进行了初步分析和讨论。
关键词：混流式水轮机；运行工况；压力脉动
0 前 言
混流式水轮机远离设计工况运行时，会产生脱流空化和涡带，引起振动，并可能产生疲劳破坏。国内外许多大型混流式水轮机都出现过不同程度的振动或转轮叶片裂纹、尾水管壁撕裂，有的甚至引起厂房及相邻水工建筑物共振，危及电站安全运行。
1 影响大型混流式水轮机水力稳定性的因素
1.1 水轮机组的振动对机组水力稳定性的影响
近年来，无论是我国生产的还是从国外进口的大型混流式水轮机，在使用过程中都出现了不同程度的振动，进而导致水轮机转轮的叶片出现裂痕，尾水管壁裂开，严重的还导致厂房与邻近建筑物的共振，加重水电站的安全隐患。大型水轮机的水力稳定性已经受到业内人士的重点关注，大型机组因为振动问题频出，威胁着水轮机组的整体运行。水轮机组的振动影响水力稳定性属于机械稳定性的范畴，它包含的范围较为广阔。
1．2 水轮机止漏装置中的压力脉冲对机组水力稳定性的影响
大型混流式水轮机的止漏装置较一般的来说复杂一些，之间间隔的空间也比较小，止漏装置前后形成较大的压力差，一旦水轮机出现非常态的运动时，在间隔的空间容易形成较大的压力脉动。如果止漏装置的零件精确度没有达到标准，水轮机组在安装时转轮与转轮室之间不一致，以及转动过程中出现的不平衡等因素，都会导致运行过程中失去平衡，间隔的空间是随着机组不断旋转而变化的，在水动力的影响下，使得转轴出现回旋，最终使得整个水轮机组因为剧烈的振动失去平衡，机器停止运行。
1．3 卡门涡以及脱流对水轮机水力稳定性的影响
卡门涡主要出现在水轮机叶片出水的部门，它只能是在叶片产生共振的情况下才会被发现，表现形式往往是单纯的噪音。目前，卡门涡的规律性特征已经基本被掌握，在水轮机组的设计阶段就会被考虑其中，使得最终避免。另一个影响因素是脱流，一般情况下脱流发生在水轮机转轮叶片的进口或者出口的边缘，因为脱流形成的压力脉动随机的可能性比较大，即没有规律的振幅变化，没有固定的振动频率，一般只产生没有规律性的流动噪音，通常情况下也是在共振的情况中才被发觉。
1．4 转轮设计制造工艺尚存不足
随着水电事业的发展，水轮机组的容量不断增加，机组的尺寸不断加大，但是转轮设计工艺尚且不满足要求。减低了机组的固有频率，大型水轮机组更容易发生共振，影响水力的稳定性，机组出现大幅度的共振，导致水轮机的叶片出现大部分的裂纹。裂纹极易出现的原因是因为目前大部门叶片的焊接采用的是 T 型焊接，T 型焊接的特点便是较难抵抗超强度的压力。同时在转轮焊接过程中，因为焊接工艺的不完善以及没有进行应有的热处理，会出现气孔，夹渣等问题，影响水力的稳定性。
2 混流式水轮机转轮的结构及裂纹出现的部位
转轮是水轮机最关键部件之一，混流式水轮机转轮（以下简称混流式转轮）的结构如图 1所示，它由上冠、叶片（大部分为13个）、下环三大主要构件组成。传统的转轮其上冠、叶片和下环采用碳钢整体铸造后加工。随着转轮尺寸和重量的增加，现在国内外大型混流式转轮的制造都采用拼焊结构，即上冠、叶片、下环分别加工制造后再组合焊接成转轮整体。依据拼焊转轮制造工艺的不同，大型混流式转轮又可按照分瓣转轮 （对称分半或偏心分半）和整体转轮 （水电站现场拼焊）的方案进行制造。鉴于大型混流式分瓣转轮 （尤其是偏心分瓣转轮）暴露出的严重问题，我国目前在大型混流式转轮的制造过程中尽可能采用水电站现场拼焊整体转轮的方案 （三峡巨型转轮即采用此方案）。
根据国内具有代表性的主要水电站混流式水轮机实际运行技术资料的统计分析和研究表明，我国大型混流式水轮机转轮叶片裂纹屡屡发生于转轮叶片出水边，尤其集中于叶片出水边根部与上冠、下环的连接焊缝和焊缝热影响区内，而且基本上是贯穿性裂纹 （即穿透叶片的正、背面）。
3 防止裂纹的主要措施
3.1 足够的刚强度
良好的水力设计应同时增强转轮的刚度和强度，因此要求：
?合理选择导叶高度，在保证水力参数的前提下选择较低的导叶高度；
?合理选择上冠、下环的型线，不选 “平顶 ”上冠和大扩散角下环；
?合理选择转轮的出口直径D 2，在保证水力参数的前提下选择较小的D 2；
?合理选择叶片的厚度（特别是出水边的厚度）；
?适当加大叶片的包角；
?适当增加叶片数；
?适当增大叶片与上冠、下环的交接焊接圆孤；
?适当增大叶片出水边与上冠、下环的连接厚度与交接圆弧。
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3.2 选型正确
主要参数（如转轮公称直径D 1、额定转速n r、额定出力P r、吸出高度H s 等）的选择，应结合电站特点（如水头变幅、负荷调节范围、水质等）和水轮机综合特性，进行优化组合。做到：
?H max /H 0 ≤1.1 或使叶片进水边背面脱流空化线排除在最大水头之外。
?H max / H r ≤1.15 或加大发电机容量使高水头最大出力工况进入水轮机的最优效率圈。
?H min / H0 ≥0.65 或使叶片进水边正面脱流空化线排除在最小水头之外。
?叶道涡线在电站正常规定的保证出力范围之外。
?在保证出力范围内，模型水轮机尾水管压力脉动幅值应低于常规统计值 。如超过，则通过补气使压力脉动幅值低于常规统计值。
?吸出高度的选择应保证各种工况有足够的安全裕量，不出现水体分离现象，且能充分补气。
3.3 控制制造质量
? 上冠、下环 、叶片采用低碳马氏体不锈钢材料，在工厂或工地组焊成整体转轮。
?焊接材料采用与母材相匹配的不锈钢焊丝。
?大中型转轮叶片采用精炼铸造+数控加工或钢板模压+数控加工。
?转轮组装后按规定的焊接工艺施焊 。焊后经退火热处理，减小焊接接头的残余应力值。所有焊缝进行100%无损检测，过流表面光滑，无裂纹和凹凸不平等缺陷。
?叶片与上冠、下环的过渡圆孤不允许出现铲磨缩颈或伤痕。
?叶片几何型线和粗糙度应符合GB/T10969-1996《水轮机过流部件技术条件》和标书要求。
3.4 充分补气
近代水轮机主要补气方式有两种：
（1）主轴中心孔自然补气
（2）锥管自然补气主轴中心孔补气的好处有二：第一 、降低压力脉动的幅值；第二、改变尾水管的固有频率，避免与扰动频率产生共振。
主轴中心孔自然补气的补气量大约为0.25%~1%Q r（Qr为额定流量），为保证补气通道畅通，最好将补气阀设置在发电机顶端，并在结构上使泄水锥内的水气分离。锥管自然补气有两种，第一种是中小型水轮机经常采用的十字架补气，实践证明它能减小压力脉动，但易发生空蚀或被冲掉，并可能会降低效率；第二种是直接通过锥管壁补气，但真机往往因管壁压力过高空气无法吸入，除非装机高程较高，或采取局部降低补气孔处压力的措施，否则，这种方法不会象主轴中心补气那样有效。
3.5 避振防裂
水轮机转轮在运行中承受静应力和动应力。现代有限元计算分析技术可以获得转轮叶片的最大静应力值 。通常整体转轮在正常工况下的最大静应力应控制在110MPa（1/5 σ 0.2）以下，分瓣转轮由于分瓣面处的叶片存在局部附加应力，最大静应力不应超过95MPa。水轮机运行时，转轮叶片上还承受着不同性质的动应力。包括：
?转动叶栅和固定叶栅相互作用产生的中频压力脉动形成的动应力；
?部分负荷工况和超出力工况下涡带形成的低频压力脉动产生的动应力；
?与进出水流不均匀有关的动载荷形成的动应力；
?叶道涡、卡门涡可能引起的动应力；
设计中应避免各种激振力与转轮的固有频率相近而诱发共振，致使动应力急剧加大。根据俄罗斯对混流式水轮机转轮可靠性的研究，认为转轮叶片上出现裂纹与水轮机在部分负荷工况运行及开停机次数有关。因为：
（1）在部分负荷工况运行，水轮机的寿命损耗所占份额将超过90%；
（2）水轮机在功率限制线上运行，寿命损耗比在90%功率运行高20倍；
（3）而一个起动-停机过程相当于水轮机在90%功率范围内运行80h。
4 结 论
（1）大型混流式转轮叶片产生裂纹在我国大（巨）型水电站的实际运行过程中是一个普遍存在的问题，叶片裂纹是多种因素综合作用造成的，其中各种水力激振因素引发的流固耦合共振是最根本的诱因，而叶片的各种制造缺陷是裂纹萌生的源头。
（2）应加强提高转轮抗疲劳性能的工艺方法和各种抗疲劳制造工艺的研究。
（3）在目前尚缺乏根治叶片裂纹的措施和完善的理论支持的状况下，成熟的裂纹补焊工艺不仅可成功修复产生严重裂纹的转轮，而且还大大降低了维护成本，其重要程度不言而喻。
参考文献：
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［5］薛伟，陈昭运.水轮机叶片裂纹原因及预防措施研究［J］.大电机技术，2002（5）：42-45.
论文作者:曾庆明
论文发表刊物:《基层建设》2016年11期
论文发表时间:2016/8/9
标签：转轮论文; 水轮机论文; 叶片论文; 补气论文; 裂纹论文; 水力论文; 机组论文; 《基层建设》2016年11期论文;