混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋原因和分析

胡成鵬

【摘 要】隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，資源消耗速度加快，和水電站的開發(fā)越來越流行。就大多數(shù)水電站而言，混流式水輪機(jī)是用來發(fā)電的，焊接技術(shù)經(jīng)常使用。然而，汽輪機(jī)組的運(yùn)行暴露出一些弊端，大大降低了機(jī)組的整體運(yùn)行效益。本文從水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的重要性入手，以水電站為例，分析水輪機(jī)運(yùn)行過程中水輪機(jī)葉片產(chǎn)生的原因，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

【關(guān)鍵詞】混流式水輪機(jī)；轉(zhuǎn)輪裂紋；原因分析；預(yù)防措施

混流式水輪機(jī)作為反擊式水輪機(jī)的一種類型， 它的應(yīng)用范圍十分廣泛，它可以從20m-700m頭使用。的混流式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)比較簡單，制造和安裝過程也很方便，操作過程更加安全可靠。此外，混流式水輪機(jī)具有較好的運(yùn)行效率和較低的空化系數(shù)。渦輪的進(jìn)口部分是一個(gè)內(nèi)襯鋼板的蝸輪殼。閥座環(huán)支柱也稱為固定導(dǎo)向葉片，導(dǎo)向葉片分布在轉(zhuǎn)輪周圍。閥座環(huán)支柱有兩個(gè)很強(qiáng)的上、下環(huán)，兩個(gè)環(huán)與蝸殼焊接在一起。導(dǎo)葉軸支承在底環(huán)上，軸套通過軸套固定在頂蓋上，襯套一般由鋼材料或尼龍材料制成。導(dǎo)葉開口由導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的兩個(gè)繼電器單元改變，也可通過控制環(huán)推桿的傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

一、混流式水輪機(jī)之轉(zhuǎn)輪概述

轉(zhuǎn)輪是各種類型水輪機(jī)正常運(yùn)行不可缺少的核心部件， 它的主要功能是將水能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。轉(zhuǎn)輪在一定程度上決定了溢流能力、水力效率、運(yùn)行工況的穩(wěn)定性和汽蝕性能等關(guān)鍵因素。在實(shí)際運(yùn)行中，轉(zhuǎn)輪各部件的設(shè)計(jì)和制造必須完全滿足液壓設(shè)計(jì)的要求。它必須具有高強(qiáng)度和較強(qiáng)的抗氣蝕和耐磨性。根據(jù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪水流能量的不同形式，汽輪機(jī)可分為反擊式和沖擊式兩種。將流體的勢能、壓力和動(dòng)能轉(zhuǎn)化為固體機(jī)械能的渦輪機(jī)稱為反擊式渦輪機(jī)。根據(jù)轉(zhuǎn)輪內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)方向的特點(diǎn)，反擊式水輪機(jī)可分為軸流式水輪機(jī)、混流式水輪機(jī)、斜流式水輪機(jī)和貫流式水輪機(jī)。由于水頭和流量的不同，弗蘭西斯水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪形狀也不同?？偟膩碚f，水頭越高，轉(zhuǎn)輪的葉片高度應(yīng)相應(yīng)減小，長度也應(yīng)相應(yīng)增加，水流的流向趨于車輪的振幅。隨著水頭高度的減小，轉(zhuǎn)輪葉片長度應(yīng)變短，高度應(yīng)逐漸增大，從而使流動(dòng)方向趨于軸流方向。然而，任何形狀的車輪通常由轉(zhuǎn)輪上冠、車輪下環(huán)、轉(zhuǎn)輪葉片、上下止漏裝置、卸料錐和卸壓裝置組成。

二、混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)裂紋的原因分析

根據(jù)歷年的相關(guān)資料顯示，在弗蘭西斯水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中，裂紋不是罕見的現(xiàn)象，在水輪機(jī)運(yùn)行中，轉(zhuǎn)輪裂紋是常見的現(xiàn)象。以我國某水電站為例，在水電站第一次正常養(yǎng)護(hù)中發(fā)現(xiàn)了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋。在轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的現(xiàn)象在后續(xù)單元的定期維護(hù)，和水輪機(jī)投入運(yùn)行已長達(dá)十年，并在渦輪葉片裂紋問題近十年的運(yùn)行過程中，它從未中斷，但水電站相關(guān)維修人員沒有進(jìn)行深入的研究和采取有效的措施來解決這一問題，并將在每次維護(hù)裂縫現(xiàn)象。用于水電站混流式水輪機(jī)的額定功率是582mw，終極的力量是612mw，公稱直徑6257mm，額定水頭165m和額定轉(zhuǎn)速142.9 rpm。這個(gè)輪子是不銹鋼做的。所述轉(zhuǎn)輪上冠為固定在上冠上的均勻分布葉片的圓錐體，在周邊開有若干泄壓孔，卸壓裝置安裝在側(cè)面。葉片部分為機(jī)翼型，采用數(shù)控機(jī)床控制葉片厚度在188毫米以內(nèi)。下環(huán)采用錐角直線。卸料錐采用鋼板焊接。內(nèi)部是中空的，底部開著，以泄漏環(huán)和潤滑軸承的潤滑水的泄漏。

目前，通過對(duì)該水電站弗蘭西斯水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋的觀察和深入分析，主要是由以下幾點(diǎn)引起的。

（一）車輪焊接的質(zhì)量存在風(fēng)險(xiǎn)。由于弗蘭西斯渦輪頭的頭部類型不同，其結(jié)構(gòu)也不同，材料和加工工藝也有很大不同。該水電站轉(zhuǎn)輪主要采用焊接結(jié)構(gòu)，即轉(zhuǎn)輪上冠、葉片和下環(huán)采用單獨(dú)鑄造，然后加工焊接。雖然它具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，但節(jié)省了鑄造材料，但由于鑄件小，形狀簡單，降低了鑄造能力的要求，增加了焊接工作量，而且每個(gè)焊縫的質(zhì)量和消除焊接溫度的壓力都不是很好。

（二）車輪的變形。轉(zhuǎn)輪葉片最薄弱的部分是出水邊緣，分離輪總是在出水口處運(yùn)行，產(chǎn)生水負(fù)荷難以承受的壓力。另外，排氣口的空化能力最差，在壓力和空化的雙重影響下，葉輪容易破碎。

（三）超負(fù)荷運(yùn)行的影響。水輪發(fā)電機(jī)組投運(yùn)后，為了追求經(jīng)濟(jì)效益，忽視了正常運(yùn)行時(shí)間和定期檢修。然后，整個(gè)裝置的運(yùn)行時(shí)間很容易超過它所能承載的負(fù)荷，從而導(dǎo)致車輪葉片甚至裂紋的損壞。

（四）的排氣壓力的影響。在整個(gè)汽輪機(jī)運(yùn)行過程中，尾水管不可避免地會(huì)出現(xiàn)渦流帶，這將影響流量并產(chǎn)生一定的脈動(dòng)壓力。這種壓力將上升到轉(zhuǎn)輪的葉片，并引起葉片的共振引起的轉(zhuǎn)輪葉片的裂紋。

三、混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋的預(yù)防措施

轉(zhuǎn)輪的良好運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)水輪機(jī)機(jī)組的整體運(yùn)轉(zhuǎn)意義顯著， 因此，我們必須盡力保證車輪的平順性。裂縫發(fā)生后，應(yīng)及時(shí)修復(fù)或及時(shí)更換。在今后的日常維護(hù)和保養(yǎng)中，我們可以從以下幾個(gè)方面作出努力：

（一）在材料的初始選擇時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎。不銹鋼焊接應(yīng)具有高塑性，應(yīng)選用不銹鋼材料進(jìn)行焊接。

（二）隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，混流式水輪機(jī)也取得了技術(shù)上的改進(jìn)和創(chuàng)新，使水輪機(jī)內(nèi)的水流量更加穩(wěn)定，但仍不能準(zhǔn)確預(yù)測脈動(dòng)壓力的幅值。因此，今后應(yīng)將水輪機(jī)的改進(jìn)與水電站的運(yùn)行特性相結(jié)合，具體分析和選擇合理、科學(xué)的設(shè)計(jì)和操作規(guī)程。作記號(hào)。

（三）堅(jiān)持避振。水輪機(jī)由于自身的能量特性、空化特性和強(qiáng)度限制，具有一定的運(yùn)行限制。因此，在水輪機(jī)全水頭性能試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，合理確定其運(yùn)行極限面積（即較大的振動(dòng)面積），盡量避免該區(qū)域的運(yùn)行，以減少液壓振動(dòng)對(duì)車輪的損傷。這是為了避免轉(zhuǎn)輪裂紋的最重要措施，已經(jīng)由三三峽、隔河巖運(yùn)行實(shí)踐驗(yàn)證，萬佳翟和許多其他的發(fā)電廠。自1998機(jī)組投入運(yùn)行以來，兩灘水電站進(jìn)行了多項(xiàng)穩(wěn)定性試驗(yàn)。通過長期的經(jīng)驗(yàn)積累和分析總結(jié)，初步確定了每套機(jī)組運(yùn)行的3個(gè)運(yùn)行條件：穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)、許可運(yùn)行區(qū)和禁止運(yùn)行區(qū)，隨著水頭的上升，上述地區(qū)的趨勢向上移動(dòng)。在穩(wěn)定運(yùn)行負(fù)荷區(qū)，對(duì)單元機(jī)組的振動(dòng)在一個(gè)小的值基本上是穩(wěn)定的，和機(jī)組的運(yùn)行是穩(wěn)定的（例如，水導(dǎo)擺是穩(wěn)定在60 ～ 70μm）；在特許經(jīng)營區(qū)域負(fù)荷，機(jī)組的振動(dòng)是比較大的有一個(gè)跳躍，水輪機(jī)的尾管的渦帶和尾管具有較大的噪聲；對(duì)機(jī)組振動(dòng)的工作負(fù)載區(qū)禁止達(dá)到（即振動(dòng)區(qū)）。在損壞的情況下，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性明顯較差，整機(jī)發(fā)生間歇性振動(dòng)，振動(dòng)值保持在很高的值，噪聲較大。在這方面，我們制定了嚴(yán)格的操作規(guī)程，以確保機(jī)組能夠最大限度地避免振動(dòng)區(qū)的運(yùn)行。近年來，兩灘水電站6臺(tái)機(jī)組的裂紋數(shù)量不斷減少，主要是由于采取了避振運(yùn)行措施。。

（四）發(fā)現(xiàn)車輪裂紋及時(shí)解決是很重要的，但目前還沒有很有效的監(jiān)測方法。因此，最重要的是日常的預(yù)防，也就是說，必須高度重視汽輪機(jī)的定期監(jiān)測和維護(hù)，并隨時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。同時(shí)，在裂縫修復(fù)時(shí)應(yīng)采取徹底的解決辦法。對(duì)于非常嚴(yán)重的裂紋條件，應(yīng)采取專門的處理措施，以提高轉(zhuǎn)輪葉片的受力幅度，以確保修復(fù)后裂紋不會(huì)再次出現(xiàn)。

四、結(jié)束語

綜上所述， 混流式水輪機(jī)的廣泛應(yīng)用伴隨著汽輪機(jī)葉片的頻繁裂紋，導(dǎo)致機(jī)組整體運(yùn)行，甚至在很大程度上影響了水電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，汽輪機(jī)的正常運(yùn)行對(duì)機(jī)組的整體安全非常重要，而水輪機(jī)是機(jī)組安全運(yùn)行的核心部件之一。汽輪機(jī)的損壞將不可避免地給機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行帶來障礙。因此，混流式水輪機(jī)廣泛應(yīng)用于能量轉(zhuǎn)換時(shí)，必須高度重視車輪裂紋問題，并采取有效措施及時(shí)修復(fù)。這不僅是水電站安全運(yùn)行的保證，也是經(jīng)濟(jì)效益的考慮。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李偉君.淺談混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋原因分析及預(yù)防措施[J].江西建材，2015（11）：120.

[2]祝瑞起.混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋防治要點(diǎn)[J].科技與創(chuàng)新，2014（06）：20-21.

[3]烏曉明.高水頭混流式水輪機(jī)長短葉片轉(zhuǎn)輪裂紋分析[J].水力發(fā)電，2007（01）：53-55.

[4]樊世英.混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋原因分析及預(yù)防措施[J].水力發(fā)電，2002（05）：38-41.