混流式混流式水轮机转轮裂纹原因分析及预防措施

混流式混流式水轮机转轮裂纹原因分析及预防措施

发表时间：2019-12-02T11:11:28.400Z 来源：《电力设备》2019年第15期作者：宋伟瑜

[导读] 摘要：随着各领域的快速发展，对资源的消耗越来越快，水电站的发展越来越普及，成为了社会主义建设中不可或缺的重要组成。 (GE水电中国天津 300300)

摘要：随着各领域的快速发展，对资源的消耗越来越快，水电站的发展越来越普及，成为了社会主义建设中不可或缺的重要组成。转轮是抽水蓄能电站混流式水轮机中的核心部件，在实际的运行过程中，由于机组发电和抽水工况频繁正转和反转，运行工况复杂，混流式水轮机转轮作为混流式水轮机重要受力结构部件，该区域在机组运行中容易发生裂纹，近些年混流式水轮机转轮出现多起裂纹问题，使机组被迫停役。转轮裂纹的出现，不仅为机组的安全稳定运行带来了极大的威胁，为抽蓄电站的正常经营带来了经济损失和社会损失，所以要想确保水电站安全稳定运行，必须通过无损检测技术对混流式水轮机转轮定期探伤，及时发现并有效处理转轮裂纹问题。采取有效的预防控制措施，确保机组运行安全性和稳定性。

关键词：混流式混流式水轮机；转轮裂纹原因；预防措施

引言

转轮是水轮机中的核心部件，在实际的应用过程中，由于转轮裂纹的频繁出现，不仅为机组的正常运行带来了极大的威胁，同时也为水电厂的正常运营产生了经济损失。所以要想确保水电站安全、稳定的运行，那么势必要对水轮机转轮裂纹的问题给予高度的重视，分析裂纹出现的具体原因，采取有效的预防控制措施，避免裂纹的出现，进而提升水轮机运行的安全性与稳定性。

1混流式水轮机转轮概述

由于水头型号、流量大小上存在的不同，混流式水轮机所配备的转轮形状也存在着差别。在一般情况下，水头越高，转轮的叶片高度就要随之适当的降低，同时也要增加其长度，这样在转轮中，水流的流动也会趋向于幅向流动。水头高度的降低，也需要转轮的叶片长度变短，同时增加其高度，这样转轮中水流的流向也会趋于轴流方向。这里需要注意，无论是何种形状的转轮，基本上都是由转轮上冠、转轮下环、上下止漏装置、转轮叶片和减压装置所构成的。

2混流式水轮机转轮出现裂纹的原因分析

根据历年的相关资料显示，混流式水轮机转轮出现裂纹的状况并不是十分罕见的现象，这种水轮机投入使用的运转过程中发生转轮裂纹是普遍存在的。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。就目前而言，经过观察和深入分析，导致此水电站混流式水轮机转轮出现裂纹的原因主要由以下几点:(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)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)超负荷运行的影响。水轮机组投入运行之后，一般为了追求经济效益而忽视其正常的运转时间和定期维护，那么整个机组的运转时间就很容易超出其自身所能承载的负荷量，进而导致转轮叶片的受损，甚至出现裂纹。(4)尾水管压力的影响。水轮机在整体运行的过程中，尾水管必然会出现涡带，其出现一定会对水流产生影响并产生一定的脉动压力，这种压力会传到转轮叶片上进而对叶片引发共振导致转轮叶片出现裂纹。

3混流式水轮机转轮裂纹的预防措施

转轮的良好运转对水轮机机组的整体运转意义显著，因此必须要尽力保证转轮的平滑，出现裂纹之后也应该及时进行修复或者是更换，在今后的定期检修和维护中可以从以下几个方面进行努力:(1)在最初的选用材质上就要小心谨慎，应尽量选择不锈钢材质的材料进行焊接，因为不锈钢的焊接具有高塑性。(2)随着科学技术的发展，混流式水轮机也进行了技术方面的改进和创新，使得水轮机中的水流运转较为稳定，但是还是不能准确预测脉动压力幅值，因此在今后的水轮机改善之中应该结合本地水电站的运转特征，具体问题具体分析，选取合理且科学的设计方案和运行规划。(3)超负荷的工作运转会对转轮叶片造成极大的损害，因此，在今后的运行中应按照正常且合理的运转方式和运行时间进行控制，不要让转轮的叶片受到自身所不能承载的压力和工作负荷。(4)发现转轮出现裂纹予以及时解决固然重要，但是当前并没有十分有效的监测手段，因此最为重要的是日常的预防，也就是说要十分重视对水轮机的定期监测和维护，随时发现问题随时解决问题。同时对裂纹进行修复时应该采取彻底的解决办法，对于十分严重的裂纹状况就要采取专业化的处理方式，改善转轮叶片的受力幅度，确保修复之后不会再次出现裂纹。

4裂纹的处理与修复

在对水轮机转轮裂纹进行修复的时候，通常采用小电流、窄焊道的手段，按照“镶边、分段、退步”的焊接流程进行操作。在这个过程中，为了能够消除焊接所产生的应力，除了退火层、第一道焊波之外，其余焊波均需要进行锤击操作。每完成一道焊波，需要马上进行锤击，这样可以使焊接所产生的收缩应力得到松弛。为了提升功效，也可以在焊接一层之后，进行统一化的锤击操作。在完成坡口焊接之后，不妨再焊接一层退火层，但这里需要注意，如果坡口位处在空蚀区，那么需要在最后两层，进行抗空蚀焊条堆焊，表面再焊接一层退火层。

结语

转轮是水电厂混流式水轮机设备的核心部件，作为能量转换站，其性能对混流式水轮机的性能有着决定性的影响。由于各方面的原因，混流式水轮机转轮通常会出现不同程度的破坏，从而对混流式水轮机的运行及水电厂的生产造成严重的影响。