水轮机转轮裂纹的原因及预防措施

冲击式水 轮机和贯流式水轮机 的转轮 叶片发生裂纹 的主要原 因 ， 尤其对混 流式 水轮机 转轮产 生裂纹 的 原 因从水力 方面 、 设计方 面、 铸造缺陷 、 制造 工艺 、 运行 工况及共 振 等多 因素综合作 用进行 了探讨 ， 并通 过实 例分析 ， 提 出了裂纹处理 和预防措施 。
叶片开裂 。
某 水 电站 ２ ２ ５ Ｍ Ｗ 机 组 就是 卡 门涡引起 叶片 共 振 导 致 裂 纹 的 典 型 实 例 。 １号 机 完 成 安 装 调 试 ， ７ ２ ｈ ｉ ￣运 行后 ， １ ３个 转 轮 叶 片 全 部 产生 裂 纹 。裂 纹 不 仅 出现在 叶片 出水 边 与上 冠 、 下环交 接处 的根部 ，
水轮机转轮裂纹 的原 因及预 防措施
工艺与装备
水 轮 机转 轮裂 纹 的原 因及 预 防措 施
林 洪德 ， 张ｆ ｔ ． １ 民
（ 东 方 电气集 团东 方 电机有 限公 司 四川 德 阳 ６ １ ８ ０ ０ ０ ）
摘
要 ：笔者 结合近年来水轮机转轮 叶片发生 的裂纹事件 ， 分 别 阐述 了混 流式水 轮机 、 轴 流式 水轮机 、
而小 开度 下 的尾水 管压 力脉 动频 率对 下环 却 可
一
５ ～
工 艺 与 装 备
上 海 大 中型 电机
能 带来影 响 ， 某 水 电站 ４ ０ ０ Ｍ Ｗ 混 流 式 水 轮 发 电 机
组 转轮 叶片 出水 边 与下 环 问 的交 根 焊 缝 开裂 后 ， 裂 纹 向下 环 区发展 也 许 与 此 有 关 。但 是 ， 只要 叶片 不
发。
尾 水 管压力 脉 动能 以某 种形态 传递 到转 轮 叶片 上， 转 轮流 道 内还 可能 作 用 着 水 流脱 流造 成 的脉 动
压力 ， 并直接作用在叶片上 。显然 ， 这些脉动压力将 引起叶片的交变应力 。若这种激振频率与叶片或下 环的固有频率耦合时， 必将诱发更大 的动应力 ， 造成
主轴 一 阶扭振 重 合 ， 可 引 起 幅 动应 力 。出现 这 种 情 况， 应 采取 向导 叶 后 补气 ， 加快 起 动速 度 ， 加 大 起 动
开度 ， 加强叶片根部以增加其抵抗外力 的能力等措
施 加 以预 防 。补 气 除 了衰减 压 力 脉 动 外 ， 还 能 消 除 水流 动态 变异 、 脱 流 引起 的真 空 、 空腔 、 空 化 和空 蚀 破 坏 。 日本 在尾 水 管锥管 进 口安装 几个 紊流 板并 通
开裂 ， 低应 力 的下环将 会 是安 全 的。 １ ． １ ． ２ 设计 方 面
冠、 下环 组焊 后 ， 焊 接处 的残 余 应 力 相 当大 ， 甚 至 可
以达 到或超 过母 材 的屈 服 强 度 。 因此 ， 一 方 面 要 改
善 焊接 工艺 措施 ， 另一 方 面要进 行 退火 热处 理 ， 有 效
消除残 余应 力 ， 把残 余 应 力 的最 大值 控 制在 母 材 屈
服强 度 的 １ ／ ２—１ ／ ３范 围 ） 。 某水 电站 ３ ０ ０ ＭＷ 混 流式 水轮 发 电机组 投 运 的 第一 台机 组 （ ６号 机 ） 在运行 了 １ ３ ３ ０ ｈ后 ， １ ３个 叶 片都 出现 了裂纹 ， 且大 部分 为贯 穿性 裂纹 ， 自焊缝 起 裂处 向母 材 发展 ， 呈不 规 则 的抛 物 线状 。裂 纹 断 口 呈 明显 的疲 劳特 征 。随后 ， ５号 机 在 空载 调 试 期 问 ， 发 现 ６条裂 纹 。４号和 ３号机 在调试 中和 ７ ２ ｈ试 运
叶片裂 纹 提供 了宝 贵经验 。
是一 项 十分 紧迫 的课 题 。
１ 转轮 裂 纹的产 生 原 因 １ ． １ 混 流式 水轮 机转 轮 对 于混 流式 水 轮机转 轮 产生 裂纹 的原 因有 以下
几方 面 。 １ ． １ ． １ 水力方 面
水力 弹性振 动 应设 置高 压油顶 起 装置减 少 轴承 摩擦 阻力 来解 决 叶 片 裂 纹 问题 。机组 起 动 过 程 中 ， 如果水 轮 机 叶片头 部 过 度 肥 大 ， 在 导 叶小 开 度 时 的 不稳定 水 流 冲击下 激 起 水 力 弹 性 振 动 ， 其 主频 恰 与
过其 表面 上 的气 孔 进 行 补 气 ， 补 气 量 约 为水 流 量 的
在水 轮机 转 轮 叶片上 出现 的规 律性 裂纹 绝 大多
数都 属 于疲 劳裂 纹 ， 断 口呈 现 明显 的贝 壳 纹 。从 力
学及 材 料力学 上 来 说 ， 疲 劳 裂 纹 的 出 ห้องสมุดไป่ตู้就 是 叶片 所
承受 的动应 力 超 过 了 叶 片材 料 疲 劳 强 度 极 限 的结
寻水 轮 机转 轮裂 纹 的成 因 ， 从 叶 片设 计 和制 造 方 面 采取 了多项 优化 和 改 进 措施 以 解决 叶片 裂 纹 问题 ，
的共 振 。然后 经多 次 试 验 和 实 践 ， 对 叶 片 出水 边 进 行修 型 ， 问题得 以解 决 ， 为混 流式 大型 机组 防止转 轮
果 。也 就是 说 叶片 承 受 动 载荷 的 能力 不 足 时 ， 将 可 能 出现 叶 片裂纹 。叶片疲 劳来 源 于作 用其上 的交变
０ ． １ ％ ～０ ． ２ ％， 不 仅 防止裂 纹发 生 ， 还使 空蚀 强度 减
少到 １ ／ ５～ １ ／ ７ 。
载荷 、 而 交变 载荷 又 由转 轮 的水力 自激 振动 引发 ， 这 可能 是 卡 门涡列 、 水 力 弹 性 振 动 或水 压 力 脉 动 所 诱
关键 词 ：水 轮 机 ； 转轮； 叶片 ； 裂 纹
０ 引 言
还有很 多 出现 在 叶片 出水边 的偏 中问的位 置 。排除
本身 材质 缺 陷以及 制 造 质 量 不 良影 响 ， 能在 如 此 短
的时间 内严重 出现 裂 纹 ， 原 因只 有 叶 片 卡 门 涡 引起
转 轮是 水轮 机 的核 心部 件 。往年 水轮 机转 轮 叶 片 不断 发生 裂纹 事 件 ， 引起 了 大 家 的高 度 重 视 。探