混流式水輪機轉(zhuǎn)輪裂紋原因和分析

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1、混流式水輪機轉(zhuǎn)輪裂紋原因和分析水輪機轉(zhuǎn)輪，尤其是中、高比轉(zhuǎn)速混流式水輪機轉(zhuǎn)輪中的裂紋現(xiàn)象，在世界各地普遍存在。國外例子有埃及的阿斯旺高壩、美國的大古力800MW機，俄羅斯的布拉茨克等，國內(nèi)有巖灘、李家峽、小浪底、五強溪、二灘等大型水電站，在投運后水輪機轉(zhuǎn)輪都不同程度的出現(xiàn)了裂紋。轉(zhuǎn)輪裂紋嚴重影響電站的安全運行和經(jīng)濟效益，引起人們的極大關注。1產(chǎn)生裂紋的原因但是為什么會產(chǎn)生裂紋呢？通過人們的許多研究，提出了一些假設，主要分為規(guī)律性裂紋和非規(guī)律性裂紋。規(guī)律性裂紋主要是指葉片上的裂紋具有大體一直的規(guī)律，幾乎所有葉片都有

2、，裂紋的部位和走向也大體一致。非規(guī)律性主要是指裂紋只要集中在個別的葉片上，部位和走向也基本不一樣。主要產(chǎn)生裂紋的原因主要有以下原因：1.1規(guī)律性裂紋失效分析結(jié)果表明：絕大多數(shù)規(guī)律性裂紋是疲勞裂紋，端口呈現(xiàn)明顯的貝紋。葉片疲勞來源于作用其上的交變載荷，而交變載荷又由轉(zhuǎn)輪的水力自激振動引發(fā)，這坑呢個是卡門渦列、水力彈性振動或者水壓脈動所誘發(fā)。1.2非規(guī)律性裂紋非規(guī)律性裂紋有的呈網(wǎng)狀龜裂紋，有的呈脆性斷口，也有的呈疲勞貝殼紋。這類裂紋多數(shù)由材料不良或制造質(zhì)量缺陷造成。2裂紋的處理(1)裂紋處理的關鍵是找出產(chǎn)生裂紋的根本

3、原因，對癥下藥。非規(guī)律性的裂紋一般比較好分析。難的是規(guī)律性裂紋，究竟是哪些原因起主導作用。最有力的手段就是破壞部位的動應力測試。從應力頻譜中分解出構(gòu)成動應力主要分量的頻率和幅值，進而跟蹤查出相應的水力激振源。(2)裂紋的焊補工藝非常重要。埃及阿斯旺高壩工程的12臺混流式水輪機轉(zhuǎn)輪曾發(fā)生過嚴重裂紋。原美國阿里斯查摩公司為其更換了其中6臺。法國電力公司采用合理的焊補工藝、焊接材料，在有經(jīng)驗的工程師指導下，由優(yōu)秀焊工操作成功地修復了其他6臺。很顯然，兩者處理效果相當而后者成本大為降低，焊補工藝的重要性由此可見一斑。(3

4、)轉(zhuǎn)輪裂紋，尤其是高應力區(qū)的裂紋，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就應盡可能早的焊補處理。高應力區(qū)的裂紋多小浪底水輪機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋數(shù)由高疲勞引起，這種裂紋的形成有萌生期和發(fā)展期兩個階段。發(fā)展期的擴展速度取決于材料在水下的裂紋擴展速率和裂紋尖端的應力狀態(tài)，一般是比較快的。3預防措施3.1水力設計針對具體水電站的運行特點，選擇和優(yōu)化水輪機參數(shù)、設計并經(jīng)模型試驗驗證一個水力穩(wěn)定性最佳的轉(zhuǎn)輪是預防裂紋的重要環(huán)節(jié)。3.2選材大型混流式水輪機的上冠、下環(huán)、葉片均宜采用13.5低碳馬氏體不銹鋼，焊材可用具有高塑性而強度相對稍低些的三相馬氏體材料。3.

5、3結(jié)構(gòu)設計(1)靜強度。對上面推薦的材料組合，整體轉(zhuǎn)輪在正常工況下的最大靜應力宜控制在110MPa以下。分瓣轉(zhuǎn)輪由于分瓣處的葉片存在局部附加應力，最大靜應力不應超過95MPa。(2)疲勞強度。轉(zhuǎn)輪在工作中承受靜應力和動應力，其強度理應按疲勞理論評定。當前存在兩個困難-一是缺乏權(quán)威的材料水下疲勞曲線，二是缺乏作用在轉(zhuǎn)輪上的動載荷譜。因此，難以按疲勞損傷累積理論(PalmgremMiner理論)計算疲勞壽命?？稍诩铀僭擃I域基礎工作的同時，暫按公開發(fā)表的資料，以偏安全的原則，選定材料水下疲勞曲線和動載荷譜進行計算。(

6、3)應選定材料的裂紋擴展速率，確定裂紋前端的應力狀態(tài)，校核并確認轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的允許缺陷(無損探傷的靈敏度)是穩(wěn)定的，不會繼續(xù)擴展。3.4避免共振避免共振是轉(zhuǎn)輪可靠性設計的重要一環(huán)。應準確計算出轉(zhuǎn)輪葉片和下環(huán)在水中各種階次和模態(tài)的固有頻率，以及包括輸水管道、導葉和轉(zhuǎn)輪間環(huán)狀水體在內(nèi)的各種水力激振頻率，并仔細加以比較和調(diào)整以避開可能發(fā)生的共振。3.5預留輔助措施由于水力激振問題的復雜性，很難在設計階段準確預測，即使有模型試驗佐證但還存在模型和真機間的換算問題。另外起動、停機、甩負荷等過渡過程中的動載荷和動應力更是模型試

7、驗所難以模擬的。因此，在設計上應留有輔助的補救措施，例如-①改善尾水管壓力脈動的補氣措施②預防起動過程中水力彈性振動的補氣措施③調(diào)整(多數(shù)情況下只需微調(diào))部件固有頻率和水力激振頻率的預定方案④靜止部件(頂蓋、軸承等)采用較大的剛度。除設計方面應采取以上的措施，還應精心制造，合理運行。