水轮机轮叶操作机构故障与疲劳强度分析

林汉伟

(飞来峡水利枢纽管理处，广东 清远 511825)

1 前言

某水电站位于广东省珠江水系北江流域上，共装有4台灯泡贯流式机组，单机容量为35MW，机组主辅设备由奥地利ELIN公司和MCE公司提供。电站#3水轮发电机组于1999年9月并网运行，2007年12月首次A级检修，2011年12月#3机组操作机构出现活塞缸耳柄断裂故障，累计A级检修前#3机组运行了40671小时，至活塞缸耳柄断裂时又运行了20114小时，即#3机组首次投运至故障发生时累计运行了60785小时，轮叶操作累计约18000次(平均每天约7次)。

2 耳柄断裂故障

2011年12月23日，电站#3机组在带35MW负荷运行过程中水导轴承处振动异常，同时出现有功与定子电流波动等异常现象，但导叶与轮叶未见异常调节。为查明故障，机组进行开、停机及空载试验，启、停过程振动大，现场可监听到水轮机室撞击声音，但仍能平稳停机。此现象说明水轮机操作机构存在故障，导致轮叶失控及有功负荷波动。机组流道排空后，发现转轮室上半部局部位置存在明显磨擦过热痕迹，但机加工车纹清晰;#1轮叶开度异常，叶片边缘无刮痕;轮叶密封尚好，仅微量渗油。以上现象说明不存在流道内重大撞击导致故障。随后拆出轮叶进入轮毂内部检查，发现#1轮叶活塞缸耳柄从根部断裂，拐臂连杆及销轴脱落至轮毂内(断裂形貌见图1)，致使轮叶操作失控。

从活塞缸耳柄根部断口形貌可清晰看出起裂点、疲劳辉纹线、二次起裂点和瞬断区，可见这是一个疲劳破坏所导致故障。在耳柄根部上约1毫米处存在一道浅裂纹，裂纹形成后，交变应力使裂纹的两侧时而张开时而闭合，相互挤压反复研磨，这样形成了光滑区。随着应力的间断和大小的变化，在光滑区留下多条疲劳辉纹线。至于粗糙的断裂区，则是最后突然脆性拉裂所形成[1]。

图1 活塞缸耳柄断裂形貌图

3 转轮活塞缸有限元计算

进行应力计算是疲劳强度分析的前提，为了准确得到活塞缸耳柄的应力情况，采取有限元法，对活塞缸在各种操作工况下的应力进行详细计算，然后根据机组轮叶实际操作情况，对其疲劳强度进行计算分析，为活塞缸耳柄断裂原因分析及制定处理方案提供理论依据。

3.1 水轮机主要技术参数

水轮机型号：灯泡贯流式KR4/700;转轮直径：D=7.0m;额定转速：n=83.33rpm;额定水头：Hr=8.53m;最大水头：HMAX=15.00m;最小水头：HMIN=3.00m;水轮机额定功率：Nr=35.69Mw;水轮机最大出力：NMAX=39.97Mw;正向推力：F1=4500KN;反向推力：F2=5400KN;活塞缸操作最大油压：6MPa;轮叶操作压力：5.5MPa 和 4MPa。

活塞缸耳柄材料：GS20Mn5v，其抗拉强度δb=550MPa，屈服极限 δs=360MPa。

3.2 有限元计算模型及结果

由于活塞缸为周期对称结构，取缸体1/4作为计算模型。计算工况为缸体下行耳柄受拉和缸体上行耳柄受压两种工况，活塞缸油压4MPa时应力计算结果：上行最大应力402MPa，下行最大应力469MPa。

4 疲劳强度分析

4.1 计算参数的选取

有限元计算表明最大应力出现在活塞缸耳柄根部，该处应力集中最为严重，且与裂纹起裂点吻合，以该区域为疲劳强度评估分析区。根据3#机组运行时各工况下轮叶开关腔油压差变化，转轮叶片活塞缸正常工作时实际压力差不超过4MPa，故选取4MPa、3MPa油压计算耳柄根部的操作应力。

4.2 疲劳强度计算结果与评估

据运行统计数据，机组按服役50年寿命设计，则轮叶操作约7.2×104次，远小于材料在空气中的疲劳极限所对应的循环数(N=107次)，按轮叶操作近似于N=105得到疲劳极限值δ-1=335.5MPa。活塞缸耳柄疲劳强度计算如下：

尺寸系数：Cd=0.75(构件尺寸对疲劳性能的影响)

表面加工系数：Cs=0.90(构件表面粗糙度对疲劳性能的影响)

有效应力集中系数：Kf=1(计算为局部应力)

疲劳极限取：δ-1=335.5MPa(N=105 次)

交变应力幅值：δa=469MPa(下行，4MPa压差，见表1)

耳柄的拉压疲劳安全系数计算公式[2]：

表1 各种结构方案耳柄根部的疲劳安全系数

按上述公式计算得到各种结构方案耳柄根部的疲劳安全系数见表1。通常疲劳安全系数应该大于1.4，由计算结果可以看出，如活塞缸按使用50年寿命计算，长圆筒结构无论操作油压差是4.0MPa还是3.0MPa，耳柄的强度均不能满足疲劳性能的要求。活塞缸整体应力水平不高，应力集中是疲劳破坏的主要原因，为了提高耳柄的疲劳强度，应在耳柄根部采用半径足够大的过渡圆角，尽可能地消除或减缓应力集中。疲劳强度计算结果表明，活塞缸去除长圆筒后，耳柄增加R10的过渡圆角，能很好改善局部应力，满足疲劳强度要求。

5 结语

根据上述计算成果，电站在#3机组活塞缸耳柄根部加工了R10的过渡圆角，并对操作机构连杆销轴重新制作和调质处理，取得较为理想的效果，恢复了机组发电。转轮作为水轮发电机组的重要结构部件，应力集中造成此次操作机构活塞缸耳柄断裂，电站其它机组也存在类似隐患，运行管理单位应加强检测，适时对转轮重新进行优化设计和更新改造。

[1]庞立军，钟苏.飞来峡电站转轮接力器缸疲劳强度评估分析报告[R].黑龙江：哈动国家水力发电设备工程技术研究中心有限公司，2012.

[2]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2011.