浅谈混流式水轮机转轮裂纹原因分析及预防措施

■李伟君 ■兴国县长冈水库工程管理局，江西 兴国 342400

混流式水轮机作为反击式水轮机的一种类型，其应用水头的范围极其广泛，从20m-700m 的水头均可使用。混流式水轮机的结构较为简单，其制造以及安装过程也十分方便，运行的过程也较为可靠和安全，此外混流式水轮机具有较好的运转效率以及比较低的汽蚀系数。这种水轮机的进水部件是具有钢板里衬的蜗壳，座环支柱也称为固定导叶并在转轮四周布置导水机构导叶，座环支柱具有两个非常坚固的上环和下环且这两个环和蜗壳焊接在一起。导叶轴颈利用衬套支撑在底环以及固定在顶盖的套筒之上，衬套一般选用钢材质或者是尼龙材质。导叶开度通过导水机构的两个接力器进行改变，此外还可以通过控制环连接的推拉杆传动来实现。

1 混流式水轮机之转轮概述

转轮是各种类型水轮机正常运行不可缺少的核心部件，其主要功能就是将水能转换为机械能。而且转轮也在一定程度上直接决定着水轮机的过流能力强弱、水力效率高低、运转工况的稳定与否以及汽蚀性能是否良好的关键因素。在实际操作中，转轮的各个部分设计和制造必须要充分满足水力设计的型线要求，必须要具有高强度且具备较强的抗汽蚀的能力以及耐磨损的性能。根据水轮机转轮所转换水流能量的形式不同，可以将水轮机分为反击式和冲击式水轮机两大类。将水流的位能、压能和动能转换成固体机械能的水轮机称为反击式水轮机。根据转轮区域水流运动方向的特征，反击式水轮机又可分为轴流式水轮机、混流式水轮机、斜流式水轮机以及贯流式水轮机。其中混流式水轮机由于水头型号和流量大小的不同，其配备的转轮形状也存在区别。一般而言，水头越高的话转轮的叶片高度就要适当减小且长度要相应增加，水流的流动在转轮中越加趋于幅向流动。随着水头高度的降低，转轮的叶片长度要相应变短且高度要逐渐增加，如此水流流动的方向就越来越趋于轴流方向。然而，不论是什么形状的转轮一般都是由转轮上冠、转轮下环、转轮叶片、上下止漏装置以及泄水锥和减压装置组成。

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［1］。

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 结束语

综上所述，混流式水轮机的广泛应用伴随的是转轮叶片穿线裂纹的现象屡见不鲜，进而导致整体机组的运行出现障碍，甚至在很大程度上影响着水电站运行的经济效益。与此同时，水轮机的正常运转对于机组的整体安全十分重要，而转轮作为机组安全运转的核心部件之一，其损坏必然会对机组整体顺利运行带来阻碍作用。因此，在广泛采用混流式水轮机进行能量转换的时候，必须要对转轮裂纹的问题予以高度关注并及时采取有效的应对措施进行修复，此举既是对水电站安全运营的保障，同时也是出于对经济效益的考虑［2］。

［1］阳新峰.大型混流式水轮机转轮裂纹原因分析及对策［J］.四川水力发电，2013，32(zl):169 -174.

［2］魏瑞秀.混流式水轮机转轮裂纹原因及预防措施的探讨［J］.山东工业技术，2014，(3):15 -16.