混流式水轮机转轮裂纹原因和分析

胡成鹏

【摘 要】随着中国经济的发展，资源消耗速度加快，和水电站的开发越来越流行。就大多数水电站而言，混流式水轮机是用来发电的，焊接技术经常使用。然而，汽轮机组的运行暴露出一些弊端，大大降低了机组的整体运行效益。本文从水轮机转轮的重要性入手，以水电站为例，分析水轮机运行过程中水轮机叶片产生的原因，并提出相应的预防措施。

【关键词】混流式水轮机；转轮裂纹；原因分析；预防措施

混流式水轮机作为反击式水轮机的一种类型， 它的应用范围十分广泛，它可以从20m-700m头使用。的混流式水轮机的结构比较简单，制造和安装过程也很方便，操作过程更加安全可靠。此外，混流式水轮机具有较好的运行效率和较低的空化系数。涡轮的进口部分是一个内衬钢板的蜗轮壳。阀座环支柱也称为固定导向叶片，导向叶片分布在转轮周围。阀座环支柱有两个很强的上、下环，两个环与蜗壳焊接在一起。导叶轴支承在底环上，轴套通过轴套固定在顶盖上，衬套一般由钢材料或尼龙材料制成。导叶开口由导向机构的两个继电器单元改变，也可通过控制环推杆的传动实现。

一、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， 它的主要功能是将水能转化为机械能。转轮在一定程度上决定了溢流能力、水力效率、运行工况的稳定性和汽蚀性能等关键因素。在实际运行中，转轮各部件的设计和制造必须完全满足液压设计的要求。它必须具有高强度和较强的抗气蚀和耐磨性。根据水轮机转轮水流能量的不同形式，汽轮机可分为反击式和冲击式两种。将流体的势能、压力和动能转化为固体机械能的涡轮机称为反击式涡轮机。根据转轮内水流运动方向的特点，反击式水轮机可分为轴流式水轮机、混流式水轮机、斜流式水轮机和贯流式水轮机。由于水头和流量的不同，弗兰西斯水轮机转轮形状也不同。总的来说，水头越高，转轮的叶片高度应相应减小，长度也应相应增加，水流的流向趋于车轮的振幅。随着水头高度的减小，转轮叶片长度应变短，高度应逐渐增大，从而使流动方向趋于轴流方向。然而，任何形状的车轮通常由转轮上冠、车轮下环、转轮叶片、上下止漏装置、卸料锥和卸压装置组成。

二、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，在弗兰西斯水轮机转轮中，裂纹不是罕见的现象，在水轮机运行中，转轮裂纹是常见的现象。以我国某水电站为例，在水电站第一次正常养护中发现了水轮机转轮裂纹。在转轮叶片裂纹的现象在后续单元的定期维护，和水轮机投入运行已长达十年，并在涡轮叶片裂纹问题近十年的运行过程中，它从未中断，但水电站相关维修人员没有进行深入的研究和采取有效的措施来解决这一问题，并将在每次维护裂缝现象。用于水电站混流式水轮机的额定功率是582mw，终极的力量是612mw，公称直径6257mm，额定水头165m和额定转速142.9 rpm。这个轮子是不锈钢做的。所述转轮上冠为固定在上冠上的均匀分布叶片的圆锥体，在周边开有若干泄压孔，卸压装置安装在侧面。叶片部分为机翼型，采用数控机床控制叶片厚度在188毫米以内。下环采用锥角直线。卸料锥采用钢板焊接。内部是中空的，底部开着，以泄漏环和润滑轴承的润滑水的泄漏。

目前，通过对该水电站弗兰西斯水轮机转轮裂纹的观察和深入分析，主要是由以下几点引起的。

（一）车轮焊接的质量存在风险。由于弗兰西斯涡轮头的头部类型不同，其结构也不同，材料和加工工艺也有很大不同。该水电站转轮主要采用焊接结构，即转轮上冠、叶片和下环采用单独铸造，然后加工焊接。虽然它具有良好的技术经济效果，但节省了铸造材料，但由于铸件小，形状简单，降低了铸造能力的要求，增加了焊接工作量，而且每个焊缝的质量和消除焊接温度的压力都不是很好。

（二）车轮的变形。转轮叶片最薄弱的部分是出水边缘，分离轮总是在出水口处运行，产生水负荷难以承受的压力。另外，排气口的空化能力最差，在压力和空化的双重影响下，叶轮容易破碎。

（三）超负荷运行的影响。水轮发电机组投运后，为了追求经济效益，忽视了正常运行时间和定期检修。然后，整个装置的运行时间很容易超过它所能承载的负荷，从而导致车轮叶片甚至裂纹的损坏。

（四）的排气压力的影响。在整个汽轮机运行过程中，尾水管不可避免地会出现涡流带，这将影响流量并产生一定的脉动压力。这种压力将上升到转轮的叶片，并引起叶片的共振引起的转轮叶片的裂纹。

三、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，我们必须尽力保证车轮的平顺性。裂缝发生后，应及时修复或及时更换。在今后的日常维护和保养中，我们可以从以下几个方面作出努力：

（一）在材料的初始选择时应谨慎。不锈钢焊接应具有高塑性，应选用不锈钢材料进行焊接。

（二）随着科学技术的发展，混流式水轮机也取得了技术上的改进和创新，使水轮机内的水流量更加稳定，但仍不能准确预测脉动压力的幅值。因此，今后应将水轮机的改进与水电站的运行特性相结合，具体分析和选择合理、科学的设计和操作规程。作记号。

（三）坚持避振。水轮机由于自身的能量特性、空化特性和强度限制，具有一定的运行限制。因此，在水轮机全水头性能试验的基础上，合理确定其运行极限面积（即较大的振动面积），尽量避免该区域的运行，以减少液压振动对车轮的损伤。这是为了避免转轮裂纹的最重要措施，已经由三三峡、隔河岩运行实践验证，万佳翟和许多其他的发电厂。自1998机组投入运行以来，两滩水电站进行了多项稳定性试验。通过长期的经验积累和分析总结，初步确定了每套机组运行的3个运行条件：稳定运行区、许可运行区和禁止运行区，随着水头的上升，上述地区的趋势向上移动。在稳定运行负荷区，对单元机组的振动在一个小的值基本上是稳定的，和机组的运行是稳定的（例如，水导摆是稳定在60 ～ 70μm）；在特许经营区域负荷，机组的振动是比较大的有一个跳跃，水轮机的尾管的涡带和尾管具有较大的噪声；对机组振动的工作负载区禁止达到（即振动区）。在损坏的情况下，机组运行稳定性明显较差，整机发生间歇性振动，振动值保持在很高的值，噪声较大。在这方面，我们制定了严格的操作规程，以确保机组能够最大限度地避免振动区的运行。近年来，两滩水电站6台机组的裂纹数量不断减少，主要是由于采取了避振运行措施。。

（四）发現车轮裂纹及时解决是很重要的，但目前还没有很有效的监测方法。因此，最重要的是日常的预防，也就是说，必须高度重视汽轮机的定期监测和维护，并随时发现问题。同时，在裂缝修复时应采取彻底的解决办法。对于非常严重的裂纹条件，应采取专门的处理措施，以提高转轮叶片的受力幅度，以确保修复后裂纹不会再次出现。

四、结束语

综上所述， 混流式水轮机的广泛应用伴随着汽轮机叶片的频繁裂纹，导致机组整体运行，甚至在很大程度上影响了水电站运行的经济效益。同时，汽轮机的正常运行对机组的整体安全非常重要，而水轮机是机组安全运行的核心部件之一。汽轮机的损坏将不可避免地给机组的平稳运行带来障碍。因此，混流式水轮机广泛应用于能量转换时，必须高度重视车轮裂纹问题，并采取有效措施及时修复。这不仅是水电站安全运行的保证，也是经济效益的考虑。

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