水轮机转轮叶片裂纹成因及处理措施

张谦 陈剑波

【摘  要】本文对水轮机转轮叶片裂纹成因及处理措施进行了探讨，文章从阐述水轮机出现转轮叶片裂纹问题的概况入手，进一步分析了叶片裂纹产生原因，最后提出了预防水轮机转轮叶片裂纹生成的措施。

【关键词】水轮机转轮叶片裂纹;概况;产生原因;处理措施

前言

随着社会的进步，各行各业的发展都呈现出全新的局面，建筑行业的发展使得水电站的建设不断加快，优质水电站的运行，为群众生活做出了巨大贡献。但在水电站内部，水轮机作为一个长时间高负荷运转的设备元件，极易发生故障，出现叶片裂纹等问题，对设备的正常工作、水电站的安全运行构成威胁，因此如何解决类似问题，值得思考。

1.水輪机出现转轮叶片裂纹问题概述

在日常生活中，水轮机的转轮出现叶片裂纹是一个较为常见的现象，其诱因表现在脉动大、制造工艺低、造型设计不合理、液压弹性振动、供气量少等多个方面。而该现象无疑会对机组的安全运行、甚至整个水电站系统的稳定运转造成严重不利影响。事实上，也有专门的技术人员对该现象进行严密控制，通过分析造成该问题的具体原因，采取科学的预防措施，避免裂纹的出现几率，确保水轮机的安全性。

2.叶片裂纹产生原因

2.1受力分析

混流式水轮机与转桨式水轮机是两种完全不同的设备类型，其中，前者的叶片往往由上冠和下环进行固定，因此不能按照水流和工作的变动情况做好相关的调节工作，而要在前期设计好的程序中加以处理，一旦前期设计不到位，就极可能造成无撞击进口和反向出口的最佳条件被破坏的问题，进而使得水流方向和流量出现变化，在叶片出水处和末尾水管内部形成移动旋涡，而因旋涡轮流产生的交变力又会与因叶片冲击形成的频率产生共振效应，这种共振现象只要维持了一定的时间，就会对叶片造成损坏，使其出现叶片裂纹问题。其中，尤其要关注水力问题，当水轮机机组正处于一种非设计工况或过渡工况运行状态时，由于水流出现异常状况，会使得机组元件的振动现象明显加剧，因为单位体积水流的能量是由水头决定的，因此振动现象也往往可以被水头控制，随其降低而弱化。

2.2超负荷工作

一般情况下，水电站的运行对应着极大的工作强度，为确保运行效率，可能迫使水轮机运行超出其正常的效率范围，一旦转轮承受应力的时间超出正常限度，就会因为超负荷运行对设备自身及其叶片形成破坏，构成一定的安全风险。在对水轮机进行设计的过程中，如果缺乏对其运行环境的全面调查，不同把握各地区的实际水流条件，也可能使得叶片在承受水的应力时出现异常，一般来说，叶片最大受力点处于出水处和下环二者间的衔接位置，该位置的受力能力往往较弱，长时间的接受压力冲击就会使得叶片不堪重负，最终出现裂缝。而在水轮机的长期使用阶段，也可能出现工作人员操作不当的现象，这是导致叶片被损坏的直接原因，比如采用焊接技术时，其对水流冲击的承受能力不足，可能出现轻微变形进而形成对应的气缝;而在水轮机的生产环节，也极易发生不精密加工等失误现象，所生产的叶片质量得不到有效保证，零部件连接不够稳固，无法承受较大的水流冲击，便会在后期的高强度工作中出现开裂问题。

3.预防水轮机转轮叶片裂纹生成的措施

3.1确保正确选型

结合水电站的运行情况看，水轮机的型号是影响其工作效率的首要因素。因此在前期的设备采购阶段，就要对市场行情有全面和准确的把握，在众多产品中选择符合水电站实际情况的水轮机，确保其质量、使用寿命等满足水利工程的需要。在选择过程中，应该根据抽吸高度、额定转速、额定输出等指标，明确各个水电站工程的水质、调节范围、涡流频率，要尽量规避所选择的叶片的固有振动频率与涡系相近的现象，这可能会因为二者频率接近一致而出现剧烈振动，使得转轮叶片始终处在一致疲劳运行的状态中。

3.2加强水轮机制造质量把控

由于水轮机一直处于高负荷运行的状态，其内部元件极易受到外力磨损，出现各种不可控的故障，进而引发严重的安全事故，质量不合格的水轮机尤甚。为从源头上避免这个问题，应该首先树立可靠的质量控制防线，相关单位应该安排专人对设备部件的加工、装配和试验进行监督管理，在设备的前期设计到后期生产制造整个环节进行跟进，确保其加工和安装都达到相关的行业标准。在涡轮转轮组的装配流程结束后，应该对其规格加以测量，并且确认无误后进入焊接流程;为尽可能地降低焊接界面的残余应力，要适时采取退火工艺;焊接结束后，则要对焊缝做无损表面检测，以免在水流经的表面有不正常的凸起和裂纹，一旦在检测中发现此类问题，必须及时进行处理，以免其被错误地得到使用。

3.3优化水轮机设计方案

液压机械的使用寿命和在运行中发生故障的几率是直接取决于设计质量的，因此要在确保水轮机运行效率的前提下，对其压力脉动进行有效控制。对应到设计环节中，就要高度关注涡轮的刚度和静强度问题，采取合理的设计策略，以免部件间出现共振现象。在汽轮机叶片应力太大的条件下，则要对其流体力学加以改善，根据需要适当增加叶片厚度和上下半环弧过渡半径，以此确保其耐用性。

3.4采取避震措施

水轮机在运行过程中，不仅会产生自身的振动，而且还会承受动应力和静应力，这些物理因素都会导致叶片产生裂纹。为了更准确地掌握水轮机各部件在运行中的振动和摆振幅，可通过专业的振动测试设备对机组各部件进行在线监测。在分析数据后，可以检测或更换具有异常振动幅度的部件。根据不同应力的特点，应从不同应力源进行科学监测，总结不同应力引起的不同应力和叶片裂纹的特征。不同的生活条件和相应的解决办法。

3.5水轮机进行充分补气

对水轮机进行周期性的补气，往往会采用椎管自然补气法以及主轴中心孔自然补气法。主轴中心孔自然补气法的补气量通常会是额定流量的百分之五左右。椎管自然补气法又分为十字架补气法以及椎管壁补气法，前者能够使压力的脉动适当的降低;后者则会在很大程度上受到机泵设备的影响。一些大型的水电站我们会用自然补气法，并且辅助物理补气管理，从而实现补气。

结语

综上所述，加强对水轮机转轮叶片裂纹成因及处理措施的探讨，对于水电站的顺利运行有着极其重要的现实意义。相关工作人员需要明确水轮机出现转轮叶片裂纹问题的原因——如受力影响、超负荷工作等;在此基础上，提出预防水轮机转轮叶片裂纹生成的措施，确保正确选型，加强水轮机制造质量把控，优化水轮机设计方案，采取避震措施，对水轮机进行充分补气。

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（作者单位：湖南省电力公司水电分公司柘溪检修部）