浅析混流式水轮机转轮叶片增加强度的可行性

张秉章；高建成

（青海黄河水电公司公伯峡发电分公司，海东810902）

0 引言

公伯峡水电站共安装5 台立轴混流式水轮机，型号为HLA801—LJ—580；转轮为整体转轮、铸焊结构，材料为全马氏体不锈钢，叶片采用真空精炼铸造、数控加工，下环用钢板卷焊。公伯峡水电站首台水轮发电机组于2004 年投运，投运至今已有16 年时间，设备总体运行情况良好，各机组转轮叶片裂纹呈现逐年上升趋势。

1 公伯峡水电站机组参数

1.1 水轮机基本参数

型号：HLA801-LJ-580；最大水头：106.6m；设计水头：99.3m；最小水头：96.7m；额定流量：338.71m3/s；额定转速：125r/min；额定功率：306MW。

1.2 发电机基本参数

型号：SF300.6-48/13200；额定容量：334000kVA；额定电压：18000V；额定电流：10713A；功率因数：0.90；飞逸转速：230r/min。

1.3 现状介绍

近年来公伯峡水电站水轮发电机组检修中发现水轮机转轮叶片上冠、下环处均出现不同程度的裂纹。

2019 年 12 月 03 日，4 号机组 C 级检修中检查水轮机转轮及尾水管凑合节时，发现转轮有5 个叶片的出水边上部均出现了不同程度的裂纹，共计6 条，其中转轮叶片有4 条为贯穿性裂纹，有2 条为浅表性裂纹；尤其是转轮11#叶片裂纹较严重，贯穿性裂纹长度达到430mm。附现场照片（图1）。

图1 现场照片

2020 年 2 月 27 日，5 号机组 C 级检修中检查水轮机过流部件，对转轮叶片探伤时，发现转轮有5 个叶片的出水边上部均出现了不同程度的裂纹；尤其是转轮2#、10#叶片裂纹在2018 年4 月份进行的C 级检修中也出现在相同部位的区域，其中2# 叶片贯穿性裂纹长度达到110mm，并出现气孔，附现场照片（图2）。

图2 现场照片

通过分析2018、2019 年中8 个月份对5#机组承担的出力分布情况，5#机组有很大一部分时间运行在50MW以下，即转轮长期在0～40%Pr（Pr 为额定出力）工况运行。水电机组的运行工况不良是转轮叶片产生裂纹的主要原因之一。近年由于电网结构变化，机组在低负荷（40%Pr）以下运行时间的加长，造成机组运行工况严重偏离设计时的连续稳定运行区域，运行工况对叶片产生裂纹的影响主要反映在不同水头、不同负荷下，叶片承受的动载荷不同，若构件所承受的动应力幅值超过了材料本身的疲劳极限，则极易导致疲劳裂纹的出现。与此同时，若动载荷幅值过大，会加速裂纹的出现。水轮机叶片的动载荷主要来自于水流的冲击力，因而在循环应力幅中，拉应力时疲劳裂纹萌生和扩展的主要因素。水轮机运行在极小负荷区及强涡带区时，叶片承受的动应力较大，水轮机在不合理的工况下运行还可能与机组不稳定运行的其它因素叠加，加速裂纹的形成和发展。

考虑到公伯峡电站机组转轮叶片贯穿性裂纹对转轮工况、寿命的影响，电站多次组织专家到现场，实地查看了转轮裂纹的情况，并出具了《公伯峡水轮机组转轮裂纹分析报告》，其中建议在叶片上冠侧、下环侧出水边应力集中处补焊三角块来实现加强转轮叶片的强度，其可降低应力集中对转轮的影响，有效起到延缓裂纹产生的作用，防患于未然。

2 补焊三角块来实现增加转轮叶片强度可行性论证

由公伯峡电站4#、5#机组转轮裂纹情况可初步判断，机组长期在低负荷运行是造成叶片裂纹的一个主要因素。在今后若机组延续在低负荷运行工况运行，转轮裂纹将呈逐年加剧的趋势。裂纹长度逐渐加长，裂纹形式由浅表性裂纹向贯穿性裂纹发展，长此以往将造成机组效率下降、振动加剧，威胁机组安全稳定运行。因此，寻求有效延缓转轮裂纹的措施势在必行，通过增加转轮叶片出水边加装三角块增加叶片强度的措施需进一步研究。

2.1 补强三角块电站原理示意

图3 是叶片出水边补强三角块的形状示意图，补强三角块原理是限制水轮机在各运行工况下转轮的动态应力幅值。限制动态应力幅值的一个主要措施即为降低静应力水平。转轮在不发生共振的条件下，根据应力与水头成比例的关系，压力脉动ΔH/H 动静应力比Δσ/σ 也基本成线性关系，如果降低静应力水平同样也相当于降低了动应力的幅值，这也是近年来很多电站转轮出现裂纹后常采用的降低静应力水平来处理的主要原理。具体的措施是优化转轮的结构尺寸、适当加厚局部区域的尺寸，在出水边施焊加装降低应力三角块。

2.2 空间可行性

公伯峡电站水轮机转轮叶片形式属于较老式叶片，叶片整体跨度不是很长，在转轮叶片出水边上冠及下环区域均存在可以利用的空间来增加补强三角块。

2.3 静平衡影响评估

对于现有电站转轮叶片增加补强三角块均采用三维建模软件UG 进行建模，保证三角区域与叶片原有流线的完美过渡。其次，补强三角块均采用数控精加工，各三角块间差别微乎其微。但限于现场操作空间及施焊中不同操作者习惯等原因，势必会引起转轮一定程度的重量不平衡。众所周知，转轮静平衡是考察力矩影响，补强三角块力矩半径靠近转动中心，因此不会造成大的不平衡。

2.4 已增加补强三角块案例

小浪底、万家寨、五强溪、景洪等电站采用的都是施加应力三角块的方法来增强叶片强度，其静应力降低了40～50%。图4 为景洪电站转轮施加减应力三角块的结构形式，图5 为五强溪电站转轮加焊减应力三角块的应力分布。李家峡电站改造时，在模型转轮设计时在叶片出水边上冠侧、下环侧均施加减应力三角块，大大降低了叶片的静应力。

图3 补强三角块尺寸示意图

图4 景洪转轮三角块

图5 五强溪转轮三角块

表1

万家寨、小浪底、五强溪、景洪在加装三角块后对转轮叶片出水边减少裂纹的效果明显，在其他电站有过增加补强三角块的成功经验，根据相关电站反馈转轮叶片在增加补焊三角块之后未发现由此引发的转轮不平衡问题，对机组运行工况未发现任何影响。

3 工程内容

①加装的三角块采用三维建模软件UG 进行建模；②采用数控精加工，减小误差；③根据检修条件在转轮室或者安装间进行加装焊接、应力处理；④结合叶片线型进行流线打磨处理。

4 结论

水轮机转轮是水电站势能转换成动能的核心部件，转轮结构设计、制造、安装、运行、维修质量决定水轮机整体性能，利用机组检修A/B/C 级期间，在水尾管内搭设脚手架，在转轮室内进行应力三角块的加装工作，减缓转轮叶片裂纹的产生，实现水轮机安全稳定运行，缩减检修工期，提高机组利用小时，创造经济效益。