大变幅高水头机组转轮裂纹处理

杨秀江，宋汝会

(光照发电厂，贵州 盘州 561405)

0 引言

光照水电站位于贵州省晴隆县与关岭县交界，是北盘江干流茅口以下梯级水电开发“一库五级”的龙头水电站，是贵州省境内为数不多的具有不完全多年调节性能的大型水电站。电站4台单机容量260 MW的混流式水轮发电机组，总装机容量1 040 MW，设计年均发电量27.54亿kWh。水轮机由哈尔滨电机厂有限责任公司生产，型号为HLA855a-LJ-505，设计水头135m，实际运行最大水头159m，最小水头112m，水头变幅近50m。

自2008年投产发电以来，电厂按照机组状态进行26次不同级别检修，在检修中对转轮进行检查发现4台水轮机转轮叶片均出现不同程度贯穿性裂纹，发生位置集中在上冠与下环叶片出水边处。具体裂纹统计见表1。

表1 光照水电站转轮裂纹情况统计

1 研究的目的与意义

近年来，大量大型水轮发电机组不断地投入运行，随着机组尺寸的增加以及转速不断提高，水电机组的运行稳定性及机组关键部件的裂纹、断裂问题成为了国内外水电站安全稳定运行的两大问题。水轮机转轮裂纹问题相对复杂，涉及多个学科，需要先进的仪器进行测试。国内外许多水电站都曾经出现过水轮机组的转轮裂纹问题，特别是水电机组在偏工况运行时，受到水力振动的影响，导致机组关键部件的疲劳甚至遭到破坏。因此，如何解决在运机组转轮裂纹问题显得十分重要和急迫。

光照电站4台机组投运至今已有12年，4台水轮机转轮叶片均出现不同程度的贯穿性裂纹，平均每年检修维护费用增加超400万元，给电站的安全生产和经济运行带来了巨大隐患和损失。分析机组转轮叶片裂纹产生机理，对大变幅高水头的大型转轮反复出现裂纹的机理进行综合分析，根据研究结果制定处理方案并在真机上进行实施验证，以从根本上解决光照水电站转轮裂纹反复发生的问题。

2 转轮裂纹产生机理

针对光照水电站转轮大变幅高水头的特点，先后从转轮的运行工况、材质、内部流场、叶片静动应力等方面，集成统计对比分析、化学检测、真机试验、CFD流场计算(computational fluid dynamics，CFD)、流固耦合计算等方法分析裂纹机理，找出了光照水电站转轮裂纹的产生机理。

2.1 设计选型分析

对巴基斯坦塔贝拉电站、美国CHIEF JOSEPH电站、大古力电站、埃及阿斯旺电站、苏联的布拉茨克和克拉斯诺雅尔斯克电站等国外电站，广东枫树坝电厂、万家寨水电厂及三峡电厂等国内电站转轮裂纹情况统计分析。

从理论上分析转轮在设计上是否存在缺陷和不足。通过分析光照转轮满足机组出力要求，选型合理正确。

2.2 运行工况分析

主要是开展机组稳定性试验，找出机组稳定运行区、过渡运行区和振动区，然后对机组历史运行情况进行统计分析，对比机组在稳定运行区、过渡运行区和振动区运行时间及占比情况。2011年5月—2015年3月，对4台机组进行了694m，702m，710m，718m，726m，734m，742m库水位的振动区试验。

通过分析40 %开度以下的运行区域均属于振动运行区域范围，同时在4台机组在低水头、大负荷也存在振动运行区。3号机组振动区域范围较大，长期处于低负荷、振动区域运行。

2.3 材质分析

为分析光照水电站转轮材料是否满足要求，利用机组转轮裂纹常规补焊处理机会，对叶片靠近上冠出水边裂纹处取样，进行化学成分、冲击韧性和硬度进行分析。对转轮叶片、上冠、下环及焊接材料的材质成份、强度、韧性等进行了复核。通过复核材质满足设计要求，但存在局部偏析问题，同时局部有气孔现象。

2.4 水轮机全流道CFD流场分析

(1) 为了分析各种水头下光照水轮机在不同运行工况下的内部流态情况，根据机组的振动区和实际运行工况，该项目中共选择了3个水头，共9个工况进行内部流场分析及计算。该次计算采用的是ANSYS软件对水轮机全流道进行CFD流场分析。

通过计算额定水头额定功率(H=135m，P=260 MW)工况流域内部流态较好，流动沿几何方向，无明显旋涡、二次流等不良流态。转轮内部的流动较为平滑，流动与叶片几何贴合较好，无明显不良流动结构。

转轮内部压力分布合理。低水头最大功率(H=115m，P=205 MW)流态开始变差，流域内部流态总体较好，旋涡、二次流等不良流态规模小，转轮内部的流动出现分离，尤其是转轮进口位置出现回流，流态较额定水头更为紊乱。低水头低功率(H=115m，P=115 MW)流态较差，流域内部流态紊乱，尤其在导叶和尾水管内部观察到明显的旋涡、二次流等不良流态。转轮内部的流动较为紊乱，叶片进口边附近出现回流，工作面靠近上冠的区域存在明显低压，出现分离流动，在叶片背面靠近出口边位置存在明显低压区，此处流动分离加剧，流动状况不良。转轮出口位置流动分离较大，流动状态较差。

(2) 针对上述的流动分析得出，低水头条件下水轮机内部流动紊乱，不良流态较为复杂，因此，在低水头条件下对水轮机内部的压力脉动进行计算及分析。计算工况包含低水头大功率(H=115m，P=205 MW)、低水头低功率(H=115m，P=115 MW)、低水头其他功率(H=115m，P=165 MW)。

通过计算在额定水头低负荷和低水头工况时，机组内部流动状态差，存在机组内部的静动翼干涉、尾水管涡带等旋涡影响的压力脉动。

(3) 基于流固耦合的转轮应力特性分析。针对混流式水轮机采用“顺序耦合法”的流固耦合数值计算实现对转轮叶片应力大小及分布进行计算分析，对转轮强度进行复核。在叶片静强度分析中，建立流场和结构场两个物理场，流场计算结果中的水压力通过流固交界面传递给结构场，作为结构场分析计算的载荷条件；同时结构分析结果中的边界位移也可以通过交界面传递给流场，从而引起流场域网格的变形，以进行新的流场计算，如此交互迭代来模拟二者的相互作用，并最后收敛到平衡的解。

为了求解转轮在水中的模态，需要对转轮在水中的流固耦合振动问题进行求解。水中的叶片和转轮的模态分析采用直接耦合的方法进行有限元计算，利用非对称广义Lanczos法计算光照水电厂转轮在水中及空气中的动态特性。共选择了3个不同工况进行水轮机转轮应力特性的对比分析及计算，计算包括静应力和动应力。静态特性计算结果表明，静应力的大小未超过许用应力，不是裂纹产生的主要原因，但转轮叶片出口边靠近上冠与下环处存在应力集中点，可能是造成裂纹的因素之一，需要进行改进消除集中应力，改善裂纹问题。

通过对光照水电厂转轮和叶片的动态特性计算，结果表明，转轮与叶片的固有频率有效的避开了流体的激振频率，转轮叶片具有良好的动态特性。目前存在的叶片裂纹的根源也不是水力激振和转轮及叶片的共振引起。

3 转轮裂纹处理对策

根据裂纹产生的机理，采用在叶片出水边与转轮上冠和下环的连接处加三角块的方式降低叶片的最大应力，同时转移最大应力位置，通过仿真计算，制定适应于光照水电站的“均应非等厚三角块”转轮裂纹处理对策和方案，对转轮叶片高应力区进行修型和加强处理，改善应力分布，提升抗裂纹能力。

通过计算三个工况的最大应力，分别从125.35 MPa降低为97.24 MPa，108.08 MPa降低为83.92 MPa，120.48 MPa降低为92.83 MPa。

4 转轮裂纹处理及效果验证

2017年3—4月采用“均应非等厚三角块”对光照水电站3号机组转轮叶片实施修型和加强处理，严格按照“PT检测-划线-等离子切割-切割面打磨-三角块装配-单侧焊缝焊接-清根-清根侧打磨PT-焊接清根侧焊缝-焊缝打磨-焊缝UT探伤-修型抛光”的施工工艺流程，做好现场条件动态调节控制。

裂纹处理后，于2017年5月、2018年1月分别对机组开展了稳定性试验、水轮机效率试验等真机试验和长时间的实际运行，验证了光照水电厂转轮裂纹处理的方式方法正确，改善了机组稳定运行工况。

2017年5月完成大变幅高水头水轮机转轮裂纹成因分析和对策处理体系构建，总结裂纹成因分析、实施方案制定及现场处理工艺流程等，于2017年5月建立了集运行工况分析、机理分析、CFD流场计算、流固耦合数值仿真计算、材料分析、原型试验验证等五位一体的大变幅高水头转轮裂纹成因分析和对策处理体系，创新性地提出了水电站转轮裂纹问题的研究处理方法。

5 结束语

光照电站自采取均应非等厚三角块结构处理措施以来，截至2020年4月份，在历次机组检修中，从未出现过以往的贯穿性裂纹现象，处理对策有了阶段性成果，提高了设备的健康水平和安全可靠性能，为同类型大变幅高水头水轮机组类似问题的处理提供了参考。