水轮机转轮叶片裂纹的产生原因及对策

水轮机转轮叶片裂纹的产生原因及对策

罗志勇

四川省达州市水利电力建筑勘察设计院635000

摘要：我国水力事业近年来不断蓬勃发展，但其中还存在着一些未来需要攻克的问题，水轮机转轮叶片裂纹产生是其中一个重点，水轮机转轮叶片产生的裂纹不仅影响经济效益，也为整体机组的安全性埋下隐患，只有突破这个技术才能进一步推动水力事业的发展。本文就水轮机转轮叶片裂纹的产生原因和解决方案做出分析建议，希望为水轮机转轮叶片裂纹的控制和解决提供参考依据。

关键词：水轮机；转轮；叶片；裂纹

引言

水力工程的安全因素至关重要，转轮是水轮机的重要组成部分，其轮毂与叶片过渡区域在力学性能上是整个转轮的薄弱环节，在机组运行过程中该区域容易发生裂纹现象。面对水轮机长时间使用和其他复杂情况，转轮叶片上会出现裂纹，影响水轮机组正常运行，导致整个机组损坏乃至安全事故，对经济财产造成损失。解决这个问题就要对裂纹产生原因进行研究，制定可行的防控机制，降低裂纹产生，提升工作效率和使用寿命。

1叶片裂纹产生原因

1.1受力因素的影响

混流式水轮机与转桨式水轮机不同，其叶片是由上冠和下环固定，无法根据水流和工作情况的变化进行调节，需要在设计好的工作程序中运行，如不设计工作情况则容易破坏无撞击进口和反向出口的最佳条件，水流方向和流量改变，容易在叶片出水处和末尾水管内部产生移动旋涡，旋涡轮流出现产生的交变力，交变力对于叶片冲击产生的频率时会产生共振效应，长时间的强烈震动最终导致叶片裂纹。水轮机在使用过程中，所受到的作用力相对较大，在轮叶上端和下端都极易出现一些细小的裂纹。如果不及时维修，就会造成裂纹的增大或加深，最终导致轮叶断裂，对整个系统的正常运行造成不利影响。

1.2泥沙对转轮的损耗

泥沙会造成转轮的非正常损耗，损耗程度取决于泥沙量的多少。通常来说，未经处理的水或多或少都含有一定量的泥沙，当含有泥沙的水流过水轮机时，会对管道造成相应的磨损，使管道出现变形、变薄等问题，严重的甚至会造成转轮轮叶损坏。水中所含有的泥沙，除了会造成转轮的非正常损耗外，还会进一步加剧气蚀对转轮的破坏。

1.2超负荷工作

水电站工作强度过大，为了提升工作效率使得水轮机超出正常工作效率范围，转轮承受应力时间久了就会超出本身所能承受的荷载，这对叶片是一种损伤，也存在着安全隐患。水轮机在设计时对其应用环境实地了解较少，不同地域水流情况并不相同，叶片在承受水的应力时会发生变化，叶片最大受力点在出水处和下环之间的连接部分，连接部分的受力比较薄弱，长期的压力冲击会导致叶片开裂。此外，在使用过程中水轮机难免会遇到操作不符合流程的问题，有时会导致受损，现代焊接技术质量难以承受长期水流冲击，在发生轻微变形时会产生气缝。水轮机生产制作过程中的一些不精密操作也是导致叶片在工作中面对高强度工作而产生裂缝的原因之一，零部件衔接不够精确，在使用时受水流冲击作用会产生晃动，长久使用整体运行状态不稳固导致产生裂纹。

2水轮机叶片裂纹的控制措施

2.1严格监控水轮机的质量

避免水轮机转轮叶片在长时间、高强度的使用过程中出现故障和损伤，验收安装时要对其质量有严格把控。明确责任制度，以免出现故障无人负责，零部件加工、组装、运行要设置专业专门人员负责监控。后期安装使用中明确按照其使用说明操作，避免出现因操作不当引发损坏，整体检测合格后安装焊接完成时对焊接处做退火热处理。试运行中要多次检查，确认水轮机本身没有瑕疵，发现问题及时更换，如存在不可修复缺陷坚决不能投入使用，对于精密配件的要求要仔细检查，确保没有加工过程中本身自带损伤和其他情况。把好质量关才能使水轮机在长期使用中保持更好的工作状态。

2.2优化水轮机的设计方案

科学性合理性的设计方案有助于提升水轮机转轮叶片的使用寿命，降低故障率。水轮机设计和制造过程中优化减少压力脉动的生成能够有效提升其工作效率，对于刚度和静强度要采取科学设计，加强水轮机的稳定性根据实际情况改善共振率的产生。水轮机转轮叶片应采取相对较好的制造材料才能提升整体质量改善容易产生裂纹的状况，水流的冲击是产生裂纹的主要情况，参考科学的流体力学设计以增强对流体受力的应对。为减少运行时叶片出现裂纹，在设计时应尽量增加转轮刚度和强度，降低叶片的平均应力，避免应力集中，并提高叶片出水边的刚度，适当增加叶片与上冠下环缝圆弧过渡半径，同时采取各种措施避开共振，避免裂纹产生。

2.4提高水轮机维修水平

焊接是水轮机维修中的常用技术之一，能够有效修补泥沙和水压对水轮机转轮所造成的非正常损耗。焊接技术在水轮机转轮维修中的应用包括以下几点。第一，清除多余部分。在进行焊接之前，应该先清理转轮表面，从而更好地分辨出磨损较为严重的地方，在维修中重点修补。比如，对于那些材料尚未完全脱落，但结构稳定性较差的地方，应及时将已经松动的材料剥离，然后进行打磨，并使用相同材质的材料进行修补、焊接。第二，对水轮机的转轮进行加热。在对转轮进行维修的过程中，若维修面较大的话，则需要在维修之前对转轮的表面进行加热，多采用烘烤方式。再者，在对水轮机转轮裂纹进行修复的时候，通常采用小电流、窄焊道的手段，按照“镶边、分段、退步”的焊接流程进行操作。在这个过程中，为了能够消除焊接所产生的应力，除了退火层、第一道焊波之外，其余焊波均需要进行锤击操作。每完成一道焊波，需要马上进行锤击，这样可以使焊接所产生的收缩应力得到松弛。为了提升功效，也可以在焊接一层之后，进行统一化的锤击操作。在完成坡口焊接之后，不妨再焊接一层退火层，但这里需要注意，如果坡口位处在空蚀区，那么需要在最后两层，进行抗空蚀焊条堆焊，表面再焊接一层退火层。

2.5合理采取避震措施

动应力和静应力的产生以及水轮机转轮叶片在高强度的工作中产生的震动效果都是导致叶片裂纹的外力作用。只有稳定的工作状态才能防治裂纹出现和加大，根据实际情况合理改变其工作状态，对水轮机组进行固定或避免超负荷长时间运转，采用专业的震动检测设备对水轮机组的工作做出监控，有效做到对存在的问题做到监测，及时处理可能出现的问题，如发生损伤第一时间发现、检查、修复或更换。此外，要对水轮发电机组的主轴中心进行补气，在大型水轮发电机组的运行过程中，通过向其主轴中心进行补气，可以减轻机组的振动。当振动区存在一定量的补气时，能够补到涡带空腔区域，这样可以抑制水轮机尾水管涡带产生的水压脉动。如果补气量不足，那么还有可能会出现振动加剧的情况。还有，在满足系统所要求的前提下，应该对机组的运行条件做出适当的优化，减少低负荷工况的运行情况，降低振动发生的频率，这样可以有效预防转轮出现裂纹。

结语

综上所述，叶片产生裂纹的原因是多方面的,在水轮机检修时及时处理缺陷，消除事故隐患是十分必要的。通过对叶片进行修型，对机组稳定运行提供了一定的参考价值，但裂纹的产生是无法完全消失的，只有在以后的运行和检修过程中不断分析总结才能采取有效措施减少裂纹产生的几率，保证机组的安全稳定运行。要想提升水轮机的生产效率，延长其使用年限，那么需要在设计上选用优质材料，在制造中注重管理，严格按照制造工艺要求执行操作。

参考文献

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