水轮机叶片的裂纹问题

　　　　　　　　　　　水轮机叶片的裂纹问题
　　　　　　　　　　　　　作者：李连贵
当今世界水电机组最为令人头痛的问题就是运行稳定性、安全可靠性问题。这是个世界性课题。美国的大古力、加拿大的拉格兰德、巴西的依太普、委内瑞拉的古里、前苏联的布拉茨克以及中国的二滩、岩滩、白山、刘家峡、龙羊峡、丹江口、李家峡、小浪底、天生桥、五强溪、隔河岩、潘家口等电站都发生了振动、裂纹等引起的稳定性问题。


大型机组只能选用混流式水轮机。转轮叶片由上冠和下环固定，不像转桨式那样桨叶可调来适应水流工况的变化，在非设计工况下运行时，不可能同时满足转轮进口和出口的最佳流动条件，水流环量大小和方向发生变化，在尾水管内形成不稳定涡带、由于紊乱的涡核外表面的触发，涡带突然暂态抖动，再回到原状，这种从稳态到不稳态的涡带溃裂，能产生很大冲击力，而且没有规律。它引起水压脉动以及机组振动，导致转轮叶片、尾水管等的裂纹、开裂甚至破断。这个问题是混流式水轮机固有的缺点，当前尚不能完全解决。虽然数字化全三维粘性流体动态解析新技术可以把水力损失减至最小，甚至能把效率提高到所能达到的最大值，但它不能预测紊态水流的压力脉动和运行稳定性。


当前已被实践验证的有效预防方法是：①设计方面——在水力设计时应使转轮入口处的水流对叶片头部无撞击，并呈正冲角；而出口处水流方向应为法向并带有正环量。如果水流冲角太大就会引起脱流，空化，形成叶道涡，进而引起水压脉动。脱流空化时水流对叶片的负压，其间形成真空空腔，这种负压足以将叶片金属表面结晶撕裂、剥层并导致空蚀破坏。叶片出口处水流环量过大时，便在尾水管内产生强烈涡带，它能引起低频水压脉动。应避免导叶和转轮叶片出口处出现卡门涡和叶道涡，以减小压力脉动和空蚀。应减小水头变化幅度，使其小于平均水头的30%—40%。还应减小单位转速，并使设计水头尽量靠近最高水头，以避免高水头下的运行不稳定性。不要单纯追求高参数(如效率)，实践证明，参数较高的机组稳定性差，②结构方面——除了上述水力设计方面，在结构力厚方面也要保证强度、提高刚度、避免共振、降低应力，应适当增加叶片厚度和叶片与上冠和下环的交接圆角，不要追求重量指标，应确保刚度、强度。固定导叶的卡门涡频率应比其固有频率高30%以上，可防止裂纹。要防止固定导叶、活动导叶以及转轮叶片的卡门涡频率与其固有频率的接近，还要注意活动导叶、固定导叶和蜗壳中压力脉动频率与其固有频率的接近而导致共振。③工艺方面——水轮机过流表面的流线翼型是理想的水力设计结果，但必须通过先进的制造工艺来保证。采用超低碳钢精炼铸件，转轮叶片采用数控机床加工，减小重量和水力不平衡。采用的焊接、探伤和热处理工艺应能保证减小残余应力，确保不产生裂纹。岩滩电站、300MW机组，转轮叶片出口出现中频压力脉动，引起共振、叶片出水边裂纹，通过技术改造，采用不锈钢转轮，真空精炼、数控加工，提高刚、强度，才恢复正常运行。小浪底电站也是单机300MW机组，共6台，转轮13个叶片全部出现穿透性裂纹。生产厂家是世界著名的德国伏依特公司，也是三峡左岸14台机组的中标者之一，采用专利发明，转轮焊后不退火，结果导致裂纹，就是焊后残余应力过高又不退火引起的。这些都是工艺方面的典型经验教训。④运行方面——在电站机组运行过程中，起动、停机、加载、卸载都应缓慢进行，急开、急停都可能导致叶片产生裂纹。当额定水头值偏低时，应提高发电机出力，以改善高水头、大负荷工况下的运行稳定性，拓宽负荷调节范围。对补气系统也应进行优化，以改善低负荷区的稳定性。生产厂家根据最先进的流体、动态观察成像系统给出了图谱，电站用户应当重视厂家提供的稳定运行范围，实现避振运行，如果不能满载运行，也不要在较低的部分负荷下运行，当负荷低于50%以下时，就应引起重视。巴西依太普机组单机容量715/740MW，属于世界最大级，当负荷低于400MW以下就停机不运行了。当然巴西电力供大于求，大部出口。我国缺电严峻，虽然低荷仍然运行，争取多发电量，就应特别注意。