鄧 斌，魏 夏

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大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪動(dòng)應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究

鄧 斌1，魏 夏2

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

近年來(lái)，大型水輪發(fā)電機(jī)組不斷地投入運(yùn)行，隨著機(jī)組尺寸的增加以及結(jié)構(gòu)上的偏薄設(shè)計(jì)，水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪裂紋問(wèn)題已成為困擾水電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要問(wèn)題。本文利用動(dòng)應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)開展水輪機(jī)真機(jī)轉(zhuǎn)輪在不同運(yùn)行工況下動(dòng)應(yīng)力特性的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)合轉(zhuǎn)輪動(dòng)應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，分析引起水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋的主要原因，并提出了處理措施。研究結(jié)果為研究分析機(jī)組穩(wěn)定性狀況和轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生裂紋的原因提供技術(shù)依據(jù)。

水輪機(jī)；轉(zhuǎn)輪；動(dòng)應(yīng)力；裂紋

0 引言

隨著水電工程建設(shè)的高速發(fā)展，機(jī)組容量和尺寸的逐步增大，機(jī)組相對(duì)強(qiáng)度下降，機(jī)組關(guān)鍵部件的裂紋問(wèn)題逐漸突顯，成為影響國(guó)內(nèi)外大型水力發(fā)電廠安全運(yùn)行的主要問(wèn)題之一［1］。為提升水輪機(jī)運(yùn)行壽命，減少轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的概率，本文研究了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片動(dòng)應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)，并對(duì)轉(zhuǎn)輪裂紋問(wèn)題進(jìn)行深入研究及討論。

論文選取某水電站一臺(tái)大型軸流式水輪機(jī)，該水電站總裝機(jī)容量630MW，單機(jī)容量105MW，共6臺(tái)，選用ZZ440A-LH-750水輪機(jī)，SF105-66/12800型發(fā)電機(jī)。水輪機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 水輪機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of turbine

續(xù)表

該水電站自首臺(tái)機(jī)組在調(diào)試或運(yùn)行過(guò)程中，曾發(fā)生過(guò)多次抬機(jī)事故，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分上抬高度為25～29mm，造成水輪機(jī)工作密封跳出、接頭撕開，集電環(huán)碳刷和刷架、勵(lì)磁引線絕緣的破壞等。后在檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，6臺(tái)機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片都出現(xiàn)了不同程度的裂紋，有的已非常嚴(yán)重，直接危及機(jī)組的安全運(yùn)行。其中2號(hào)機(jī)組最為嚴(yán)重，6個(gè)葉片均存在不同程度的裂紋。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)

1.1 轉(zhuǎn)輪葉片固有頻率測(cè)試

轉(zhuǎn)輪葉片固有頻率測(cè)試方法采用脈沖激勵(lì)法即錘擊法，對(duì)激發(fā)力和被激發(fā)體的響應(yīng)進(jìn)行傳遞函數(shù)分析，以得到被激發(fā)體的各階固有頻率。

轉(zhuǎn)輪葉片固有頻率測(cè)試在空氣中進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果給出的頻率值為空氣中的固有頻率，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料計(jì)算結(jié)果表明，葉片在水體中的振動(dòng)主頻約為空氣中的60%～70%，而振型基本一致。

本次試驗(yàn)選擇兩個(gè)葉片（2號(hào)和6號(hào)）進(jìn)行了葉片固有頻率測(cè)試，響應(yīng)測(cè)點(diǎn)的布置見(jiàn)圖1。

圖1 位移傳感器的安裝Fig.1 Installation of displacement sensors

1.2 轉(zhuǎn)輪葉片應(yīng)力測(cè)試技術(shù)

轉(zhuǎn)輪葉片應(yīng)力測(cè)試方法采用電阻應(yīng)變測(cè)量法，通過(guò)測(cè)量葉片應(yīng)變值，經(jīng)計(jì)算得到葉片的平均應(yīng)力和動(dòng)態(tài)應(yīng)力。

（1）葉片應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置。電阻應(yīng)變片布置在兩個(gè)葉片上（2號(hào)和6號(hào)），每葉片布置8點(diǎn)，共16點(diǎn)。根據(jù)電站轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂紋的情況，將電阻應(yīng)變片布置在裂紋產(chǎn)生的葉片出水邊側(cè)R450扇區(qū)處的正、背面上。圖2為2號(hào)葉片正面應(yīng)變片的布置情況。

（2）葉片應(yīng)力測(cè)試方法。轉(zhuǎn)輪葉片應(yīng)力測(cè)試方法采用電阻應(yīng)變測(cè)量法，通過(guò)測(cè)量葉片應(yīng)變值，經(jīng)式（1）計(jì)算得到葉片的平均應(yīng)力和動(dòng)態(tài)應(yīng)力。

式中：σ——計(jì)算得出的應(yīng)力值，MPa；

ε——試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)變值，μm/m；

E——材料的彈性模量，E=2.1×105MPa。

測(cè)試裝置采用多通道應(yīng)變采集系統(tǒng)，最高采樣速率30kS/s，內(nèi)置可編程濾波器、橋路、低電壓增益等，可進(jìn)行1/4橋、半橋和全橋的應(yīng)變測(cè)量。應(yīng)變采集系統(tǒng)采用16Ah蓄電池對(duì)其進(jìn)行供電，利用兩個(gè)計(jì)時(shí)器控制應(yīng)變采集系統(tǒng)的供電和數(shù)據(jù)采集。

整個(gè)測(cè)試裝置密封后安裝于轉(zhuǎn)輪泄水錐中，應(yīng)變片輸出信號(hào)通過(guò)信號(hào)線直接與應(yīng)變信號(hào)采集儀連接。測(cè)試過(guò)程中，采集的數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)于可移動(dòng)CF存儲(chǔ)卡中，試驗(yàn)結(jié)束后取出CF存儲(chǔ)卡，讀取試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)。

圖2 葉片正面應(yīng)變片的布置Fig.2 Layout of strain gauge in front of the runner

2 試驗(yàn)內(nèi)容與工況

試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)工況見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)工況Tab.2 Test items and conditions

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 轉(zhuǎn)輪葉片固有頻率測(cè)試結(jié)果

2號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片固有頻率共測(cè)試了2號(hào)和6號(hào)兩個(gè)葉片，測(cè)試結(jié)果（轉(zhuǎn)輪葉片前18階固有頻率）見(jiàn)表3，其中前5階按位移傳感器測(cè)量結(jié)果給出，后13階按加速度傳感器測(cè)量結(jié)果給出。

表3 2號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片固有頻率測(cè)試結(jié)果Tab.3 Test results of natural frequeney of runner blade of Unit 2

3.2 葉片靜應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果

2號(hào)葉片各測(cè)點(diǎn)的靜應(yīng)變值（平均應(yīng)變值）與負(fù)荷的關(guān)系曲線見(jiàn)圖3，各測(cè)點(diǎn)在不同負(fù)荷下的平均應(yīng)變值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4，實(shí)測(cè)葉片最大平均應(yīng)變值為87μs，發(fā)生在機(jī)組滿負(fù)荷工況（86.83MW），葉片背面距出水邊450mm、距葉片外圓100mm的SG8測(cè)點(diǎn)，換算到平均應(yīng)力值（靜應(yīng)力）為拉應(yīng)力18.2MPa（材料的彈性模量E按210GPa計(jì)算）。

從圖3中可看出，SG1、SG7、SG8的靜應(yīng)力在空載時(shí)為拉應(yīng)力，其中SG1和SG8的靜應(yīng)力隨負(fù)荷的增加拉應(yīng)力增大，在機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)為最大，SG7的靜應(yīng)力隨負(fù)荷的增加拉應(yīng)力降低。SG2、SG3、SG4、SG5、SG6的靜應(yīng)力在空載時(shí)為壓應(yīng)力，其中SG2、SG5、SG6的靜應(yīng)力隨負(fù)荷的增加壓應(yīng)力增大，在機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)為最大，SG3和SG4的靜應(yīng)力隨負(fù)荷的增加壓應(yīng)力降低，在滿負(fù)荷時(shí)為拉應(yīng)力。從數(shù)值上看，各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)的應(yīng)變值都不大，說(shuō)明在測(cè)點(diǎn)布置的部位葉片的靜態(tài)變形量不大。

表4 2號(hào)平均應(yīng)變值與機(jī)組有功功率統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Statistical table of the average strain value and active power of Unit 2

圖3 轉(zhuǎn)輪平均應(yīng)變值與機(jī)組有功功率的關(guān)系Fig.3 Relationship between the average strain value and active power

3.3 葉片動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果

各測(cè)點(diǎn)葉片動(dòng)應(yīng)力混頻幅值（97%置信度）、脈動(dòng)主頻與機(jī)組有功功率的關(guān)系曲線見(jiàn)圖4和圖5。

葉片各測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力混頻幅值隨負(fù)荷變化的規(guī)律與尾水管錐管壓力脈動(dòng)變化趨勢(shì)基本相同，在25～55MW負(fù)荷范圍內(nèi)相對(duì)較大，實(shí)測(cè)葉片背面距出水邊450mm、距葉片外圓100mm處的SG8測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力最大混頻幅值為39.4MPa，脈動(dòng)頻率主要集中在226～230Hz和292～230Hz兩個(gè)區(qū)域，約為導(dǎo)葉過(guò)流頻率的6倍和8倍。其他負(fù)荷工況，葉片動(dòng)應(yīng)力幅值相對(duì)較小。

圖4 轉(zhuǎn)輪動(dòng)應(yīng)力與機(jī)組有功功率的關(guān)系（升負(fù)荷）Fig.4 Relationship between the dynamic stress and active power(increasing load)

圖5 轉(zhuǎn)輪動(dòng)應(yīng)力與機(jī)組有功功率的關(guān)系（降負(fù)荷）Fig.5 Relationship between the dynamic stress and active power(decreasing load)

4 轉(zhuǎn)輪葉片裂紋原因分析

（1）機(jī)組運(yùn)行和葉片裂紋情況。根據(jù)電站資料，電站轉(zhuǎn)輪葉片裂紋都出現(xiàn)在R450扇區(qū)附近，裂紋斷口處較光滑，裂紋上下錯(cuò)牙。試驗(yàn)機(jī)組為2號(hào)機(jī)，裂紋最為嚴(yán)重，6個(gè)葉片均存在不同程度的裂紋。

根據(jù)電站記錄，電站機(jī)組處于頻繁開、停機(jī)狀態(tài)，白天停機(jī)，晚上開機(jī)，每天運(yùn)行10h左右，有效運(yùn)行時(shí)間內(nèi)通常帶負(fù)荷為40～50MW。

（2）轉(zhuǎn)輪葉片材料分析。轉(zhuǎn)輪葉片材料為ZG00 Cr13Ni6Mo，從葉片裂紋處取下樣塊，材料化學(xué)成分和金相組織分析合格，見(jiàn)表5。

（3）振動(dòng)原因分析。從試驗(yàn)結(jié)果看，引起葉片振動(dòng)的原因可能有以下兩方面因素：

表5 2號(hào)轉(zhuǎn)輪葉片材料分析結(jié)果Tab.5 Analysis results of runner material of unit 2

1）葉片出水邊處的卡門渦頻率與葉片的某階固有頻率接近，引起葉片共振。

從葉片固有頻率測(cè)試結(jié)果可以看出，傳遞函數(shù)幅值最大的4階固有頻率分別為510.13、321.53、139.16、372.07Hz。根據(jù)相關(guān)資料［3］-［5］，對(duì)于軸流機(jī)組葉片在水體中的振動(dòng)頻率約為空氣中的60%～70%，而振型基本一致。如按此估算，則321.53Hz或372.07Hz在水中的頻率很可能為228Hz左右。

另外，機(jī)組在負(fù)荷30～50MW時(shí)，機(jī)組過(guò)流量約200～300m3/s，葉片出水邊處平均流速約7～10m/s。當(dāng)水輪機(jī)在此負(fù)荷范圍運(yùn)行時(shí)，由于流量較小，在離心力的作用下，大部分水流沿葉片外圓區(qū)域的葉片流道通過(guò)轉(zhuǎn)輪。因此，葉片出水邊靠近外圓區(qū)域流速要明顯高于平均流速，一般可按1.5～2倍進(jìn)行估算，則葉片出水邊靠近外圓區(qū)域流速可能在15～20m/s。卡門渦頻率可按公式 計(jì)算，斯特魯哈數(shù)Sh一般取0.22～0.24，水輪機(jī)出水邊靠近外圓處的厚度d為16mm，則估算的卡門渦頻率在200～300Hz，與共振頻率基本接近。

2）導(dǎo)葉、葉片過(guò)流頻率與葉片的某階固有頻率接近，引起葉片共振。

由相鄰導(dǎo)葉間流速及壓力分布不均勻的水流和轉(zhuǎn)輪相互作用，以及相鄰葉片間流道中的流速及壓力不均勻都可引起水流的脈動(dòng)。從試驗(yàn)結(jié)果看，在蝸殼進(jìn)口甚至尾水錐管都可以明顯地看到導(dǎo)葉過(guò)流頻率（24×1.515=36.36Hz），在機(jī)組不發(fā)生共振的情況下，其還是主頻。轉(zhuǎn)輪進(jìn)口（在內(nèi)頂蓋上測(cè)量）大部分工況下脈動(dòng)主頻與葉片過(guò)流頻率有關(guān)（6×1.515=9.09Hz），約為 7.5Hz，為轉(zhuǎn)頻的 5倍，其原因是測(cè)點(diǎn)處本身以一倍轉(zhuǎn)頻在旋轉(zhuǎn)，因此疊加后應(yīng)該為轉(zhuǎn)頻的5倍。根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析，對(duì)于該水輪機(jī)因動(dòng)靜干擾所引起的水流脈動(dòng)還是比較明顯的。

對(duì)于導(dǎo)葉過(guò)流頻率，一般情況下，在轉(zhuǎn)動(dòng)部件上（如轉(zhuǎn)輪葉片）可以明顯地測(cè)到，而在固定部件上測(cè)量應(yīng)該不是很明顯。對(duì)于該水輪機(jī)，在蝸殼進(jìn)口甚至尾水錐管都可以明顯地看到存在導(dǎo)葉過(guò)流頻率的脈動(dòng)成分，這可能是由于動(dòng)靜干擾引起了葉片振動(dòng)，從而使水流產(chǎn)生了脈動(dòng)。

導(dǎo)葉過(guò)流頻率乘上葉片數(shù)6，其頻率為218.16Hz（6×24×1.515=218.16Hz），與前面分析的葉片固有頻率約228Hz比較接近，非常有可能引發(fā)葉片產(chǎn)生共振。

根據(jù)以上分析，水輪機(jī)在25～55MW負(fù)荷范圍內(nèi)，因卡門渦或動(dòng)靜干擾產(chǎn)生的水力激振源，與葉片固有頻率相接近，引發(fā)葉片局部共振，從而引起葉片產(chǎn)生疲勞裂紋。從測(cè)試結(jié)果看，實(shí)測(cè)葉片最大動(dòng)應(yīng)力為39.4MPa，其幅值不是非常高，但由于其交變的頻率較高，如長(zhǎng)時(shí)間在此負(fù)荷范圍內(nèi)運(yùn)行，極易引發(fā)疲勞破壞，產(chǎn)生疲勞裂紋。因此，認(rèn)為該水輪機(jī)葉片裂紋產(chǎn)生的主要原因是：在25～55MW負(fù)荷范圍內(nèi)，葉片局部共振引起的高周疲勞［6］-［7］。

5 結(jié)論

本文圍繞水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋問(wèn)題開展試驗(yàn)研究與分析，找出轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)裂紋的原因。經(jīng)分析，該水輪機(jī)的葉片裂紋主要原因?yàn)椋涸?5～55MW負(fù)荷范圍內(nèi)，葉片局部共振引起的高周疲勞。

為延長(zhǎng)轉(zhuǎn)輪的疲勞壽命，建議對(duì)2號(hào)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)性處理，將R450圓弧的半徑適當(dāng)加大，同時(shí)將靠近外圓區(qū)域的出水邊厚度適當(dāng)減薄，消除葉片尾部產(chǎn)生的卡門渦，同時(shí)避免機(jī)組在不穩(wěn)定工況區(qū)運(yùn)行［8］。

［1］薛偉，陳昭運(yùn).水輪機(jī)葉片裂紋原因及預(yù)防措施研究［J］.大電機(jī)技術(shù)，2002.XUE Wei,CHEN ZhaoYun.Study on Blade Cracks of Hydraulic Turbine Runner and Preventing Methods［J］.Large Electric Machine Technology,2002.

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鄧 斌（1981—），男，本科，主要研究方向：水電站技術(shù)管理。E-mail：bin-deng@sgxy.sgcc.com.cn

魏 夏（1987—），男，碩士，主要研究方向：水電機(jī)組狀態(tài)評(píng)價(jià)。

Research of Dynamic Stress Test Runner of Large Turbine

DENG Bin, WEI Xia
(State Grid Xinyuan Company LTD, Beijing, 100761, China; Technology center State Grid Xinyuan Company LTD, Beijing, 100161, China)

In recent years, large-scale hydro units in operation continuously.An important issue which hydro group runner cracks is caused distress Hydropower safe and stable operation with the increase in unit size and thin and structural design.In this article, dynamic stress test system to be used in different operating conditions and the transition process in the dynamic stress characteristic of the field test.Combined with dynamic stress runner field test results, the main reason to be analyzed the reason caused the runner cracks and proposed actions.Technical basis is provided the research and analysis unit stability condition and runner blade cracks.

turbine; runner; dynamic stress; crack

TV743.1

A 學(xué)科代碼：570.2510

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.010