混流式水轮机导水叶常见问题及裂纹原因分析

杨万群

0引言

2018年6月，某水电厂1号机组在检修过程中发现24片转动导水叶下轴与瓦片结合部位均存在严重的裂纹，裂纹有横向也有纵向，以纵向为主。

该水电厂发电机为哈尔滨电机厂设计的SF2500－48/4250型48级三相发电机，额定功率50Hz，额定转速125转/min;水轮机为零陵水电设备总厂设计，型号ZZ560B－LH－330;该机组共包含24片转动导水叶，导水叶由上轴、下轴及瓦片组成，上轴尺寸Φ133．3mm×Φ135mm/Φ32mm×660mm，下轴尺寸Φ115mm/Φ32×118mm，瓦片尺寸1609mm×542mm，导水叶总重600kg。1996年投运，装机容量2690kW。

1水力发电的介绍

水力发电是水轮发电机组将水能转变成电能的过程，整个过程是先将水能转变为机械能，然后机械能转化为电能，通过变电站将电能输送到电网，最后源源不断的供给到工农业生产中。

在发电过程中水起到了决定性的作用，而推动水轮机设备转动的水量由水轮机导水机构来控制的。导水机构的主要部分包括顶盖、底环、控制环、导水叶、导水叶套筒、导叶传动机构(包括导叶臂、连杆、连接板)和接力器等部件，作用是根据机组负荷变化，形成和改变进入转轮水流的环量，保证水轮机具有良好的水力特性，调节流量，以改变机组出力，引导水流按切向进入转轮，形成速度矩，正常与事故停机时，封住水流，使机组在短时间内停止转动。

2导水叶的作用及常见问题

在瓦片的上、下侧分别割开1个口子，将轴放入瓦片，轴与瓦片结合部位用焊条焊接，使轴与瓦片直接连接，表面用砂轮机打磨，端部上车床车削制作成导水叶，其中瓦片的一侧面与两端轴孔保持平行。

导水叶是导水机构的主体及执行机构，是用于控制水流量的重要构件，其外形是不规则的曲面，为流线形。为了使导水叶转动时既减少摩擦力又不大摆动，在水轮机导水叶轴上均装有2个滑动轴套，下轴套装在底环上，上轴套装在导水叶套筒内，套筒高度短，结构简单，固定在顶盖上，顶盖采用大平板结构，结构简单，重量轻。

导水叶转动是通过调速器和接力器来实现。为了减小沿轴颈的漏水量和减轻泥沙对轴颈的磨损，导水叶上、下轴颈通常需安装轴颈密封装置。

2．1导水叶漏水

导水叶全关时，上下端面分别与顶盖上、底环上的密封装

置直接接触，从而起到端面密封的作用。由于水电厂负荷调整频繁，机组调节频繁，导致操作机构各连接部件磨损严重，间隙过大。机组在运行期间，总要进行调节峰荷，如果调节频繁，会造成操作机构的连接轴销与轴套之间出现研磨现象，当磨损程度超过规定指标范围时，会使导水叶各部间隙均发生变化，间隙值增大。操作机构无法控制导水叶完全关闭，导水叶关闭不严，是漏水的主要原因之一。

停机过程中负荷已全部甩去，但仍有一定流量通过水轮机，这些水流所产生的剩余能量将使机组加速，在此过程中出现的最大转速上升值也是很重要的指标，它将影响机组的强度和寿命，并可能引起强烈的振动而危及机组或电站的安全。

水轮机导水叶漏水，几乎是小型水电站运行中普遍存在的严重问题，不仅浪费了水量，而且由于漏水，在停机过程中延长了机组低转速时间，加速了推力瓦的老化和磨损，甚至对开机也带来不良影响。

2．2导水叶汽蚀

导水叶的密封结构经常处于高速水流下工作，是导水叶汽蚀破坏的重点区域，低负荷下，由固定导水叶引导过来的水流与导水叶的头部有一夹角，易产生导水叶的冲角损失，还有导水叶上残存制造中的叶型头部凹陷或突出等缺陷，就会因该处绕流不良产生脱流汽蚀区。

3现场检验

3．1准备阶段

用角磨机将导水叶瓦片与上、下轴结合部位打磨出金属光泽，除去表面的油污。

3．2检验阶段

磁粉检测瓦片与上、下轴结合部位，发现结合部位存在横向和纵向裂纹，以纵向裂纹为主，纵向裂纹较细小密集，且集中于中部，横向裂纹长且已经向边缘扩展。

用专用工具对横向裂纹进行去除，处理过程中发现，裂纹是从表面斜向进入内部，直至到达轴面。

4原因分析

经磁粉检测发现，导水叶上部存在着纵向裂纹和横向裂纹，并且横向裂纹已经向导水叶边缘扩展，正常情况下导水叶受到水流的高速冲击，在旋转过程中受到一个扭转力的作用，轴的快速旋转，对导叶影响较小，但是如果轴的旋转不够灵活，在瓦片与轴的接触部分产生疲劳现象，就会产生疲劳破坏。

在外部循环载荷的作用下，在金属构件局部的最高应力处形成微裂纹，然后发展成宏观裂纹，裂纹继续扩展，最终会导致疲劳断裂。疲劳破坏经历了裂纹萌生、裂纹扩展和裂纹失稳扩展直至断裂三个阶段。疲劳裂纹萌生处形成微裂纹，称为"裂纹源"，在交变载荷作用下，疲劳裂纹的萌生从宏观而言，总是起源于应力集中区、高应变区、强度最弱的基体、结构拐角、腐蚀坑等区域，微裂纹在循环应力作用下不断扩展和聚合，形成宏观疲劳裂纹。宏观疲劳裂纹在外部循环载荷的作用下继续扩展，直至疲劳断裂。

导水叶处于暴露的腐蚀介质环境中，介质引起的腐蚀破坏过程和循环载荷引起的疲劳破坏过程的共同作用形成了腐蚀疲劳，扰动应力下的裂纹扩展使新生的裂纹面不断地暴露在腐蚀介质中，从而加速了腐蚀，不断发生的腐蚀过程也使疲劳裂纹更快地形成和扩展，形成了横向和纵向裂纹，裂纹尖端的应力集中最严重，疲劳裂纹的形成破坏了材料的连续性，并且在裂纹尖端形成了一个特殊的应力场，会严重影响材料的安全使用。

5结论及建议

1)导水叶裂纹是由于循环载荷和交变载荷引起的疲劳产生的。

2)导水叶要定期进行检验，防止产生较大裂纹，甚至断裂，影响机组安全。

3)运用新材料，新工艺，对导水叶进行改进，提高其强度、耐磨和耐蚀性。

金属结构是水电厂的重要组成部分，它在对大坝安全、机组发电等方面都起着决定性的作用，正确地对金属结构进行运行、维护与管理、提高金属结构设计的合理性和工作的可靠性，能最大地发挥水电厂运营的功效，提升水电厂整体运营水平。

参考文献:

［1］李建华．导水叶中轴颈密封装置的改造［J］．华东电力，1993(11):39－40．

［2］薛捍权，高忠继．混流式水轮机导水叶操作系统的改造与漏水治理［J］．东北电力技术，2012(6):45－49．