夏 偉，潘羅平，周 葉，高慶龍（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

混流式水輪發(fā)電機(jī)組固定導(dǎo)葉裂紋原因分析

夏 偉，潘羅平，周 葉，高慶龍
（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某水電站機(jī)組在運(yùn)行過程中發(fā)生的固定導(dǎo)葉裂紋情冴，通過技術(shù)探討，對(duì)發(fā)生裂紋的固定導(dǎo)葉進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力與振動(dòng)壓力脈動(dòng)特性試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行固定導(dǎo)葉裂紋原因分析，找出固定導(dǎo)葉裂紋產(chǎn)生原因，為后續(xù)工程解決措施提供技術(shù)依據(jù)。

水電機(jī)組；固定導(dǎo)葉裂紋；卡門渦

0 前言

目前，卡門渦引起的疲勞破壞現(xiàn)象多發(fā)生在葉片上，在固定導(dǎo)葉上的疲勞破壞實(shí)例較少。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某水電站機(jī)組固定導(dǎo)葉裂紋情冴進(jìn)行試驗(yàn)研究，幵分析卡門渦共振現(xiàn)象對(duì)固定導(dǎo)葉的破壞及影響，為解決實(shí)際工程問題提供技術(shù)依據(jù)。

該水電站安裝4臺(tái)單機(jī)容量225MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，多年平均年發(fā)電量40.41億kW·h。該水電站2號(hào)機(jī)組于2012年5月投產(chǎn)，累計(jì)運(yùn)行約10000h后，檢查發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)13個(gè)固定導(dǎo)葉（共24個(gè)）出現(xiàn)了穿透性裂紋，裂紋大多發(fā)生在導(dǎo)葉進(jìn)水邊靠近座環(huán)上、下環(huán)板的焊接熱影響區(qū)。

為了全面掌握2號(hào)機(jī)組水輪機(jī)固定導(dǎo)葉在各種不同運(yùn)行工冴下的動(dòng)應(yīng)力水平以及頂蓋振動(dòng)和水輪機(jī)壓力脈動(dòng)等特性，開展了2號(hào)水輪機(jī)固定導(dǎo)葉動(dòng)應(yīng)力及頂蓋振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，為研究分析水輪機(jī)固定導(dǎo)葉產(chǎn)生裂紋的原因以及下一步提出工程解決措施提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)過程及結(jié)果

該水電站固定導(dǎo)葉動(dòng)應(yīng)力及振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試主要包括四部分測(cè)試內(nèi)容，分別為：固定導(dǎo)葉固有頻率測(cè)試、固定導(dǎo)葉動(dòng)應(yīng)力測(cè)試、頂蓋振動(dòng)測(cè)試和壓力脈動(dòng)測(cè)試。通過對(duì)各部分測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，從而判斷出該電站固定導(dǎo)葉裂紋產(chǎn)生的原因。各部分試驗(yàn)內(nèi)容及測(cè)試結(jié)果如下：

固定導(dǎo)葉固有頻率測(cè)試：首先測(cè)試水輪機(jī)固定導(dǎo)葉在無水條件下（空氣中）的固有頻率。固有頻率測(cè)試采用脈沖激勵(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)分析就可以得到被激發(fā)體的各階固有頻率。

本次選取4個(gè)固定導(dǎo)葉（10#、13#、19#、22#）進(jìn)行固有頻率測(cè)試。固定導(dǎo)葉分布情冴如圖1所示。通過固有頻率測(cè)試得到各固定導(dǎo)葉1、2、3階固有頻率結(jié)果見表1。

表1　固定導(dǎo)葉固有頻率測(cè)試結(jié)果

根據(jù)固定導(dǎo)葉固有頻率測(cè)試結(jié)果可知，在空氣中10#、13#、19#和 22#固定導(dǎo)葉二階固有頻率為164.06~164.07Hz。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，在水中固有頻率應(yīng)將空氣中固有頻率的值乘以0.75~0.85。由此推斷，在水中10#、13#、19#和22#固定導(dǎo)葉的二階固有頻率在123.05~139.46Hz的范圍之內(nèi)。

固定導(dǎo)葉動(dòng)應(yīng)力測(cè)試：測(cè)試應(yīng)力試驗(yàn)采用水下電阻應(yīng)變計(jì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試法，對(duì)4個(gè)固定導(dǎo)葉（10#、13#、19#、22#）進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力測(cè)試。動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置在固定導(dǎo)葉靠近上下環(huán)板的出水邊處，其中13#固定導(dǎo)葉布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)、10#固定導(dǎo)葉布置9個(gè)測(cè)點(diǎn)，19#固定導(dǎo)葉布置17個(gè)測(cè)點(diǎn)，22#固定導(dǎo)葉布置11個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)45個(gè)測(cè)點(diǎn)。具體測(cè)點(diǎn)位置如圖2～5所示。通過水下電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量固定導(dǎo)葉在不同運(yùn)行工冴下的應(yīng)變值，經(jīng)計(jì)算得到其在不同運(yùn)行工冴下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力值。

圖2　10#固定導(dǎo)葉應(yīng)力測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置圖（共9個(gè)測(cè)點(diǎn)）

圖3　13#固定導(dǎo)葉應(yīng)力測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置圖（共8個(gè)測(cè)點(diǎn)）

圖4　19#固定導(dǎo)葉應(yīng)力測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置圖（共17個(gè)測(cè)點(diǎn)）

圖5　22#固定導(dǎo)葉應(yīng)力測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置圖（共11個(gè)測(cè)點(diǎn)）

通過固定導(dǎo)葉動(dòng)應(yīng)力測(cè)試，得到各部分動(dòng)應(yīng)力隨機(jī)組有功功率的變化情冴。選取各導(dǎo)葉中應(yīng)力值比較高的典型測(cè)點(diǎn)及裂紋處的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。固定導(dǎo)葉動(dòng)應(yīng)力混頻幅值與機(jī)組有功功率關(guān)系曲線如圖6所示，固定導(dǎo)葉動(dòng)應(yīng)力主頻與機(jī)組有功功率關(guān)系曲線如圖 7所示。

通過試驗(yàn)結(jié)果，可知在200MW以上的高負(fù)荷區(qū)，各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力混頻幅值均出現(xiàn)較為明顯的增加趨勢(shì)。與此同時(shí)，固定導(dǎo)葉各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn) 133.9Hz的頻率成分。

圖6　固定導(dǎo)葉動(dòng)應(yīng)力混頻幅值與機(jī)組有功功率關(guān)系曲線

圖7　固定導(dǎo)葉動(dòng)應(yīng)力主頻與機(jī)組有功功率關(guān)系曲線

頂蓋振動(dòng)測(cè)試：頂蓋振動(dòng)測(cè)試采用加速度傳感器采集頂蓋各處振動(dòng)情冴，幵分析頂蓋振動(dòng)隨機(jī)組負(fù)荷的變化情冴。頂蓋振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置在位于距離大軸0.3m、0.9m的兩個(gè)同心圓上，每個(gè)圓周間隔90°布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)8個(gè)測(cè)點(diǎn)。頂蓋振動(dòng)傳感器測(cè)點(diǎn)布置情冴如圖8所示。

圖8　頂蓋振動(dòng)傳感器測(cè)點(diǎn)布置圖

通過頂蓋振動(dòng)測(cè)試，得到頂蓋各位置測(cè)點(diǎn)隨機(jī)組有功功率的變化情冴。頂蓋振動(dòng)混頻幅值與機(jī)組有功功率關(guān)系曲線如圖9所示，頂蓋振動(dòng)主頻與機(jī)組有功功率關(guān)系曲線如圖10所示。

圖9　頂蓋振動(dòng)混頻幅值與機(jī)組有功功率關(guān)系曲線

圖10　頂蓋振動(dòng)主頻與機(jī)組有功功率關(guān)系曲線

由頂蓋振動(dòng)測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)機(jī)組在 140MW以上的高負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行時(shí)，頂蓋振動(dòng)混頻幅值較小且相對(duì)穩(wěn)定，振動(dòng)混頻幅值不大于 2.37m/s2；當(dāng)機(jī)組在140MW以下的低負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行時(shí)，頂蓋振動(dòng)混頻幅值較大，最大可達(dá)到 15.76m/s2。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷在 200MW以下時(shí)，各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)主頻較為分散。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷達(dá)到200MW以上時(shí)，各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)在133.9Hz左右的主頻成分。

壓力脈動(dòng)測(cè)試：壓力脈動(dòng)測(cè)試采用壓力傳感器采集機(jī)組在不同運(yùn)行工冴下各位置的壓力脈動(dòng)情冴。壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)共3處，分別是蝸殼進(jìn)口、頂蓋和尾水錐管下游側(cè)。

通過壓力脈動(dòng)測(cè)試，得到各處壓力脈動(dòng)值隨機(jī)組有功功率的變化情冴。壓力脈動(dòng)與機(jī)組有功功率關(guān)系曲線如圖11所示，壓力脈動(dòng)主頻與機(jī)組有功功率關(guān)系曲線如圖12所示。

通過壓力脈動(dòng)測(cè)試結(jié)果可知，蝸殼進(jìn)口壓力脈動(dòng)在低負(fù)荷區(qū)域存在較大的混頻幅值。頂蓋壓力脈動(dòng)和尾水壓力脈動(dòng)混頻幅值的變化趨勢(shì)相對(duì)平穩(wěn)。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行到 200MW負(fù)荷以上的高負(fù)荷區(qū)，尾水壓力脈動(dòng)出現(xiàn)133.9Hz的主頻。

綜上所述，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷上升至200MW以上時(shí)，固定導(dǎo)葉動(dòng)應(yīng)力混頻幅值體現(xiàn)出了明顯的上升趨勢(shì)。同時(shí)，當(dāng)機(jī)組處于 200MW以上負(fù)荷區(qū)運(yùn)行時(shí)，機(jī)組的頂蓋振動(dòng)、尾水壓力脈動(dòng)及固定導(dǎo)葉動(dòng)應(yīng)力均體現(xiàn)出了 133.9Hz左右的振動(dòng)主頻，該頻率正處于 10#、13#、19#和 22#固定導(dǎo)葉在水中的二階固有頻率123.05Hz~139.46Hz的范圍之內(nèi)，說明其存在高頻共振現(xiàn)象。

圖11　壓力脈動(dòng)與機(jī)組有功功率關(guān)系曲線

圖12　壓力脈動(dòng)主頻與機(jī)組有功功率關(guān)系曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)記彔，卡門渦主要發(fā)生在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片和固定導(dǎo)葉出水邊。從理論上講，任何具有出水邊厚度的繞流體都有卡門渦泄出?？ㄩT渦的泄出頻率不與葉片的固有頻率耦合發(fā)生共振，就不會(huì)對(duì)機(jī)組產(chǎn)生危害。但卡門渦頻率較高，容易引起共振。

卡門渦引起共振主要需要兩個(gè)條件，一是卡門渦的頻率較高，高頻的卡門渦頻率與葉片或?qū)~的固有頻率發(fā)生耦合；另一個(gè)條件是卡門渦必須具備一定的能量，卡門渦振動(dòng)幅值需達(dá)到一定的程度。卡門渦振動(dòng)引起的應(yīng)力幅值主要取決于以下兩個(gè)方面：

（1）卡門渦的激振幅值；

（2）卡門渦頻率和葉片或?qū)~固有頻率的比值。

由卡門渦誘發(fā)產(chǎn)生的機(jī)組振動(dòng)，其特征主要有以下三點(diǎn)：

（1）振動(dòng)發(fā)生在機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷的局部區(qū)域，大多發(fā)生在較大負(fù)荷區(qū)域。

本次試驗(yàn)過程中，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷上升至 200MW以上高負(fù)荷區(qū)域時(shí)，機(jī)組的頂蓋振動(dòng)、固定導(dǎo)葉動(dòng)應(yīng)力均體現(xiàn)出了明顯升高的趨勢(shì)，幵同時(shí)產(chǎn)生了 133.9Hz的頻率成分。

（2）振動(dòng)頻率為高頻，這種高頻振動(dòng)很容易引起疲勞破壞。

在試驗(yàn)過程中，當(dāng)機(jī)組處于225MW附近的高負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行時(shí)，其振動(dòng)測(cè)點(diǎn)、尾水壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)、固定導(dǎo)葉動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)均測(cè)試出 133.9Hz的高頻成分，且存在高頻共振現(xiàn)象。在機(jī)組檢修過程中也確實(shí)發(fā)現(xiàn)固定導(dǎo)葉上下環(huán)板存焊縫區(qū)域存在裂紋破壞現(xiàn)象。

（3）在振動(dòng)區(qū)域的主頻與機(jī)組振動(dòng)頻率一致。

在固定導(dǎo)葉固有頻率測(cè)試過程中，測(cè)得10號(hào)、13號(hào)、19號(hào)和22號(hào)固定導(dǎo)葉在水中的二階固有頻率為123.05~139.46Hz。當(dāng)機(jī)組處于200MW以上負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，機(jī)組的頂蓋振動(dòng)、壓力脈動(dòng)及固定導(dǎo)葉動(dòng)應(yīng)力所體現(xiàn)出的 133.9Hz的頻率成分正好處于固定導(dǎo)葉在水中的二階固有頻率123.05~139.46Hz范圍之內(nèi)。

綜合以上分析，說明機(jī)組在200MW以上的高負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行時(shí)，存在卡門渦共振跡象。

3 裂紋原因分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，引起疲勞破壞的原因主要可歸納為以下二個(gè)方面：

（1）當(dāng)機(jī)組在225MW附近的高負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行時(shí)，固定導(dǎo)葉存在較高的動(dòng)應(yīng)力，機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間在此區(qū)域運(yùn)行，使其容易引起振動(dòng)導(dǎo)致的疲勞裂紋的產(chǎn)生。

（2）在225MW附近的高負(fù)荷區(qū)，固定導(dǎo)葉產(chǎn)生的 133.9Hz的卡門渦高頻共振產(chǎn)生的交變應(yīng)力，加速了疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

根據(jù)此次動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)，在225MW附近的高負(fù)荷區(qū)，各導(dǎo)葉動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)大部分出現(xiàn) 133.9Hz左右的頻率成分，該頻率成分正好處于固定導(dǎo)葉在水中的固有頻率范圍之內(nèi)。同時(shí)，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)及尾水壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)也出現(xiàn)了 133.9Hz左右的頻率成分，這些特征均與卡門渦誘發(fā)產(chǎn)生的機(jī)組振動(dòng)特征相吻合，由此推斷該機(jī)組存在卡門渦共振跡象，加之本身具有較高的應(yīng)力水平降低了固定導(dǎo)葉的剛強(qiáng)度，綜合原因?qū)е鹿潭▽?dǎo)葉裂紋的產(chǎn)生。高頻的卡門渦共振容易進(jìn)一步加速疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

4 結(jié)論

通過本次固定導(dǎo)葉固有頻率測(cè)試、固定導(dǎo)葉動(dòng)應(yīng)力測(cè)試、頂蓋振動(dòng)測(cè)試和壓力脈動(dòng)測(cè)試，得出結(jié)論如下：

（1）在空氣中， 10#、13#、19#和22#固定導(dǎo)葉二階固有頻率為164.06Hz。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，在水中固有頻率應(yīng)將空氣中固有頻率的值乘以0.75~0.85。由此推斷，在水中10#、13#、19#和22#固定導(dǎo)葉的二階固有頻率在123.05Hz~139.46Hz的范圍之內(nèi)。

（2）固定導(dǎo)葉動(dòng)應(yīng)力、頂蓋振動(dòng)、尾水壓力脈動(dòng)在200MW以上的高負(fù)荷區(qū)，存在133.9Hz的頻率成分，且與固定導(dǎo)葉在水中的固有頻率吻合，說明其存在卡門渦共振跡象。

（3）引發(fā)水輪機(jī)固定導(dǎo)葉產(chǎn)生裂紋的主要原因可歸納為以下兩個(gè)方面：

1）當(dāng)機(jī)組在225MW附近的高負(fù)荷區(qū)域和100MW以下的低負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行時(shí)，固定導(dǎo)葉存在較高的動(dòng)應(yīng)力，機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間在此區(qū)域運(yùn)行，使其容易引起振動(dòng)導(dǎo)致的疲勞裂紋的產(chǎn)生。

2）在225MW附近的高負(fù)荷區(qū)，固定導(dǎo)葉產(chǎn)生的133.9Hz的卡門渦高頻共振產(chǎn)生的交變應(yīng)力，加速了疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

根據(jù)此次動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)，在225MW附近的高負(fù)荷區(qū)，各導(dǎo)葉動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)大部分出現(xiàn) 133.9Hz左右的頻率成分，該頻率成分正好處于固定導(dǎo)葉在水中的固有頻率范圍之內(nèi)。同時(shí)，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)及尾水壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)也出現(xiàn)了 133.9Hz左右的頻率成分，這些特征均與卡門渦誘發(fā)產(chǎn)生的機(jī)組振動(dòng)特征相吻合，由此推斷該機(jī)組存在卡門渦共振跡象，加之本身具有較高的應(yīng)力水平降低了固定導(dǎo)葉的剛強(qiáng)度，綜合原因?qū)е鹿潭▽?dǎo)葉裂紋的產(chǎn)生。高頻的卡門渦共振容易進(jìn)一步加速疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

5 建議

卡門渦具有高頻特性，容易誘發(fā)固定導(dǎo)葉產(chǎn)生共振，導(dǎo)致疲勞破壞。從理論上講，避免或消除卡門渦共振的措施主要有以下兩條：

（1）改變卡門渦的頻率，避免卡門渦激振頻率與固定導(dǎo)葉重疊。

（2）降低卡門渦的激振幅值，降低固定導(dǎo)葉的激振動(dòng)態(tài)載荷。

根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果，做出如下建議：

（1）針對(duì)固定導(dǎo)葉的卡門渦共振現(xiàn)象，建議對(duì)固定導(dǎo)葉出水邊進(jìn)行修型。在實(shí)際工程中，一般采取削薄的非對(duì)稱出水邊形狀來提高卡門渦頻率，降低卡門渦的激振幅值，達(dá)到避免或消除卡門渦共振的效果。

（2）針對(duì)目前的情冴，建議對(duì)座環(huán)固定導(dǎo)葉進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，進(jìn)一步增加固定導(dǎo)葉的剛強(qiáng)度，提高其抵抗振動(dòng)和變形的能力。

（3）在運(yùn)行過程中，盡量避免機(jī)組在低負(fù)荷區(qū)域（100MW以下）長(zhǎng)期運(yùn)行。根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果，機(jī)組在低負(fù)荷區(qū)域（100MW以下）運(yùn)行時(shí)，機(jī)組振動(dòng)、壓力脈動(dòng)、導(dǎo)葉動(dòng)應(yīng)力等均較高，容易對(duì)機(jī)組造成破壞。

采納建議后，該電廠機(jī)組通過固定導(dǎo)葉出水邊修型，降低了卡門渦的激振幅值；通過固定導(dǎo)葉座環(huán)的補(bǔ)強(qiáng)，提高了固定導(dǎo)葉抵抗振動(dòng)和變形的能力；通過減少在低負(fù)荷區(qū)域下的長(zhǎng)期運(yùn)行，降低了機(jī)組振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)及動(dòng)應(yīng)力水平。目前機(jī)組運(yùn)行情冴良好，固定導(dǎo)葉處的動(dòng)應(yīng)力明顯減小，沒有出現(xiàn)卡門渦現(xiàn)象，也沒有出現(xiàn)固定導(dǎo)葉的裂紋。

夏偉（1986-），2009年5月畢業(yè)于中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院專業(yè)，獲得碩士學(xué)位，長(zhǎng)期從事水電機(jī)組性能測(cè)試及故障診斷分析研究，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院工程師。

審稿人：呂桂萍

The Stay Vane Reason Cause Analysis of a Francis Turbine-generator Unit

XIA Wei, PAN Luoping, ZHOU Ye, GAO Qinglong
(China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China)

Aimed at the stay vane crack of a Francis turbine-generator unit and through the technology study, the stress and pressure fluctuation experiments of stay vanes withcrack were carried out. The crack cause was analyzed based on the experimental results, which could find the cause of the crack and provide the technology basis for the subsequent projectsolutions.

turbine-generator unit; stay vane crack; karman vortex

TK730.3+13

A

1000-3983(2016)03-0036-05

2015-04-28