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

混流式水輪發(fā)電機組固定導(dǎo)葉裂紋原因分析

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

本文針對國內(nèi)某水電站機組在運行過程中發(fā)生的固定導(dǎo)葉裂紋情冴，通過技術(shù)探討，對發(fā)生裂紋的固定導(dǎo)葉進行動應(yīng)力與振動壓力脈動特性試驗，根據(jù)試驗結(jié)果進行固定導(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)葉上的疲勞破壞實例較少。本文針對國內(nèi)某水電站機組固定導(dǎo)葉裂紋情冴進行試驗研究，幵分析卡門渦共振現(xiàn)象對固定導(dǎo)葉的破壞及影響，為解決實際工程問題提供技術(shù)依據(jù)。

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

為了全面掌握2號機組水輪機固定導(dǎo)葉在各種不同運行工冴下的動應(yīng)力水平以及頂蓋振動和水輪機壓力脈動等特性，開展了2號水輪機固定導(dǎo)葉動應(yīng)力及頂蓋振動現(xiàn)場測試，為研究分析水輪機固定導(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 試驗過程及結(jié)果

該水電站固定導(dǎo)葉動應(yīng)力及振動現(xiàn)場測試主要包括四部分測試內(nèi)容，分別為：固定導(dǎo)葉固有頻率測試、固定導(dǎo)葉動應(yīng)力測試、頂蓋振動測試和壓力脈動測試。通過對各部分測試數(shù)據(jù)進行研究分析，從而判斷出該電站固定導(dǎo)葉裂紋產(chǎn)生的原因。各部分試驗內(nèi)容及測試結(jié)果如下：

固定導(dǎo)葉固有頻率測試：首先測試水輪機固定導(dǎo)葉在無水條件下（空氣中）的固有頻率。固有頻率測試采用脈沖激勵法即錘擊法，對激發(fā)力和被激發(fā)體的響應(yīng)進行傳遞函數(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個固定導(dǎo)葉（10#、13#、19#、22#）進行固有頻率測試。固定導(dǎo)葉分布情冴如圖1所示。通過固有頻率測試得到各固定導(dǎo)葉1、2、3階固有頻率結(jié)果見表1。

表1　固定導(dǎo)葉固有頻率測試結(jié)果

根據(jù)固定導(dǎo)葉固有頻率測試結(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)場測試經(jīng)驗，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)葉動應(yīng)力測試：測試應(yīng)力試驗采用水下電阻應(yīng)變計動態(tài)應(yīng)變測試法，對4個固定導(dǎo)葉（10#、13#、19#、22#）進行動應(yīng)力測試。動應(yīng)力測點布置在固定導(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個測點、10#固定導(dǎo)葉布置9個測點，19#固定導(dǎo)葉布置17個測點，22#固定導(dǎo)葉布置11個測點，共計45個測點。具體測點位置如圖2～5所示。通過水下電阻應(yīng)變計測量固定導(dǎo)葉在不同運行工冴下的應(yīng)變值，經(jīng)計算得到其在不同運行工冴下的動態(tài)應(yīng)力值。

圖2　10#固定導(dǎo)葉應(yīng)力測試測點布置圖（共9個測點）

圖3　13#固定導(dǎo)葉應(yīng)力測試測點布置圖（共8個測點）

圖4　19#固定導(dǎo)葉應(yīng)力測試測點布置圖（共17個測點）

圖5　22#固定導(dǎo)葉應(yīng)力測試測點布置圖（共11個測點）

通過固定導(dǎo)葉動應(yīng)力測試，得到各部分動應(yīng)力隨機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點及裂紋處的測點進行分析。固定導(dǎo)葉動應(yīng)力混頻幅值與機組有功功率關(guān)系曲線如圖6所示，固定導(dǎo)葉動應(yīng)力主頻與機組有功功率關(guān)系曲線如圖 7所示。

通過試驗結(jié)果，可知在200MW以上的高負荷區(qū)，各測點的動應(yīng)力混頻幅值均出現(xiàn)較為明顯的增加趨勢。與此同時，固定導(dǎo)葉各應(yīng)力測點均出現(xiàn) 133.9Hz的頻率成分。

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

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

頂蓋振動測試：頂蓋振動測試采用加速度傳感器采集頂蓋各處振動情冴，幵分析頂蓋振動隨機組負荷的變化情冴。頂蓋振動測點布置在位于距離大軸0.3m、0.9m的兩個同心圓上，每個圓周間隔90°布置4個測點，共計8個測點。頂蓋振動傳感器測點布置情冴如圖8所示。

圖8　頂蓋振動傳感器測點布置圖

通過頂蓋振動測試，得到頂蓋各位置測點隨機組有功功率的變化情冴。頂蓋振動混頻幅值與機組有功功率關(guān)系曲線如圖9所示，頂蓋振動主頻與機組有功功率關(guān)系曲線如圖10所示。

圖9　頂蓋振動混頻幅值與機組有功功率關(guān)系曲線

圖10　頂蓋振動主頻與機組有功功率關(guān)系曲線

由頂蓋振動測試結(jié)果可知，當(dāng)機組在 140MW以上的高負荷區(qū)域運行時，頂蓋振動混頻幅值較小且相對穩(wěn)定，振動混頻幅值不大于 2.37m/s2；當(dāng)機組在140MW以下的低負荷區(qū)域運行時，頂蓋振動混頻幅值較大，最大可達到 15.76m/s2。當(dāng)機組負荷在 200MW以下時，各振動測點主頻較為分散。當(dāng)機組負荷達到200MW以上時，各振動測點均出現(xiàn)在133.9Hz左右的主頻成分。

壓力脈動測試：壓力脈動測試采用壓力傳感器采集機組在不同運行工冴下各位置的壓力脈動情冴。壓力脈動測點共3處，分別是蝸殼進口、頂蓋和尾水錐管下游側(cè)。

通過壓力脈動測試，得到各處壓力脈動值隨機組有功功率的變化情冴。壓力脈動與機組有功功率關(guān)系曲線如圖11所示，壓力脈動主頻與機組有功功率關(guān)系曲線如圖12所示。

通過壓力脈動測試結(jié)果可知，蝸殼進口壓力脈動在低負荷區(qū)域存在較大的混頻幅值。頂蓋壓力脈動和尾水壓力脈動混頻幅值的變化趨勢相對平穩(wěn)。當(dāng)機組運行到 200MW負荷以上的高負荷區(qū)，尾水壓力脈動出現(xiàn)133.9Hz的主頻。

綜上所述，當(dāng)機組負荷上升至200MW以上時，固定導(dǎo)葉動應(yīng)力混頻幅值體現(xiàn)出了明顯的上升趨勢。同時，當(dāng)機組處于 200MW以上負荷區(qū)運行時，機組的頂蓋振動、尾水壓力脈動及固定導(dǎo)葉動應(yīng)力均體現(xiàn)出了 133.9Hz左右的振動主頻，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　壓力脈動與機組有功功率關(guān)系曲線

圖12　壓力脈動主頻與機組有功功率關(guān)系曲線

2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)工程經(jīng)驗及相關(guān)文獻記彔，卡門渦主要發(fā)生在水輪機轉(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，就不會對機組產(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；另一個條件是卡門渦必須具備一定的能量，卡門渦振動幅值需達到一定的程度?？ㄩT渦振動引起的應(yīng)力幅值主要取決于以下兩個方面：

（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)生的機組振動，其特征主要有以下三點：

（1）振動發(fā)生在機組運行負荷的局部區(qū)域，大多發(fā)生在較大負荷區(qū)域。

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

（2）振動頻率為高頻，這種高頻振動很容易引起疲勞破壞。

在試驗過程中，當(dāng)機組處于225MW附近的高負荷區(qū)域運行時，其振動測點、尾水壓力脈動測點、固定導(dǎo)葉動應(yīng)力測點均測試出 133.9Hz的高頻成分，且存在高頻共振現(xiàn)象。在機組檢修過程中也確實發(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）在振動區(qū)域的主頻與機組振動頻率一致。

在固定導(dǎo)葉固有頻率測試過程中，測得10號、13號、19號和22號固定導(dǎo)葉在水中的二階固有頻率為123.05~139.46Hz。當(dāng)機組處于200MW以上負荷運行時，機組的頂蓋振動、壓力脈動及固定導(dǎo)葉動應(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，說明機組在200MW以上的高負荷區(qū)域運行時，存在卡門渦共振跡象。

3 裂紋原因分析

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

（1）當(dāng)機組在225MW附近的高負荷區(qū)域運行時，固定導(dǎo)葉存在較高的動應(yīng)力，機組長時間在此區(qū)域運行，使其容易引起振動導(dǎo)致的疲勞裂紋的產(chǎn)生。

（2）在225MW附近的高負荷區(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)生和擴展。

根據(jù)此次動應(yīng)力試驗，在225MW附近的高負荷區(qū)，各導(dǎo)葉動應(yīng)力測點大部分出現(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，振動測點及尾水壓力脈動測點也出現(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)生的機組振動特征相吻合，由此推斷該機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一步加速疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴展。

4 結(jié)論

通過本次固定導(dǎo)葉固有頻率測試、固定導(dǎo)葉動應(yīng)力測試、頂蓋振動測試和壓力脈動測試，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)場測試經(jīng)驗，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)葉動應(yīng)力、頂蓋振動、尾水壓力脈動在200MW以上的高負荷區(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)水輪機固定導(dǎo)葉產(chǎn)生裂紋的主要原因可歸納為以下兩個方面：

1）當(dāng)機組在225MW附近的高負荷區(qū)域和100MW以下的低負荷區(qū)域運行時，固定導(dǎo)葉存在較高的動應(yīng)力，機組長時間在此區(qū)域運行，使其容易引起振動導(dǎo)致的疲勞裂紋的產(chǎn)生。

2）在225MW附近的高負荷區(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)生和擴展。

根據(jù)此次動應(yīng)力試驗，在225MW附近的高負荷區(qū)，各導(dǎo)葉動應(yīng)力測點大部分出現(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，振動測點及尾水壓力脈動測點也出現(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)生的機組振動特征相吻合，由此推斷該機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一步加速疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴展。

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)葉的激振動態(tài)載荷。

根據(jù)本次試驗結(jié)果，做出如下建議：

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

（2）針對目前的情冴，建議對座環(huán)固定導(dǎo)葉進行補強，進一步增加固定導(dǎo)葉的剛強度，提高其抵抗振動和變形的能力。

（3）在運行過程中，盡量避免機組在低負荷區(qū)域（100MW以下）長期運行。根據(jù)試驗實測結(jié)果，機組在低負荷區(qū)域（100MW以下）運行時，機組振動、壓力脈動、導(dǎo)葉動應(yīng)力等均較高，容易對機組造成破壞。

采納建議后，該電廠機組通過固定導(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)的補強，提高了固定導(dǎo)葉抵抗振動和變形的能力；通過減少在低負荷區(qū)域下的長期運行，降低了機組振動、擺度、壓力脈動及動應(yīng)力水平。目前機組運行情冴良好，固定導(dǎo)葉處的動應(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，長期從事水電機組性能測試及故障診斷分析研究，中國水利水電科學(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