1機(jī)組參數(shù)
　　白山發(fā)電廠位于吉林省樺甸市境內(nèi),是“一廠兩壩三站”的大型水力發(fā)電廠,也是東北電網(wǎng)中最大的水電廠,在電網(wǎng)中擔(dān)負(fù)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用。該廠總裝機(jī)容量1700ＭＷ,其中白山右岸電站900ＭＷ(3×300ＭＷ),白山左岸電站600ＭＷ(2×300ＭＷ),紅石電站200ＭＷ(4×50ＭＷ)。紅石電站發(fā)電機(jī)組為立軸半傘式,水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片材質(zhì)是ＺＧｏＣｒ13Ｎｉ4Ｍｏ,型號為ＺＤ190-ＬＨ-600。其參數(shù)為:最高水頭256ｍ;最低水頭228ｍ;額定轉(zhuǎn)速1071ｒ/ｍｉｎ;額定功率5155ＭＷ;設(shè)計(jì)水頭233ｍ;設(shè)計(jì)流量251ｍ3/ｓ;飛逸轉(zhuǎn)速240ｒ/ｍｉｎ;吸出高度-4ｍ;最高效率91%;葉片安放角8°;葉片數(shù)5;水輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升率50%;蝸殼最大水壓值04ＭＰａ;葉片法蘭直徑1100ｍｍ;葉片法蘭端面中心距800ｍｍ;葉片法蘭把合螺釘分布圓直徑ｄ=850ｍｍ。1996年紅石電站3號機(jī)組在擴(kuò)大性大修中,檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪5個(gè)葉片存在不同程度的裂紋。
　　
　　2裂紋發(fā)生的部位和特征用滲透探傷法對轉(zhuǎn)輪裂紋進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)葉片裂紋情況較為嚴(yán)重,裂紋發(fā)生的部位均在葉片的根部(包括葉片正面和背面)和葉片正面的出水邊處。
　　
　　3.裂紋產(chǎn)生的原因分析定槳葉片與轉(zhuǎn)槳葉片運(yùn)行工況比較,定槳葉片在非最優(yōu)工況下運(yùn)行的情況多,這樣會導(dǎo)致葉片周圍水流分布不均,引起渦流帶壓力脈動對葉片的頻繁作用。當(dāng)水壓脈動頻率和機(jī)組轉(zhuǎn)頻接近或相同時(shí)則出現(xiàn)共振,會加速葉片裂紋的產(chǎn)生。動水壓力過大時(shí)相對降低了葉片的剛度,也會產(chǎn)生縱向裂紋。由于軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片為懸臂受力,葉片變截面根部若無過渡圓弧或過渡量小易產(chǎn)生應(yīng)力集中而出現(xiàn)裂紋。通過對3號機(jī)葉片的檢查,根部和出水邊產(chǎn)生裂紋的重要原因之一是應(yīng)力集中。為了校核機(jī)組葉片在運(yùn)行中的強(qiáng)度,電廠與制造廠家協(xié)作,進(jìn)行了轉(zhuǎn)輪葉片強(qiáng)度理論計(jì)算。通過對紅石軸流定槳式轉(zhuǎn)輪葉片各工況下的受力大小比較,其中,在額定轉(zhuǎn)速最大水頭工況下計(jì)算出的最大應(yīng)力σｍａｘ=115ＭＰａ,是出現(xiàn)在葉片正面出水邊一側(cè)與根部法蘭連接處。重力、離心力和水壓力3種載荷聯(lián)合作用下葉片的應(yīng)力分布情況見圖2。3種載荷作用下葉片的變形見圖3。轉(zhuǎn)輪葉片最大變形出現(xiàn)在葉片出水邊外側(cè),ｕｍａｘ=219ｍｍ。重力、離心力、水壓力分別作用及這3種載荷聯(lián)合作用的4種工況下葉片的最大動應(yīng)力σｍａｘ和最大變形ｕｍａｘ見表1。從表1可以看出:水壓力是葉片所受載荷中的最主要載荷,3種載荷同時(shí)作用時(shí)比水壓力單獨(dú)作用的最大應(yīng)力稍有下降。機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),葉片的最大應(yīng)力σｍａｘ=115ＭＰａ,出現(xiàn)應(yīng)力大的部位易產(chǎn)生裂紋,這與各葉片實(shí)際裂紋集中出現(xiàn)的位置相一致。另外,轉(zhuǎn)輪葉片的材料為ＺＧ0Ｃｒ13Ｎｉ4Ｍｏ不銹鋼,這種材質(zhì)的屈服極限為σｓ=665ＭＰａ,水中疲勞極限為σ-1=171ＭＰａ。經(jīng)過計(jì)算,轉(zhuǎn)輪葉片最大應(yīng)力σｍａｘ=115ＭＰａ雖然遠(yuǎn)低于材料的屈服極限,也低于疲勞極限,但這一應(yīng)力是靜應(yīng)力,不包括動應(yīng)力成分。該機(jī)組是軸流定槳式,不象軸流轉(zhuǎn)槳式那樣在協(xié)聯(lián)工況下運(yùn)行,因此其動應(yīng)力較大。再加上機(jī)組振動較大,葉片實(shí)際存在的應(yīng)力是比較大的。由此可見,由于轉(zhuǎn)輪葉片基本應(yīng)力較高和軸流定槳式轉(zhuǎn)輪葉片運(yùn)行時(shí)的動應(yīng)力較大,這將會使水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片在受懸臂負(fù)荷的情況下轉(zhuǎn)輪葉片根部應(yīng)力集中,造成轉(zhuǎn)輪葉片根部與法蘭連接處(包括正面和背面)出現(xiàn)裂紋,轉(zhuǎn)輪葉片正面出水邊一側(cè)也產(chǎn)生裂紋。由于機(jī)組長期低負(fù)荷、超負(fù)荷或在工況不好的振動區(qū)運(yùn)行,會使葉片在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂縫或加劇裂紋的發(fā)展。紅石電站的定槳式機(jī)組投產(chǎn)后機(jī)組在空載和低負(fù)荷工況振動較大,空載工況嚴(yán)重時(shí)機(jī)組主軸法蘭處擺度嚴(yán)重超標(biāo),高達(dá)4ｍｍ。水輪機(jī)工作部位聲響振動較大,經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)測得,水輪機(jī)在空載工況水流通過水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪流道時(shí),水流中產(chǎn)生了一個(gè)擾動頻率596Ｈｚ正好接近機(jī)組軸系的一階固有頻率60Ｈｚ,因而出現(xiàn)了合拍現(xiàn)象,產(chǎn)生共振。這些問題的存在促使了轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的產(chǎn)生。通過以上的分析,認(rèn)為紅石電站3號機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片裂紋產(chǎn)生的原因是:機(jī)組運(yùn)行中的懸臂轉(zhuǎn)輪葉片根部應(yīng)力集中,葉片所受的基本應(yīng)力較高,加之各種載荷的聯(lián)合作用時(shí)的動應(yīng)力較大,葉片所受交變動應(yīng)力在共振工況下不斷加劇,材料疲勞,致使轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生裂紋。