关键词：转轮叶片；裂纹；分析及处理；红石水电站
摘 要：红石电站的50 mw轴流定桨式水轮机，大修时，发现3号机的5个叶片根部(正、背面)和正面出水边处都有不同程度的裂纹。产生裂纹的主要原因是：叶片所受基本应力较高，叶片根部有应力集中和材料疲劳。裂纹的处理是采用堆焊加大叶片根部法兰连接处的过渡圆角，在裂纹尾端钻止裂孔，并对不同的裂纹采用不同形状的坡口，按规定的工艺顺序预热补焊和保温。
1机组参数
白山发电厂位于吉林省桦甸市境内，是“一厂两坝三站”的大型水力发电厂，也是东北电网中最大的水电厂，在电网中 担负调峰、调频和事故备用。该厂总装机容量1700 mw，其中白山右岸电站900 mw（3×300 mw），白山左岸电站600 mw（2×300 mw），红石电站200 mw（4×50 mw）。红石电站发电机组为立轴半伞式，水轮机转轮叶片材质是zgocr13ni4mo，型号为zd190-lh-600。其参数为：最高水头25.6 m；最低水头22.8 m；额定转速107.1 r／min；额定功率51。55 mw；设计水头23.3 m；设计流量251 m3／s；飞逸转速240 r／min；吸出高度-4 m；最高效率91％；叶片安放角8°；叶片数5；水轮机转速上升率50％；蜗壳最大水压值0.4 mpa；叶片法兰直径1 100mm；叶片法兰端面中心距800 mm；叶片法兰把合螺钉分布圆直径d=850 mm。
1996年红石电站3号机组在扩大性大修中，检查发现转轮5个叶片存在不同程度的裂纹。
2裂纹发生的部位和特征
用渗透探伤法对转轮裂纹进行检查，发现叶片裂纹情况较为严重，裂纹发生的部位均在叶片的根部（包括叶片正面和背面）和叶片正面的出水边处。裂纹的部位、长度、深度等情况见图1所示。
3裂纹产生的原因分析
定桨叶片与转桨叶片运行工况比较，定桨叶片在非最优工况下运行的情况多，这样会导致叶片周围水流分布不均，引起涡流带压力脉动对叶片的频繁作用。当水压脉动频率和机组转频接近或相同时则出现共振，会加速叶片裂纹的产生。动水压力过大时相对降低了叶片的刚度，也会产生纵向裂纹。由于轴流式水轮机转轮叶片为悬臂受力，叶片变截面根部若无过渡圆弧或过渡量小易产生应力集中而出现裂纹。通过对3号机叶片的检查，根部和出水边产生裂纹的重要原因之一是应力集中。为了校核机组叶片在运行中的强度，电厂与制造厂家协作，进行了转轮叶片强度理论计算。通过对红石轴流定桨式转轮叶片各工况下的受力大小比较，其中，在额定转速最大水头工况下计算出的最大应力σmax=115 mpa，是出现在叶片正面出水边一侧与根部法兰连接处。重力、离心力和水压力3种载荷联合作用下叶片的应力分布情况见图2。3种载荷作用下叶片的变形见图3。转轮叶片最大变形出现在叶片出水边外侧，ｕmax=21.9 mm。重力、离心力、水压力分别作用及这3种载荷联合作用的4种工况下叶片的最大动应力σmax和最大变形umax见表1。
从表1可以看出：水压力是叶片所受载荷中的最主要载荷，3种载荷同时作用时比水压力单独作用的最大应力稍有下降。机组运转时，叶片的最大应力σmax=115 mpa，出现应力大的部位易产生裂纹，这与各叶片实际裂纹集中出现的位置相一致。
另外，转轮叶片的材料为zg0cr13ni4mo不锈钢，这种材质的屈服极限为σs=665 mpa，水中疲劳极限为σ-1=171 mpa。经过计算，转轮叶片最大应力σmax=115 mpa虽然远低于材料的屈服极限，也低于疲劳极限，但这一应力是静应力，不包括动应力成分。该机组是轴流定桨式，不象轴流转桨式那样在协联工况下运行，因此其动应力较大。再加上机组振动较大，叶片实际存在的应力是比较大的。
由此可见，由于转轮叶片基本应力较高和轴流定桨式转轮叶片运行时的动应力较大，这将会使水轮机转轮叶片在受悬臂负荷的情况下转轮叶片根部应力集中，造成转轮叶片根部与法兰连接处（包括正面和背面）出现裂纹，转轮叶片正面出水边一侧也产生裂纹。
由于机组长期低负荷、超负荷或在工况不好的振动区运行，会使叶片在交变应力作用下产生裂缝或加剧裂纹的发展。红石电站的定桨式机组投产后机组在空载和低负荷工况振动较大，空载工况严重时机组主轴法兰处摆度严重超标，高达4 mm。水轮机工作部位声响振动较大，经现场试验测得，水轮机在空载工况水流通过水轮机转轮流道时，水流中产生了一个扰动频率59.6 hz正好接近机组轴系的一阶固有频率60 hz，因而出现了合拍现象，产生共振。这些问题的存在促使了转轮叶片裂纹的产生。
通过以上的分析，认为红石电站3号机组转轮叶片裂纹产生的原因是：机组运行中的悬臂转轮叶片根部应力集中，叶片所受的基本应力较高，加之各种载荷的联合作用时的动应力较大，叶片所受交变动应力在共振工况下不断加剧，材料疲劳，致使转轮叶片产生裂纹。
4裂纹的处理
对3号水轮机转轮叶片检查
