水轮机转轮叶片裂纹的产生原因及解决措施 应尧

水轮机转轮叶片裂纹原因及预防措施研究水轮机是水力发电厂的重要机械设备，在实际应用中将水能转换为旋转机械能，从而带动发电机发电。

近年来水轮机叶片裂纹问题逐渐明显，严重影响了水轮机的总体运转效率，导致电站运行存在严重的安全隐患。

针对此种情况，加大力度对水轮机裂纹进行原因分析，并提出有效的预防措施，是当前水电站所面临的一项重要问题。

标签：水轮机叶片；裂纹原因；预防措施引言在水轮机实际应用中，转轮叶片裂纹的频繁产生，不仅对机组安全运行构成很大威胁，也给水电厂带来极大的经济损失。

因此，为了防止因水轮机转轮问題而给水电站的安全、稳定、经济运行带来严重威胁，就需要分析转轮叶片裂纹产生的原因，采取有效的措施进行预防控制，以降低水轮机转轮叶片裂纹的发生，进而提高水轮机的安全、稳定性，保证机组的安全经济运行。

本文论述了转轮叶片裂纹产生原因，并介绍裂纹处理的主要措施。

一、水轮机转轮叶片裂纹分析水轮机转轮叶片裂纹产生的原因主要有以下几个方面：1、水轮机转轮叶片老化严重众所周知，任何机械设备都是有使用期限的，如果设备老化到一定程度，必然会出现损坏，尤其是对水轮机转轮叶片来说，其与水压发生作用与反作用力，易产生裂纹。

2、水轮机转轮叶片制造材质、加工过程存在问题水轮机转轮叶片主要材质是钢，如果原材料质量不过关，加工制造的叶片也容易产生裂纹。

如果在叶片锻造过程中，锻造工艺不过关，有气泡存在叶片之中，那气泡存在的位置就是个隐患源，叶片就会在这个隐患处出现裂纹。

3、转轮振动过大造成叶片裂纹出现（1）尾水管涡带所产生的，以低于转速频率来表现的转轮振动剧烈造成叶片裂纹。

（2）某些中、高混流式转轮的下止漏环配置不当也会诱发接近转速频率的自激振动造成叶片裂纹。

（3）叶片出水边形状欠佳所产生的卡门涡振，频率很高时会使叶片产生裂纹影响转轮使用寿命。

4、水力因素在水轮机转轮叶片上出现的规律性裂纹绝大多数都属于疲劳裂纹，断口呈现明显的贝壳纹。

从力学及材料力学上来说，疲劳裂纹的出现就是叶片所承受的动应力超过了叶片材料疲劳强度极限的结果。

混流式水轮机转轮裂纹原因分析及预防措施混流式水轮机转轮裂纹原因分析及预防措施水轮机转轮，特别是中、高比速混流式水轮机转轮中的裂纹现象，在世界各地普遍存在。

国外的例子有埃及的阿斯旺高坝、美国的大古力700 MW机，俄罗斯的布拉茨克等。

国内有岩滩、李家峡、小浪底、五强溪、二滩等大型水电站，在投运后水轮机转轮都不同程度的浮现了裂纹。

转轮裂纹严重影响电站的安全运行和经济效益，引起人们的极大关注。

1转轮裂纹的产生原因转轮为什么会产生裂纹，人们对此做过许多研究，不时地提出一些假设。

笔者把转轮裂纹分为规律性裂纹和非规律性裂纹两类。

规律性裂纹是指不同叶片上的裂纹具有大体一致的规律，所有叶片都开裂，裂纹的部位和走向也大致相同。

非规律性裂纹或者只在个别叶片上发生，或者不同叶片上裂纹的部位、走向和其他特征各不相同。

其产生的普通原因分述如下。

1.1规律性裂纹失效分析结果表明-绝大多数规律性裂纹是疲劳裂纹，断口呈现明显的贝壳纹。

叶片疲劳来源于作用其上的交变载荷，而交变载荷又由转轮的水力自激振动引起，这可能是卡门涡列、水力弹性振动或者水压力脉动所诱发。

1.1.1卡门涡列(1)黄坛口水电站1958年投运的4台HL310-LJ-230水轮机，运行不久转轮叶片出水边根部即发生总计67条裂纹。

后来查明，在某些水头下，当机组出力在5～8 MW时，叶片出水边卡门涡列频率与叶片自振频率耦合而引起共振，动应力急剧增加，使叶片疲劳开裂。

采取修整叶片出水边厚度和形状，提高卡门涡列频率，避开了共振，转轮安全运行多年，再没有发生问题。

(2)小浪底水电站水头范围68～141 m,额定出力306 MW。

水轮机转轮上冠和下环为13.5不锈钢铸件，叶片由13.5不锈钢热模压后数控加工，再用309 L奥氏体不锈钢焊丝焊成整体。

由于是异种钢焊接，转轮焊后不进行消除应力处理。

为适应电站水头变幅大和多泥沙的运行条件，水轮机供应商采取了低比转速，小的出口直径(D 2／D 1＝0.88),较大的导叶相对高度(b 0／D 1＝0.236),肥大的叶片头部，较厚的叶片出水边(δ=38 mm),喷涂碳化钨和设置筒形阀等技术措施。

浅析水轮机转轮裂纹产生原因及处理对策水轮机是水电站机组中重要的组成部位，但是其也是最容易受到损害的部位。

随着目前人类对能源的需求与日俱增，如何加强对水轮机的危害的防治，延长其使用寿命，保证水轮机的正常运行已经成为了必须亟待解决的问题。

在本文中，笔者主要对目前水轮机转轮裂纹这一现象进行详细的讨论。

标签：水轮机、转轮、裂纹、原因、对策前言：在本文中笔者通过对水轮机运用的概述，对目前我国水电站常见的水轮机转轮裂纹产生的原因进行了分析，并通过对原因的分析，提出了相应的裂纹处理与预防措施。

一、水轮机运用概述能源作为国家的重要战略支柱，在各国受到了高度重视。

近年来随着我国经济社会的不断发展壮大，我国对于电能的需求与日俱增，但是化石能源作为不可再生储能，给人类的居住环境带来的威胁越来越大。

为了更好的做到节能减排，缓解气候变化，满足经济和社会的可持续发展需求。

我国一直都把可再生能源作为未来能源战略的重要规划进行了长久以来的实施。

随着我国水电站的的不断新建，在其为人们提供了重要生活、生产保障的同时，自身也相继出现了诸多问题，例如水轮机转轮裂纹的产生，它不仅降低了机械运作的寿命，同时也对电能生产带来一定的影响。

作为水轮机的重要组成部分，水轮机转轮的轮毂与叶片之间的过渡区是整个转轮的力学薄弱区，在机组运行中非常容量发生裂纹。

近年该问题在诸多水电站的生产中相继出现，已经成为了一个不得不亟待解决的技术关键。

二、常见水轮机转轮裂纹产生的原因目前在水电站水轮机的使用类型中主要以混流式水轮机转轮、轴流式水轮机、贯流式水轮机等为主。

以下就以混流式水轮机转轮为例，从水力、设计、铸造、运行、共振等多种因素对其产生的裂纹进行分析：1、水力方面疲劳裂纹、断口出现明显的贝壳纹均属于水轮机转轮叶片上的规律性裂纹，从力学和材料力学两方面来讲，疲劳裂纹的出现主要是由于叶片承受的动应力超过了叶片材料的疲劳强度极限所至。

一旦出现叶片承载不足的情况，叶片就极易出现叶片裂纹。

水轮机转轮叶片裂纹的产生原因及解决措施摘要：随着经济的发展和资源的开发，近些年来，我国的水利事业发展迅速，给人们的生产生活带来了诸多便利，但是仍存在着一些问题，比如水轮机转轮叶片裂纹的产生原因及解决措施，本文就对此进行了研究，希望能对我国相关行业提供些许帮助。

关键词：水轮机；转轮叶片裂纹；产生原因；解决措施1水轮机转轮叶片裂纹产生原因1.1受力分析混流式水轮机与转桨式水轮机不同，其叶片是由上冠和下环固定，无法根据水流和工作情况的变化进行调节，需要在设计好的工作程序中运行，如不设计工作情况则容易破坏无撞击进口和反向出口的最佳条件，水流方向和流量改变，容易在叶片出水处和末尾水管内部产生移动旋涡，旋涡轮流出现产生的交变力，交变力对于叶片冲击产生的频率时会产生共振效应，长时间的强烈震动最终导致叶片裂纹。

1.2超负荷工作水电站工作强度过大，为了提升工作效率使得水轮机超出正常工作效率范围，转轮承受应力时间久了就会超出本身所能承受的荷载，这对叶片是一种损伤，也存在着安全隐患。

水轮机在设计时对其应用环境实地了解较少，不同地域水流情况并不相同，叶片在承受水的应力时会发生变化，叶片最大受力点在出水处和下环之间的连接部分，连接部分的受力比较薄弱，长期的压力冲击会导致叶片开裂。

在使用过程中水轮机难免会遇到操作不符合流程的问题，有时会导致受损，现代焊接技术质量难以承受长期水流冲击，在发生轻微变形时会产生气缝。

水轮机生产制作过程中的一些不精密操作也是导致叶片在工作中面对高强度工作而产生裂缝的原因之一，零部件衔接不够精确，在使用时受水流冲击作用会产生晃动，长久使用整体运行状态不稳固导致产生裂纹。

2预防水轮机叶片裂纹生成的措施2.1确保正确选型水轮机型选择要根据水电站的实际情况，将可能导致叶片开裂的原因进行分析比对，对吸出高度、额定出力、额定转速等参数综合计算，最终选择适合机型，正确选择将增加其使用寿命和稳定运营时间。

前文所提，在水力的作用下叶片振动频率有可能和涡列频率产生共振，在使用过程中造成叶片超出负荷的情况。

运行与维护102丨电力系统装备 2020.20Operation And Maintenance电力系统装备Electric Power System Equipment2020年第20期2020 No.201 水轮机转轮产生裂纹的危害1.1 威胁水电站的安全转轮结构的稳定运行对水力发电效率与质量的保障有着很大影响，也是保障水轮机安全运转的关键因素。

如果转轮在运行中出现裂纹情况，如果相关人员没有对其进行及时的处理，那么就会给水力系统的安全造成威胁，同时还会间接影响水电站内人员的人身安全。

因此需要管理及维护人员能够及时针对裂纹产生原因，进行及时妥善的处理。

1.2 降低发电效率与质量转轮出现细小的裂纹情况，还会给水轮机的发电效率与质量造成一定影响。

当裂纹出现后，水电站需要投入部分精力与时间用在转轮的维修及管理方面，不仅会给水力系统的正常运行带来一定阻碍，还会降低电能质量。

另外，对转轮进行裂纹处理还会间接影响水电站的经济效益，增加维修及管理成本，所以需要电厂管理及维护人员能够对转轮裂纹的处理方案进行合理规划。

2 水轮机转轮产生裂纹的原因除了转轮结构材料的选择问题以及设计问题，对水流、水压控制不到位也会造成转轮裂纹的出现，下面文章就对这几种原因进行分析，以此来为相关裂纹防控方案的制定提供帮助。

2.1 转轮材料选择有误水轮机在水力发电系统中扮演着重要角色，需要相关制造及生产人员能够对其中涉及到的零构件质量提供保障。

但是个别生产部门在制造转轮的过程中会出现材料选择失误情况，一方面是因为水电站没有对转轮材质提出严格的要求，使得性质相似的材料被应用到了转轮的制造中。

另一方面是因为水电站没有对有特殊要求的转轮信息进行进一步的明确，使得转轮材质存在差异性问题。

而这些情况的出现都会间接导致转轮在后期使用中出现裂纹现象，不仅影响了水力发电系统的平稳运行，还间接增加了转轮的使用成本。

2.2 转轮结构存在漏洞水轮机转轮的制造对焊接工艺的要求较高，需要制作人员能够按照规范的流程步骤保证转轮焊接的精准性与稳定性。

水轮机转轮叶片裂纹成因及处理措施水轮机转轮裂纹缺陷是水电站普遍存在的问题，严重影响着机组整体的安全运行，因而对此类缺陷的检查和处理工作是水电厂的重要工作。

为了有效控制和减少转轮叶片裂纹，对裂纹产生的原因进行正确的诊断，并积极采取一些有针对性的预防措施，以避免该问题的发生，有利于确保水轮发电机组的安全、可靠、经济运行。

本文就水轮机转轮叶片裂纹成因及处理措施进行简单的阐述。

标签：水轮机转轮叶片；裂纹成因；处理措施水轮发电机组在运行中，由于工艺、水力因素等原因，转轮叶片很容易产生裂纹甚至断裂，导致的结果是机组的寿命减小，停机检修时间长，电站的经济损失也相应增大。

因此，确保转轮的性能满足要求，是机组设计的关键。

1工程概况新安江水电厂装设8台9.5万kW和1台9万kW的混流式机组，总装机容量为85万kW。

新安江水电厂是1座综合型电站，兼顾发电、防汛为一体。

1号机组发电机型号为TS854/156-40，水轮机型号为HLS66.46-LJ-410，额定流量135m3/s，转轮直径 4.1m。

水轮机转轮有13个叶片，转轮叶片的材料为ZG06Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢，真空精密铸造。

机组最大水头85.4m，设计水头73m，最小水头59.96m，额定转速为59.96r/min。

1号机组于1960年并网发电，并于2002年3月至10月进行增容改造大修后投入运行。

2013年3月，在1号机进行B级大修期间，检修人员对1号机组的转轮叶片进行了超声波探伤检查。

探伤结果显示，1号转轮叶片背部有一条长为115mm，宽为6mm，深度为3.5mm的裂纹；2号转轮叶片出水边根部有一条长为85mm，宽为4.1mm，深度为1.9mm的裂纹；4号转轮叶片出水边根部有一条长为80mm，宽为4.3mm，深度为1.4mm的裂纹和一条长为92mm，宽为3.6mm，深度为2.8mm 的裂纹，上述裂纹都对转轮叶片安全运行造成较大的危害，严重影响机组的安全、稳定运行。

红石电站水轮机转轮叶片裂纹的分析及处理红石电站是一座位于陕西省延安市的大型水电站，采用水轮机转轮作为发电设备。

在运行过程中，由于受到各种因素的影响，水轮机转轮的叶片可能会出现裂纹，这对设备的正常运行和发电效率都会产生不良影响。

因此，对红石电站水轮机转轮叶片裂纹进行分析和处理非常重要。

首先，对红石电站水轮机转轮叶片裂纹的成因进行分析。

导致叶片裂纹的因素主要有以下几个方面：1.材料问题：水轮机转轮叶片的材料选择不当或者材料质量不合格，容易导致叶片在运行时发生裂纹。

2.工艺问题：水轮机转轮叶片的加工工艺不当，比如切削参数不合理、焊接质量差等，都会导致叶片出现裂纹。

3.应力问题：在叶片的工作状态下，受到水的冲击力和叶轮的离心力的作用，会产生较大的应力，如果应力超过了叶片材料承受的极限，就会导致叶片裂纹的产生。

4.外界因素：比如水轮机转轮受到振动、温度变化等外界因素的影响，也会导致叶片裂纹的产生。

其次，针对红石电站水轮机转轮叶片裂纹的处理方法。

1.材料选择：首先，需要选择合适的材料作为水轮机转轮叶片的材料。

通常情况下，可以选择高强度、耐腐蚀性好的材料，比如不锈钢等。

2.加工工艺：在进行叶片的加工过程中，需要注意合理设置切削参数，确保切削过程中不会产生过大的热力，同时还需要注意焊接质量，采用合适的焊接工艺，确保叶片的结构完整性。

3.应力控制：为了减小叶片在工作过程中产生的应力，可以通过优化叶片的结构设计，调整叶片的几何形状，减少水的冲击力和离心力对叶片的影响。

4.定期检测：对水轮机转轮叶片的裂纹情况进行定期检测，及时发现裂纹存在的情况，并采取相应的处理措施，以防止裂纹的扩大和对设备的影响。

通过以上的分析和处理方法，可以有效地对红石电站水轮机转轮叶片裂纹进行处理。

同时，为了保证电站设备的正常运行和发电效率，还应加强对整个水轮机转轮的维护和保养，定期清理和检查转轮表面的杂物和积垢，确保叶片表面的光洁度和使用寿命。

车辆工程技术102机械电子 水泵水轮机是上世纪发明的用于抽水蓄能的机械设备，是抽水蓄能电站的主要动力设备。

但在水电站内部，水轮机作为一个长时间高负荷运转的设备元件，极易发生故障，出现叶片裂纹等问题，对设备的正常工作、水电站的安全运行构成威胁，因此如何解决类似问题，值得思考。

但是水泵水轮机转轮经常出现裂纹，严重影响设备的使用效果。

1　水泵水轮机概述 水泵水轮机的主要作用就是抽水蓄能，而且比将水轮机和水泵串联的蓄能机组更加方便，成本造价更低，所以这种设备被大量应用。

目前，常见的水泵水轮机按照水流途径分为三种机型，分别是混流式水泵水轮机、斜流式水泵水轮机以及贯流式水泵水轮机。

这三种设备的工作原理大致相同，当水泵水轮机的转轮发生转动时，该设备可以当作电泵使用，当转轮反向旋转式当作水轮机使用，所以水泵水轮机的转轮对该设备而言十分重要。

本文将采用HLPO140-LJ-485型号的水泵水轮机作为主要研究对象。

其转轮的设计独特，此零件的上冠、下环以及叶片部位均采用不锈钢材料铸造。

其不锈钢材料具有极强的抗空蚀和抗磨损的特性，采用这种材料可以保证轮机长期在水下工作时不受空化和气蚀的干扰。

其叶片采用模压方式制成，下环采用不锈钢板卷制而成，上冠是整体铸造，其水泵水轮机也具有极好的性能。

在对正在使用的水泵水轮机进行裂纹调查时应采用PT检验方式。

2　水泵水轮机转轮裂纹成因分析 通过PT检验技术在转轮发现数道裂纹，比较严重是在叶片处，其长度200mm，其裂紋深度也超过2mm，这严重影响水泵水轮机的安全性，降低水泵水轮机的使用寿命，增加抽水蓄能电站的生产成本，为我国大量建设抽水蓄能电站造成极大的麻烦。

经过分析主要原因有三点，第一，转轮存在设计失误。

经过合理分析转轮上出现的大量裂纹是由于设备转轮组件是单独制造，后来在根据组装图纸加工，将叶片、上冠和下环进行组合焊接，在焊接叶片时会在叶片中央留下大量钝边，这也是导致叶片造成极大损伤的原因。

水轮机转轮叶片裂纹分析及处理
水轮机转轮的叶片出现裂纹会严重威胁水电厂的安全经济运行。

通过对水轮机转轮叶片进行有限元计算分析，得出应力过于集中通常是叶片裂纹产生的主要原因，此外，叶片也存在设计、制造、运行方面的问题，为此，介绍了水轮机转轮叶片
裂纹金属无损探伤的常用处理方法和一般工艺。

水轮机转轮叶片裂纹的频繁产生，对机组安全运行构成很大威胁，也给电厂带来极大的经济损失，因此，分析裂纹产生原因，并对易产生裂纹部位进行无损探伤检查，对及时处理缺陷，消除事故隐患是十分必要的。

1裂纹产生原因分析
1.1应力集中
采用有限元计算分析得出，转轮在水压力及离心力的作用下，大应力区主要分布在转轮叶片周边上，按第三强度理论计算的相当应力沿叶片周边的分布。

转轮叶片存在四个高应力区，他们的位置在叶片进水边正面(压力分布面)靠近上冠处；叶片出水边正面的中部；叶片出水边背面靠近上冠处；叶片与下环连接区内。

1.2铸造缺陷及焊接缺陷
铸造气孔、铸造砂眼等在外部应力的作用下可能会成为裂纹源，造成裂纹的产生。

由于转轮叶片与上冠、下环的厚度相差大，在冷却过程中易产生缩孔、疏松等。

铸焊结构的转轮，若焊接工艺不当或焊工没有按照焊接工艺的要求进行焊接，在焊缝及热影响区也会出现裂纹。