水輪機轉輪葉片

水輪機轉輪(RunnerofWaterTurbine)是將水能轉換為機械能的關鍵性部件，其葉片型線的準確與否是影響水輪機效率、出力、空蝕和運行壽命的重要因素，是衡量水輪機製造水平的重要標誌。

基本介紹

• 中文名：水輪機轉輪葉片
• 外文名：RunnerofWaterTurbine
• 形狀：三維扭曲曲面體
• 能量：水能轉化成機械能

概述

水輪機轉輪葉片一般都根據水力學而設計成三維扭曲曲面體，截面形狀十分複雜，進水邊與出水邊的厚度懸殊大。傳統的葉片設計與製作及放樣主要依據葉片的木模圖米實現，即用保角變換法對各計算流面進行葉片繪形，並繪製葉片的正面軸面截線，然後通過某種方法進行葉片加厚並繪製出葉片背面軸面截線，最後通過一組水平的輔助截線求出其與正、背面軸面截線的交點，從而得到葉片木模圖。這種製作方法在手工繪形設計時代是極其簡便合適的，而現代的設計理念則是用分布在翼形骨線上的奇點(源點、匯點和渦點)來替代轉輪柵中的翼形，以無擾動來流與奇點系列誘導相疊加的流場來替代流體繞葉柵的實際流場，同時，保證翼形圍線為疊加流場中的一條封閉流線，套用勢流疊加原理設計出轉輪葉片，至於葉片的製作及放樣工作大都則是通過計算機輔助繪圖軟體來實現的。

成型工藝

水輪機轉輪葉片的製造過程複雜，工序繁多。雖然生產的工藝方案乾差萬別，但大體上都包括材料製備、毛坯製造、成形、熱處理等幾十道工序。因此轉輪葉片的製造技術常被作為反映水輪機設備製造商競爭力的標誌性指標，深受世界各國水電行業的重視。

總結起來，水輪機轉輪葉片的成形加工方法主要有單獨鑄造法、數控加工法和模壓成形法三種。單獨鑄造法一直都是製造葉片的傳統工藝。目前，國內大型葉片的鑄造方案有兩種，一種是水平澆注，另一種是垂直澆注。由於水輪機葉片的截面厚度和曲率變化大，沒有明顯的凝固順序，所以其補縮性差。鑄造葉片普遍存在著缺陷多，修補工作量大，尺寸精度和葉型誤差難以控制等諸多問題。

裂紋機理

1、就疲勞裂紋的實際特性來看，只有在拉應力作用下，疲勞裂紋才能夠形成並擴展，且疲勞裂紋的萌生通常位於葉片的表面，以尖角部位為明顯。疲勞並不是一朝一夕產生的，是在循環應力作用下形成的，並且塑性變形損傷累計到一定程度後，便形成疲勞裂紋。疲勞裂紋的擴展方向與裂紋尖端應力場的大主應力方向存在密切聯繫，擴展狀態也比較明顯。

水輪機轉輪葉片

2、就應力狀態的實際影響來看，它與葉片裂紋的形成存在著密切的聯繫，尤其是在動應力幅值、平均應力頻率以及環境介質等參數的作用下，對疲勞裂紋的出現有著重要的影響。若構件所承受的動應力幅值超過了材料本身的疲勞極限，則極易導致疲勞裂紋的出現。與此同時，若動載荷幅值過大，會加速裂紋的出現。水輪機葉片的動載荷主要來自於水流的衝擊力，因而在循環應力幅中，拉應力時疲勞裂紋萌生和擴展的主要因素。

3、材料狀態對疲勞裂紋的影響。材料的成分、雜質含量、組織結構、熱處理狀態、表面狀態和缺陷都對其疲勞性能有直接影響。一般規律是鋼的疲勞極限與其抗拉強度成正比，但如果強度過高，塑韌性很低，鋼的脆性很大，一旦疲勞裂紋形成，將會發生脆性失穩斷裂，造成嚴重後果。採用不同的製造工藝，構件的疲勞性能也不同。鍛造可減少缺陷，使組織緻密和細化，抗疲勞性能較鑄件要好。鋼板材料因精煉後軋制而成，具有良好的抗疲勞性能。

裂紋原因

1、設計因素

葉片的設計存在不合理之處，導致葉片本身承受動載荷能力下降，再加之，葉片出水邊的不合理設計導致卡門渦與葉片發生共振，巨大的能量導致裂紋迅速產生並發展，對機組造成了不良影響。設計時，就要考慮到可能影響葉片承受動載荷能力的因素。首先，要保證葉片材料的化學成分、機械性能以及承受工作應力的能力符合要求。材料的實際疲勞強度由於受到運行過程中諸多因素的影響，設計時無法準確確定。

2、水輪機轉輪葉片老化嚴重

眾所周知，任何機械設備都是有使用期限的，如果設備老化到一定程度，必然後出現損壞，尤其是對水輪機轉輪葉片來說，其與水壓發生作用與反作用力，易產生裂紋。

3、水輪機轉輪葉片製造材質、加工過程存在問題

水輪機轉輪葉片主要材質是鋼，如果原材料質量不過關，加工製造的葉片也容易產生裂紋。如果在葉片鍛造過程中，鍛造工藝不過關，有氣泡存在與葉片之中，那氣泡存在位置就是個隱患源，葉片就會在這個隱患處出現裂紋。

4、轉輪振動過大造成葉片裂紋出現

（1）尾水管渦帶所產生的，以低於轉速頻率來表現的轉輪振動劇烈造成葉片裂紋。

（2）某些中、高混流式轉輪的下止漏環配置不當也會誘發接近轉速頻率的自激振動造成葉片裂紋。

（3）至於葉片出水邊形狀欠佳所產生的卡門渦振，頻率很高會使葉片產生裂紋影響轉輪使用壽命。

5、水力因素

在水輪機轉輪葉片上出現的、規律性裂紋絕大多數都屬於疲勞裂紋，斷口呈現明顯的貝殼紋。從力學及材料力學上來說，疲勞裂紋的出現就是葉片所承受的動應力超過了葉片材料疲勞強度極限的結果。也就是說葉片承受動載荷的能力不足時，將可能出現葉片裂紋。葉片疲勞來源於作用其上的交變載荷、而交變載荷又由轉輪的水力自激振動引發，這可能是卡門渦列、水力彈性振動或水壓力脈動所誘發。

防裂紋措施

1、最佳化設計

設計單位在設計時，一方面要考慮提高水輪機的效率，另一方面要考慮儘可能減少壓力脈動的現象；在確保水輪機剛度滿足要求的情況下，充分考慮靜強度的要求，還要避免共振現象發生；適當增加葉片厚度和葉片與上冠、下環焊縫圓弧過渡半徑，能儘量地避免應力集中，同時還可採取避開共振區的適當措施，防止葉片出現開裂。

水輪機轉輪葉片

2、補氣充分

水輪機補氣方式主要有2種，即錐管自然補氣法和主軸中心孔自然補氣法。其中，主軸中心孔自然補氣法的補氣量大致為0.25%～1%的額定流量，通常要在發電機頂端設定補氣閥來避免補氣通道堵塞。錐管自然補氣法分為2種，分別為十字架補氣法和錐管壁補氣法。十字架補氣法經常用於小型水輪機，它的優點是可以降低壓力脈動，缺點是容易被衝掉或發生空蝕，難以提高工作效率；錐管壁補氣法利用錐管補氣，但當真機壓力過高時，會出現無法吸入空氣的現象。該水電站發電機軸頂部處設有大軸補氣裝置，採用自然補氣方法；在頂蓋、底環和基礎環上預留強迫補氣的管道，必要時使用（目前暫未投入）。

3、裂紋清理及開坡口

裂紋剷除常用兩種方法：風鏟和炭弧氣刨。風鏟剷除裂紋所形成的坡口較規則，易於保證焊接質量，但勞動強度大，速度慢，剷頭可根據裂紋深度的不同而選用，坡口要求規則平滑並用30%的硫酸或硝酸酒精清洗；炭弧氣刨可對較深的裂紋進行多次吹割，這種方法操作簡便，速度快，但坡口內往往有滲碳層，要用異型砂輪磨削。為了防止過熱引起變形和裂紋擴展，炭弧氣刨必須間斷使用。

4、葉片的焊

接氫弧焊時，氫氣純度≥99.9%。氫弧焊絲使用前用丙酮將油、污等清理乾淨。引弧時採用引弧板，熄弧時應在弧道上進行收弧。起焊前提前送氫氣保護，滅弧後延遲關閉氫氣保護，以防止焊縫和熱影響區氧化。在時鐘“12”點位置焊接正面焊縫，清根，著色檢驗，轉動轉子，在時鐘“6”點位置焊接反面焊縫。根部焊接時背面進行充氫保護，打底時電流為90～100A，其餘層焊接電流為100～110A。焊接過程中控制層間溫度100～150℃，當溫度過高時，停止焊接，待焊縫冷卻至150℃以下時再進行焊接。焊接過程中不允許出現任何缺陷，若出現立即磨除，再採用原工藝修補。