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
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

混流式水轮机转轮裂纹原因分析及预防措施

水轮机转轮,尤其是中、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出现了裂纹。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。其产生的一般原因分述如下。

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发,这可能是卡门涡列、水力弹性振动或水压力脉动所诱发。

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。结果在机组停机过程中,当导叶全关后,由于叶片出水边太厚,转轮中再循环水流所感生的卡门涡与叶片一、二阶弯曲自振频率耦合发生共振,引起巨大动应力并伴生异常声响。在机组大负荷工况下,叶片后的卡门涡列与叶片高阶(五阶)自振频率耦合而引发水轮机固定部件的振动和噪音,

叶片上也产生较大动应力。将叶片出水边修薄到7 mm后,上述两种现象均告消除。

1.1.2水力弹性振动

(1)小浪底水电站最先投运的6号水轮机累计运行1 330h后检查发现-13个叶片出水边近上冠处均发生贯穿性裂纹,裂纹向叶片一侧延伸,走向完全相同,呈不规则抛物线状。起裂点均在焊缝与叶片母材相交处的负压面上,裂纹长度不等,最长达500 mm以上,部分叶片裂纹有分叉。随后投运的5号机仅经调试中的数十次开停机即告开裂,接着4、3号机也都没有幸免。

水轮机供应商实测了起动过程中叶片开裂部位的动应力,幅值达±280 MPa,频率为12.75Hz。考虑转轮区域60%的水体质量,固定在推力轴承摩擦面上的轴系一阶扭转自振频率约为13 Hz。因而认为是发电机推力轴承的摩阻过大,轴系的弹性振动诱发了叶片上的高幅动应力。应设置高压油顶起装置减小轴承摩擦阻力来解决叶片裂纹问题。中国专家组认为-起动过程中,由于叶片头部过度肥大,在导叶小开度时的不稳定水流冲击下激起水力弹性振动,其主频恰与主轴一阶扭振重合,引起叶片的高幅动应力。应采取向导叶后补气,加快起动速度,加大起动开度,加强叶片根部以增加其抵抗外力的能力等措施。全面采取这些措施后,起动中的叶片动应力大大减小,加上出水边修薄后,停机过程中和大负荷下动应力剧减,问题得到解决。

(2)俄罗斯萨彦水电站实测数据-在起动后的8~10s,转轮叶片上的动应力处于100 MPa的高水平。这是水力弹性振动引起叶片高幅动应力的又一实例。

引用网址:https://www.360docs.net/doc/114637581.html,/hyzs/dz/10378.htm

混流式水轮机转轮裂纹原因分析及预防措施 -(2)

(3)小浪底水电站对推力轴承静摩擦系数的多次实测表明,弹性金属塑料瓦的静摩擦系数随机组停置时间的增长有明显地加大趋势。因此,长时间停机(例如1周以上)后,再行起动前仍以顶起发电机转子为好。

1.1.3尾水管压力脉动

水轮机部分工况下,尾水管中有涡带产生。涡带运动干扰水流而引起脉动压力,这种脉动还可能因涡带空腔与水体共振而增强。尾水管压力脉动能以某种形态传递到转轮叶片上,转轮流道内还可能作用着水流脱流造成的脉动压力,并直接作用在叶片上。显然,这些脉动压力将引起叶片的交变应力。萨彦水电站水轮机在196 m水头,200~500 MW负荷范围内,叶片出水边近上冠处动应力峰值达35 MPa(±17.5 MPa),相当于最大出力下静应力130 MPa的13.5%。另有资料表明俄罗斯克拉斯诺雅尔斯克水电站水轮机转轮在部分工况下,动应力达最大静应力的15%。可见尾

水管压力脉动能引起一定幅值的交变应力,若这种激振频率与叶片或下环的固有频率耦合时,必将诱发更大的动应力,造成叶片开裂。

1.1.4其他水力诱发因素

(1)转轮旋转时,叶片相对导叶的位置不断变化,引起转轮叶片上的环量改变。因此,作用在叶片上的力周期性地变化,形成频率为f g =knz g/60的动应力(k为正整数,n为水轮机额定转速,Z g为导叶数)。

(2)涡壳不对称引水导致沿转轮圆周压力场的不均匀而产生频率f s =kn/60的动应力。

(3)引水钢管或压力尾水渠中的水力振荡在转轮上引起的交变应力。

(4)导叶和转轮之间水体的压力脉动作用在叶片上的动应力。

1.1.5规律性的制造原因

规律性的制造原因大多由错误的工艺方法造成。例如,60年代中期某厂首批焊接转轮,由于工艺规定不严谨,叶片焊缝全部在头部和尾部起弧和熄弧,焊缝缺陷集中,运行中发展成规律性裂纹。后来改进了工艺,叶片头、尾部采取包头焊,错开起弧和熄弧点,问题得到解决。

1.2非规律性裂纹

转轮非规律性裂纹有的呈网状龟裂纹,有的呈脆性断口,也有的呈疲劳贝壳纹。这类裂纹多数由材料不良或制造质量缺陷造成。

1.2.1材料

转轮材料与裂纹的萌生和发展密切相关。

(1)60~70年代,我国有多台转轮使用了ZG15MnMoVCu低合金铸钢。该钢种对热处理温度极其敏感,工业大炉生产的产品其脆性转变温度很高,可焊性极差,用其制造的转轮普遍发生严重裂纹,并多次发生叶片断裂。例如,龚咀水电站3号机就曾发生过3个叶片突然断裂事故。

(2)密云水电站2号斜流水泵水轮机在一次事故中转轮叶片全部断裂,除其他因素外,叶片材料不良也是原因之一。

1.2.2制造质量

转轮的制造缺陷也是引发非规律性裂纹的重要原因。

(1)江垭水电站第1台水轮机运行一年后,1个叶片出水边中部发生多条裂纹,并伴有局部脱落。经分析主要原因是铸造质量不良所致。

(2)不少水电站转轮裂纹都从铸造缺陷处起裂,也有从严重焊缝缺陷或焊接延迟裂纹处开裂的例子。

(3)其他制造缺陷诸如-叶片形线差,表面粗糙,出水边高应力区出现不应有的尖棱,叶片与上冠、

下环相交的过度圆角过小,或存在严重的铲磨缩头等,都可能促使转轮裂纹生成。

此外还有制造缺陷和水力激振的联合作用。

1.3不良的运行方式是裂纹产生的催化剂

混流式水轮机叶片安放角不能调节,当水头或负荷偏离最优工况较多时,必然因有水力不稳定而使叶片承受较大动荷载,促使叶片裂纹发生。因此,一方面要求开发水力性能优良,稳定运行范围尽可能宽阔的水轮机转轮;另一方面也要使机组尽量避开在水力不稳定,叶片动载荷大的区域运行。

2裂纹处理

(1)裂纹处理的关键是找出产生裂纹的根本原因,对症下药。非规律性的裂纹一般比较好分析。难的是规律性裂纹,究竟是哪些原因起主导作用。最有力的手段就是破坏部位的动应力测试。从应力频谱中分解出构成动应力主要分量的频率和幅值,进而跟踪查出相应的水力激振源。

引用网址:https://www.360docs.net/doc/114637581.html,/hyzs/dz/10374.htm

混流式水轮机转轮裂纹原因分析及预防措施 -(3)

(2)裂纹的焊补工艺非常重要。埃及阿斯旺高坝工程的12台混流式水轮机转轮曾发生过严重裂纹。原美国阿里斯查摩公司为其更换了其中6台。法国电力公司采用合理的焊补工艺、焊接材料,在有经验的工程师指导下,由优秀焊工操作,成功地修复了其他6台。很显然,两者处理效果相当而后者成本大为降低,焊补工艺的重要性由此可见一斑。

许多文献和专著都对成功的焊补工艺作过介绍,这里仅强调两点。第一,要有经过验证的成熟工艺,由具有专门经验的焊接工程师指导,选择优秀焊工严格按工艺认真完成补焊,同时做好焊接过程和焊后的锤击去应力和焊缝质量检查;第二,焊接材料以中等强度(δs≥350 MPa)、高塑性的奥氏体材料为佳。

(3)转轮裂纹,尤其是高应力区的裂纹,一经发现就应尽可能早的焊补处理。高应力区的裂纹多数由高周疲劳引起,这种裂纹的形成有萌生期和发展期两个阶段。发展期的扩展速度取决于材料在水下的裂纹扩展速率和裂纹尖端的应力状态,一般是比较快的。

3预防措施

3.1水力设计

尽管在现今的技术条件下,不可能设计出没有不稳定水流的混流式水轮机,也不能定量的预测水轮机压力脉动的幅值和相应的运行区域,模型试验结果与真机之间也还没有建立起有实用价值的换算关系。然而从宏观角度讲,好的水力设计和水轮机参数的优化组合能够扩大水轮机的稳定运行范围,因此,针对具体水电站的运行特点,选择和优化水轮机参数、设计并经模型试验验证一个水力稳定性最佳化的转轮是预防裂纹的重要环节。

3.2选材

大型混流式水轮机的上冠、下环、叶片均宜采用13.5低碳马氏体不锈钢,焊材可用具有高塑性而强度相对稍低些的三相马氏体材料。

3.3结构设计

(1)静强度。对上面推荐的材料组合,整体转轮在正常工况下的最大静应力宜控制在110MPa(δ 0.2的1/5)以下。分瓣转轮由于分瓣处的叶片存在局部附加应力,最大静应力不应超过95MPa。

(2)疲劳强度。转轮在工作中承受静应力和动应力,其强度理应按疲劳理论评定。当前存在两个困难-一是缺乏权威的材料水下疲劳曲线;二是缺乏作用在转轮上的动载荷谱。因此,难以按疲劳损伤累积理论(Palmgrem Miner理论)计算疲劳寿命。可在加速该领域基础工作的同时,暂按公开发表的资料,以偏安全的原则,选定材料水下疲劳曲线和动载荷谱进行计算。

(3)应选定材料的裂纹扩展速率,确定裂纹前端的应力状态,校核并确认转轮内部的允许缺陷(无损探伤的灵敏度)是稳定的,不会继续扩展。

3.4避免共振

避免共振是转轮可靠性设计的重要一环。应准确计算出转轮叶片和下环在水中各种阶次和模态的固有频率,以及包括输水管道、导叶和转轮间环状水体在内的各种水力激振频率,并仔细加以比较和调整以避开可能发生的共振。

3.5预留辅助措施

由于水力激振问题的复杂性,很难在设计阶段准确预测,即使有模型试验佐证,但还存在模型和真机间的换算问题。另外起动、停机、甩负荷等过渡过程中的动载荷和动应力更是模型试验所难以模拟的。因此,在设计上应留有辅助的补救措施,例如-①改善尾水管压力脉动的补气措施;

②预防起动过程中水力弹性振动的补气措施;③调整(多数情况下只需微调)部件固有频率和水力激振频率的预定方案;④静止部件(顶盖、轴承等)采用较大的刚度。

除设计方面应采取以上的措施,还应精心制造,合理运行。

4关于转轮残余应力问题的讨论

大型混流式转轮都是焊接结构,其焊缝接头形状复杂,焊接材料填充量大,即使焊后进行炉内去

应力处理,转轮残余应力的幅值也相当可观。至于不进行焊后热处理的异种钢转轮,或者在现场拼装的分瓣转轮,残余应力就会更高一些。小浪底水电站水轮机转轮母材为马氏体,焊材为奥氏体,焊后不热处理,用小孔释放法,按ASTM标准实测,残余应力为300~350MPa。某供应商对焊料为同材质,并经炉内消除应力的异种钢转轮实测,残余应力一般也在250~300MPa。二滩水电站的水轮机分瓣转轮在工地焊接并局部去应力后测得的最大残余应力超过400 MPa。尽管尚不清楚这些测试结果的精确程度,但焊接转轮的残余应力比较高确是事实。因此有人认为,高的残余应力可能是促成转轮裂纹发生的主要原因。就13.5不锈钢转轮而言,如正常工况下的最大工作应力取σ

混流式水轮机转轮裂纹原因分析及预防措施 -(4)

W≤110 MPa(分瓣转轮为95 MPa),假如残余应力σ r =350MPa,动应力σ d =±50 MPa,则交变应力循环特性γ=0.8。转轮的极限峰值应力也不超过材料屈服强度的下限值。这样的残余应力对疲劳破坏过程有影响但不是主要因素。只要转轮不与水力激振源发生共振,且静应力取值较低,转轮焊缝的残余应力在350 MPa以下应该是允许的。因此,一方面供应商应尽可能降低转轮残余应力,特别是其高应力区的残余应力。另一方面业主也没有必要对转轮的残余应力提出过严限制。

5关于转轮分瓣问题的讨论

分瓣转轮的叶片因被切断,装配后虽又焊接起来,但由于叶片传递的环向拉应力主要由上冠和下环来承担,造成叶片根部应力的提高。因此,对分瓣面处的叶片进行强度计算时,应取较低的许用应力。当然,那种对分瓣转轮容易产生裂纹的怀疑也是缺乏根据的。

6可靠性工程在混流式水轮机转轮设计上的应用

由于转轮裂纹事故的频频发生和水电站调峰、调频任务的日趋繁重,人们越来越重视水轮机转轮的运行可靠性。因此,有必要对转轮实施可靠性工程,切实抓好精心设计、精良制造、合理运行三大环节。

6.1设计

(1)在水力设计上应优化水轮机参数,开发出稳定性良好的转轮。

(2)对转轮材料(含焊接接头)进行水下疲劳和裂纹扩展速率试验,取得权威性的数据,为可靠性设计提供依据。

(3)进行代表机组的叶片动应力实测(含起动、停机、甩负荷等过渡过程),通过较多实测数据分析,找出各种水力激振源和叶片动应力之间的相关关系,供设计确定动应力频率和幅值参考。

(4)进行静强度计算和疲劳寿命分析,并取用较低的静应力。

(5)进行避开共振分析。

(6)对探伤允许的转轮皮下缺陷进行尺寸稳定性(即缺陷在应力作用下不扩展)校核。

(7)预留防止裂纹的补救措施。

6 .2制造和安装

(1)上冠、下环、叶片采用VOD或AOD精炼毛坯。

(2)成熟的焊接工艺和严格的质量控制,尤其要重视叶片高应力区的质量检验。

(3)研究并采取降低焊接残余应力的措施。

(4)精密铲磨,保证叶片与上冠、下环过渡的高应力区各个方向都能圆滑过渡,减小应力集中。

(5)精心进行分瓣转轮的现场施焊、热处理和机加工。

6 .3运行

(1)投运早期实测叶片动应力,结合机组稳定性试验成果,确定转轮安全运行范围。

(2)重视起动、增减负荷、停机和甩负荷等过渡过程中导叶调节规律的选择,以减小瞬变过程中可能产生的动应力。

(3)发现裂纹应尽早严格按焊补工艺处理。

7结语

(1)水轮机转轮的运行可靠性比水力性能更重要。设计环节是转轮可靠性的根本,对大型混流式水轮机转轮应实施可靠性工程。

(2)叶片动应力实测工作很重要,宜尽早开展研究。

(3)建议整体转轮叶片最大工作应力不超过110 MPa,分瓣转轮不超过95 MPa。

(4)研究降低焊接转轮残余应力的实用方法。当前条件下,若水力激振不引起叶片共振,转轮残余应力可允许在350 MPa以下。

(5)转轮设计必须重视避开共振分析。

(6)制造质量是转轮可靠性的重要保障,应优选材料,精心制造,认真检验。

(7)优化运行与转轮可靠性密切相关,应充分重视。一旦发现转轮裂纹应尽早严格按焊补工艺处理。

红石电站水轮机转轮叶片裂纹的分析及处理

相关专题:仪器

时间:2007-06-22 08:50 来源:维库电子市场网

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。?お?

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1 700 MW,其中白山右岸电站900 MW(3×300 MW),白山左岸电站600 MW(2×300 M W),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ZGoCr

13Ni

4

Mo,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σ

max

=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,u

max

=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σ

max 和最大变形u

max

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σ

max

=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ZG0Cr

13Ni

4

Mo不锈钢,这种材质的屈服极限为σ

s =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σ

max

=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出的裂纹的部位、形状、长度及可能继续发展的方向进行了全面的分析,并采取针对性措施对叶片裂纹进行修复,在叶片修复时严格执行修复方案和遵守焊接工艺。为加强叶片根部的强度,用堆焊的方法有意加大叶片正面出水边一侧与根部法兰连接的过度圆角的“R”值;为阻止裂纹的延伸,在裂纹的尾部钻止裂孔等措施进行全面处理。

(1)由于裂纹的尾部内应力接近材料的极限强度,在外力或热应力的影响下还会继续延伸。因此,在清除裂纹前需在裂纹的纹尾部位打止延孔截断裂纹,阻止裂纹的延伸。钻直径为8 mm的孔,一般孔深比裂纹深度大4~6 mm。

(2)裂纹的铲除采用速度快、操作简便的碳弧气刨刨除裂纹的方法,防止因刨除裂纹时因温度影响原裂纹的延伸,应由止裂孔处向裂纹反方向清除裂纹,直到去除裂纹为止。为了防止过热引起变形和裂纹扩展,碳弧气刨必须间断使用。同时开出补焊的坡口,坡口的形式主要根据裂纹情况、部位和铲除及施焊方便而定(见图4)。凡未穿透的裂纹,深度在30 mm以内的可开“V”形坡口(见图4a);深度在30 mm以上的可开“U”形坡口(见图4b);靠近根部的采用“V”形坡口(见

图4c)。凡穿透的裂纹,深度在40 mm以内的可开“X”形坡口(见图4d);靠近根部的开“K”形坡口(见图4e);厚度在40 mm以上的需开“U”形坡口(见图4f);靠近根部的开“K”形坡口(见图4g)。对坡口的表面渗碳氧化层用蘑菇头式砂轮机进行打磨,磨掉氧化层露出母材的金属光泽。

(3)为确保修复处的强度、刚度及材质的可焊性要求,施焊采用机械性能强、抗裂性好、塑性大的G367M及奥237不锈钢焊条。使用前必须要在350℃温度下烘干2 h,在100℃恒温下进行保温。

(4)为了减少补焊区的应力集中及改善焊缝的金相组织,特别是焊缝与基材过渡区的热影响,防止再次产生裂纹,在焊前对缺陷部位进行整体或局部预热。采用履带式加热板在裂纹部位进行预热,温升速度以8~10℃/h为宜,温度控制在80~120℃。预热温度达到要求后再恒温2~4 h即可施焊。施焊采用薄层、分段、退步焊接技术,长焊缝采取分段焊,每段长100~150 mm,300 mm以上者采取分段退步焊,300 mm以下可由中间向外焊(见图5a)。注意防止施焊修复过程中起弧和断弧产生裂纹。为防止接头处平齐而影响焊缝质量,分段接头处应逐层搭接,正反面焊缝轮番施焊。对深度在40 mm以上的坡口,应使用双侧镶边焊技术(见图5b);对深度在40 mm以下和靠叶片根部的坡口则可用单侧镶边焊技术(见图5c)。对穿透性裂纹应在其正面焊2~3道焊波后再在其背面用风铲铲除坡口底部的焊瘤,待露出新的焊波时再开始施焊。裂纹堆焊中,底下几层最好用直径3.2 mm的电焊条并在保证焊透的情况下尽量采用小电流和短电弧(一般2~2.5 mm),要求焊搭接宽度不小于焊链宽度的1/3,防止咬边与弧坑及弧坑裂纹的产生。

(5)采用锤击法消除焊接处的表面应力,并用砂轮打磨光滑,与叶片的型线一致。

5结语

红石水电站3号机水轮机转轮叶片裂纹修复后,机组于1996年12月18日投入运行,经过机组调频、调峰的频繁起停及长时间的带满负荷运行,到1999年2月24日机组运行两年多后,大修检查中未发现有新的裂纹产生。3号机水轮机转轮叶片的修复为机组安全可靠运行提供了保证,为红石水电厂安全文明生产、实现无人值班(少人值守)和创全国一流水电厂奠定了坚实的基础,并创造了可观的经济效益,同时也为我国水电机组出现同类问题的处理提供了宝贵的借鉴经验。??

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 混流式水轮机转轮裂纹原因分析及预防措施 水轮机转轮,尤其是中、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出现了裂纹。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。其产生的一般原因分述如下。 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发,这可能是卡门涡列、水力弹性振动或水压力脉动所诱发。 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。结果在机组停机过程中,当导叶全关后,由于叶片出水边太厚,转轮中再循环水流所感生的卡门涡与叶片一、二阶弯曲自振频率耦合发生共振,引起巨大动应力并伴生异常声响。在机组大负荷工况下,叶片后的卡门涡列与叶片高阶(五阶)自振频率耦合而引发水轮机固定部件的振动和噪音,

水轮机转轮叶片裂纹分析及处理

水轮机转轮叶片裂纹分析及处理 马庆增,阚伟民 (广东省电力试验研究所,广东广州510600) 摘要: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。 关键词:水轮机;转轮叶片;应力;有限元;裂纹 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见图1。从图1可以看出,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]。 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(见图2)。

1.3原设计问题 转轮叶片与上冠、下环间的过渡R角设计较小,引起应力集中。 1.4运行上的原因 长期低负荷、超负荷或在震动区运行会使叶片在交变应力作用下产生裂纹或裂纹情况加剧。 2裂纹无损探伤检查 在大修时对转轮进行无损探伤检查,及时处理缺陷,消除事故隐患是十分必要的。严重的裂纹等缺陷用肉眼和放大镜外观检查即可发现,但较细小的缺陷和内部的缺陷必须用无损探伤检查。常用的无损检测方法有以下几种:磁粉探伤、渗透探伤、超声波探伤、金属磁记忆、射线检测等。裂纹易于产生的应力集中部位,如叶片进水边正面(压力分布面)靠近上冠处、叶片出水边正面的中部、叶片

水轮机转轮叶片的制造

水轮机转轮叶片的制造 2007年06月22日星期五10:05 雕塑曲面体混流式叶片的多轴联动数控加工编程技术摘要:转轮叶片是水轮机能量转换的关键部件,也是最难加工的零件,目前多轴联动数控加工是解决该类大型雕塑曲面零件最有效的加工方法。多轴联动数控加工编程则是实现其高精度和高效率加工的最重要环节。本文介绍混流式水轮机叶片五轴联动数控加工大型雕塑曲面编程中涉及到转轮叶片三维造型、刀位轨迹计算、切削仿真、机床运动碰撞仿真、后置变换等关键技术。通过对这些技术的链接和研究,开发实现了大型叶片的多轴联动加工。 关键词:数控编程 引言 水轮机是水力发电的原动机,水轮机转轮叶片的制造,转轮的优劣,对水电站机组的安全、可靠性、经济性运行有着巨大的影响。水轮机转轮叶片是非常复杂的雕塑面体。在大中型机组制造工艺上,长期以来采用的“砂型铸造———砂轮铲磨——立体样板检测—的制造工艺,不能有效地保证叶片型面的准确性和制造质量。目前采用五轴联动数控加工技术是当今机械加工中的尖端高技术。大型复杂曲面零件的数控加工编程则是实现其数字化制造的最重要的技术基础,其数控编程技术是一个数字化仿真评价及优化过程。其关键技术包括:复杂形状零件的三维造型及定位,五轴联动刀位轨迹规划和计算,加工雕塑曲面体的刀轴控制技术,切削仿真及干涉检验,以及后处理技术等。大型复杂曲面的多轴联动数控编程技术使雕塑曲面体转轮叶片的多轴数控加工成为可能,这将大大推动我国水轮机行业的发展和进步,为我国水电设备制造业向着先进制造技术发展奠定基础。 " 大型混流式水轮机叶片的多轴数控加工编程过程大型复杂曲面零件的五轴联动数控编程比普通零件编程要复杂得多,针对混流式叶片体积大并且型面曲率变化大的特点,通过分析加工要求进行工艺设计,确定加工方案,选择合适的机床、刀具、夹具,确定合理的走刀路线及切削用量等;建立叶片的几何模型、计算加工过程中的刀具相对于叶片的运动轨迹,然后进行叶片的切削仿真以及机床的运动仿真,反复修改加工参数、刀具参数和刀轴控制方案,直到仿真结果确无干涉碰撞发生,则按照机床数控系统可接受的程序格式进行后处理,生成叶片加工程序。其具体编程过程如图-所示。 图-大型混流式叶片的五轴联动数控加工编程流程!"! 混流式水轮机叶片的三维几何建模混流式叶片这一复杂雕塑曲面体由正面、背面、与上冠相接的带状回转面、与下环相接的带状回转面,大可编写一个.*/0程序读入这些三维坐标点,然后采用双三次多补片曲面片通过自由形式特征的通过曲线的方法进行曲面造型,如 %图1所示。叶片的毛坯形状可从设计数据点进行偏置计算处理,或者从三维测量得到的点云集方式确定对叶片的各个曲面分别进行"234$曲面造型,并缝合成实体。 叶片加工工艺规划: 加工方案和加工参数的选择决定着数控加工的效率和质量。我们根据要加工叶片的结构和特点可选择大型龙门移动式五坐标数控铣镗床,根据三点定位原理经大量的研究分析,决定在加工背面是采用通用的带球形的可调支撑,配以叶片焊接的定位销对叶片定位,在叶片上焊接必要的工艺块,采用一些通用的拉紧装置来装夹。加工正面时,采用在加工背面时配合铣出的和背面型面完全一致的胎具,将叶片背面放入胎具,利用焊接的工艺块进行调整找正,仍然采用通用的拉压装置进行装夹。由于叶片由多张曲面组合而成,为了解决加工过程中的碰撞问题,我们采用沿流线走刀,对于叶片的正背面进行分区域加工,根据曲面各处曲率的不同采用不同直径的刀具、不同的刀轴控制方式来加工。对每个面一般分多次粗铣和一次精铣。在机床与工件和夹具不碰撞和不干涉情况下,尽量采用大直径曲面面铣刀,以提高加工效率。叶片正背面我们选用刀具直径!-56曲面面铣刀粗铣、!-16曲面面铣刀精铣,

红石电站水轮机转轮叶片裂纹的分析及处理(正式)

编订:__________________ 审核:__________________ 单位:__________________ 红石电站水轮机转轮叶片裂纹的分析及处理(正式) Deploy The Objectives, Requirements And Methods To Make The Personnel In The Organization Operate According To The Established Standards And Reach The Expected Level. Word格式 / 完整 / 可编辑

文件编号:KG-AO-3394-86 红石电站水轮机转轮叶片裂纹的分 析及处理(正式) 使用备注:本文档可用在日常工作场景,通过对目的、要求、方式、方法、进度等进行具体的部署,从而使得组织内人员按照既定标准、规范的要求进行操作,使日常工作或活动达到预期的水平。下载后就可自由编辑。 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1700MW,其中白山右岸电站900MW(3×300MW),白山左岸电站600MW(2×300MW),红石电站200MW(4×50MW)。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256m;最低水头228m;额定转速1071r/min;额定功率5155MW;设计水头233m;设计流量251m3/s;飞逸转速240r/min;吸出高度-4m;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

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的产生原因及解决措施应尧 摘要:要想保证水利工程安全,应对可以影响其安全的因素进行分析。在水利 工程中水轮机的使用时间过长或是其它不利情况会导致其出现裂缝,从而阻碍水 轮机组的正常运行,甚至会导致安全事故的出现,给水利工程带来一定的经济损失。所以要想有效的解决水轮机裂缝问题应找出其中的原因并制定出防治裂缝的 方案,在此基础上提升水轮机转轮的工作效率与使用寿命。 关键词:水轮机;转轮叶片裂纹;产生原因;解决措施 1叶片裂纹产生原因 1.1受力分析 转浆式水轮机与混流式水轮机有一定的区别,混流式水轮机在进行叶片固定时,主要是由上冠与下环来进行固定的,所以没有办法根据水流与相关工作情况 进行调节,这样就需要做好工作流程运行设计工作,如果设计工作出现问题会出 现破坏、无撞击进口以及反向出口条件不佳的情况,会改变水流的方向与水流量,最终使水轮机叶片尾处以及微端水管内部会产生移动旋涡,移动旋涡轮流会出现 交变力,交变力的产生会对水轮机的叶片产生冲击并出现共振效应,强烈的振动 最终会造成叶片裂纹。 1.2工作超负荷 由于水电站工作强度相对较大,所以很多工作人员为了提升水轮机的工作效率,常常会超出工作范围,时间长了转轮机的承受时间会超出其本身的承载力, 这也给叶片带来一定的损伤,并导致安全隐患。在对水轮机进行设计时应对其所 处环境进行深刻的了解,由于地域不同水流情况也有所区别,叶片也会在水的应 力下产生变化,当叶片的最大受力点处于出水口与下环间的连接位置时,其受力 相对较弱,在压力长期作用下会导致叶片出现开裂的情况。由于水轮机在使用过 程中难免会因操作流程不符合标准而产生问题与损伤,焊接位置由于受到水流的 长期冲击会产生轻微的变形与气缝。在水轮机生产制作的过程中会因为一些操作 不精准而导致叶片受损,工作操作强度过高会导致叶片出现裂纹,再加之各部分 零件在连接时不精准,叶片会因水流冲击引起滑动,长时间后会因为其不稳定而 产生裂纹。 2解决水轮机转轮叶片裂缝的措施 2.1保证选型的准确性 水电站在选择水轮机型号时应与实际情况相结合,同时将导致叶片裂缝的原 因进行深入的分析,同时对吸出高度、额定转速以及额定处理等相关参数进行计算,在此基础上合理的选择机型。选择正确的机型可以有效的提升其使用寿命并 可以确保其运营的稳定性。此外,当在水压的作用下叶片所产生的振动频率与涡 列间产生共振,这样也会超出叶片的负荷导致裂纹。 2.2对设计进行进一步的优化 相关的设计单位在进行设计时,首先应对水轮机的整体运行效率进行综合性 的考虑;其次,应对压力没动现象进行考虑;第三,在保证水轮机刚度符合要求 的基础上对静强度要求进考量,以此来避免共振的产生;第四,可以适当的增加 叶片的厚度与叶片上冠与下环的焊接弧度,并尽可能的避免应力的集中,同时, 还应有效的避免共振区的出现,以此来避免叶片裂缝情况的发生。 2.3有效的控制水轮机的制造质量 在完成转轮组装后还应根据相关要求完成焊接工作,焊接工作结束后应对焊

论混流式水轮机各部件功能及其安装程序和要求

论混流式水轮机各部件功能及其安装程序和要求 导叶:由导叶体和导叶轴两部分组成。为减轻导叶重量,常做成中空导叶。导叶的断面形状为翼型。导叶轴颈通常比连接处的导叶体厚度大,在连接处采用均匀圆滑过渡形状,以避免应力集中。 导叶轴承:上、中、下轴套,高水头机组为防止导叶上浮力超过导叶自重,保证导叶上端面间隙,在导叶套筒的法兰上一般设有止推装置(止推压板或止推块)。 导叶传动机构:导叶传动机构由控制环、连杆、导叶臂三部分组成,用于传递接力器操作力矩,使导叶转动,调节水轮机流量。该机构形式有叉头式受力情况较好和耳柄式受力情况相对较差。导水叶外围,座环的蝶形边与蜗壳相连,并被蜗壳包围。导轴承位于顶盖上,控制环口通过推拉环与接力器相连。在座环下发布置有基础环,通过锥形环与尾水管相连。混流式水轮机附属装置还有布置在顶盖上的真空破坏阀、吸力补气阀和放水阀等。 水轮机的导水机构是有导叶、传动机构(转臂、连杆、控制环)、接力器、和推拉杆等组成。 水轮机的底环是由上环、下环、和固定导叶三部分组成,它既是水轮机的通水部件,机组安装时的基准部件,又是机组运行的承重部件。要求具有水力损失小,具有一定的强度和刚度。 混流式水轮机的转轮主要由上冠、叶片、下环、止漏环、泄水锥和减

压装置等组成。 水轮机的转轮包括转体、叶片、泄水锥等。 立轴混流式水轮机引水室采用金属焊接蜗壳,其进口与压力水管相连接,其余各节与座环相连。为了便与检修,在蜗壳上开有专门进人孔(蜗壳人孔门),其底部并有排水孔和阀门,以便排出蜗壳积水。 座环位于蜗壳里,布置导水机构,它是水轮机的承重部分,又是过流部件在安装时它还是一个主要基准件,因此它要符合水力,强度和刚强等诸方面的要求。 基础环埋在混凝土内,是转轮室的组成部分,早机组安装和检修拆卸转轮时,用来支撑水轮机转轮。混流式转轮上叶片(24),呈空间扭曲状,断面为流线型,是直接将谁能转换为机械能的最主要部件。止漏装置 止漏装置的作用是用来减小转动部分与固定部分之间的漏水损失。止漏装置分为固定部分和转动部分,为防止水流向上和向下漏出,水轮机上一般装有上、下两道止漏环。上止漏环固定部分装在顶盖上,其转动部分装在上冠上,下止漏环的固定部分一般装在底环上,转动部分装在转轮的下环上。目前广泛采用的止漏环结构型式有间隙式,迷宫式,梳齿式和阶梯式四种,止漏环又称迷宫环,作用是阻止水流从转轮上、下间隙处漏出,分转动和固定部分。 水轮机导轴承的作用:一是承受机组在各种工况下运行时由主轴传来

混流与轴流水轮机转轮流道几何参数

转轮体通常用ZG30或ZG20MnSi 材料 轴流式水轮机转轮流道几何参数 一、设计工况和最优工况的关系: n n f 1111)4.12.1(~= Q Q f 1111)6.135.1(~= 式中-n f 11、Q f 11为设计工况的单位转速、单位流量; n 11、Q 11 为最优工况的单位转速、单位流量; (适当选取较大的单位转速、单位流量作设计工况参数) 二、叶栅稠密度t L (如下图所示)—比转速查算术平均值 栅距t :Z R t 1 2π=→R-圆柱层面半径 z 1-转轮叶片数 翼型弦长L :翼形后端点和翼形中线与前端交点的连线的长度 叶栅稠密度t L →是翼型弦长与栅距的比值: a.轮毂处的叶栅稠密度:)()()2.11.1(t L t L av B ~= (此时计算栅距t中的R 为轮毂半径) b.轮缘处的叶栅稠密度:)( )()95.085.0(A t L t L av ~= (此时计算栅距t中的R 为转轮半径) _式中)(t L av 为叶栅稠密度的算术平均值(在下图取值)

三、转轮叶片数-算术平均值算叶片数 确定Z 1的原则是:不使叶片太长,且平面包角θ不太于90°;所谓平面包角- 指叶片位于水平位置时,叶片进出水边所对应的中心角 当叶片栅稠密度确定后,Z 1按下式计算取整: )()(1360t L Z av θ= 当θ=70°~90°时,Z 1与)()( L av 关系见下表: 四、转轮体 转轮体有环形与圆柱形两种外观形式: 球形转轮体(用于ZZ 式水机)时:转轮叶片内表面与转轮体之间的间隙较小,不同转角时间隙可保持不变。 圆柱形转轮体时:一般按最大转角确定转轮叶片与转轮体之间的间隙 附:相同直径下,采用球形转轮体的水机效率高于圆柱形转轮体水机

轴流式水轮机转轮算例

题目: ZZ440水轮机转轮的水力设计 方法: 奇点分布法 取D1=1000mm ,取6个断面R1~R6依次为 水力设计内容: (1) 确定计算工况 (2) 确定各断面叶栅稠密度l /t (3) 选定进出口轴面速度Cz 沿半径的分布规律,确定各断面的Cz1、Cz2 (4) 选定进出口环量Γ沿半径的分布规律,确定各断面的Γ1、Γ2 (5) 计算各断面进出口速度三角形,求W ∞、β∞ (6) 第一次近似计算及绘图 (7) 第二次近似计算 ZZ440—100转轮水力设计 一.确定计算工况 由模型综合特性曲线得到n 110=115(r/min ),Q110=820(l/s ),η=91%, a om =18mm zz440属于ns=325~875范围,为了使设计的转轮能在预期的最优工况下效率最高,计算工况与最优工况的关系按下式确定: n 11=(1.2~1.4)n 110 =138~161(r/min ) n=5.841~3.721/)4.1~2.1(/1110111==D H n D H n (r/min ) 故选定n=750(r/min ) 则实际n11= 49.1431 =H nD Q11=(1.35~1.6)Q110=1.4 Q110=1148<1650(l/s ) ===H D 110Q 4.1H D 11Q Q 22 6.0s m /3 mm a D D a m m 13.391846 .010110=?== 二.确定各断面叶栅稠密度l /t 据P 213页s pj n t l ~)(关系,当ns=440时,得3.1≈pj t l )( 综合考虑一下关系: pj pj n t l t l t l )()()()95.0~85.0(K 1== pj pj b t l t l t l )()()()2.1~1.1(K 2== n n b t l t l t l )()()()25.1~2.1(K 3== 分别选取K1=0.95,K2=1.15,K3=1.21得各断面叶栅稠密度l/t 如下表:

水轮机转轮叶片数控加工初探

水轮机转轮叶片数控加工初探 近些年来,随着我国科学技术的不断进步,社会经济的持续发展,我国在机械加工等方面的技术水平也有了质的飞跃。而在对水轮机加工工艺方面,通过对技术的不断研究与探索,目前也有了新的进展。文章通过对中小型水轮机转轮叶片的三维集合造型、曲面拟合以及数控加工工艺方法进行了较为详细的分析与描述,并提出了相应的加工与保障方法,希望能够为相关从业人员提供参考。 标签:水轮机转轮叶片;几何造型;数控加工;探讨 1 概述 在水轮机中重要的一个部件就是水轮机转轮叶片,它是不可忽略的一部分,它在加工制造上相对比困难大,这是由于其翼型是比较复杂的空间曲面组合而成的。这就给其加工上带来了一定挑战。在以往的加工工作中,通常使用铸件人工对照样板来进行铲磨,虽然这样的方式较为传统,具有很多优点但其缺憾之处也是不可忽视的。比如,这种传统的加工方法耗费的劳动力较大,所需劳动强度过高,并且其工作环境无法得到保障,导致效率低下。这也给产品的质量带来了一定风险,无法得到保障。叶片的质量有着十分重要的影响,其关系到整个机组振动,空蚀,水利效率等等。其中手工铲磨是数控加工中首先要解决的问题,从这方面进行提高能够将产品质量有效提高。 2 叶片的几何造型 引进美国公司的PersonalDesigner Revision 6.0和Personai Machinist Revision5.0是一个图形自动编程系统,具有良好的用户开发界面,它能用nurbs (非均匀有理B样条)方法,提供精确单一的几何模型,以及统一的曲面与实体的数据结构。可以利用nurbs方法来表示二次曲线、曲面,并且利用这种方法进行的描述可以调节参数,运用起来非常的灵活方便,对控制曲线曲面的形状非常有用。 3 叶片的装夹与定位 3.1 叶片装夹的工装 叶片的定位与装夹是数控加工中的重要环节,在具体的加工工作中还需注意几个坐标系的位置,要保证机床坐标系、工件坐标系以及编程坐标系的重合度。当三者重合后,对于叶片的加工才能更加精准,否则想要加工出全部叶片则会有些困难。可利用成型胎具和点定位装夹方法并根据叶片与胎具的对应面,可编制出胎具上曲面的加工程序以及叶片曲面的加工程序,在同一坐标系下完成。为了能够更好地确保在装夹后叶片在坐标系的统一,可按照胎具曲面加工程序加工好胎具,并设置好机床的对刀位。毛坯在成型面上比较容易产生过定位,而对于这个情况的改进则需要先对胎具进行一定的修改,并确定方法。可利用局部型面点

ZZ560轴流式水轮机结构设计_毕业设计设计说明书

2013届热能与动力工程专业毕业设计(论文) 毕业设计(论文) 题目ZZ560轴流式水轮机 结构设计 专业热能与动力工程 1

摘要 葛洲坝电站是我国代表性的低水头大流量、径流式水电站,兼具发电、改善航道等综合效益。本次设计主要是通过查阅相关设计手册,对葛洲坝电站型号为ZZ560-LH-1130的轴流转桨式水轮机结构进行设计,主要内容包括水轮机总体结构设计、导水机构及其传动系统设计,水轮机部分零部件,例如主轴,导叶等零件的设计。 通过使用CAD绘图,本次设计过程更加便捷,设计成果更加精确。关键词:葛洲坝水电站,轴流式水轮机,转轮设计,结构设计, ABSTRACT

2013届热能与动力工程专业毕业设计(论文) Gezhouba Dam power plant is China's representative low head and largeDischarge,runoff hydropower stations,power generation,wita comprehensive benefits improve navigation etc.This design is mainly through access to relevant design manual,design of the Kaplan turbine structure of Gezhouba Dam power plant model for ZZ560-LH-1130,The main contents include design of water mechanism and its transmission system overall structure design of hydraulic turbine,guide,some parts of hydraulic turbine,such as the spindle,the design of guide vane and other parts. Using the CAD,the process of design is more convenient and the result is more accurate. KEY WORDS:GeZhouBa hydropower station,Kaplan turbine, station,runner,Structural design. 3

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 发表时间:2019-10-18T16:27:10.287Z 来源:《知识-力量》2019年11月46期作者:董哲[导读] 近些年,在我国快速发展的背景下,人们的生活水平不断提高,人们对水电厂各项设备安全性的重视度越来越高。转轮是水电厂混流式水轮机的核心部件,其运行的安全性对水电厂的生产运营有着重要的影响。在水电厂混流式水轮机的实际运行过程中,转轮经常会出现一些问题,例如裂纹、泥沙磨损以及气蚀等,这些都给水电厂的生产造成了很大的隐患。本文主要先对水电厂混流式水轮机转轮常见的 破坏问题及产生原因进行分析,进而探讨相应的维修 (华北水利水电大学,河南省郑州市 450045) 摘要:近些年,在我国快速发展的背景下,人们的生活水平不断提高,人们对水电厂各项设备安全性的重视度越来越高。转轮是水电厂混流式水轮机的核心部件,其运行的安全性对水电厂的生产运营有着重要的影响。在水电厂混流式水轮机的实际运行过程中,转轮经常会出现一些问题,例如裂纹、泥沙磨损以及气蚀等,这些都给水电厂的生产造成了很大的隐患。本文主要先对水电厂混流式水轮机转轮常见的破坏问题及产生原因进行分析,进而探讨相应的维修措施。 关键词:混流式水轮机;裂纹原因;维修措施 引言 随着我国经济的不断发展,资源消耗的速度也在不断的加快,水电站的发展越来越普及,成为了社会主义建设中不可或缺的重要组成。转轮是抽水蓄能电站混流式水轮机中的核心部件,在实际的运行过程中,由于机组发电和抽水工况频繁正转和反转,运行工况复杂,混流式水轮机转轮作为混流式水轮机重要受力结构部件,该区域在机组运行中容易发生裂纹,近些年混流式水轮机转轮出现多起裂纹问题,使机组被迫停役。转轮裂纹的出现,不仅为机组的安全稳定运行带来了极大的威胁,为抽蓄电站的正常经营带来了经济损失和社会损失,所以要想确保水电站安全稳定运行,必须通过无损检测技术对混流式水轮机转轮定期探伤,及时发现并有效处理转轮裂纹问题。采取有效的预防控制措施,确保机组运行安全性和稳定性。 1混流式水轮机之转轮概述 转轮是各种类型水轮机正常运行不可缺少的核心部件,其主要功能就是将水能转换为机械能。而且转轮也在一定程度上直接决定着水轮机的过流能力强弱、水力效率高低、运转工况的稳定与否以及汽蚀性能是否良好的关键因素。在实际操作中,转轮的各个部分设计和制造必须要充分满足水力设计的型线要求,必须要具有高强度且具备较强的抗汽蚀的能力以及耐磨损的性能。根据水轮机转轮所转换水流能量的形式不同,可以将水轮机分为反击式和冲击式水轮机两大类。将水流的位能、压能和动能转换成固体机械能的水轮机称为反击式水轮机。根据转轮区域水流运动方向的特征,反击式水轮机又可分为轴流式水轮机、混流式水轮机、斜流式水轮机以及贯流式水轮机。其中混流式水轮机由于水头型号和流量大小的不同,其配备的转轮形状也存在区别。一般而言,水头越高的话转轮的叶片高度就要适当减小且长度要相应增加,水流的流动在转轮中越加趋于幅向流动。随着水头高度的降低,转轮的叶片长度要相应变短且高度要逐渐增加,如此水流流动的方向就越来越趋于轴流方向。然而,不论是什么形状的转轮一般都是由转轮上冠、转轮下环、转轮叶片、上下止漏装置以及泄水锥和减压装置组成。 2水电厂混流式水轮机转轮常见的破坏问题及产生原因分析 2.1裂纹 裂纹是水电厂混流式水轮机转轮常见的破坏现象。调查发现,混流式水轮机在运行一定的时间之后,其转轮都或多或少地会出现一些程度不一的裂纹,其中最容易出现裂纹的地方是转轮叶片与轮毂之间的过渡区,其次还有焊接缝和母材交接的部位、焊接根部受力最为集中的部位等。裂纹的产生不仅会给混流式水轮机的运行带来巨大的隐患,而且还会给水电厂造成严重的损失。裂纹破坏的出现主要有以下几方面的原因。 2.2铸造焊接不足 在转轮的实际运行过程中,当对设备施加一定的外部力量时,砂眼、铸造气孔等的存在会使得转轮产生裂纹。另外,转轮叶片在受冷产生缩孔时会出现松动的情况,这种情况与转轮的上冠及下环的厚度有着重要的关联。在铸造混流式水轮机的转轮时,如果焊接人员没有严格按照焊接工艺的要求进行焊接,或是没有正确应用焊接工艺,都会使得混流式水轮机转轮在焊接缝间或是受热影响区产生裂纹。 3水电厂混流式水轮机转轮裂纹的维修措施 3.1裂纹控制措施 3.1.1制定有效的修复焊接工艺,并对焊接工艺进行评定。在叶片焊接修复过程中严格按照工艺技术要求进行; 3.1.2裂纹修复过程中,严格把控确保裂纹彻底清除,裂纹清除后进行PT或MT检测确认;裂纹清除时碳刨表面必须用 风动砂轮机或椭圆型磨头将气刨表面打磨出金属光泽,以消除表面渗碳层; 3.1.3为了减少焊接后的变形和残余应力,尽量选择低应力的焊材,焊条直径尽量选择小直径焊条;待修复区域及附近应进行焊前预热,预热温度100℃以上;焊接时采用多层多道焊,焊接层间温度控制在100~150℃之间,尽量控制焊接变形量到最小,同时应采用不锈钢风铲锤击的方法消除焊接应力;焊接完成后立刻用石棉布保温补焊区,缓慢冷却,避免冷却速度过快,产生冷裂纹; 3.1.4尽量减少氢的来源和消除气体的来源。选用低氢或碱性焊条,将待焊区域坡口及其附近油污、水等有害杂质清除干净;焊条进行烘干、去水、干燥处理,以便彻底除去水分;考虑在转轮基坑内的湿度较低时施焊;尽量选用低强匹配的焊材,这样可降低焊接接头的拘束应力,降低冷裂纹的形成几率。 3.2焊接修复 3.2.1焊前预热 在焊接前,应对需要焊接区域的相关范围(一般为150mm)内的母材进预热,不可使预热区域骤然升温,应以均匀的方式,直至其温度达到110℃。当温度达到标准温度时,则焊前预热完成,接下来便可开始进行焊接修复工作。但要注意的是,在焊接过程中应使得母材的温度保持在标准温度的水平;在焊接修复完成后,还须做好保温措施(2h以上)。

轴流式水轮机结构

第二节 轴流式水轮机的结构 一、概述 轴流式水轮机与混流式水轮一样属于反击式水轮机,由于水流进入转轮和离开转轮均是轴向的,故称为轴流式水轮机。轴流式水轮机又分为轴流定桨式和轴流转桨式两种。轴流式水轮机用于开发较低水头,较大流量的水利资源。它的比转速大于混流式水轮机,属于高比转速水轮机。在低水头条件下,轴流式水轮机与混流式水轮机相比较具有较明显的优点,当它们使用水头和出力相同时,轴流式水轮机由于过流能力大(图2-15),可以采用较小的转轮直径和较高的转速,从而缩小了机组尺寸,降低了投资。当两者具有相同的直径并使用在同一水头时,轴流式水轮机能发出更多的效率。 特别是轴流转桨式水轮机,由于转轮叶片和导叶随着工况的变化形成最优的协联关系,提高了水轮机的平均效率,扩大了运行范围,获得了稳定的运行特性,更是值得广泛使用的一种机型。 图2-15 轴流式水轮机 1— 1— 1— 转轮接力器活塞;2—转轮体;3—转臂;4—叶片;5—叶片枢轴;6—转 轮室 图2-16所示是轴流转桨式水轮机的结构图。它的工作过程和混流式水轮机基本相同。水流经压力水管、蜗壳、座环、导叶、转轮、尾水管到下游。与混流式水轮机所不同的是负荷变化时,它不但调节导叶转动,同时还调节转轮叶片,使其与导叶转动保持某种协联关系,以保持水轮机在高效区运行。 轴流式水轮机转轮位于转轮室内,轴流式水轮机转轮主要由转轮体、叶片、泄水锥等部件组成。轴流转桨式水轮机转轮还有一套叶片操作机构和密封装置。 转轮体上部与主轴连接,下部连接泄水锥,在转轮体的四周放置悬臂式叶片。在转桨式水轮机的转轮体内部装有叶片转动机构,在叶片与转轮体之间安装着转轮密封装置,用来止油和止水。 轴流式水轮机广泛应用于平原河流上的低水头电站,应用水头范围为3~55m ,目前最大应用水头不超过70m 。限制轴流式水轮机最大应用水头的原因是空化和强度两方面的条件。由于轴流式水轮机的过流能力大。单位流量11Q 和单位转速11n 都比较大,转轮中水流的相对流速比相同直径的混流式转轮中的高,所以它具有较大的空化系数 。在相同水头下,轴流式水轮机转轮由于叶片数少,叶片单位面积上所承受的压差较混流式的大,叶片正背面的平均压差较混流式的大,所以它的空化性能较混流式的差。因此,在同样水头条件下,轴流式水轮机比混流式水轮机具有更小的吸出高度和更深的开挖量。随着应用水头的增加,将会使电站的投资大量增加,从而限制了轴流式水轮机的最大应用水头。另一方面是由于轴流式水轮机叶片数较少,叶片呈悬臂形式,所以强度条件较差。当使用水头增高时,为了保

红石电站水轮机转轮叶片裂纹的分析及处理正式版

Through the reasonable organization of the production process, effective use of production resources to carry out production activities, to achieve the desired goal. 红石电站水轮机转轮叶片裂纹的分析及处理正式版

红石电站水轮机转轮叶片裂纹的分析 及处理正式版 下载提示:此安全管理资料适用于生产计划、生产组织以及生产控制环境中,通过合理组织生产过程,有效利用生产资源,经济合理地进行生产活动,以达到预期的生产目标和实现管理工作结果的把控。文档可以直接使用,也可根据实际需要修订后使用。 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1700MW,其中白山右岸电站900MW (3×300MW),白山左岸电站600MW (2×300MW),红石电站200MW(4×50MW)。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256m;最低水头228m;额定转速

1071r/min;额定功率5155MW;设计水头233m;设计流量251m3/s;飞逸转速240r/min;吸出高度-4m;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04MPa;叶片法兰直径1100mm;叶片法兰端面中心距800mm;叶片法兰把合螺钉分布圆直径d=850mm。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

水轮机转轮裂纹及其处理策略研究

水轮机转轮裂纹及其处理策略研究 发表时间:2018-05-08T16:32:29.460Z 来源:《电力设备》2017年第34期作者:李长宁 [导读] 摘要:以卧龙台水电站一、二号机组在2017年度例行检修时发现的转轮裂纹问题为例,分析水轮机转轮出现裂纹的机理和本次问题的具体原因,介绍本次转轮裂纹问题的处理策略,并针对此问题提出今后的预防措施,以供同行进行参考和借鉴。 (陕西省水电开发有限责任公司二郎坝发电公司陕西省宁强县 724400) 摘要:以卧龙台水电站一、二号机组在2017年度例行检修时发现的转轮裂纹问题为例,分析水轮机转轮出现裂纹的机理和本次问题的具体原因,介绍本次转轮裂纹问题的处理策略,并针对此问题提出今后的预防措施,以供同行进行参考和借鉴。 关键词:水轮机;转轮裂纹;处理 1水电站概况 卧龙台水电站位于陕西省宁强县高寨子镇,距县城15km,水电站为无压引水式电站,设计水头240米,额定流量为2.4m3/s,电站安装两台卧式混流水轮发电机组装机容量2×5MW,水轮机型号为HLHF152-WJ-70;配套发电机为SFW2-J5000-4/1480,,额定功率为 5181kW,额定转速为1500r/min,飞逸转速为2262r/min。 2水轮机转轮裂纹机理分析 转轮裂纹根据其裂纹的部位、走向和特征可以分为规律性裂纹和非规律性裂纹两种,前者就是指出现在不同叶片上的裂纹具有大体一致的规律,即所有的叶片都出现开裂,且裂纹的部位、走向和裂纹特征基本相同;而后者则是只发生在个别的叶片上,或者在不同叶片上的部位、走向和特征各不相同,没有任何规律可言。其具体的产生原因分析如下。 2.1规律性裂纹机理 对于规律性裂纹来说,经过对大量规律性裂纹的失效性试验和分析可以总结出,此类裂纹大多属于疲劳裂纹,且裂纹特征呈现出明显的贝壳纹,在转轮叶片上引起疲劳裂纹的主要原因就是作用在叶片上的交变载荷引起的,转轮运行过程中由于卡门涡列、水力弹性振动或水压力脉动等原因可以诱发转轮的水力自激振动,此自激振动可以导致交变载荷并引发规律性裂纹的产生,而在实际运行过程中,规律性裂纹多数是由错误的工艺引起的。转轮在水压力和离心力的共同作用下,大应力区主要分布在转轮叶片周边,通过第三强度理论可以计算出应力沿叶片周边的分布情况,通过分析得出转轮叶片存在4个较高的应力区:叶片进水边正面靠近上冠处,叶片出水边正面的中部,叶片出水边背面靠近上冠处以及叶片与下环连接区内,转轮叶片这些部位易产生裂纹。 2.2非规律性裂纹机理 对于非规律性裂纹来说,其裂纹种类有很多中,主要有网状龟裂纹、脆性段楼裂纹以及疲劳贝壳纹等,此类裂纹主要是由于材料质量问题或叶片在生产制造过程中产生的质量缺陷而造成的。其主要的裂纹是在转轮的铸造过程中产生的气孔或砂眼等缺陷在外部应力的作用下形成的,而如果转轮叶片与上冠、下环的厚度具有较大的差距,在冷却的过程中就会导致缩孔或疏松问题的产生,而对于采用铸焊结构的转轮,在对其进行铸焊的过程中如果采用不正确或不规范的焊接工艺,在转轮的运行过程中就容易在焊缝或受热影响较为严重的区域产生裂纹[1]。 3转轮裂纹的产生原因 3.1水轮机转轮裂纹情况 卧龙台水电站一号机组自2014年5月增效扩容投入运行以来,每年会有定期进行检查,2016年对水轮机转轮进行检查时未发现有撕裂迹象,2017年11月份的C级检修中发现了如下问题:一号水轮机转轮出水边靠下冠侧的一个叶片出现断裂情况,断裂面积约100mm2,且尾水管水舌隔板有裂纹,发电机侧径向推力轴承处有少量的乌金掉落;2号水轮机转轮出水边靠下冠侧有4个叶片根部有裂纹,靠下环及出水边侧有4个叶片有裂纹(裂纹长度约100mm)且尾水隔板也存在裂纹。 3.2卧龙台水电站转轮裂纹诊断 卧龙台水电站水轮机所用转轮为HLHF152属新型高效转轮,高效转轮的稳定性对运行工况及条件反映灵敏(目前电站的运行工况找不到更合适的转轮),机组出现的异物卡壳现象,对高速运转的(1500r/min)转轮产生水力不平衡(电站运行人员也反映,卡壳时存在瞬时振动加大及出力下降现象,这也间接验证了振动产生轴瓦损坏),从而产生机组的间断性振动。同时异物的卡壳与撞击,易对转轮流道部件产生微小损伤,从而导致微观裂纹诱因,若裂纹诱因发生在属动、静应力均较高的出水边时,则运行时间一长发生疲劳裂纹及断裂。 4裂纹处理与预防措施 4.1水轮机转轮裂纹的处理措施 首先采用磁粉探伤、渗透探伤、超声波探伤、金属磁记忆、射线检测等无损检测方法对转轮进行检查;然后对裂纹进行处理和修复,通常采用小电流、窄焊道“镶边、分段、退步”焊接方式进行焊接,焊缝保暖、缓冷后,用砂轮机打磨光滑并符合裂纹所在部位的型线,再进行观察及探伤检查,确实无裂纹和灰渣为止;为了组织裂纹延伸,需在裂纹两端打止裂孔,孔径应不小于6 mm,裂纹清理过程中如发现纹路有新的发展趋势应停止清理,再追加止裂孔,一般孔深应比裂纹深度大 4 ~ 6 mm;裂纹的清理通常采用风铲和碳弧气刨的方法,且后者速度快、操作简便,应由止裂孔处向裂纹反方向清除裂纹,直到去除裂纹为止。为了防止过热引起变形和裂纹扩展,碳弧气刨必须间断使用。同时开出补焊的坡口,坡口的形式主要根据裂纹情况、部位和铲除及施焊方便而定。裂纹清除后应进行着色探伤以确认裂纹是否全部清除干净。 叶片补焊可常用两种方法,一是同种材料热焊;另一种是奥氏体焊条进行冷焊。局部热处理对改善焊缝应力分布、降低焊接应力峰值有一定作用,但对焊接接头整体残余应力水平降低并不明显。后者这种方法是在对转轮裂纹处理过程中,不进行真正意义上的热处理,是在整个修复处理过程中,进行适当的温度控制。补焊时产生的残余拉应力有时高达材料本身的屈服应力,可使抗疲劳强度降低80%左右。消除这种残余拉应力的办法是采用应力应变补偿法,最好是能产生残余压应力,比如通过锤击方法来实现,这样可使焊接接头抗疲劳强度提高1~2倍。 4.2水轮机转轮裂纹预防措施 在水轮机转轮的设计过程中,应在保证水轮机效率的同时尽量减少压力脉动出现的概率,而且在满足生产所需的静强度和水轮机刚度的要求下尽量避免共振问题的产生,所以在设计时为了防止出现应力集中问题,可以对叶片的厚度和叶片与上冠、下环焊缝圆弧过渡半径

水轮机试题1

1.要提高反击式水轮机的效率主要应要提高 A) 容积效率 B) 机械效率 C) 水力效率 D) 输入功率 参考答案: C 2.混流失水轮机转轮直径是指( ) A) 与叶片轴线相交处的转轮室内径 B) 与射流中心线相切处的节圆直径 C) 转轮叶片进水边的最大直径 参考答案: C 3.冲击式水轮机是靠()做功的。 A) 水流的势能 B) 水流的动能与势能 C) 水流的动能 D) 水流的热能 参考答案: C 4.翼形空化和空蚀是反击式水轮机的主要空化和空蚀形态: A) 对 B) 错 参考答案: A 5.下列止漏环一般应用在多泥沙的电站是:() A) 间隙式 B) 迷宫式 C) 梳齿式

D) 阶梯式 参考答案: A 6.空蚀对金属材料表面的侵蚀破坏,起主要作用的是 A) 电化作用 B) 机械作用 C) 化学作用 参考答案: B 7.那种水轮机适应水头范围在20~700m A) 轴流式 B) 混流式 C) 水斗式 D) 斜流式 参考答案: B 8.轴流式水轮机转轮直径是指其转轮叶片进水边的最大直径: A) 对 B) 错 参考答案: A 9.下列不属于反击式水轮机的是?: A) 混流式水轮机 B) 轴流式水轮机 C) 贯流式水轮机 D) 斜击式水轮机 参考答案: D 10.转轮是水轮机将水流能量转换为机械能的工作部件: A) 对

B) 错 参考答案: A 11.要保证几何相似,原型与模型水轮机转化形状必须相同,表面糙度和其他部件也相同: A) 对 B) 错 参考答案: B 12.轴流式水轮机的析出高度是指() A) 下游水面至导水机构的下环平面的距离 B) 下游水面至转轮叶片旋转中心线的距离 C) 下游水面至转轮叶片旋转轴线与转轮室内表面的距离 D) 下游水面至转轮叶片最高点的距离 参考答案: B 13.翼型的空化和空蚀主要发生在什么地方() A) 叶片背面压力最低处 B) 叶片背面压力最低处的前端 C) 叶片背面压力最低处是后端 D) 叶片正面压力最低处 参考答案: C 14.水轮机的总效率包括: A) 水力效率 B) 容积效率 C) 机械效率 D) 摩擦效率 参考答案: ABC

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