1機組參數(shù)
　　白山發(fā)電廠位于吉林省樺甸市境內,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)中擔負調峰、調頻和事故備用。該廠總裝機容量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)電機組為立軸半傘式,水輪機轉輪葉片材質是ＺＧｏＣｒ13Ｎｉ4Ｍｏ,型號為ＺＤ190-ＬＨ-600。其參數(shù)為:最高水頭256ｍ;最低水頭228ｍ;額定轉速1071ｒ/ｍｉｎ;額定功率5155ＭＷ;設計水頭233ｍ;設計流量251ｍ3/ｓ;飛逸轉速240ｒ/ｍｉｎ;吸出高度-4ｍ;最高效率91%;葉片安放角8°;葉片數(shù)5;水輪機轉速上升率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號機組在擴大性大修中,檢查發(fā)現(xiàn)轉輪5個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輪裂紋進行檢查,發(fā)現(xiàn)葉片裂紋情況較為嚴重,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.裂紋產生的原因分析定槳葉片與轉槳葉片運行工況比較,定槳葉片在非最優(yōu)工況下運行的情況多,這樣會導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。當水壓脈動頻率和機組轉頻接近或相同時則出現(xiàn)共振,會加速葉片裂紋的產生。動水壓力過大時相對降低了葉片的剛度,也會產生縱向裂紋。由于軸流式水輪機轉輪葉片為懸臂受力,葉片變截面根部若無過渡圓弧或過渡量小易產生應力集中而出現(xiàn)裂紋。通過對3號機葉片的檢查,根部和出水邊產生裂紋的重要原因之一是應力集中。為了校核機組葉片在運行中的強度,電廠與制造廠家協(xié)作,進行了轉輪葉片強度理論計算。通過對紅石軸流定槳式轉輪葉片各工況下的受力大小比較,其中,在額定轉速最大水頭工況下計算出的最大應力σｍａｘ=115ＭＰａ,是出現(xiàn)在葉片正面出水邊一側與根部法蘭連接處。重力、離心力和水壓力3種載荷聯(lián)合作用下葉片的應力分布情況見圖2。3種載荷作用下葉片的變形見圖3。轉輪葉片最大變形出現(xiàn)在葉片出水邊外側,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種載荷同時作用時比水壓力單獨作用的最大應力稍有下降。機組運轉時,葉片的最大應力σｍａｘ=115ＭＰａ,出現(xiàn)應力大的部位易產生裂紋,這與各葉片實際裂紋集中出現(xiàn)的位置相一致。另外,轉輪葉片的材料為ＺＧ0Ｃｒ13Ｎｉ4Ｍｏ不銹鋼,這種材質的屈服極限為σｓ=665ＭＰａ,水中疲勞極限為σ-1=171ＭＰａ。經過計算,轉輪葉片最大應力σｍａｘ=115ＭＰａ雖然遠低于材料的屈服極限,也低于疲勞極限,但這一應力是靜應力,不包括動應力成分。該機組是軸流定槳式,不象軸流轉槳式那樣在協(xié)聯(lián)工況下運行,因此其動應力較大。再加上機組振動較大,葉片實際存在的應力是比較大的。由此可見,由于轉輪葉片基本應力較高和軸流定槳式轉輪葉片運行時的動應力較大,這將會使水輪機轉輪葉片在受懸臂負荷的情況下轉輪葉片根部應力集中,造成轉輪葉片根部與法蘭連接處(包括正面和背面)出現(xiàn)裂紋,轉輪葉片正面出水邊一側也產生裂紋。由于機組長期低負荷、超負荷或在工況不好的振動區(qū)運行,會使葉片在交變應力作用下產生裂縫或加劇裂紋的發(fā)展。紅石電站的定槳式機組投產后機組在空載和低負荷工況振動較大,空載工況嚴重時機組主軸法蘭處擺度嚴重超標,高達4ｍｍ。水輪機工作部位聲響振動較大,經現(xiàn)場試驗測得,水輪機在空載工況水流通過水輪機轉輪流道時,水流中產生了一個擾動頻率596Ｈｚ正好接近機組軸系的一階固有頻率60Ｈｚ,因而出現(xiàn)了合拍現(xiàn)象,產生共振。這些問題的存在促使了轉輪葉片裂紋的產生。通過以上的分析,認為紅石電站3號機組轉輪葉片裂紋產生的原因是:機組運行中的懸臂轉輪葉片根部應力集中,葉片所受的基本應力較高,加之各種載荷的聯(lián)合作用時的動應力較大,葉片所受交變動應力在共振工況下不斷加劇,材料疲勞,致使轉輪葉片產生裂紋。