混流式水轮机转轮叶片失效的研究背景现状及意义
混流式水轮机转轮叶片失效的研究背景现状及意义
丁 宁
(江苏联合职业技术学院淮安生物工程分院,江苏 淮安 223200)
摘要：随着国家对水力资源的梯级开发，水轮发电机组的发电量也呈几何增长的趋势。在我国的各类发电总量中，所占的比例越来越高。因此，水轮发电机组的运行稳定性，关系到水电站的发电效率和经济效益。混流式水轮机转轮在正常运行时，会因为水利因素导致转轮叶片发生疲劳断裂或者出现裂纹，导致的结果是检修十分困难，且维护周期较长，过程繁琐。因此，水轮机转轮叶片的失效对发电机组的运行具有非常深远的影响。
关键词：混流式水轮机 转轮叶片 失效
一、研究的背景
作为水力发电的动力源，水能是一种清洁的、可再生资源。我国的水能资源非常丰富，蕴藏量居世界第一，约为6.7×105MW。其中，技术可开发资源约为1.9×1013kW·h，经济可开发资源约为1.3×1013kW·h。全球主要国家水能资源可开发情况，如图1所示。2008年至今，我国的水电开发力度逐渐加强，发电量呈显著增长趋势，如图2所示。未来5年我国的能源战略发展规划中，水电装机容量将进一步提高，至2020年，拟将装机规模提高至30×105MW，约占全国各类发电总量（风电、火电、核电）的26%左右。由此可见，发展水电工程，在快速推进国民经济发展的同时，还能够减少因火力发电所造成的大气污染问题，切实保护环境。
图1全球水能资源可开发情况
在水力发电的能量转换过程中，水轮机是完成该环节的核心设备。由此可见，机组的运行稳定性，是决定水电站经济效益的关键。常用的水轮机类型，包括混流式、贯流式、斜流式以及轴流式四大类。其中，混流式水轮机的应用最为广泛。据文献的统计结果显示，目前我国的大中型水电站合计134个，水轮机的总数为479台，采用混流式机组的电站数目为92个，总数为318台。该数据表明，我国水能资源分布的特点，比较适合混流式水轮机的开发。而决定混流式水轮机性能的关键部件，就是转轮。
图2 中国水电年发电量
研究表明，混流式水轮机在运行中出现的问题，大多是由转轮的水力特性所引起。因此，研究混流式水轮机转轮的运行稳定性问题，对于延长机组的使用寿命、减少机组的故障发生率、提高电站的经济效益，有着举足轻重的意义。
二、国内外研究现状
针对如何减轻转轮裂纹产生的程度问题，国内外均做了不少的研究。以目前而言，大多数都会在流固耦合的假设前提下进行研究分析。流固耦合原理，是指转轮在水流的作用下运行时，叶片结构发生振动或是弹性变形等情况，对水流产生一个反作用，从而影响水流的流态，以致出现水流和叶片结构相互作用、相互影响的复杂状态。在数值计算中，考虑到该因素，能够使得机组的运行条件和实际趋于一致，计算精度更高。
1．国外研究现状
目前，国外对流体机械裂纹的研究方面，主要是从应力数值计算、振动特性分析以及是否考虑流固耦合因素等方面展开。
2010年，英国南安普顿威赛克斯研究中心的R.A. Saeed与 A.N. Galybin等人利用CFD分析技术，计算出了大尺寸转轮叶片在各工况下的应力分布情况，以此判别叶片是否会产生裂纹。2013年，加拿大赫氏能源公司的Chad Van der Woude和Sriram Narasimhan在不考虑风力机叶片的部分质量影响条件下，开发了非线性隔振系统。2014年，马来西亚马拉工业大学Mohammad Azzeim Mat Jusoh, Muhamad Fauzi Othman等开发了小型混流式水轮机应力试验系统，并测试出了模型转轮叶片的应力分布。2015年，美国犹他大学Dan Gerszewski，Ladislav Kavan以及Peter‐Pike Sloan等提出了基于混合分析模型的流固耦合简化算法，在减少数值计算工作量的同时，也达到了相当高的计算精度。
2．国内研究现状
我国关于流体机械裂纹的研究，处于迅速发展的阶段，并取得了不少的成果。2010年，昆明理工大学杨圣辉利用滑移网格技术，分别完成了水轮机在静止和额定工况下的非定常流固耦合计算。2013年，中国农业大学副教授肖若福、朱文若利用FCBI-C算法，模拟出了双向流固耦合的转轮振动特性。同年，哈尔滨大电机研究所高级工程师庞立军、吕桂萍等在基于叶栅干扰激振的假设前提下，计算出了高水头机组的振动特性，并针对性地提出了减轻转轮裂纹的措施。2014年，浙江大学方兵教授在转轮流固耦合数值计算的研究中，分别对单向和双向流固耦合算法进行结果精度比较，得出了偏差较小的计算方法。同年，水力发电设备国家重点实验室李永恒分析了离心力载荷影响下，转轮的疲劳强度性能。2015年，河海大学阚阚、郑源以及赵连辉等人在考虑SST k-w近壁区域模型条件下，应用顺序耦合法分析出了转轮叶片容易发生裂纹的区域和机组运行条件。同年，电子科技大学王旭、胡洪等人采用模态分析法，在振动性能分析中，计算出了偏差率较小的机组固有频率。华中科技大学孙琦、孙建平等人通过数值计算和试验手段，计算出了转轮叶片正背面的压力分布情况并获得了裂纹易发区的范围。
从目前的国内外研究现状来看，在转轮振动性能分析上，从网格的划分、边界条件的设定以及计算方法的选择等方面，均取得了较大的进展，仿真结果也都基本满足要求。然而不足之处在于，大多数的研究，是将转轮作为单一的对象来进行，其余过流部件（如蜗壳、导水机构等）对它的影响，并未考虑在内，如此一来，条件设置中，便无法与实际情况精确匹配，一定程度上来说会影响到最终的计算精度。
三、研究意义
通过对国内各电站的调研，许多混流式机组在检修时，发现最常出现的失效形式是转轮叶片裂纹，如图3所示，且大部分的裂纹表现出一定的规律性，即裂纹主要出现在转轮叶片的出水边附近区域，原因在于叶片在旋转运动中，作用在上面的应力是交变的。这些交变应力的来源主要是叶片自身的振动、卡门漩涡以及流道内的压力脉动。当设计不合理时（如翼型进水边较为厚大时）、或是转轮运行在自振频率与卡门漩涡频率附近的工况下等，都会产生裂纹。如此一来，转轮叶片的型线会发生变化，导致转轮的内部流态恶化，继而导致叶片的抗汽蚀性降低、疲劳损坏程度加剧，影响机组的发电效率。基于转轮叶片产生裂纹的原因，研究转轮叶片的振动特性，针对叶片在各种条件下的振动频率进行计算。可以计算出叶片在不同介质中的各阶模态，由此便能够判断出机组在何种频率下进行工作可以有效避免发生共振现象，从而预防叶片发生疲劳断裂，保证机组安全稳定运行。
图3 叶片裂纹
因此，对水轮机组进行转轮叶片失效分析研究，可以减少机组的故障发生率、提高发电效率和运行寿命，具有良好的工程实用价值。
参考文献：
[1] 张维. 对水轮机的研究报告[M].成都:西南交大出版社，2009．
[2] 庞立军，吕桂萍，刘晶石，等. 高水头水泵水轮机转轮的抗振防裂纹设计[J].机械工程学报，2013，49（4）：140-147.
[3] 曹云忠，郑少华，杨川.水轮机转轮叶片断裂原因分析[J].水力发电学报,2013，6(32)：278-282.
[4] 阚阚，郑源，赵连辉. 基于流固耦合的混流式水轮机转轮强度分析[J].水电站机电技术，2015，38（2）：9-11.
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