轴流转桨式水轮机转矩叶片动应力现场试验研究

轴流转桨式水轮机转矩叶片动应力现场试验研究

1发电机投运后的事故迪什林水库位于叙利亚幼发拉河上，总装载量630mw，旱季负荷能力105mw，6台轴流式桨式发电装置。选用ZZ440A-LH-750水轮机,SF105-66/12800型发电机。水轮机主要参数如下:迪什林水电站首台机组自1999年11月并网发电以来,在调试或运行过程中,曾发生过多次抬机事故,机组转动部分上抬高度为25~29mm,造成水轮机工作密封跳出、接头撕开,集电环碳刷和刷架、励磁引线绝缘的破坏等。后来,在检修时发现,6台机组水轮机转轮叶片都出现了不同程度的裂纹,有的已比较严重,直接危及机组的安全运行。其中2号机组最为严重,6个叶片均存在不同程度的裂纹,裂纹位置和形状见图1,裂纹统计见表1。2现场试验研究为了了解机组的运行稳定性状况,分析探讨机组出现抬机现象及转轮叶片产生裂纹的原因,对2号机组开展了现场试验,试验内容包括:转轮叶片固有频率测试、转轮叶片应力测试、机组振动和脉动测试及调速器动态特性测试等。2.1固有频率数据分析转轮叶片固有频率测试方法采用脉冲激励法即锤击法,对激发力和被激发体的响应进行传递函数分析就可以得到被激发体的各阶固有频率。试验的数据分析主要包括两部分:一是传递函数分析,用于确定振动系统的固有频率;二是相干函数分析,用于判断传递函数分析得到的固有频率的可靠程度。试验选择2个叶片(2号和6号)进行了叶片固有频率测试,锤击位置和响应测点(3个加速度传感器和3个位移传感器)的布置,见图2。2.2旋转叶片的电压测试转轮叶片应力测试方法采用电阻应变测量法,通过测量叶片应变值,经计算得到叶片的平均应力和动态应力。2.2.1转轮叶片出现裂纹电阻应变片布置在两个叶片上(2号和6号),每叶片布置8点,共16点。根据迪什林电站转轮叶片出现裂纹的情况,考虑电阻应变片布置在裂纹产生的叶片出水边侧R450扇区处的正、背面上。应变片选用日本KYOWAKFW-5-350防水型应变片,应变片布置见表2(其中SG2、SG3、SG4和SG10、SG11、SG12为45°三向应变花)。2.2.2daq133a应变采集系统转轮叶片应力测试方法采用电阻应变测量法,通过测量叶片应变值,经计算得到叶片的平均应力和动态应力。式中:σ——计算得出的应力值,MPa;测试装置采用美国NICOLETC-DAQ16通道应变采集系统,最高采样速率30kS/s,内置可编程滤波器、桥路、低电压增益等,可进行1/4桥、半桥和全桥的应变测量。应变采集系统采用16Ah蓄电池对其进行供电,利用日本OMRONH3A和H5CX两个计时器控制应变采集系统的供电和数据采集,见图3,其中T1用于延时启动供电电源,T2用于控制信号采集。整个测试装置密封后安装于转轮泄水锥中,见图4。应变片输出信号通过信号线直接与应变信号采集仪连接。测试过程中,采集的数据直接存储于可移动CF存储卡中,试验结束后取出CF存储卡,读取试验采集数据。3旋转叶片裂缝的原因3.1化学成分分析转轮叶片材料为ZG0Cr13Ni6Mo,从叶片裂纹处取下一样块,委托国家钢铁材料测试中心进行了化学成分和金相组织分析,根据其测试报告化学成分合格,见表3。金相组织为马氏体+贝氏体+铁素体+奥氏体。3.2不同激振源的影响从试验结果看,在30~55MW负荷范围内,各测点叶片动应力、尾水管压力脉动的混频幅值和尾水进人门处的噪声相对都比较大,脉动频率主要集中在226~230Hz和292~230Hz两个区域,且分频幅值比较集中。从水轮机压力脉动看,尾水锥管处该频率的分频幅值最大,蜗壳进口和转轮进口也存在该频率的脉动成分,但幅值比尾水锥管要小得多,见图5。因此,可以认为引起振动的振源应该在转轮叶片出水边或尾水管处,如果振源在尾水管,则只能解释为某激振源引发了尾水管水体的共振,但如此高频的水体共振可能性应该非常小。相对来讲,当激振源与转轮叶片的固有频率相等或相近时,引起转轮叶片的共振,从而引起水流的波动,其可能性要高得多。脉动的水流顺流传到尾水锥管处,其实测的幅值较大,而逆流由于衰减原因,其测到的幅值相对较小。3.3织物上叶片区域流道通过聚合反应,叶片局部共振,引起叶片疲劳和疲劳从试验结果看,引起叶片振动的原因可能有以下两方面因素:(1)叶片出水边处的卡门涡频率与叶片的某阶固有频率接近,引起叶片共振。从叶片固有频率测试结果可以看出,传递函数幅值最大的4阶固有频率在空气中测试的结果分别为510.13Hz、321.53Hz、139.16Hz、372.07Hz,其中321.53Hz或372.07Hz估算在水中的频率与共振频率228Hz左右基本吻合。迪什林电站机组在负荷30~50MW时,过流量约200~300m3/s,叶片出水边处平均流速约7~10m/s。当水轮机在此负荷范围运行时,由于流量较小,在离心力的作用下,大部分水流沿叶片外缘区域的叶片流道通过转轮。因此,叶片出水边靠近外缘区域流速要明显高于平均流速,如按1.5~2倍进行估算,则叶片出水边靠近外缘区域流速为15~20m/s,叶片出水边靠近外缘处的厚度d为16mm,则估算的卡门涡频率在200~300Hz,与共振频率基本接近。(2)导叶、叶片过流频率与叶片的某阶固有频率接近,引起叶片共振。由相邻导叶间流速及压力分布不均匀的水流和转轮相互作用,以及相邻叶片间流道中的流速及压力不均匀都可引起水流的脉动。从试验结果看,在蜗壳进口甚至尾水锥管都可以明显地看到导叶过流频率(24×1.515=36.36Hz),在机组不发生共振的情况下,其还是主频。转轮进口(在内顶盖上测量)大部分工况下脉动主频与叶片过流频率有关(6×1.515=9.09Hz),约为7.5Hz,为转频的5倍,其原因是测点处本身以1倍转频在旋转,因此叠加后应该为转频的5倍。根据测试结果分析,对于迪什林电站水轮机因动静干扰所引起的水流脉动还是比较明显的。对于导叶过流频率,一般情况下,在转动部件上(如转轮叶片)可以明显的测到,而在固定部件上测量应该不是很明显。对于迪什林电站水轮机,在蜗壳进口甚至尾水锥管都可以明显地看到存在导叶过流频率的脉动成分,这可能是由于动静干扰引起了叶片振动,从而使水流产生了脉动。导叶过流频率乘上叶片数6,其频率为218.16Hz(6×24×1.515=218.16Hz),与前面分析的叶片固有频率约228Hz比较接近,也有可能引发叶片产生共振。根据以上分析,迪什林电站水轮机在30~55MW负荷范围内,因卡门涡或动静干扰产生的水力激振源,与叶片固有频率相接近,引发叶片局部共振,从而引起叶片产生疲劳裂纹。从测试结果看,实测叶片最大动应力为39.4MPa,似乎其幅值不是非常的高,但由于其交变的频率较高,如长时间在此负荷范围内运行,极易引发疲劳破坏,产生疲劳裂纹。因此认为迪什林电站水轮机叶片裂纹产生的主要原因是:(1)在30~55MW负荷范围内,叶片局部共振引起的高周疲劳。(2)机组长期在40~50MW负荷范围内运行。4结果的应用指标(1)由于轴流转桨式水轮机转轮结构复杂,开展转轮叶片动应力现场测试的难度也相对较大。本文针对Tishrin水电站轴流转桨式水轮机转轮叶片裂纹问题,首次成功开展了大型轴流转桨式水轮机转轮叶片动应力测试,其测试方法和测试结果具有一定的科研和应用价值。(2)迪什林电站水轮机叶片裂纹产生的主要原因是由于在30~55MW负荷范围内,因水力原因引发叶片局部共振,而机组又正好长期在40~50MW负荷范围内运行,引起高周疲劳破坏。额定转速:90.9r/min额定流量:456m3/s额定功率:107MW转轮直径:7.5m最高水头:30