王 佩，陈 明

(1. 湖南五凌电力科技有限公司，湖南 长沙 410004； 2. 凌津滩电厂，湖南 常德 415731)

转轮室是灯泡贯流式机组重要的过流部件，是转轮进行能量转换的重要场所[1]。转轮室裂纹是灯泡贯流式机组的常见缺陷之一，目前已在红花，百龙滩，贡川，株溪口，水口等多个电厂发现类似问题[2-3]。其中，凌津滩电厂的转轮室为上下两瓣式结构，通过水平法兰上下连接，转轮室球形段，过渡段和过渡段各有一道周向环筋。自机组运行以来，多台机组的转轮室都陆续发现裂纹，裂纹位置均为过渡段环筋与水平法兰的连接处的焊缝位置，且经焊接修复后，裂纹仍反复出现，严重影响机组的安全稳定运行，裂纹位置如图1红圈内区域所示。

图1 裂纹位置示意图

1 裂纹原因分析

应力集中是凌津滩电厂转轮室裂纹的主要原因之一，对转轮室进行受力仿真分析发现，转轮室整体受力变形最大位置位于水平法兰球面端与过渡段之间，与裂纹实际发生位置一致，可以断定，裂纹发生的主要原因为机组运行时，水平法兰球面端与过渡段之间位置变形偏大，同时此处刚好为过渡段环筋的位置，转轮室变形受到过渡段环筋的束缚，导致应力集中，转轮室受力后总体变形的仿真分析如图2所示。同时，由于转轮室过渡段的材质与环筋的材质不同，转轮室过渡段的材质为马氏体不锈钢钢板0Cr13Ni5Mn，屈服极限为550 MPa，环筋的材质为40厚碳钢钢板Q235，强度极限仅为215 MPa，在两种材料的相交处强度应按较弱材料Q235考核，环筋与水平法兰连接焊缝相比强度偏低，导致机组运行过程中，在过渡段环筋与水平法兰连接焊缝裂纹产生疲劳裂纹。

图2 转轮室受力总体变形图

此外，凌津滩电厂的转轮转轮尺寸较大，转轮直径为6.9 m,而电站最大水头仅为13.2 m，高程差造成转轮室及叶片受力不均衡的比例较大。同时凌津滩电厂的转轮室较长，为4.25 m，转轮室整体刚强度偏低[4]，同时转轮室内水体较重，也会造成转轮室受力状态不良。转轮室受力状况不良的主要反映为运行振动偏高，振动幅值随机组负荷增加而增加，满负荷运行时，电厂转轮室振动值超过500 μm，国内同类型机组大部分振动在300 μm左右，转轮室振动偏大影响转轮室寿命，也是导致疲劳裂纹产生的原因。

2 环筋结构优化研究

针对转轮室变形受到过渡段环筋的束缚导致应力集中及环筋结构强度偏低的问题，本文对环筋的结构优化进行了研究，核心思想是将过渡段环筋的合适位置割除一部分并替换为带槽的高强度钢板，通过开槽将应力进行释放，从而降低转轮室过渡段环筋与水平法兰连接焊缝应力值，并减小转轮室过渡段环筋与水平法兰结构刚度，增加弹性变形量，避免应力集中，使其保证应力值控制在材料屈服极限的0.1倍左右，从而防止疲劳裂纹的发生。

本文结合仿真分析，对开槽的形状，位置等进行了深入研究和对比分析，得出以下几项研究成果：一是相对于V型槽和方形槽，半圆形槽仿真的应力情况最优，二是综合考虑应力水平和施工难度，在转轮室水平法兰合缝面两侧各更加一个半圆形槽的方案最优，三是开槽位置离合缝面距离不能太远，否则对改善环筋和水平法兰合缝面焊缝处应力作用较小，同时为避免焊接对水平法兰密封的影响，开槽距离以300～400 mm为宜。

综合考虑以上研究成果，最终确定的过渡段环筋优化方案如图3所示，在转轮室水平法兰与过渡段环筋位置分半面365 mm处，将旧环筋各割除400 mm，将其替换成材质为马氏体不锈钢的带半圆形沟槽的高强度筋板，筋板周边三个方向开坡口焊接。由于环筋与转轮室本体的材质不同，焊接时应严格注意焊接工艺，选择合适的焊条、焊接速度和焊接电流等，焊接完成后对焊缝进行无损检测。半圆形槽的半径为120 mm，既能获得良好的应力释放效果，又能保证环筋的强度。

图3 环筋结构优化后示意图

环筋优化后的仿真结果如图4所示，可见，通过过渡段环筋结构优化，原裂纹产生位置，即转轮室水平法兰与过渡段筋板相交处的应力大幅降低，最大应力位置变更为筋板半圆形槽口底部位置，但由于该部位已更换为高强度不锈钢筋板，屈服应力达到550 MPa，且最大应力处于筋板本体不在焊缝位置，不会产生疲劳裂纹。此外，新、旧筋板的焊缝位置应力水平也比较低，完全满足Q235材料的使用要求。因此，该过渡段环筋优化方案可以有效避免疲劳裂纹的产生，且由于更换筋板的焊接位置与水平法兰合缝面距离大于300 mm，焊接过程不会对水平法兰的密封造成影响。

图4 环筋优化后应力仿真图

3 转轮室减振研究

凌津滩电厂转轮室为悬臂式结构，且受转轮安装空间限制，机坑长度(即水轮机悬空水体长度)设计相对较长[5],机坑长度与转轮直径之比为0.906，转轮室长度与转轮直径之比为0.616。对我国近期相似贯流电站的悬空水体数据进行统计发现，凌津滩的机坑长度与转轮直径比和转轮室与转轮直径比均为相似机组中的最大值，仅株溪口比值与凌津滩电站相近，但也小于凌津滩电站。株溪口电厂的转轮室振动幅值也较大，达到252～514 μm，且株溪口电厂的转轮室也曾发生过裂纹缺陷。发现过裂纹缺陷的东坪电厂与百龙滩电厂，悬空比也相对偏高。其中，部分电厂的统计数据如表1所示。

表1 我国近期相似贯流电厂的悬空水体统计数据

针对凌津滩电厂转轮室悬空长度偏长导致受力状况差，并进一步导致振动偏大的问题，电厂拟在后续的机组整体改造中，将转轮桨叶与枢轴一体的结构更改为桨叶与分开的结构。这样转轮安装时的限制尺寸就由转轮的长度尺寸转变为转轮体的外径尺寸，大大缩小了安装限制空间尺寸。转轮改造后，可以将下游侧混凝土侧墙向上游侧增加1 m，机坑尺寸由6.25 m减小至5.25 m，并同时缩短转轮室的长度，此时机坑长度与转轮直径之比降低为0.761，转轮室长度与转轮直径之比降低为0.471。通过缩短转轮室长度，可以提高转轮室整体的刚强度，减少转轮室内水体体积，降低水力因素对转轮室振动的影响，改善机组的运行稳定性。

4 结 语

转轮室是水轮机重要的过流部件，转轮室裂纹若不进行防治，可能产生贯穿性裂纹，严重威胁机组的安全稳定运行[6-7]。本文针对裂纹产生的原因，对过渡段环筋结构进行了优化设计，并结合电厂后续的整机改造计划，提出了转轮室减振方案。其中，过渡段环筋优化方案实施后经观察机组运行状况良好，可以在其他同类型的裂纹防治问题中推广应用。