高水頭小型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)制造優(yōu)化

李 正, 王 威, 李榮生

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司, 哈爾濱 150001)

1 前言

高水頭小型混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)部空間狹窄，制造難度很大。如何在兼顧機(jī)組性能、制造難度和質(zhì)量控制的前提下進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，是近年來(lái)各水輪機(jī)生產(chǎn)廠家難于破解的問(wèn)題。

哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司制造了多臺(tái)高水頭、高轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)組，比如：魯布革、漁子溪、石板、波羅、大七孔、金漢拉扎、馬鹿塘二期、瑞麗江、南椏河等。其中的大七孔和金漢拉扎電站轉(zhuǎn)輪，由于其水頭、轉(zhuǎn)速高、尺寸小，設(shè)計(jì)制造難度很大。大七孔電站轉(zhuǎn)輪（轉(zhuǎn)輪直徑為1.2m）設(shè)計(jì)上采用了上冠、下環(huán)、葉片均為兩部分制造的組合結(jié)構(gòu)方式，基本上解決了轉(zhuǎn)輪內(nèi)部空間狹小無(wú)法焊接操作的問(wèn)題。在總結(jié)大七孔電站轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，又成功地設(shè)計(jì)制造了難度更大的金漢拉扎電站轉(zhuǎn)輪。

盡管近年轉(zhuǎn)輪的制造技術(shù)在不斷進(jìn)步，如果設(shè)計(jì)考慮不周，對(duì)于直徑較小的高水頭轉(zhuǎn)輪，受空間條件的限制，制造質(zhì)量仍然難于保證。本文以金漢拉扎電站轉(zhuǎn)輪為例，對(duì)小型高水頭水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)制造優(yōu)化提出一些建議和看法，為相近電站轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)者提供參考。

2 高水頭小型水輪機(jī)的選型設(shè)計(jì)

300～450m 水頭段的大、中型水輪機(jī)一般采用混流式機(jī)組，小型水輪機(jī)受尺寸限制往往選擇沖擊式機(jī)組，能否也采用混流式機(jī)組一直是近年水輪機(jī)設(shè)計(jì)人員探討研究的課題。

高水頭混流式水輪機(jī)較沖擊式水輪機(jī)相比具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：

（1）混流式機(jī)組尺寸小，轉(zhuǎn)速高，機(jī)組造價(jià)比沖擊式低；

（2）混流式機(jī)組能量指標(biāo)高，效率比沖擊式略高；

（3）混流式機(jī)組水頭利用好，可部分回收尾水管的動(dòng)能。

（4）沖擊式轉(zhuǎn)輪承受交變載荷，容易疲勞損壞。

（5）混流式水輪機(jī)在運(yùn)行控制方面比沖擊式更容易。

因此在同樣的水頭下，如果能保證制造質(zhì)量，應(yīng)該優(yōu)先選擇混流式機(jī)組，表1列舉了一些國(guó)內(nèi)典型的高水頭、高轉(zhuǎn)速小型混流式機(jī)組。

從表中可以看出，金漢拉扎水電站不僅為目前國(guó)內(nèi)水頭較高(最高水頭420m)的混流式水輪機(jī)，也是高轉(zhuǎn)速機(jī)組（額定轉(zhuǎn)速不低于750r/min）中單機(jī)容量較大的小型混流式水輪機(jī)（單機(jī)容量 29MW），因此，機(jī)組的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和制造具有非常大的難度和較高的挑戰(zhàn)性。

3 金漢拉扎電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)

3.1 轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計(jì)

一些高水頭電站受轉(zhuǎn)速的限制，為了保證高水頭單位轉(zhuǎn)速避開(kāi)背面脫流區(qū)域，不能選取相對(duì)較小的轉(zhuǎn)輪直徑，這就要求模型轉(zhuǎn)輪具有較小的單位流量。

對(duì)于直徑較大的轉(zhuǎn)輪來(lái)說(shuō)，水力設(shè)計(jì)優(yōu)化原則是：增加葉片數(shù)、降低導(dǎo)葉高度、適當(dāng)縮小轉(zhuǎn)輪出口直徑、調(diào)整葉片型線和安放角度。這些措施對(duì)降低單位流量是比較明顯的。

對(duì)于直徑較小的轉(zhuǎn)輪，增加葉片數(shù)不是理想的方案。更為理想的方案是在保證性能參數(shù)的前提下，最大限度地增加轉(zhuǎn)輪的操作空間。通過(guò)控制轉(zhuǎn)輪的葉片數(shù)來(lái)保證合理的操作空間，通過(guò)縮小轉(zhuǎn)輪出口直徑達(dá)到減小單位流量的目的，這樣既不會(huì)增加成本，又降低了轉(zhuǎn)輪的制造、加工和檢修維護(hù)的難度。

金漢拉扎電站水輪機(jī)最大水頭 420m，額定功率29MW，當(dāng)選取額定轉(zhuǎn)速750r/min時(shí)，為了避開(kāi)葉片進(jìn)水邊高水頭背面脫流區(qū)，轉(zhuǎn)輪直徑不宜低于1.65m，最高水頭的單位轉(zhuǎn)速為60r/min，對(duì)應(yīng)的單位流量非常小，為 0.157 m3/s。在此之前，尚未見(jiàn)到國(guó)內(nèi)實(shí)際應(yīng)用的模型轉(zhuǎn)輪單位流量低于0.18 m3/s的先例。因此，金漢拉扎電站水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)和水力設(shè)計(jì)均為較大的難題。既要克服單位流量小的困難，又要保證機(jī)組能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。

受工期的限制，合同中約定不做模型試驗(yàn)。為了使轉(zhuǎn)輪達(dá)到預(yù)期的性能，根據(jù)使用的單位流量和參數(shù)匹配的情況，采用在已有相近轉(zhuǎn)輪的基礎(chǔ)上通過(guò)CFD優(yōu)化改進(jìn)的方案?；A(chǔ)轉(zhuǎn)輪的葉片數(shù)為17片，進(jìn)出口直徑的比值為0.70，導(dǎo)葉相對(duì)高度為0.1?？紤]到再降低導(dǎo)葉高度，裝焊難度會(huì)急劇增加；若轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口直徑的比值改動(dòng)較大，轉(zhuǎn)輪的性能也不容易控制。最終采用增加 2個(gè)葉片進(jìn)行改型達(dá)到降低單位流量的目的。在原型機(jī)制造過(guò)程中，為了能夠驗(yàn)證機(jī)組的性能，補(bǔ)做了模型試驗(yàn)。模型試驗(yàn)和機(jī)組制造的情況反映出：通過(guò)增加葉片數(shù)降低了單位流量，水輪機(jī)達(dá)到了預(yù)期的性能，但由于葉片數(shù)的增多，轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)以及葉片之間的空間非常狹小，上冠處葉片開(kāi)口只有19mm，給轉(zhuǎn)輪的焊接、加工、探傷、檢查等工作帶來(lái)非常大的難度。

表1

3.2 葉片材料選擇

對(duì)一些流道狹長(zhǎng)的高水頭小型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，鑄造轉(zhuǎn)輪的鏟磨序難于實(shí)現(xiàn)，只能采用焊接方式。

一般情況下鋼板較鑄件的機(jī)械性能好，化學(xué)成分穩(wěn)定，鋼板制成的葉片抗空化和泥沙磨損能力比鑄造葉片好。自70年代，不少國(guó)家采用鋼板熱彎成型的技術(shù)制造葉片，比如挪威克瓦納公司、瑞典的諾哈弗公司、日本的日立公司、及蘇聯(lián)列寧格勒金屬工廠等。

采用這種方法制造水輪機(jī)葉片，較鑄造鏟磨的葉片相比，不但優(yōu)化了葉片材料的內(nèi)在質(zhì)量，使葉片的抗磨蝕和泥沙磨損性能得到提高，還縮短了制造周期，降低了材料和人工成本。

因此在能選擇到合適鋼板，并有成熟設(shè)計(jì)制造技術(shù)的前提下，采用鋼板熱彎成型制造葉片是降低成本、提高質(zhì)量的有效途徑。金漢拉扎電站轉(zhuǎn)輪采用組焊結(jié)構(gòu)，葉片材料采用的是0Cr13Ni5Mo不銹鋼板。

3.3 轉(zhuǎn)輪上冠結(jié)構(gòu)和葉片坡口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

金漢拉扎電站轉(zhuǎn)輪流道狹長(zhǎng)，葉片出水邊(上冠側(cè))間距非常小，最小開(kāi)口只有 19mm，基本不具備焊接操作空間，焊接質(zhì)量無(wú)法保證。向進(jìn)水邊方向延伸200mm，開(kāi)口為40mm左右，基本可以進(jìn)行焊接操作，也就是說(shuō)在葉片(上冠側(cè))距出水邊200mm范圍內(nèi)的焊縫都存在焊接操作空間受限的情況。為保證焊接操作空間，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取了以下措施：

（1）上冠分為內(nèi)外兩個(gè)環(huán)的組合結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

（2）葉片焊接坡口分為三段，從出水邊起第一段在葉片背面開(kāi)單側(cè)坡口，第二段在葉片正面開(kāi)單側(cè)坡口，第三段為雙側(cè)坡口，這樣的坡口組合可以獲得最大的操作空間。

圖1 金漢拉扎電站轉(zhuǎn)輪

4 金漢拉扎電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的制造

4.1 葉片的成型

近年，許多水輪機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的葉片裂紋和空蝕現(xiàn)象，迫使人們對(duì)葉片的材料、型線、尺寸及制造精度要求逐漸提高，這也是近年來(lái)制造技術(shù)的攻關(guān)重點(diǎn)。轉(zhuǎn)輪葉片制造質(zhì)量的高低，直接反映了水輪機(jī)制造水平，各制造廠家為了減少葉片型線偏差，提高葉片質(zhì)量，不斷改進(jìn)制造工藝，在技術(shù)上取得了許多創(chuàng)新和突破。

水輪機(jī)的葉片型線的質(zhì)量往往取決于葉片成型方式，合理選擇葉片成型方式，可以使葉片型線質(zhì)量達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)的要求。葉片成型有以下幾種方式：

（1）鑄造鏟磨葉片

早期水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片制造，一直采用鑄造加手工砂輪鏟磨和立體樣板的傳統(tǒng)工藝方法來(lái)完成。葉片型面精度難以保證，型線誤差大，同臺(tái)轉(zhuǎn)輪葉片之間重量偏差也大，用這種技術(shù)生產(chǎn)出的葉片難以滿足當(dāng)前的技術(shù)要求，不利于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）精煉鑄造和數(shù)控加工聯(lián)合應(yīng)用

精煉鑄造和數(shù)控加工的葉片整體質(zhì)量較普通鑄造鏟磨葉片有了很大提高。一方面，通過(guò) VOD精煉技術(shù)達(dá)到了控制葉片鑄件化學(xué)成分的目的，提高了葉片鑄件質(zhì)量，同時(shí)，采用數(shù)控加工可以使葉片型線達(dá)到令人滿意的程度。

（3）鋼板熱彎成型葉片

近年來(lái)，為提高水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的材料質(zhì)量和葉片型線的一致性，降低鏟磨量，一些廠家先后采用了鋼板熱彎成型葉片。鋼板熱彎成型試制過(guò)一次模壓、二次模壓、或焊接板坯一次模壓、焊接板坯二次模壓等。天生橋II級(jí)、滿臺(tái)城兩江、石板、漁子溪改造、大七孔、緬甸邦朗、萬(wàn)家寨大泵、馬鹿塘二期、瑞麗江、金漢拉扎等電站轉(zhuǎn)輪葉片均使用了鋼板熱彎成型制作技術(shù)。

鋼板熱彎成型葉片平面展開(kāi)和厚度分布是一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題。盡管隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，使得三維空間曲面葉片的設(shè)計(jì)和展開(kāi)漸趨完善，但仍有一些問(wèn)題沒(méi)有得到解決。比如，葉片在熱彎成型的過(guò)程中，會(huì)有一定的塑性變形和水平漂移，葉片壓制后還會(huì)有回彈的問(wèn)題，并且在加熱的過(guò)程中，葉片的表面也有一層氧化層，壓制后需要通過(guò)鏟磨來(lái)處理，這些因素在一定程度上影響了葉片型面的質(zhì)量。

（4）鋼板熱彎成型與數(shù)控加工的聯(lián)合應(yīng)用

首先對(duì)鋼板進(jìn)行熱彎成型，正背面留有一定的加工余量，然后對(duì)葉片進(jìn)行全方位（包括工作面、背面、進(jìn)出水邊、上冠、下環(huán)及焊接坡口）的數(shù)控加工，這種方法是目前控制葉片型線，并同時(shí)保證葉片材料質(zhì)量的最好方法之一。采用熱彎成型后數(shù)控加工的葉片重量偏差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直接熱彎成型的葉片。

隨著數(shù)控加工設(shè)備和技術(shù)的不斷進(jìn)步，三軸數(shù)控龍門(mén)銑床被大量采用。由于其設(shè)備價(jià)格低、維護(hù)方便、工時(shí)費(fèi)用低，所以葉片加工成本大幅度降低，另外，三軸數(shù)控龍門(mén)銑床采用高轉(zhuǎn)速棒式銑刀、排刀密，排刀之間的波峰波谷差值小，使后序的鏟磨量大大減少，總體效率得到提高。故采用鋼板熱彎成型與數(shù)控加工聯(lián)合應(yīng)用的方式制造高水頭混流式葉片的方法是較好的。

金漢拉扎電站1號(hào)轉(zhuǎn)輪葉片采用鋼板熱彎模壓一次成型的制造方式，發(fā)現(xiàn)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)預(yù)期，檢測(cè)結(jié)果葉片成型不好，超標(biāo)項(xiàng)較多。原因是轉(zhuǎn)輪流道狹窄，葉片板坯狹長(zhǎng)，厚度變化較大，最厚處為 40mm，最薄處不到 10mm，并帶有翼型，成型過(guò)程中葉片有橫向漂移、回彈量大，由于加熱溫度較高葉片表面產(chǎn)生一層氧化層，這些因素造成葉片成型后與葉片理論曲面型線差別較大，后來(lái)經(jīng)過(guò)多次模壓、反復(fù)矯形才勉強(qiáng)合格。

總結(jié)金漢拉扎電站 1號(hào)轉(zhuǎn)輪制造的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，2號(hào)轉(zhuǎn)輪葉片采用鋼板熱彎成型與數(shù)控加工聯(lián)合應(yīng)用的制造方式，轉(zhuǎn)輪葉片一次合格，型線和表面質(zhì)量得到了大幅度地提高，滿足了標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4.2 轉(zhuǎn)輪的焊接

（1）裝配工具和裝焊順序的選擇。

金汗拉扎電站轉(zhuǎn)輪體積小，葉片狹長(zhǎng)，裝配精度要求高，不適合葉片插裝的傳統(tǒng)裝配方法。為保證轉(zhuǎn)輪裝配質(zhì)量，實(shí)際操作中采用了上冠、下環(huán)定位裝置和刮板中心架等裝配工具，檢查工具采用的是葉片進(jìn)、出口角檢查樣板和樣板架。

經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，轉(zhuǎn)輪裝焊順序如下：轉(zhuǎn)輪上冠內(nèi)、外環(huán)固定一起，在定位裝置上完成轉(zhuǎn)輪上冠、葉片，下環(huán)的第一次裝配后，拆掉上冠外環(huán)和轉(zhuǎn)輪下環(huán)，制作拉筋固定轉(zhuǎn)輪葉片；完成轉(zhuǎn)輪葉片與上冠內(nèi)環(huán)焊縫的焊接；裝焊轉(zhuǎn)輪下環(huán)；裝焊裝輪上冠外環(huán)。焊縫探傷、鏟磨等序在轉(zhuǎn)輪焊接后交叉進(jìn)行。這樣的裝配順序可以最大地獲得轉(zhuǎn)輪葉片出水邊焊縫的操作空間。

（2）焊接方法和焊材選擇

受金漢拉扎電站轉(zhuǎn)輪內(nèi)部操作空間限制，葉片焊接坡口分為三段，第一段靠出水邊側(cè)的 100mm焊縫為單側(cè)坡口，開(kāi)在葉片背面，用鎢極氬弧焊（焊接材料為HS13-5L）打底焊，然后用熔化極氣體保護(hù)焊（焊接材料為 HS13－5L）焊接，葉片正面用手工電弧焊（焊接材料為G367M）焊接圓角，這段焊縫不進(jìn)行清根，做PT探傷；第二段在距出水邊100～200mm范圍內(nèi)的坡口也為單邊坡口，開(kāi)在葉片正面，坡口角度加大到60°，操作空間在30～40mm，這段焊縫用手工電弧焊（焊接材料為G367M）焊接坡口和圓角，焊縫不進(jìn)行清根，做 PT探傷；第三段焊縫為雙面坡口焊縫，焊接方法為熔化極氣體保護(hù)焊（焊接材料為HS13-5L），焊縫要求清根焊透，做PT、UT探傷。這樣，在進(jìn)行坡口焊接時(shí)是有相應(yīng)的操作空間的，在操作空間受限的位置只進(jìn)行過(guò)渡圓角的焊接；在坡口設(shè)計(jì)和焊接方法的選擇上最大限度保證了焊縫質(zhì)量。

（3）焊縫表面缺陷的修復(fù)

轉(zhuǎn)輪焊接后，在距葉片出水邊 100mm范圍內(nèi)，葉片上冠側(cè)正面圓角焊縫出現(xiàn)較多的點(diǎn)狀焊接缺陷（夾渣和氣孔），該位置操作空間僅有19～30mm，缺陷修復(fù)難度很大。因缺陷是不連續(xù)的點(diǎn)狀缺陷，手工電弧焊起弧難，不適合進(jìn)行缺陷修復(fù)；采用改進(jìn)后的氣保焊焊槍進(jìn)行缺陷返修，即用φ12mm的銅管代替保護(hù)氣套管和導(dǎo)電桿磨細(xì)后的新焊槍，同時(shí)也要求焊工有相當(dāng)高的操作技能，最終首臺(tái)轉(zhuǎn)輪歷時(shí)1個(gè)月，次臺(tái)轉(zhuǎn)輪歷時(shí)半個(gè)月完成了該處焊縫表面缺陷的修復(fù)工作。

（4）焊接時(shí)間的控制。

由于轉(zhuǎn)輪葉片坡口之間距離較小，焊接過(guò)程中應(yīng)控制焊接時(shí)間，若焊得太快，勢(shì)必產(chǎn)生較大的變形，開(kāi)口、節(jié)距、型線等關(guān)鍵尺寸均不易得到保證。

5 高水頭混流式小型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)制造優(yōu)化建議

根據(jù)金漢拉扎電站1號(hào)、2號(hào)轉(zhuǎn)輪制造過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，結(jié)合以往轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高水頭混流式小型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)制造提出以下優(yōu)化建議：

（1）選型設(shè)計(jì)

選用高水頭混流式水輪機(jī)比沖擊式水輪機(jī)有以下一些優(yōu)點(diǎn)：造價(jià)低、效率高、能量指標(biāo)高、水頭利用好，可部分回收尾水管的動(dòng)能，運(yùn)行控制簡(jiǎn)便。

（2）在水力設(shè)計(jì)階段考慮制造的可行性。

在保證性能參數(shù)的前提下，水力設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮最大限度地增加轉(zhuǎn)輪內(nèi)的操作空間。對(duì)于小尺寸轉(zhuǎn)輪，控制葉片數(shù)量，適當(dāng)縮小轉(zhuǎn)輪出口直徑是比較合理的選擇，既降低了制造難度，也降低了成本。

（3）良好的質(zhì)量控制

高水頭混流式小型轉(zhuǎn)輪內(nèi)部操作空間狹小，若轉(zhuǎn)輪遭到破壞后，將難于修理，因此，制造階段應(yīng)嚴(yán)格過(guò)程控制，把好質(zhì)量關(guān)，盡量消除今后可能造成隱患的因素。

（4）轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高水頭小型轉(zhuǎn)輪葉片之間的空間非常狹小，為了方便焊接和鏟磨，上冠可采用內(nèi)外（或上下）環(huán)結(jié)構(gòu)。葉片焊接坡口根據(jù)操作空間大小，可分成數(shù)段，采用不同的坡口形式。

（5）葉片制造

轉(zhuǎn)輪葉片一般帶有翼型，厚薄差別大，給熱彎成型過(guò)程帶來(lái)非常大的難度，僅靠熱彎成型，不僅型線的質(zhì)量難于保證，也增加了轉(zhuǎn)輪裝焊時(shí)的難度。建議采用鋼板熱彎成型與數(shù)控加工聯(lián)合應(yīng)用的制造方式。

（6）葉片材料

采用機(jī)械性能好，化學(xué)成分穩(wěn)定的不銹鋼板，可提高葉片的抗空化和泥沙磨損能力，避免鑄造缺陷發(fā)生，也是轉(zhuǎn)輪降低成本、提高質(zhì)量的有效途徑。

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