大型發(fā)電設備轉輪制造工藝方案研究分析

哈爾濱大電機研究所 童文波

作為重大裝備制造業(yè)的大型發(fā)電設備，設計起來很難，制造出來更難。世界流行的“諾浩”（Know how），直譯為“知道怎么做”，轉譯為“訣竅”，現(xiàn)在俗稱為“核心技術”，是絕對保密的，要求自主創(chuàng)新發(fā)明，花錢是買不來的。三峽右岸機組國內中標、承包制造，實現(xiàn)了國產(chǎn)化。采用的許多先進工藝，達到甚至優(yōu)于國外先進水平，且可用于正在開發(fā)的1000MW級巨型發(fā)電設備。

1 加工難度

發(fā)電設備中最關鍵的是轉輪，首批中標的三峽左岸14臺機組中有5臺采用熱彎模壓成型，有9臺采用鑄造成型，最后皆經(jīng)數(shù)控加工。其轉輪由上冠、下環(huán)和葉片三部分組成，有15個葉片，但形狀奇特，呈“X”型。其特點是：①接近于梯形的每個葉片的2個對角上翹，其余2個對角則下彎；②葉片與上冠的接觸邊比其與下環(huán)的接觸邊長；③15個葉片的出水邊不在同一軸截面上，呈空間曲面。

由于電站水頭變化范圍很大，最大值(113m)與最小值(61m)之比高達1.852倍，容易引起機組運行的不穩(wěn)定，而采用該型葉片的轉輪可以解決這個問題，但加大了制造難度。

2 熱彎模壓

轉輪直徑10.6m、高5.06m、重達445t，屬當前世界之最。轉輪制造最關鍵部分是葉片，它具有復雜的空間曲面，表面又呈流線型，斷面又不斷變化，加工難度很大。

相對于傳統(tǒng)的鑄造工藝，采用厚鋼板過巨型壓模熱壓來使葉片成型的方法是最近幾年新開發(fā)的先進工藝。它的優(yōu)點是：①材質好。不存在鑄造時難免出現(xiàn)的疏松、縮孔、夾渣、偏析、砂眼、針孔等缺陷；②厚度薄。采用鋼板坯材，可使葉片厚度相對減薄到220mm（若用鑄件，可達300mm以上）；③型線好。采用成型模具熱壓，能保證葉片型線準確，重量偏差可控制在2%～3%范圍內，型線誤差可控制在2mm以內，而鑄件則遠遠不如；④余量小。鋼板模壓留給數(shù)控切削加工的余量只有10mm～12mm，如果鑄造，即使余量再大也難免出現(xiàn)變形、黑皮等。⑤花費少。鑄造須用木模圖等，需多花費50～120萬美元，而鋼板模壓則不必；⑥可焊性好。鋼板以焊接性能優(yōu)于鑄件；⑦鏟磨量小。

3 鑄造成型

傳統(tǒng)的鑄造工藝雖然在許多方面比不上熱彎模壓工藝，然而鑄造工藝的不斷革新和現(xiàn)代化則又當別論。例如，①采用葉片澆注全過程的計算機模擬系統(tǒng)便可優(yōu)化鑄造工藝，加之采用爐外精煉新技術，可使型砂鑄造葉片毛坯的質量大為提高。②采用現(xiàn)代化精密鑄造工藝，如電渣重熔鑄造法，不僅可使鑄件任一方向的強度達到較高值，而且可大大減小所留存的加工余量。③鑄造周期較短、成本較低，而鋼板模壓則與此相反。④鑄件強度均勻，而鋼板是沿軋制方向的強度高，但其斷面尤如多層薄餅狀，沿其軋制的垂直方向強度就差些。現(xiàn)代化鑄造工藝達到的新水平，促使許多廠商仍然對其青睞，何況還有利于綜合技術經(jīng)濟指標的提高。

4 焊接工藝

焊接工藝的制定是在美國ASME標準基礎上完成的，其中包括焊接方法、預熱溫度、頭形式、保護氣體、試件尺寸及厚度、焊接規(guī)范及熔敷金屬的過渡形式、熱處理循環(huán)、無損傷檢驗、試件取樣及力學性能的試驗方法、評定標準等。

4.1 人工焊接

選用了數(shù)字脈沖半自動氣體保護焊機，電源采用微機數(shù)控式逆變，輸出穩(wěn)定，根據(jù)焊接電流的變化自動調整最佳的脈沖頻率，可以彌補焊工在操作技能上的某些不足。電源內置多種焊接程序：有專用于不銹鋼材料的；也可根據(jù)焊絲直徑、焊接方法、焊接材料設置焊接程序，以調節(jié)焊接電源的脈沖頻率。由于轉輪流道較長，特殊配置了加長電纜，送絲穩(wěn)定。

4.2 機器人焊接

三峽轉輪采用機器人自動焊接新工藝在國際上也是第一次，應用機器人取代手工焊接的工作量約占總焊接量的40%以上，其優(yōu)點是：速度快、質量好、效率高，而且不受人的因素影響，比如人眼視力錯覺、體力疲勞、精神波動等對操作的影響。機器人自動焊接設備包括具有轉位和頂起功能的變位機、埋弧焊機器人及相應軟件等。其軟件可對六個軸進行編程，能對焊槍位置和狀態(tài)進行準確控制。焊接參數(shù)設置于焊接程序控制器中。為顯示焊接編程路徑，提供了兩個編程座標平面的圖形界面。焊接時采用單極雙實心焊絲。為了控制焊接變形，采用2臺機器人在轉輪上相隔180～對稱分布的2個葉片上同時施焊，在焊接過程中，工件始終處于120～預熱狀態(tài)。

5 數(shù)控加工

不論采用模壓還是鑄造，葉片都必須采用精密數(shù)控機床進行加工切削。數(shù)控加工是當今世界水輪機轉輪葉片機械加工的發(fā)展方向，也是考查其制造水平是否先進的重要標志。它的優(yōu)點是：型線準確、波浪度小，重量偏差小，表面粗糙度易保證，省去人工鏟磨，簡化靜平衡試驗中的配重?；炝魇睫D輪葉片沒有任何基準的自由曲面，葉片的上冠邊和下環(huán)邊坡口空間扭曲較大，坡口角度也不對稱，在數(shù)控加工軟件編程方面存在很大難度，在防止正面和背面錯位、提高加工效率等方面也存在很多困難。

為了開發(fā)和應用這種先進工藝，解決了曲線設計、復雜曲面擬合、邊界模型建立、四個層次造型功能、刀具與曲面間的干涉修正、刀具最佳優(yōu)擇、多曲面邊界對刀具運動的約束等課題。還采用曲面造型、刀位計算、后置處理等方法解決了數(shù)控加工最為關鍵的編程問題；采用計算機自動三點找正方法解決了正面和背面錯位的問題；采用模擬加工取代試加工，從而縮短了加工時間、提高了加工效率；修改了龍門銑的銑頭后置程序，優(yōu)選了加工刀具，提高了加工質量和效率。由于引進了裝備有西門子公司840系統(tǒng)軟件包、CAD自動輔助編程、自動誤差補償?shù)认到y(tǒng)的德國五軸聯(lián)動大型數(shù)控龍門銑床，并進一步拓寬了軟件二次開發(fā)功能，實現(xiàn)了整臺轉輪葉片的全方位數(shù)控加工，其中包葉片的正面、背面、上冠邊、下環(huán)邊、進水邊、出水邊等。

6 光學測量

三峽轉輪葉片尺寸巨大、葉片截面樣板長度有限，有許多測不到的型面，必須采用精密光學測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由2臺CCD數(shù)碼攝像機、1臺工作站計算機、各種規(guī)格的測量光筆、基準校正棒、通訊能源電纜、雷尼紹測量頭、打印機等組成。其測量原理類似于人眼視物，由攝像機攝取實物照片，并根據(jù)其二維座標值，利用2個已知三維角度及空間位置的相機，再通過復雜的數(shù)字計算就可得也已知點的三維座標值。該系統(tǒng)的優(yōu)點是：在整個測量過程中始終采用同一個XYZ直角座標系，并可直接同轉輪 CAD理論尺寸相比較。它能對難以測量到的部位進行測量。測量時2臺攝像機的對稱中心夾角應保持在60o到90o之間，而且應同時工作，光探頭應放在需測處。該裝置為便攜式，適合于車間現(xiàn)場和大范圍測量。

7 運輸途徑

大型發(fā)電設備尺寸超過陸路運輸中的橋梁、隧道等限制。過去往往采用半分結構，運到電站工地后再將2半組焊成圓。在工地組裝、焊接加工、熱處理等，都須配備相應設備及工藝裝備，難度很大。為了解決這個難題，采取了下述3項措施。

7.1 渤海分廠。 早在1990年就在渤海灣的葫蘆島上建成并投產(chǎn)了東北濱海水電設備大件加工廠(現(xiàn)名為葫蘆島濱海水電大件制造有限責任公司)，由哈電與原渤海造船廠合資興建。組焊加工后經(jīng)過海上和江上運往電站工地（如三峽）。

7.2 江海聯(lián)運。另外一條是由哈市松花江運到撫遠港口，換裝江海聯(lián)運船后，經(jīng)俄羅斯內河到達尼古拉耶夫（廟街）出海（如1000MW火電定子）。

7.3 昆明分廠。在發(fā)改委、國資委領導下，已加盟哈電的昆明電機廠正在擴建廠房、安裝現(xiàn)代化大型設備。從大東北到大西南，幾乎穿越全國，縮短運輸距離。水力資源多在大西南。就地制造、就近安裝，縮短了運輸距離，強化了市場競爭實力。

8 結論

在引進技術和設備的基礎上，通過消化、吸收、再創(chuàng)新，國內廠家圓滿地完成了所承包的三峽右岸和地下廠房的14臺機組，所采用的加工設備、工藝裝備、工藝方案等，都是世界公認為最先進的?？捎糜谡谘兄频?000MW及以上的巨型發(fā)電設備。