白鶴灘零配重轉(zhuǎn)輪制造關鍵技術研究

幸紹凱，李 濱，王裕民

(1.中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002；2.哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040；3.長江三峽技術經(jīng)濟發(fā)展有限公司機電事務部，四川 成都 610041)

0 前 言

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，為金沙江下游河段梯級開發(fā)的第二級電站，左右岸電站各安裝8臺混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量16 000 MW，僅次于三峽電站，居中國水電第二位，是“西電東送”的骨干電源點；單機容量1 000 MW，為世界水電之最。

白鶴灘轉(zhuǎn)輪尺寸大，質(zhì)量大，精度高，采取工地建廠制造的方式，解決了大尺寸、大噸位部件無法運輸?shù)碾y題。轉(zhuǎn)輪在現(xiàn)場制造時，需經(jīng)部件拼焊、整體焊接、熱處理、機加工、靜平衡試驗等工序。

1 轉(zhuǎn)輪參數(shù)

白鶴灘水電站裝設16臺1 000 MW立軸混流式轉(zhuǎn)輪，左岸電站1～8號機組由東方電機有限公司(以下簡稱DEC)供貨，右岸電站9～16號機組由哈爾濱電機廠有限責任公司(以下簡稱HEC)供貨，轉(zhuǎn)輪相關參數(shù)如下。

DEC水輪機型號HLD545A-LJ- 847，額定出力1015 MW，額定水頭202 m，額定流量545.5 m3/s，額定轉(zhuǎn)速111.1 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速210 r/min；轉(zhuǎn)輪直徑D1為8.47 m[1]，轉(zhuǎn)輪高度3 925 mm；機組安裝高層570 m；額定點效率94.21%；最小水頭163.9 m，最大水頭243.1 m；轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)15；上冠分2瓣，下環(huán)分2瓣；轉(zhuǎn)輪焊縫總長303.128 m，轉(zhuǎn)輪材質(zhì)為ZG04Cr13Ni4Mo；上冠訂貨質(zhì)量115 695 kg，下環(huán)訂貨質(zhì)量65 890 kg，葉片訂貨質(zhì)量11 033 kg，轉(zhuǎn)輪焊接質(zhì)量359 280 kg，熔焊金屬質(zhì)量12 200 kg。

HEC水輪機型號HLA1181-LJ- 872，額定出力1015 MW，額定水頭202 m，額定流量538.8 m3/s，額定轉(zhuǎn)速107.1 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速198 r/min；轉(zhuǎn)輪直徑D1為8.72 m，轉(zhuǎn)輪高度3 795 mm；機組安裝高層570 m；額定點效率95.38%；最小水頭163.9 m，最大水頭243.1 m；轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)30(15長15短)[2]；上冠分3瓣，下環(huán)分4瓣；轉(zhuǎn)輪焊縫總長392.25 m，轉(zhuǎn)輪材質(zhì)為ZG04Cr13Ni5Mo；上冠訂貨質(zhì)量110 855 kg，下環(huán)訂貨質(zhì)量58 524 kg。轉(zhuǎn)輪焊接質(zhì)量355 158 kg，熔焊金屬質(zhì)量約12 000 kg。

16臺機組均為俯視順時針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)輪材質(zhì)密度7.93 g/cm3。

2 轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗的相關標準與技術要求

轉(zhuǎn)輪制造的靜平衡試驗參照以下3個國家標準：GB/T 6444—2008《機械振動 平衡詞匯》、GB/T 9239.1—2006《機械振動恒態(tài)(剛性)轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求 規(guī)范與平衡允差的檢驗》、GB/T 9239.2—2006《機械振動恒態(tài)(剛性)轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求 平衡誤差》。

平衡、不平衡、剩余不平衡等術語，在GBT9239.1—2006《機械振動恒態(tài)(剛性)轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求 規(guī)范與平衡允差的檢驗》中有如下定義：平衡是指檢查并必要時調(diào)整轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布，以保證在對應的工作轉(zhuǎn)速頻率下，剩余不平衡或者軸頸振動和(或)作用于軸承的力在規(guī)定限值內(nèi)的工藝過程。不平衡是指轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力引起的振動力或運動作用于軸承時，該轉(zhuǎn)子所處的狀態(tài)。初始不平衡是指平衡前轉(zhuǎn)子上存在的不平衡，剩余不平衡是指平衡后轉(zhuǎn)子上剩余的不平衡[3]。

按照GBT 9239.2—2006《機械振動恒態(tài)(剛性)轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求 平衡誤差》總則，在某種情況下設計的轉(zhuǎn)子材料均勻，機械加工的公差足夠小，那么這樣的轉(zhuǎn)子在制造后不需平衡。然而，在大多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)子的初始不平衡都會超過GB/T 9239.1規(guī)定的允許值，因此，應對這些轉(zhuǎn)子進行平衡，以檢驗轉(zhuǎn)輪的質(zhì)心在回轉(zhuǎn)幾何軸線公差允許的范圍內(nèi)。

3 分瓣轉(zhuǎn)輪制造工藝與平衡級別

白鶴灘水電站機組為混流式轉(zhuǎn)輪，上冠、下環(huán)采取分瓣制造、現(xiàn)場焊接，葉片采取分片制造、再進行整體現(xiàn)場焊接的工藝方法，制造過程嚴格遵守《混流式水輪機轉(zhuǎn)輪現(xiàn)場制造工藝導則》標準[4]。圖1為GB/T 9239.1—2006《機械振動恒態(tài)(剛性)轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求 規(guī)范與平衡允差的檢驗》中根據(jù)平衡品質(zhì)級別G和工作轉(zhuǎn)速n確定的許用剩余不平衡度截圖。

圖1 根據(jù)平衡品質(zhì)級別G和工作轉(zhuǎn)速n確定的許用剩余不平衡度

對水輪機來說，平衡品質(zhì)級別為G6.3，是指剩余不平衡度Eper和轉(zhuǎn)子在最高工作轉(zhuǎn)速時的角速度Ω的乘積為6.3級別。Eper·Ω依據(jù)圖1進行值選，則剩余不平衡力矩Uper(單位kg·m)可以用式(1)計算[4]

Uper=(Eper·Ω)×m

(1)

式中，m為轉(zhuǎn)動件質(zhì)量，kg。

具體步驟為：①通過初始平衡，檢測出轉(zhuǎn)輪制造的初始不平衡力矩及其方位；②通過計算，確定配重質(zhì)量和焊接方位；③焊接配重塊，打磨焊縫及表面；④再進行靜平衡試驗，檢查剩余不平衡力矩。

只有剩余不平衡力矩在設計范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)輪制造才算合格。目前大型混流式水輪機轉(zhuǎn)輪的靜平衡試驗通常采用負載傳感器法或靜壓球頭法[4]。白鶴灘水電站中，DEC機組采用負載傳感器法；剩余不平衡力矩設計值≤187 kg·m；精品要求≤74 kg·m；HEC機組采用靜壓球頭法，剩余不平衡力矩設計值≤100 kg·m；精品要求≤75 kg·m。

4 轉(zhuǎn)輪靜平衡實現(xiàn)零配重的技術難點

4.1 均勻制造分瓣轉(zhuǎn)輪各部件

轉(zhuǎn)輪分瓣部件的材質(zhì)必須均勻。上冠分瓣、下環(huán)分瓣、葉片制造的過程中，均要求部件幾何尺寸符合要求，且密度也必須均勻一致，確保各部件質(zhì)量和體積有嚴格的比例關系，以便分瓣部件組裝焊接后符合整體幾何尺寸和質(zhì)量要求。

4.2 保證部件制造形狀和質(zhì)量

在保證轉(zhuǎn)輪各個部件外形尺寸合格的同時，必須嚴格檢查核對部件尺寸、表面積、體積和質(zhì)量，確保制造形狀和質(zhì)量等核心要素合格、準確。

4.3 合理安排葉片最優(yōu)平衡裝配順序

因加工偏差，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)量多會造成葉片質(zhì)量有差異。在完成葉片稱重后，需依據(jù)葉片實際質(zhì)量，安排最優(yōu)平衡裝配順序。以確保葉片分布對稱均勻，偏心矩最小。表1為白鶴灘零配重轉(zhuǎn)輪葉片質(zhì)量統(tǒng)計分析。依據(jù)偏心計算，零配重轉(zhuǎn)輪葉片偏心IZ計算只有0.005 8[5]。

表1 零配轉(zhuǎn)輪葉片質(zhì)量統(tǒng)計分析

4.4 保證分瓣部件裝焊尺寸精度等級

上冠和下環(huán)的分瓣組圓焊接，必須確保對接部位水平、圓度、型線合格，且整體圓度、圓柱度、水平都要控制在1～3 mm范圍；焊接后，整體部件的水平、圓度、型線等外形尺寸偏差均應控制在1～2 mm。

4.5 嚴格控制轉(zhuǎn)輪整體裝配尺寸

轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)、葉片在整體裝配時，需嚴格控制上冠水平、下環(huán)水平，上冠下環(huán)之間的平行度、同軸度、進口高度。葉片吊裝就位，在尺寸檢查中，對進水邊節(jié)距、出水邊開口，進出口角位置度等核心要素尺寸必須嚴格控制。

在實際數(shù)據(jù)檢查見證中，零配重轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)組圓焊接，不僅應無缺陷，而且還應在焊接過程中嚴格檢查監(jiān)視變形，焊接后型線也必須完全符合要求。在整體裝焊接尺寸見證時，整體圓度尺寸為±1.5 mm，同軸度±1.5 mm，上冠、下環(huán)開檔在2～3 mm，比設計4～6 mm提高了1個精度等級。

4.6 嚴格控制整體焊接變形

轉(zhuǎn)輪整體焊接中，需嚴格控制預熱溫度的均勻、對稱均勻焊接、變形與反變形焊接，確保整體焊后尺寸與退后火尺寸均能精準達到設計要求。

4.7 保證無損檢測無缺陷

轉(zhuǎn)輪焊接中需要進行的無損檢測，不僅是UT，而且還有PT和MT，在制造過程中，必須全程進行無損檢測，確保焊接與加工后焊縫、過流面、非過流面合格，確保轉(zhuǎn)輪零缺陷出廠。

4.8 保證焊縫和流道精磨對稱均勻

轉(zhuǎn)輪焊接完工，焊腳圓根粗磨；轉(zhuǎn)輪退火后，整體進行精磨，精磨務必確保流道光滑、對稱均勻。如果在2～3 m長的過流面上，表面積1 m2的區(qū)域，磨量不均勻度有0.01 mm，質(zhì)量半徑矩偏心就會有0.198 kg·m偏差。如果不均勻焊接和偏磨都集中在一個象限，累計偏心誤差就會影響到靜平衡。

4.9 準確定位車鏜序加工回轉(zhuǎn)中心與質(zhì)心

在轉(zhuǎn)輪車序中，檢測加工基準，在圓周方向最大會有0.02～0.04 mm的橢圓度，水平方向跳動一般不超過0.02～0.03 mm。在找正加工基準時，如果回轉(zhuǎn)中心與實際質(zhì)心偏差1 mm，對300多t轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗的配重影響巨大。

5 轉(zhuǎn)輪零配重確認

2020年1月16日～1月17日，白鶴灘水電站機組經(jīng)過多次零配重轉(zhuǎn)輪的靜平衡試驗，結果顯示剩余不平衡力矩為40 kg·m，轉(zhuǎn)輪無需配重，滿足了剩余不平衡力矩小于75 kg·m的要求。

6 結 語

大型轉(zhuǎn)輪零配重制造，不僅需要全過程質(zhì)量與工藝管控，而且也需要轉(zhuǎn)輪部件質(zhì)量檢測手段的全面提升，特別是轉(zhuǎn)輪全數(shù)控加工和全流道數(shù)據(jù)測量技術應用要緊密配合發(fā)展。

在白鶴灘水電站機組的轉(zhuǎn)輪制造中，哈電首次采用光筆測量葉片進水邊安放角位置度，激光跟蹤儀測量出水邊安放角位置度，用測量數(shù)據(jù)與三維建模比對裝焊和成品誤差，提高轉(zhuǎn)輪制造的精度，也為三維設計、激光測量技術在轉(zhuǎn)輪制造中的應用開拓了廣泛的前景。

隨著轉(zhuǎn)輪零部件制造精度的提高及測量技術的應用，通過轉(zhuǎn)輪制造工藝技術的完善改進，實現(xiàn)零配重或少配重將成為一個必然結果。