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)
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。