超高水頭混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪制造技術(shù)

施旭明，金小鋒，花雷生

(浙江富春江水電設(shè)備有限公司，浙江杭州311500)

1 概 述

筆者所在公司承制了某項(xiàng)目超高水頭混流式水輪發(fā)電機(jī)組，此項(xiàng)目最大水頭近700 m，為目前世界上水頭最高的常規(guī)式混流式機(jī)組。為了保證機(jī)組的性能及出力，轉(zhuǎn)輪采用長(zhǎng)短葉片形式。因其流道狹長(zhǎng)、尺寸較小、型線要求高、可作業(yè)空間有限，給制造提出了很大的難題。

由于該轉(zhuǎn)輪直徑小且葉片數(shù)量多，導(dǎo)致葉片出水邊開口值極小(見圖1)，短葉片出水邊開口值僅為71.5mm，長(zhǎng)葉片出水邊開口值僅為58.5mm，按常規(guī)制作方法根本沒有空間進(jìn)行焊接、打磨及探傷等。

圖1 轉(zhuǎn)輪葉片出水邊開口值示意

2 轉(zhuǎn)輪特性

2.1 水輪機(jī)技術(shù)參數(shù)

水輪機(jī)型號(hào)為HL—LJ—251，額定功率126 MW，額定水頭640.5 m，最大水頭689.6 m，額定轉(zhuǎn)速600 r/min。

2.2 轉(zhuǎn)輪相關(guān)數(shù)據(jù)

轉(zhuǎn)輪進(jìn)口直徑2 510 mm，轉(zhuǎn)輪高度820 mm，轉(zhuǎn)輪重量7.9 t。

轉(zhuǎn)輪葉片形式為15張長(zhǎng)葉片、15張短葉片，材質(zhì)為ASTM A743 CA6NM 鑄件(見圖2)。

圖2 轉(zhuǎn)輪外觀

3 轉(zhuǎn)輪制作流程

通過3D打印1∶1的轉(zhuǎn)輪模型，模擬焊縫的焊接及打磨，最終經(jīng)過模擬后確定將下環(huán)分為A+B兩段(見圖3)，將轉(zhuǎn)輪組焊過程分為實(shí)行二次組裝、二次焊接的制作流程(見圖4)。

圖3 轉(zhuǎn)輪平面示意

圖4 制作流程示意

3.1 上冠就位劃線、吊裝長(zhǎng)短葉片

上冠調(diào)平，就位于組焊支墩上，上冠過流面上劃出葉片組裝位置線。30張長(zhǎng)短葉片按配重后的位置吊裝就位，葉片尺寸調(diào)整到位后固定(見圖5)。

圖5上冠與長(zhǎng)短葉片組裝示意

葉片進(jìn)出水邊節(jié)距尺寸需滿足圖紙要求公差，采用反變形方法調(diào)整每張葉片空間組裝位置。

3.2 吊裝下環(huán)A

以上冠為基準(zhǔn)，吊裝下環(huán)A(見圖6)。

控制下環(huán)與上冠同心度在0.5mm以內(nèi)，下環(huán)高程方向上預(yù)留3mm收縮余量。

圖6 吊裝下環(huán)A示意

上冠、下環(huán)外圓側(cè)安裝加強(qiáng)環(huán)，控制并減小焊接過程中的波浪變形(見圖7)。

圖7 轉(zhuǎn)輪加強(qiáng)圈示意

轉(zhuǎn)輪整體進(jìn)行加固焊接，焊接時(shí)注意對(duì)稱施焊。

焊接過程中監(jiān)控上冠、下環(huán)高程尺寸，并在上冠與下環(huán)間加支撐，控制高程尺寸防止收縮過量。

3.3 長(zhǎng)短葉片焊縫焊接、打磨、探傷

因焊接空間限制，將轉(zhuǎn)輪放置于變位機(jī)上，以改善焊接位置及提高焊接質(zhì)量(見圖8)。

施焊過程中需多次調(diào)整焊接位置，以達(dá)到可操作狀態(tài)。

圖8 轉(zhuǎn)輪在變位機(jī)上示意

焊縫焊接完成之后，轉(zhuǎn)輪在變位機(jī)上進(jìn)行打磨。轉(zhuǎn)輪葉片所有的焊縫均需進(jìn)行UT探傷合格。

進(jìn)退火爐實(shí)施一次熱處理，減小焊接應(yīng)力，因轉(zhuǎn)輪后續(xù)下環(huán)B的組焊打磨作業(yè)周期長(zhǎng)，降低前期已焊接完成焊縫產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 吊裝下環(huán)B、焊接下環(huán)A與下環(huán)B的環(huán)焊縫、焊接長(zhǎng)葉片與下環(huán)B的焊縫

吊裝下環(huán)B，控制下環(huán)B與上冠同心度小于0.5 mm，下環(huán)B高程方向上預(yù)留3 mm收縮余量(見圖9)。

焊接下環(huán)A與下環(huán)B的環(huán)焊縫，焊接時(shí)采用分段退焊。背部陶瓷襯墊保護(hù)，保證焊透。

長(zhǎng)葉片與下環(huán)B出水邊尺寸調(diào)整到位后，進(jìn)行焊接，焊縫打磨完成，探傷合格。

圖9 組裝下環(huán)B示意

3.5 組焊泄水錐

組焊泄水錐，要求同心度控制小于0.5 mm。

3.6 二次熱處理

轉(zhuǎn)輪進(jìn)退火爐進(jìn)行二次熱處理。

轉(zhuǎn)輪整體檢查合格之后，轉(zhuǎn)后續(xù)金加工作業(yè)。

4 轉(zhuǎn)輪制作關(guān)鍵點(diǎn)

4.1 長(zhǎng)葉片出水邊尺寸控制

因轉(zhuǎn)輪前期焊接時(shí)無下環(huán)B，導(dǎo)致出水邊部位懸空狀態(tài)，尺寸變化較大；故長(zhǎng)葉片出水邊尺寸控制難度較大。實(shí)際在組裝下環(huán)B時(shí)，發(fā)現(xiàn)此處焊縫間隙較大，因轉(zhuǎn)輪出水邊開口值要求高，公差為-0.6～+1.9 mm，尺寸不易控制(見圖10)。

圖10 出水邊加強(qiáng)板示意

通過在葉片上加防變形加強(qiáng)板及調(diào)整焊接順序加以控制。

焊接時(shí)，葉片出水邊端部70 mm焊縫先焊接完成，待出水邊尺寸定型后再焊接其余部位，采用此方法控制出水邊節(jié)距尺寸。

4.2 短葉片出水邊區(qū)域焊縫焊接及打磨操作

轉(zhuǎn)輪短葉片出水邊區(qū)域，因葉片布置密集而導(dǎo)致作業(yè)空間狹小(見圖11)。打磨及焊接作業(yè)因視線及操作空間受限，致使常規(guī)作業(yè)無法完成。

采用定制微型風(fēng)動(dòng)打磨設(shè)備及小型焊槍，并在操作時(shí)采用鏡子觀察的方式，使焊縫達(dá)到要求。

圖11 焊縫操作難點(diǎn)示意

4.3 葉片出水邊厚度控制

葉片出水邊區(qū)域厚度參考IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，厚度在±15%范圍以內(nèi)。通過在出水邊區(qū)域焊縫打磨過程中采用合適直徑的磨頭、長(zhǎng)邊圓弧檢查樣板及厚度卡鉗方式測(cè)量加以控制，使出水邊區(qū)域厚度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求(見圖12)。

圖12 厚度檢測(cè)設(shè)備示意

5 結(jié) 語

超高水頭混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪因葉片數(shù)量多、制作空間小，故將下環(huán)分割成兩段后進(jìn)行組焊，制作過程進(jìn)行二次組裝、二次焊接；經(jīng)過各階段關(guān)鍵點(diǎn)的質(zhì)量控制，制作過程中問題的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決，順利完成了4只轉(zhuǎn)輪的制造。

此轉(zhuǎn)輪的成功制作，開拓了轉(zhuǎn)輪制作的一種新方法，為同類型的轉(zhuǎn)輪制作提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。