超高水头混流式水轮机转轮制造技术
2018-10-23施旭明金小锋花雷生
施旭明，金小锋，花雷生
(浙江富春江水电设备有限公司，浙江杭州311500)
1 概 述
笔者所在公司承制了某项目超高水头混流式水轮发电机组，此项目最大水头近700 m，为目前世界上水头最高的常规式混流式机组。为了保证机组的性能及出力，转轮采用长短叶片形式。因其流道狭长、尺寸较小、型线要求高、可作业空间有限，给制造提出了很大的难题。
由于该转轮直径小且叶片数量多，导致叶片出水边开口值极小(见图1)，短叶片出水边开口值仅为71.5mm，长叶片出水边开口值仅为58.5mm，按常规制作方法根本没有空间进行焊接、打磨及探伤等。
图1 转轮叶片出水边开口值示意
2 转轮特性
2.1 水轮机技术参数
水轮机型号为HL—LJ—251，额定功率126 MW，额定水头640.5 m，最大水头689.6 m，额定转速600 r/min。
2.2 转轮相关数据
转轮进口直径2 510 mm，转轮高度820 mm，转轮重量7.9 t。
转轮叶片形式为15张长叶片、15张短叶片，材质为ASTM A743 CA6NM 铸件(见图2)。
图2 转轮外观
3 转轮制作流程
通过3D打印1∶1的转轮模型，模拟焊缝的焊接及打磨，最终经过模拟后确定将下环分为A+B两段(见图3)，将转轮组焊过程分为实行二次组装、二次焊接的制作流程(见图4)。
图3 转轮平面示意
图4 制作流程示意
3.1 上冠就位划线、吊装长短叶片
上冠调平，就位于组焊支墩上，上冠过流面上划出叶片组装位置线。30张长短叶片按配重后的位置吊装就位，叶片尺寸调整到位后固定(见图5)。
图5上冠与长短叶片组装示意
叶片进出水边节距尺寸需满足图纸要求公差，采用反变形方法调整每张叶片空间组装位置。
3.2 吊装下环A
以上冠为基准，吊装下环A(见图6)。
控制下环与上冠同心度在0.5mm以内，下环高程方向上预留3mm收缩余量。
图6 吊装下环A示意
上冠、下环外圆侧安装加强环，控制并减小焊接过程中的波浪变形(见图7)。
图7 转轮加强圈示意
转轮整体进行加固焊接，焊接时注意对称施焊。
焊接过程中监控上冠、下环高程尺寸，并在上冠与下环间加支撑，控制高程尺寸防止收缩过量。
3.3 长短叶片焊缝焊接、打磨、探伤
因焊接空间限制，将转轮放置于变位机上，以改善焊接位置及提高焊接质量(见图8)。
施焊过程中需多次调整焊接位置，以达到可操作状态。
图8 转轮在变位机上示意
焊缝焊接完成之后，转轮在变位机上进行打磨。转轮叶片所有的焊缝均需进行UT探伤合格。
进退火炉实施一次热处理，减小焊接应力，因转轮后续下环B的组焊打磨作业周期长，降低前期已焊接完成焊缝产生裂纹的风险。
3.4 吊装下环B、焊接下环A与下环B的环焊缝、焊接长叶片与下环B的焊缝
吊装下环B，控制下环B与上冠同心度小于0.5 mm，下环B高程方向上预留3 mm收缩余量(见图9)。
焊接下环A与下环B的环焊缝，焊接时采用分段退焊。背部陶瓷衬垫保护，保证焊透。
长叶片与下环B出水边尺寸调整到位后，进行焊接，焊缝打磨完成，探伤合格。
图9 组装下环B示意
3.5 组焊泄水锥
组焊泄水锥，要求同心度控制小于0.5 mm。
3.6 二次热处理
转轮进退火炉进行二次热处理。
转轮整体检查合格之后，转后续金加工作业。
4 转轮制作关键点
4.1 长叶片出水边尺寸控制
因转轮前期焊接时无下环B，导致出水边部位悬空状态，尺寸变化较大；故长叶片出水边尺寸控制难度较大。实际在组装下环B时，发现此处焊缝间隙较大，因转轮出水边开口值要求高，公差为-0.6～+1.9 mm，尺寸不易控制(见图10)。
图10 出水边加强板示意
通过在叶片上加防变形加强板及调整焊接顺序加以控制。
焊接时，叶片出水边端部70 mm焊缝先焊接完成，待出水边尺寸定型后再焊接其余部位，采用此方法控制出水边节距尺寸。
4.2 短叶片出水边区域焊缝焊接及打磨操作
转轮短叶片出水边区域，因叶片布置密集而导致作业空间狭小(见图11)。打磨及焊接作业因视线及操作空间受限，致使常规作业无法完成。
采用定制微型风动打磨设备及小型焊枪，并在操作时采用镜子观察的方式，使焊缝达到要求。
图11 焊缝操作难点示意
4.3 叶片出水边厚度控制
叶片出水边区域厚度参考IEC标准规定，厚度在±15%范围以内。通过在出水边区域焊缝打磨过程中采用合适直径的磨头、长边圆弧检查样板及厚度卡钳方式测量加以控制，使出水边区域厚度满足标准要求(见图12)。
图12 厚度检测设备示意
5 结 语
超高水头混流式水轮机转轮因叶片数量多、制作空间小，故将下环分割成两段后进行组焊，制作过程进行二次组装、二次焊接；经过各阶段关键点的质量控制，制作过程中问题的及时发现和解决，顺利完成了4只转轮的制造。
此转轮的成功制作，开拓了转轮制作的一种新方法，为同类型的转轮制作提供了宝贵的经验。
