关于水电站水轮机制造新工艺的探讨

李鑫

摘 要：水轮机转轮是水利枢纽中水轮机的核心运转设备，其质量的好坏和加工技术水平的高低直接影响水轮机的运转效能，文章将对我国水电站中水轮机转轮的特点以及其施工工艺进行系统论述，主要以三峡水电站作为论述实例，以求能引领水轮机铸造工艺的新潮流。

关键词：水轮机特点；铸造工艺；海岸工厂

前言

我国在近些年的水利工程建设过程中取得了举世瞩目的成就，各种规模的水利发电枢纽应运而生，但在水电站不断完善和建设的过程中，还存在一些制约着水利工程发展的瓶颈，例如一些水电站所使用的设备中大部分还都是上世纪水利工程发展初期留下来的老旧设备，这些设备不仅能耗高，技术含量低，而且已经不适用于当今的行业发展特点，其生产效率也远远跟不上先进的生产发展模式，此外，在使用过程中，老旧设备还存在较大的安全隐患，许多设备带病运转，无法保证生产的效能。为此，对水电站中的关键设备水轮机进行彻底的技术改进和铸造工艺的改造是刻不容缓的。在此过程中，不乏有较为先进的工艺改造实例，其中，三峡水电站就是十分值得人们借鉴和参考的实例之一。

1 三峡水轮机转轮的特性

转轮的铸造工艺改良是水轮机设备改进的重中之重，这是由转轮的核心位置所决定的。三峡水电站所使用的转轮是目前我国最为先进的转轮设备，较传统转轮部件相比，其具有如下几方面优势：其一，转轮的整体结构由不锈钢作为原材料进行生产制作，而且整个部件呈现整体制作结构，密闭性高，能够有效防止渗漏现象的发生；其二，转轮的叶片设计更加科学，其叶片较长也更具流线型，叶片重量较大，使其运行更为稳定，而且该种叶片设计能够有效平衡水流的速度的压力，降低对机体的冲击作用；其三，独特的泄水锥设计进一步降低水流的压力和冲击力，而且其设计与机体主体融为一体，不会发生松动脱落现象，延长了水轮机转轮的使用寿命。

2 三峡水轮机的主要技术构成

我国三峡水轮机组是目前世界上最大也最为先进的水轮机系统，由于其防洪和发电的需要，使得其水轮机组必须具有强大的功能优势。转轮是水轮机运行的核心部件，其质量好坏关乎于水轮机组能否正常发挥其功效。三峡水电站水轮机组的转轮材料都是使用不锈钢作为原料，因此，具有极强的抗腐蚀能力，与此同时，其转轮的运转效能也是衡量其质量的一项重要指标，三峡转轮的的重量较大，输出的额定功率也达到了710MW，其转轮的叶片也较长，这些因素都决定了该水轮机组具有绝对的功能优势。

2.1 总体铸造工艺技术概述

三峡转轮在整体铸造过程中具有相当大的难度，对技术水平和铸造工艺也有非常高的要求。首先，由于其转轮的质量和叶片的尺寸都较为庞大，因此，对于部件在加工中的运输和安装环节提出了一大难题；其次，由于要保证转轮达到最佳的密封性能和运转效果，各部件之间的焊接的环节就显得尤为重要；在此，转轮的叶片形状不同于以往传统的水轮机叶片结构，所以对叶片的材料选择和制造工艺环节也提出了新的挑战。另外，在转轮成型和加工环节，对于工艺施工的标准也十分严格。

2.2 叶片成型技术工艺

三峡转轮的叶片形状和质量较为特殊，所以其在铸造过程中需要使用特殊的工艺进行成型处理。压模成型工艺被广泛应用与此，该种新型成型工艺具有其他工艺所无可比拟的优势：其一，压模成型工艺所生产出的成品质量高，且密闭性能好，不易出现裂缝等瑕疵；其二，成品形状控制精确，误差较小，并符合对于叶片的流线型需要；其三，可以根据需要调整厚度，其薄厚变化区间幅度较广，可以满足不同铸造需求；其四，经济性高，在铸造过程中不产生多余铸造流程的花费；同时还有利于后续焊接操作工艺的进行。

2.3 选择铸造成型工藝的优点

上述压模工艺是较为新型的一种成型工艺，在铸造过程中，除了采用新型压模工艺之外，还可以通过对传统铸造工艺进行加工和改良来达到现代铸造生产需要。传统铸造工艺可以通过以下技术方法进行改良，使之跟上现代化生产步伐。首先，可以在铸造过程中融入新型计算机操控系统，实现铸造流程的自动化智能化控制，以提高铸造质量；其次，采用新型铸造技术操作方法，提高铸造精确度；再次，提高铸造的效率，缩短铸造之间；最后，要提高铸造工艺水平，使铸造出的叶片质量和薄厚均匀，符合使用标准。

2.4 运用数控加工工艺

在水轮机转轮铸造中融入数控加工技术不失为铸造技术发展到一个新阶段的里程碑。数控加工工艺可以大幅提高叶片加工的精准性，保证加工的质量，降低加工的误差，实现了加工控制的自动化。对于混流式水轮机而言，转轮叶片没有任何基准的自由曲面，叶片的上冠边和下环边坡口空间扭曲较大，坡口角度也不对称，在数控加工软件编程方面有很大难度，在防止正面和背面错位，提高加工效率等方面也存在相当大的困难。在开发和应用数控加工新工艺的10多年历程中，我公司解决了曲线设计、复杂曲面拟合、边界模型建立、四个层次造型功能、刀具与曲面间的干涉修正、刀具最佳选择、多曲面边界对刀具运动的约束等课题。

2.5 焊接新方式

至今为止，转轮叶片的机器人自动焊接还从未在真机上应用过。三峡转轮采用这项新工艺在国际上也是首次。应用机器人取代手工焊接的优点是：速度快、质量好、效率高，而且不受人为因素影响。机器人自动焊接设备包括具有转位和项起功能的变位机、埋弧焊机器人及相应软件等。其软件可对六个轴进行编程，能对焊枪位置和状态进行准确控制。焊接参数设置于焊接程序控制器中。为显示焊接编程路径，提供了两个编程座标平面的图形界面，焊接时采用单极双实心焊丝。为了控制焊接变形，采用2台机器人在转轮上相隔180度对称分布的2片叶片上同时施焊。

3 部件的安装和调转

大型转轮的起吊和翻身历来是老大难课题。它要求这项操作保证不损伤工作。然而像三峡转轮这样巨大的工件，在起吊并实现翻身这类大回转动作中保证不变形也是相当困难的。过去对岩滩、五强溪等大型转轮，是采用在转轮下环上接近重心位置处焊上大吊耳，再放到翻身架上进行翻身的方法。然而对于可靠性要求特高的三峡转轮就不允许这样做，以免引起对工件材质和形状的影响。所以采用一种加装工艺性中心轴的新方法，该中心轴装在上冠内，通过与吊梁连接便可实现起吊。通过中心轴并在翻身支架上更换连杆使其实现翻身。这种新工艺的最大特点是保证不损伤工件。

4 海岸工厂

三峡转轮尺寸早已超过陆路运输中的桥梁、隧道等限制。过去对于超大转轮往往采用分半结构，待运到工地后再组焊成圆。这种工艺方案虽然解决了运输限制问题，但需在电站工地进行组装、焊接、加工、热处理等，并需配备相应工艺装备及设备，难度很大。为了解决这个问题，早在1990年就在渤海之滨的葫芦岛上建成并投产了东北滨海水电设备大件加工厂，三峡转轮可在此完工后直接装船通过海上和长江运往电站工地。这个岸边工厂由我公司与渤海造船厂合资兴建，厂房长160m，宽高各36m，设有320t吊车2台，+16m负重550t立车1台，+250镗床l台，+12.5m、高7m的钟罩式退火炉，大型焊接变位机、窄间隙焊机等。除公司承担的2台三峡转轮而外，挪威克瓦纳承担的3台转轮也将在这个海岸工厂制造，法国阿尔斯通承担的3台转轮也有可能在此制造。除了三峡机组首批中标的14台外，今后还有后续的1 2台三峡机组以及地下厂房追加的6台机组，以及将来规划中的龙滩7×600MW、小湾6×700唧、溪洛渡18×700姗等大型水电机组，这些机组的大型转轮都可以充分利用海岸工厂提供的优越条件。

参考文献

[1]王欣满.三峡水电站水轮机转轮制造新工艺.三发电设备[J]，2002（07）.

[2]于德荣，肖风岐.水轮机转轮制造新技术[J].长春工程学院学报（自然科学版），2005（04）.

[3]王旺宁.大峡水电站水轮机抗磨蚀技术措施及磨蚀修复[J].水电站机电技术，2011（02）.