沖擊式轉(zhuǎn)輪的現(xiàn)代制造技術(shù)

[瑞士] T.魏斯 等

在沖擊式水輪機(jī)的研發(fā)中,人們進(jìn)行了不懈的努力。沖擊式水輪機(jī)首次獲取專利的時(shí)間可追溯到1889年(超過(guò) 100 a)。最近,研究工作對(duì)理解沖擊式機(jī)組的典型水流現(xiàn)象取得了重大成就。由于有水力和機(jī)械數(shù)字模擬工具的支持,沖擊式水輪機(jī)的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)技術(shù)取得了重大進(jìn)步。

轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)的核心部件,得益于目前的流體 -結(jié)構(gòu)模擬的進(jìn)展,至于其性能、費(fèi)用、安全和運(yùn)行壽命,可對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行非常精細(xì)的優(yōu)化。轉(zhuǎn)輪的水力和機(jī)械設(shè)計(jì)是提高產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ),但是,對(duì)供貨商而言,制造技術(shù)和質(zhì)量控制是相當(dāng)重要的基礎(chǔ)。圖 1所示表明,沖擊式水輪機(jī)能否安全和可靠地運(yùn)行,其責(zé)任不能由供貨商單獨(dú)承擔(dān)。運(yùn)行人員也要執(zhí)行基本的任務(wù),例如保證維修質(zhì)量、進(jìn)行定期檢查、防止大顆粒固體的影響等,這些在此不做詳細(xì)討論。

在過(guò)去幾年中,連續(xù)出現(xiàn)了沖擊式轉(zhuǎn)輪水斗根部區(qū)域損壞或裂縫,這是運(yùn)行人員必須面對(duì)的風(fēng)險(xiǎn)和不確定性。因此,在 20世紀(jì) 80年代末,安德里茨水電公司開始研發(fā)各種先進(jìn)的轉(zhuǎn)輪制造技術(shù),利用優(yōu)質(zhì)材料保證安全運(yùn)行(下面討論),在轉(zhuǎn)輪的整個(gè)壽命內(nèi),提高電站的可靠性和利用率。

圖 1 沖擊式水輪機(jī)安全和可靠生產(chǎn)的關(guān)鍵因素

1 轉(zhuǎn)輪分析的最新進(jìn)展

安德里茨水電公司的轉(zhuǎn)輪制造策略通常是采用鍛造圓盤;只有在某些非常特殊的場(chǎng)合,有時(shí)也采用鑄造轉(zhuǎn)輪,如小水電項(xiàng)目。在所有工程中,都需做應(yīng)力評(píng)估,結(jié)合流量和機(jī)械模擬,用所謂的流體 -結(jié)構(gòu)相互作用(F S I)。對(duì)于原型比例的一個(gè)不穩(wěn)定的有限元模擬,采用水斗中的不穩(wěn)定壓力負(fù)荷作為輸入,從中可評(píng)估應(yīng)力和變形情況。然后,對(duì)照工程規(guī)范,可評(píng)估轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)。

對(duì)于奧地利蓋洛斯Ⅱ期水電站(6噴咀機(jī)組,Hn=615 m,P=140MW,D1=2.600 m,B2=0.755 m),通過(guò)原型測(cè)量,證明了應(yīng)力預(yù)見的精度。通過(guò)布置于水斗根部區(qū)域的應(yīng)變儀,可測(cè)量原型機(jī)本身的應(yīng)力。

測(cè)量與模擬之間吻合得很好(圖 2)。在 F S I領(lǐng)域的這些最新發(fā)展,是保證沖擊式水輪機(jī)安全生產(chǎn)和支持水斗優(yōu)化設(shè)計(jì)的寶貴財(cái)富,它系統(tǒng)地并行考慮了水力和機(jī)械這兩方面的問(wèn)題。

圖2 水斗根部區(qū)域用應(yīng)變儀測(cè)量和有限元法計(jì)算的結(jié)果比較

2 鑄造沖擊式水輪機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)與不確定性

通常,與其他類型的水輪機(jī)相比,沖擊式水輪機(jī)發(fā)生致命性故障的可能性較大。沖擊式水輪機(jī)面臨大量的負(fù)荷循環(huán),出現(xiàn)典型的交變應(yīng)力,因此可快速產(chǎn)生裂縫,使水斗破壞。比如,以下兩種現(xiàn)象可能引起災(zāi)難。

(1)損壞水斗(甚至更多的水斗)的質(zhì)量,加上很大的離心力,巨大的動(dòng)能可損壞水輪機(jī)外殼,甚至水輪機(jī)周圍物體。

(2)轉(zhuǎn)子大而突然出現(xiàn)的不平衡質(zhì)量,不過(guò)它僅決定于軸承與軸承支撐的防止水輪機(jī)整體破壞的應(yīng)急能力。

沖擊式水輪機(jī)出現(xiàn)這種破壞的可能性是自身固有的,但可通過(guò)采用抗疲勞、抗裂縫、抗裂紋擴(kuò)展的優(yōu)質(zhì)材料,減少未探測(cè)到的表面以下的鑄造缺陷,使風(fēng)險(xiǎn)最小。20世紀(jì) 90年代,盡管要求改進(jìn)材料質(zhì)量,但沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪供貨商仍然是面對(duì)設(shè)備精良經(jīng)驗(yàn)豐富的鑄鋼廠的關(guān)閉。當(dāng)時(shí),安德里茨水電公司率先提出開發(fā)制造新技術(shù),改進(jìn)材料性能。這一進(jìn)程的推動(dòng)因素是優(yōu)質(zhì)鑄件供應(yīng)量的減少和由來(lái)已久的整體鑄造轉(zhuǎn)輪裂縫和水斗破壞問(wèn)題。

3 新制造技術(shù)的研發(fā)

今天,安德里茨水電公司可以回顧近 20 a來(lái)在先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不斷研究與開發(fā)的歷程。考慮了沖擊式水輪機(jī)鑄鋼轉(zhuǎn)輪已知的所有問(wèn)題,對(duì)未來(lái)的解決辦法簡(jiǎn)單而有效;適當(dāng)?shù)牟考捎眠m當(dāng)?shù)牟牧?即最高應(yīng)力區(qū)域采用最好的材料。

在高應(yīng)力區(qū),即水斗根部區(qū)域,可采用全世界公認(rèn)的不銹鋼 C A 6N M(C r N i 134)鍛造材料。與常規(guī)的整體鑄件或鑄造圓環(huán)體(鑄造材料的轉(zhuǎn)輪圓盤)相比,鍛造材料仍然具有明顯的優(yōu)點(diǎn),這些優(yōu)點(diǎn)能夠滿足產(chǎn)品的安全和可靠的要求。在每個(gè)制造過(guò)程中,負(fù)荷大的水斗根部用鍛造圓盤制成,可提高抗疲勞性能,延長(zhǎng)使用長(zhǎng)壽命。

通過(guò)更均勻和更細(xì)的微結(jié)構(gòu),來(lái)改進(jìn)耐腐蝕和疲勞的性能。除了改進(jìn)微結(jié)構(gòu)的質(zhì)量外,通過(guò)鍛造可以使雜質(zhì)(如夾渣和內(nèi)含物)和離析大大降低。根據(jù)無(wú)損探傷和晶界反射引起煩人的較高噪音水平的事實(shí),意味著要求減少測(cè)試次數(shù)。另一方面,也降低了檢測(cè)小缺陷和內(nèi)含雜物的可能性。

材料所具備的優(yōu)點(diǎn)也反映在檢查周期的計(jì)算中,它是基于材料特性,如閾應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù) ΔK0和巴黎(P a r is)提出的裂縫增長(zhǎng)率 d a/d N應(yīng)力強(qiáng)度和改進(jìn)的福爾曼(F o r m a n)公式。

圖 3表示破裂機(jī)械特性的相對(duì)比較和根據(jù)無(wú)修理正常運(yùn)行對(duì)檢查周期產(chǎn)生的影響。

圖 3 破裂機(jī)械特性的相對(duì)比較

可見,鍛造材料轉(zhuǎn)輪的檢查時(shí)間間隔為鑄造材料轉(zhuǎn)輪的 3倍。

4 安德里茨水電公司應(yīng)用的制造技術(shù)

4.1 微鋪焊接

自 1992年以來(lái),微鋪焊接(M i c r o G u s sTM)專利技術(shù)已成功應(yīng)用于沖擊式水輪機(jī)。在 17 a內(nèi),已經(jīng)訂購(gòu)了約 380個(gè)這種轉(zhuǎn)輪。成功的關(guān)鍵是在水斗的根部高應(yīng)力區(qū)域采用鍛造材料,然后通過(guò)數(shù)控機(jī)器人美格(M A G)焊接水斗的外部。320多個(gè)轉(zhuǎn)輪已經(jīng)投入運(yùn)行,總運(yùn)行時(shí)間已超過(guò) 90億 h,客戶表示滿意。

因?yàn)橹匦湾懠A盤供貨困難,所以人們提出了一種新的制造方法,即可采用寬度較小的鍛造圓盤。這使圓盤重量大大降低。水斗的其余部分的制作由機(jī)器人使用 M i c r o G u s sTM焊接工藝分兩步完成。

4.2 高質(zhì)量焊接

安德里茨水電公司采用的第 2個(gè)解決辦法是高質(zhì)量的焊接制造工藝,主應(yīng)力區(qū)也采用鍛造材料。在這種情況下,鍛造材料也用于根部,然后,焊接到鍛造或鑄造的水斗上。

因?yàn)椴捎幂^小的鍛造圓盤,不必考慮轉(zhuǎn)輪的尺寸和重量的限制問(wèn)題。

4.3 完全鍛造

自 2003年以來(lái),安德里茨水電公司也開始制造整體鍛造的沖擊式轉(zhuǎn)輪。因?yàn)殄懺觳牧铣杀靖?這種方法主要應(yīng)用于制造較小的轉(zhuǎn)輪。在數(shù)控加工過(guò)程中,必須將大約 60%～70%的鍛造材料從圓盤上切削下來(lái)。

各種制造技術(shù)的經(jīng)濟(jì)適用范圍見圖 4。考慮到上述優(yōu)點(diǎn),所有采用鍛造圓盤技術(shù)的質(zhì)量水平都很高。

圖4 不同制造技術(shù)的經(jīng)濟(jì)適用范圍

應(yīng)當(dāng)再次強(qiáng)調(diào),安德里茨水電公司轉(zhuǎn)輪制造策略是首先應(yīng)用鍛造圓盤,只有在非常特殊的情況下才應(yīng)用鑄造轉(zhuǎn)輪,如小水電工程。

5 前 景

正如上面討論的要點(diǎn)所證明的,成功地應(yīng)用了鍛造圓盤的沖擊式轉(zhuǎn)輪是制造技術(shù)的一個(gè)新里程碑。鍛造圓盤制造的沖擊式轉(zhuǎn)輪已經(jīng)證明了它們?cè)诎踩蛯?shí)用性方面的可靠性,而整體鑄造轉(zhuǎn)輪或鑄造材料生產(chǎn)的轉(zhuǎn)輪圓盤,仍將受到關(guān)注。雖在短時(shí)期內(nèi),在經(jīng)濟(jì)上,制造技術(shù)之間可能有差別,但是,對(duì)于如沖擊式轉(zhuǎn)輪這類長(zhǎng)期運(yùn)行的部件,在提供產(chǎn)品可靠性和安全性的高質(zhì)量方面的投入是第 1位的。

安德里茨水電公司仍在進(jìn)行研發(fā),以不斷改進(jìn)。一方面是進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)性能,另一方面是改進(jìn)技術(shù),從設(shè)計(jì)到發(fā)貨的整個(gè)過(guò)程中,兩者都受到支持。

考慮到性能、安全、制造和成本等各個(gè)方面的因素,將在最短的時(shí)間內(nèi),提供與工程規(guī)范相適應(yīng)的最好的折衷辦法;后者將成為一個(gè)關(guān)鍵的工程推動(dòng)力。