大型發電設備轉輪制造工藝方案研究分析

哈爾濱大電機研究所 童文波

作為重大裝備制造業的大型發電設備，設計起來很難，制造出來更難。世界流行的“諾浩”（Know how），直譯為“知道怎么做”，轉譯為“訣竅”，現在俗稱為“核心技術”，是絕對保密的，要求自主創新發明，花錢是買不來的。三峽右岸機組國內中標、承包制造，實現了國產化。采用的許多先進工藝，達到甚至優于國外先進水平，且可用于正在開發的1000MW級巨型發電設備。

1 加工難度

發電設備中最關鍵的是轉輪，首批中標的三峽左岸14臺機組中有5臺采用熱彎模壓成型，有9臺采用鑄造成型，最后皆經數控加工。其轉輪由上冠、下環和葉片三部分組成，有15個葉片，但形狀奇特，呈“X”型。其特點是：①接近于梯形的每個葉片的2個對角上翹，其余2個對角則下彎；②葉片與上冠的接觸邊比其與下環的接觸邊長；③15個葉片的出水邊不在同一軸截面上，呈空間曲面。

由于電站水頭變化范圍很大，最大值(113m)與最小值(61m)之比高達1.852倍，容易引起機組運行的不穩定，而采用該型葉片的轉輪可以解決這個問題，但加大了制造難度。

2 熱彎模壓

轉輪直徑10.6m、高5.06m、重達445t，屬當前世界之最。轉輪制造最關鍵部分是葉片，它具有復雜的空間曲面，表面又呈流線型，斷面又不斷變化，加工難度很大。

相對于傳統的鑄造工藝，采用厚鋼板過巨型壓模熱壓來使葉片成型的方法是最近幾年新開發的先進工藝。它的優點是：①材質好。不存在鑄造時難免出現的疏松、縮孔、夾渣、偏析、砂眼、針孔等缺陷；②厚度薄。采用鋼板坯材，可使葉片厚度相對減薄到220mm（若用鑄件，可達300mm以上）；③型線好。采用成型模具熱壓，能保證葉片型線準確，重量偏差可控制在2%～3%范圍內，型線誤差可控制在2mm以內，而鑄件則遠遠不如；④余量小。鋼板模壓留給數控切削加工的余量只有10mm～12mm，如果鑄造，即使余量再大也難免出現變形、黑皮等。⑤花費少。鑄造須用木模圖等，需多花費50～120萬美元，而鋼板模壓則不必；⑥可焊性好。鋼板以焊接性能優于鑄件；⑦鏟磨量小。

3 鑄造成型

傳統的鑄造工藝雖然在許多方面比不上熱彎模壓工藝，然而鑄造工藝的不斷革新和現代化則又當別論。例如，①采用葉片澆注全過程的計算機模擬系統便可優化鑄造工藝，加之采用爐外精煉新技術，可使型砂鑄造葉片毛坯的質量大為提高。②采用現代化精密鑄造工藝，如電渣重熔鑄造法，不僅可使鑄件任一方向的強度達到較高值，而且可大大減小所留存的加工余量。③鑄造周期較短、成本較低，而鋼板模壓則與此相反。④鑄件強度均勻，而鋼板是沿軋制方向的強度高，但其斷面尤如多層薄餅狀，沿其軋制的垂直方向強度就差些。現代化鑄造工藝達到的新水平，促使許多廠商仍然對其青睞，何況還有利于綜合技術經濟指標的提高。

4 焊接工藝

焊接工藝的制定是在美國ASME標準基礎上完成的，其中包括焊接方法、預熱溫度、頭形式、保護氣體、試件尺寸及厚度、焊接規范及熔敷金屬的過渡形式、熱處理循環、無損傷檢驗、試件取樣及力學性能的試驗方法、評定標準等。

4.1 人工焊接

選用了數字脈沖半自動氣體保護焊機，電源采用微機數控式逆變，輸出穩定，根據焊接電流的變化自動調整最佳的脈沖頻率，可以彌補焊工在操作技能上的某些不足。電源內置多種焊接程序：有專用于不銹鋼材料的；也可根據焊絲直徑、焊接方法、焊接材料設置焊接程序，以調節焊接電源的脈沖頻率。由于轉輪流道較長，特殊配置了加長電纜，送絲穩定。

4.2 機器人焊接

三峽轉輪采用機器人自動焊接新工藝在國際上也是第一次，應用機器人取代手工焊接的工作量約占總焊接量的40%以上，其優點是：速度快、質量好、效率高，而且不受人的因素影響，比如人眼視力錯覺、體力疲勞、精神波動等對操作的影響。機器人自動焊接設備包括具有轉位和頂起功能的變位機、埋弧焊機器人及相應軟件等。其軟件可對六個軸進行編程，能對焊槍位置和狀態進行準確控制。焊接參數設置于焊接程序控制器中。為顯示焊接編程路徑，提供了兩個編程座標平面的圖形界面。焊接時采用單極雙實心焊絲。為了控制焊接變形，采用2臺機器人在轉輪上相隔180～對稱分布的2個葉片上同時施焊，在焊接過程中，工件始終處于120～預熱狀態。

5 數控加工

不論采用模壓還是鑄造，葉片都必須采用精密數控機床進行加工切削。數控加工是當今世界水輪機轉輪葉片機械加工的發展方向，也是考查其制造水平是否先進的重要標志。它的優點是：型線準確、波浪度小，重量偏差小，表面粗糙度易保證，省去人工鏟磨，簡化靜平衡試驗中的配重。混流式轉輪葉片沒有任何基準的自由曲面，葉片的上冠邊和下環邊坡口空間扭曲較大，坡口角度也不對稱，在數控加工軟件編程方面存在很大難度，在防止正面和背面錯位、提高加工效率等方面也存在很多困難。

為了開發和應用這種先進工藝，解決了曲線設計、復雜曲面擬合、邊界模型建立、四個層次造型功能、刀具與曲面間的干涉修正、刀具最佳優擇、多曲面邊界對刀具運動的約束等課題。還采用曲面造型、刀位計算、后置處理等方法解決了數控加工最為關鍵的編程問題；采用計算機自動三點找正方法解決了正面和背面錯位的問題；采用模擬加工取代試加工，從而縮短了加工時間、提高了加工效率；修改了龍門銑的銑頭后置程序，優選了加工刀具，提高了加工質量和效率。由于引進了裝備有西門子公司840系統軟件包、CAD自動輔助編程、自動誤差補償等系統的德國五軸聯動大型數控龍門銑床，并進一步拓寬了軟件二次開發功能，實現了整臺轉輪葉片的全方位數控加工，其中包葉片的正面、背面、上冠邊、下環邊、進水邊、出水邊等。

6 光學測量

三峽轉輪葉片尺寸巨大、葉片截面樣板長度有限，有許多測不到的型面，必須采用精密光學測量系統。該系統由2臺CCD數碼攝像機、1臺工作站計算機、各種規格的測量光筆、基準校正棒、通訊能源電纜、雷尼紹測量頭、打印機等組成。其測量原理類似于人眼視物，由攝像機攝取實物照片，并根據其二維座標值，利用2個已知三維角度及空間位置的相機，再通過復雜的數字計算就可得也已知點的三維座標值。該系統的優點是：在整個測量過程中始終采用同一個XYZ直角座標系，并可直接同轉輪 CAD理論尺寸相比較。它能對難以測量到的部位進行測量。測量時2臺攝像機的對稱中心夾角應保持在60o到90o之間，而且應同時工作，光探頭應放在需測處。該裝置為便攜式，適合于車間現場和大范圍測量。

7 運輸途徑

大型發電設備尺寸超過陸路運輸中的橋梁、隧道等限制。過去往往采用半分結構，運到電站工地后再將2半組焊成圓。在工地組裝、焊接加工、熱處理等，都須配備相應設備及工藝裝備，難度很大。為了解決這個難題，采取了下述3項措施。

7.1 渤海分廠。 早在1990年就在渤海灣的葫蘆島上建成并投產了東北濱海水電設備大件加工廠(現名為葫蘆島濱海水電大件制造有限責任公司)，由哈電與原渤海造船廠合資興建。組焊加工后經過海上和江上運往電站工地（如三峽）。

7.2 江海聯運。另外一條是由哈市松花江運到撫遠港口，換裝江海聯運船后，經俄羅斯內河到達尼古拉耶夫（廟街）出海（如1000MW火電定子）。

7.3 昆明分廠。在發改委、國資委領導下，已加盟哈電的昆明電機廠正在擴建廠房、安裝現代化大型設備。從大東北到大西南，幾乎穿越全國，縮短運輸距離。水力資源多在大西南。就地制造、就近安裝，縮短了運輸距離，強化了市場競爭實力。

8 結論

在引進技術和設備的基礎上，通過消化、吸收、再創新，國內廠家圓滿地完成了所承包的三峽右岸和地下廠房的14臺機組，所采用的加工設備、工藝裝備、工藝方案等，都是世界公認為最先進的。可用于正在研制的1000MW及以上的巨型發電設備。