美國Applegate電站水輪機蝸殼工藝設計分析

【摘 要】本文闡述了混流式水輪機組蝸殼精度的高低對整機性能的影響。在對美國Applegate電站的金屬蝸殼工藝安排中，以蝸殼三維模型為基礎，分別從車床加工方式、焊接形式等方面進行了工藝安排。最終，按照該工藝流程生產處了合格的金屬蝸殼，為今后類似機組的蝸殼生產工藝的編排，提供了可行性較高的參考依據。

【關鍵詞】水輪機；蝸殼；工藝安排

蝸殼是水輪發電機組的主要過流部件。其功能[1]是將水流從進口斷面引入，在出口端形成一定規律的速度環量，保證水流進入導水機構之前的均勻狀態。故蝸殼的內表面，是決定水流狀態的關鍵。它精度的高低，直接關系到機組的水力損失大小和運行的穩定性。因此，從設計到施工的過程中，內表面的光滑程度，是需要研究的主要問題。通常情況下，蝸殼的設計過程中，尺寸是經過了水動試驗來確定的，且當前的三維建模軟件已經非常成熟，所以建立光滑流線形狀的蝸殼流道模型，也不存在多大的難度。故從理論階段保證其光滑流道的目的不難實現。而關鍵的步驟是在施工過程中，收到工藝安排、操作設備等因素的限制，往往最終的產品和設計要求會存在誤差，有時甚至誤差非常大。所以，本文基于美國Applegate電站的蝸殼設計中，著重從工藝性上來研究產品的生產加工流程，制定出了合理的工藝路線，最終生產出了合格的產品。

1 蝸殼生產方式的確定

美國Applegate電站的水輪機形式是混流式機組。因此，設計的蝸殼是金屬蝸殼，材料為Q345A。其模型的整體形狀是呈彎曲的、非規則的光滑流線型曲面（如圖1所示）。因此，在其生產的過程中，主要采用的方式是將各蝸殼斷面橋接而成的殼節進行展開，投影到平面上，再根據投影平面的尺寸，進行下料加工。其生產方式的操作步驟分為：1）根據電站的參數（如揚程H、流量Q、功率P等），進行水動試驗，將試驗確定的尺寸參數，構建出金屬蝸殼的三維流場模型；2）延展斷面之間的殼節[2]（如圖2所示）；3）將平面殼節進行尺寸定義；4）根據尺寸生產各殼節，并焊接成整體。

2 車床加工方式的確定

蝸殼殼節的車床加工方式，主要是體現在內表面的加工。因為內表面是起引流的作用，關乎機組的強度、效率以及穩定性等。所以，對它的要求是：（1）粗糙度要高；（2）尺寸偏差極小。故普通的加工機床受精度限制，會產生較大誤差。在車床的選擇上，宜選用高精度加工設備，且針對于其主要是平面加工的特點，便可以確定以磨床為主要的加工設備。因為磨床的優點是：（1）以平面加工為主；（2）加工面域較大；（3）加工精度高，一般來說加工出的零件表面粗糙度可以達到Ra0.4。磨床加工確定后，加工的形式擬選擇矩臺周磨式（如圖3所示）。

3 分瓣形式的選擇

3.1 分瓣特點分析

美國Applegate電站的混流式機組的特點是轉輪直徑D較大。由此可知，蝸殼的尺寸更大，且運輸路途遙遠。因此，產品的分瓣是必不可少的條件。待分成幾瓣的產品運至電站后，再將其焊接成整體。除尺寸因素外，分瓣的另一個關鍵，是確保拼焊后的產品強度依然滿足要求（無論采用什么措施，拼焊后強度都會減弱）。所以，如何選擇合理的分瓣方案，必須從以下幾點來探討：1）避免拼焊時，焊縫過于集中，因為焊縫越集中[4]，應力的集中程度越大，則蝸殼的塑性變形量越大；2）禁止產生十字焊縫；3）焊縫的數量不能過多。若無法滿足上述3個條件，勢必導致蝸殼強度，繼而降低其運行的穩定性。因此，對于該電站機組的蝸殼分瓣形式，本文擬采取偏置法。主要實施步驟為：1）從進口斷面開始，逐級定義殼節順序；2）相鄰的殼節分瓣不對心，即采取偶數殼節沿截面正中心切割，奇數殼節則置于正中心以上的一段距離H處的偏置分瓣方式。采取該方案之后，便不會出現十字焊縫、且焊縫集中問題，也得到了有效解決（如圖4、圖5所示）。此外，防止焊縫太多的問題上，結合該電站蝸殼的具體尺寸，當某一殼節尺寸能夠滿足運輸條件時，之后的殼節便都采取整體運輸的形式。

3.2 焊接形式的確定

由上述章節內容可知，蝸殼是由各殼節焊接而成的整體。且各個殼節的存在如下特征：1）由進口截面至某一截面（具體由蝸殼的強度計算確定），殼節的厚度完全相等；2）以此截面為分界線，之后的殼節厚度逐級增大。因此，在焊接工藝的選擇上，本文擬采用厚度相等的殼節、厚度不等的殼節分別對焊的形式，且兩種形式均開Y型坡口（如圖6～7所示）。

4 產品數據測試

結合蝸殼的設計參數，按本文前述的工藝安排流程，完成了產品的生產，如圖8所示。

圖8 蝸殼成品圖

由實際加工產品的質量檢測數據顯示，蝸殼的過流面精度為Ra1.6。且整體流線順滑，整機的變形量誤差和設計理論值相比，≤3mm，滿足圖紙要求。綜上所述，本文對該機組的蝸殼工藝流程安排是合理的。

5 結語

在對美國Applegate電站金屬蝸殼的工藝流程安排上，本文從產品的生產方式、加工方式、運輸方式等進行了分析，結合其特點，提出了有針對性的工藝安排路線。最終，生產出了合格的產品。然而，也應該看到，水輪發電機組是特別的機械設備，各電站存在自身特有的參數。因此，蝸殼的設計要求也不盡相同。故蝸殼生產的工藝流程不能盲目搬用到別的電站產品生產中，只能夠結合電站的特點和要求，才能編排出有針對性的工藝流程，生產出高質量的產品。

【參考文獻】

[1]宋文武.水利機械及工程設計[M].重慶：重慶大學出版社，2005.

[2]李學志，李若松.CATIA實用教程[M].北京：清華大學出版社機電技術，2004.

[3]張益芳.金屬切削手冊[M].上海：上海科學技術出版社，2011.

[4]邱宣懷，郭可謙，等.機械設計.4版[M].北京：高等教育出版社，2007.

[5]張江華.機械制造工藝[M].北京：機械工業出版社，2012.

[責任編輯：曹明明]