美國(guó)Applegate電站水輪機(jī)蝸殼工藝設(shè)計(jì)分析

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

【關(guān)鍵詞】水輪機(jī)；蝸殼；工藝安排

蝸殼是水輪發(fā)電機(jī)組的主要過(guò)流部件。其功能[1]是將水流從進(jìn)口斷面引入，在出口端形成一定規(guī)律的速度環(huán)量，保證水流進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)之前的均勻狀態(tài)。故蝸殼的內(nèi)表面，是決定水流狀態(tài)的關(guān)鍵。它精度的高低，直接關(guān)系到機(jī)組的水力損失大小和運(yùn)行的穩(wěn)定性。因此，從設(shè)計(jì)到施工的過(guò)程中，內(nèi)表面的光滑程度，是需要研究的主要問(wèn)題。通常情況下，蝸殼的設(shè)計(jì)過(guò)程中，尺寸是經(jīng)過(guò)了水動(dòng)試驗(yàn)來(lái)確定的，且當(dāng)前的三維建模軟件已經(jīng)非常成熟，所以建立光滑流線(xiàn)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(shí)現(xiàn)。而關(guān)鍵的步驟是在施工過(guò)程中，收到工藝安排、操作設(shè)備等因素的限制，往往最終的產(chǎn)品和設(shè)計(jì)要求會(huì)存在誤差，有時(shí)甚至誤差非常大。所以，本文基于美國(guó)Applegate電站的蝸殼設(shè)計(jì)中，著重從工藝性上來(lái)研究產(chǎn)品的生產(chǎn)加工流程，制定出了合理的工藝路線(xiàn)，最終生產(chǎn)出了合格的產(chǎn)品。

1 蝸殼生產(chǎn)方式的確定

美國(guó)Applegate電站的水輪機(jī)形式是混流式機(jī)組。因此，設(shè)計(jì)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(guī)則的光滑流線(xiàn)型曲面（如圖1所示）。因此，在其生產(chǎn)的過(guò)程中，主要采用的方式是將各蝸殼斷面橋接而成的殼節(jié)進(jìn)行展開(kāi)，投影到平面上，再根據(jù)投影平面的尺寸，進(jìn)行下料加工。其生產(chǎn)方式的操作步驟分為：1）根據(jù)電站的參數(shù)（如揚(yáng)程H、流量Q、功率P等），進(jìn)行水動(dòng)試驗(yàn)，將試驗(yàn)確定的尺寸參數(shù)，構(gòu)建出金屬蝸殼的三維流場(chǎng)模型；2）延展斷面之間的殼節(jié)[2]（如圖2所示）；3）將平面殼節(jié)進(jìn)行尺寸定義；4）根據(jù)尺寸生產(chǎn)各殼節(jié)，并焊接成整體。

2 車(chē)床加工方式的確定

蝸殼殼節(jié)的車(chē)床加工方式，主要是體現(xiàn)在內(nèi)表面的加工。因?yàn)閮?nèi)表面是起引流的作用，關(guān)乎機(jī)組的強(qiáng)度、效率以及穩(wěn)定性等。所以，對(duì)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(jī)床受精度限制，會(huì)產(chǎn)生較大誤差。在車(chē)床的選擇上，宜選用高精度加工設(shè)備，且針對(duì)于其主要是平面加工的特點(diǎn)，便可以確定以磨床為主要的加工設(shè)備。因?yàn)槟ゴ驳膬?yōu)點(diǎn)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(lái)說(shuō)加工出的零件表面粗糙度可以達(dá)到Ra0.4。磨床加工確定后，加工的形式擬選擇矩臺(tái)周磨式（如圖3所示）。

3 分瓣形式的選擇

3.1 分瓣特點(diǎn)分析

美國(guó)Applegate電站的混流式機(jī)組的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)輪直徑D較大。由此可知，蝸殼的尺寸更大，且運(yùn)輸路途遙遠(yuǎn)。因此，產(chǎn)品的分瓣是必不可少的條件。待分成幾瓣的產(chǎn)品運(yùn)至電站后，再將其焊接成整體。除尺寸因素外，分瓣的另一個(gè)關(guān)鍵，是確保拼焊后的產(chǎn)品強(qiáng)度依然滿(mǎn)足要求（無(wú)論采用什么措施，拼焊后強(qiáng)度都會(huì)減弱）。所以，如何選擇合理的分瓣方案，必須從以下幾點(diǎn)來(lái)探討：1）避免拼焊時(shí)，焊縫過(guò)于集中，因?yàn)楹缚p越集中[4]，應(yīng)力的集中程度越大，則蝸殼的塑性變形量越大；2）禁止產(chǎn)生十字焊縫；3）焊縫的數(shù)量不能過(guò)多。若無(wú)法滿(mǎn)足上述3個(gè)條件，勢(shì)必導(dǎo)致蝸殼強(qiáng)度，繼而降低其運(yùn)行的穩(wěn)定性。因此，對(duì)于該電站機(jī)組的蝸殼分瓣形式，本文擬采取偏置法。主要實(shí)施步驟為：1）從進(jìn)口斷面開(kāi)始，逐級(jí)定義殼節(jié)順序；2）相鄰的殼節(jié)分瓣不對(duì)心，即采取偶數(shù)殼節(jié)沿截面正中心切割，奇數(shù)殼節(jié)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(huì)出現(xiàn)十字焊縫、且焊縫集中問(wèn)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(wèn)題上，結(jié)合該電站蝸殼的具體尺寸，當(dāng)某一殼節(jié)尺寸能夠滿(mǎn)足運(yùn)輸條件時(shí)，之后的殼節(jié)便都采取整體運(yùn)輸?shù)男问健?/p>

3.2 焊接形式的確定

由上述章節(jié)內(nèi)容可知，蝸殼是由各殼節(jié)焊接而成的整體。且各個(gè)殼節(jié)的存在如下特征：1）由進(jìn)口截面至某一截面（具體由蝸殼的強(qiáng)度計(jì)算確定），殼節(jié)的厚度完全相等；2）以此截面為分界線(xiàn)，之后的殼節(jié)厚度逐級(jí)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(jié)、厚度不等的殼節(jié)分別對(duì)焊的形式，且兩種形式均開(kāi)Y型坡口（如圖6～7所示）。

4 產(chǎn)品數(shù)據(jù)測(cè)試

結(jié)合蝸殼的設(shè)計(jì)參數(shù)，按本文前述的工藝安排流程，完成了產(chǎn)品的生產(chǎn)，如圖8所示。

圖8 蝸殼成品圖

由實(shí)際加工產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，蝸殼的過(guò)流面精度為Ra1.6。且整體流線(xiàn)順滑，整機(jī)的變形量誤差和設(shè)計(jì)理論值相比，≤3mm，滿(mǎn)足圖紙要求。綜上所述，本文對(duì)該機(jī)組的蝸殼工藝流程安排是合理的。

5 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)美國(guó)Applegate電站金屬蝸殼的工藝流程安排上，本文從產(chǎn)品的生產(chǎn)方式、加工方式、運(yùn)輸方式等進(jìn)行了分析，結(jié)合其特點(diǎn)，提出了有針對(duì)性的工藝安排路線(xiàn)。最終，生產(chǎn)出了合格的產(chǎn)品。然而，也應(yīng)該看到，水輪發(fā)電機(jī)組是特別的機(jī)械設(shè)備，各電站存在自身特有的參數(shù)。因此，蝸殼的設(shè)計(jì)要求也不盡相同。故蝸殼生產(chǎn)的工藝流程不能盲目搬用到別的電站產(chǎn)品生產(chǎn)中，只能夠結(jié)合電站的特點(diǎn)和要求，才能編排出有針對(duì)性的工藝流程，生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品。

【參考文獻(xiàn)】

[1]宋文武.水利機(jī)械及工程設(shè)計(jì)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2005.

[2]李學(xué)志，李若松.CATIA實(shí)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社機(jī)電技術(shù)，2004.

[3]張益芳.金屬切削手冊(cè)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2011.

[4]邱宣懷，郭可謙，等.機(jī)械設(shè)計(jì).4版[M].北京：高等教育出版社，2007.

[5]張江華.機(jī)械制造工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[責(zé)任編輯：曹明明]