關于水電站水輪機制造新工藝的探討

李鑫

摘 要：水輪機轉輪是水利樞紐中水輪機的核心運轉設備，其質量的好壞和加工技術水平的高低直接影響水輪機的運轉效能，文章將對我國水電站中水輪機轉輪的特點以及其施工工藝進行系統論述，主要以三峽水電站作為論述實例，以求能引領水輪機鑄造工藝的新潮流。

關鍵詞：水輪機特點；鑄造工藝；海岸工廠

前言

我國在近些年的水利工程建設過程中取得了舉世矚目的成就，各種規模的水利發電樞紐應運而生，但在水電站不斷完善和建設的過程中，還存在一些制約著水利工程發展的瓶頸，例如一些水電站所使用的設備中大部分還都是上世紀水利工程發展初期留下來的老舊設備，這些設備不僅能耗高，技術含量低，而且已經不適用于當今的行業發展特點，其生產效率也遠遠跟不上先進的生產發展模式，此外，在使用過程中，老舊設備還存在較大的安全隱患，許多設備帶病運轉，無法保證生產的效能。為此，對水電站中的關鍵設備水輪機進行徹底的技術改進和鑄造工藝的改造是刻不容緩的。在此過程中，不乏有較為先進的工藝改造實例，其中，三峽水電站就是十分值得人們借鑒和參考的實例之一。

1 三峽水輪機轉輪的特性

轉輪的鑄造工藝改良是水輪機設備改進的重中之重，這是由轉輪的核心位置所決定的。三峽水電站所使用的轉輪是目前我國最為先進的轉輪設備，較傳統轉輪部件相比，其具有如下幾方面優勢：其一，轉輪的整體結構由不銹鋼作為原材料進行生產制作，而且整個部件呈現整體制作結構，密閉性高，能夠有效防止滲漏現象的發生；其二，轉輪的葉片設計更加科學，其葉片較長也更具流線型，葉片重量較大，使其運行更為穩定，而且該種葉片設計能夠有效平衡水流的速度的壓力，降低對機體的沖擊作用；其三，獨特的泄水錐設計進一步降低水流的壓力和沖擊力，而且其設計與機體主體融為一體，不會發生松動脫落現象，延長了水輪機轉輪的使用壽命。

2 三峽水輪機的主要技術構成

我國三峽水輪機組是目前世界上最大也最為先進的水輪機系統，由于其防洪和發電的需要，使得其水輪機組必須具有強大的功能優勢。轉輪是水輪機運行的核心部件，其質量好壞關乎于水輪機組能否正常發揮其功效。三峽水電站水輪機組的轉輪材料都是使用不銹鋼作為原料，因此，具有極強的抗腐蝕能力，與此同時，其轉輪的運轉效能也是衡量其質量的一項重要指標，三峽轉輪的的重量較大，輸出的額定功率也達到了710MW，其轉輪的葉片也較長，這些因素都決定了該水輪機組具有絕對的功能優勢。

2.1 總體鑄造工藝技術概述

三峽轉輪在整體鑄造過程中具有相當大的難度，對技術水平和鑄造工藝也有非常高的要求。首先，由于其轉輪的質量和葉片的尺寸都較為龐大，因此，對于部件在加工中的運輸和安裝環節提出了一大難題；其次，由于要保證轉輪達到最佳的密封性能和運轉效果，各部件之間的焊接的環節就顯得尤為重要；在此，轉輪的葉片形狀不同于以往傳統的水輪機葉片結構，所以對葉片的材料選擇和制造工藝環節也提出了新的挑戰。另外，在轉輪成型和加工環節，對于工藝施工的標準也十分嚴格。

2.2 葉片成型技術工藝

三峽轉輪的葉片形狀和質量較為特殊，所以其在鑄造過程中需要使用特殊的工藝進行成型處理。壓模成型工藝被廣泛應用與此，該種新型成型工藝具有其他工藝所無可比擬的優勢：其一，壓模成型工藝所生產出的成品質量高，且密閉性能好，不易出現裂縫等瑕疵；其二，成品形狀控制精確，誤差較小，并符合對于葉片的流線型需要；其三，可以根據需要調整厚度，其薄厚變化區間幅度較廣，可以滿足不同鑄造需求；其四，經濟性高，在鑄造過程中不產生多余鑄造流程的花費；同時還有利于后續焊接操作工藝的進行。

2.3 選擇鑄造成型工藝的優點

上述壓模工藝是較為新型的一種成型工藝，在鑄造過程中，除了采用新型壓模工藝之外，還可以通過對傳統鑄造工藝進行加工和改良來達到現代鑄造生產需要。傳統鑄造工藝可以通過以下技術方法進行改良，使之跟上現代化生產步伐。首先，可以在鑄造過程中融入新型計算機操控系統，實現鑄造流程的自動化智能化控制，以提高鑄造質量；其次，采用新型鑄造技術操作方法，提高鑄造精確度；再次，提高鑄造的效率，縮短鑄造之間；最后，要提高鑄造工藝水平，使鑄造出的葉片質量和薄厚均勻，符合使用標準。

2.4 運用數控加工工藝

在水輪機轉輪鑄造中融入數控加工技術不失為鑄造技術發展到一個新階段的里程碑。數控加工工藝可以大幅提高葉片加工的精準性，保證加工的質量，降低加工的誤差，實現了加工控制的自動化。對于混流式水輪機而言，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有很大難度，在防止正面和背面錯位，提高加工效率等方面也存在相當大的困難。在開發和應用數控加工新工藝的10多年歷程中，我公司解決了曲線設計、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、刀具最佳選擇、多曲面邊界對刀具運動的約束等課題。

2.5 焊接新方式

至今為止，轉輪葉片的機器人自動焊接還從未在真機上應用過。三峽轉輪采用這項新工藝在國際上也是首次。應用機器人取代手工焊接的優點是：速度快、質量好、效率高，而且不受人為因素影響。機器人自動焊接設備包括具有轉位和項起功能的變位機、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度對稱分布的2片葉片上同時施焊。

3 部件的安裝和調轉

大型轉輪的起吊和翻身歷來是老大難課題。它要求這項操作保證不損傷工作。然而像三峽轉輪這樣巨大的工件，在起吊并實現翻身這類大回轉動作中保證不變形也是相當困難的。過去對巖灘、五強溪等大型轉輪，是采用在轉輪下環上接近重心位置處焊上大吊耳，再放到翻身架上進行翻身的方法。然而對于可靠性要求特高的三峽轉輪就不允許這樣做，以免引起對工件材質和形狀的影響。所以采用一種加裝工藝性中心軸的新方法，該中心軸裝在上冠內，通過與吊梁連接便可實現起吊。通過中心軸并在翻身支架上更換連桿使其實現翻身。這種新工藝的最大特點是保證不損傷工件。

4 海岸工廠

三峽轉輪尺寸早已超過陸路運輸中的橋梁、隧道等限制。過去對于超大轉輪往往采用分半結構，待運到工地后再組焊成圓。這種工藝方案雖然解決了運輸限制問題，但需在電站工地進行組裝、焊接、加工、熱處理等，并需配備相應工藝裝備及設備，難度很大。為了解決這個問題，早在1990年就在渤海之濱的葫蘆島上建成并投產了東北濱海水電設備大件加工廠，三峽轉輪可在此完工后直接裝船通過海上和長江運往電站工地。這個岸邊工廠由我公司與渤海造船廠合資興建，廠房長160m，寬高各36m，設有320t吊車2臺，+16m負重550t立車1臺，+250鏜床l臺，+12.5m、高7m的鐘罩式退火爐，大型焊接變位機、窄間隙焊機等。除公司承擔的2臺三峽轉輪而外，挪威克瓦納承擔的3臺轉輪也將在這個海岸工廠制造，法國阿爾斯通承擔的3臺轉輪也有可能在此制造。除了三峽機組首批中標的14臺外，今后還有后續的1 2臺三峽機組以及地下廠房追加的6臺機組，以及將來規劃中的龍灘7×600MW、小灣6×700唧、溪洛渡18×700姍等大型水電機組，這些機組的大型轉輪都可以充分利用海岸工廠提供的優越條件。

參考文獻

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