新翼型混流式水輪機轉輪分瓣方式研究

王振營，李 濤，高海軍，陳建福

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

為適應光伏、風力發電的快速發展，實現“風-光-水”的互補運行，以更多消納電網中間歇性新能源，為此，要求水電機組需具備寬負荷范圍穩定運行的能力。為迎接這一巨大挑戰，哈電近年來陸續開發出多款“風光水互補友好型”混流式水輪機。許多電站由于水輪機轉輪尺寸大，受運輸、現場加工能力等條件的限制，轉輪需要分瓣然后運至工地進行組裝，而這種寬負荷轉輪葉片軸面寬大，葉片翼型曲率變化大且呈雙反C型，這給分瓣轉輪的設計和組焊增加了一定的難度。圖1為傳統葉片與新型葉片翼型對比示意圖，圖2為新型葉片的三維造型俯視圖。

圖1 傳統與寬負荷葉片翼型對比

圖2 寬負荷轉輪葉片-扭曲型（俯視圖）

文章以劉家峽水電站2號機組為例，對增容改造后的寬負荷轉輪的分瓣方式進行研究，以設計出最優的分瓣方案。

1 電站概況和轉輪基本參數

劉家峽水電廠位于甘肅省永靖縣境內黃河干流上，距蘭州市100 km。電廠以發電為主，兼顧防洪、防凌、航運、灌溉和工業城鎮供水等，是我國自主建造的第一座百萬千瓦級大型水電廠。其中2號機組已開始第二輪增容改造，表1為改造后的水輪機轉輪主要參數。

表1 水輪機轉輪主要參數

由于電站安裝廠空間受限且加工設備不完善，轉輪只能在主機廠制造。但劉家峽電站進廠隧洞路面寬度僅4.5 m，新轉輪只能采用分瓣設計、分瓣運輸的方案，在工地組焊成整體。

2 轉輪分瓣方案研究

2.1 國內分瓣轉輪技術概況

由于受運輸、地理、工程投資等條件的限制，混流式水輪機分瓣轉輪設計在國內已有近50年的歷史，是比較成熟的技術。目前國內制造廠轉輪分瓣方法一般采用沿軸線對稱分割或偏心分割的方式，尚無其他分瓣方式的設計制造經驗。表2統計了國內一些電站水輪機轉輪的主要參數和分瓣方式。

表2 國內一些電站分瓣轉輪主要參數

通過表2可以看出，早期的分瓣轉輪大多采用對稱結構，少數采用偏心結構。這兩種轉輪分瓣方式切割葉片數多，加工周期長，焊接變形控制難，工地組焊時焊接應力大。對于長期運行在低負荷或振動區的轉輪很容易產生裂紋，如巖灘、李家峽等。近年來開發建設的大型水電站為了保證轉輪質量，混流式轉輪的制造大多采用工地制造的方式，這就要在工地修建廠房，購買加工設備，增加了制造成本和周期。

傳統的轉輪分瓣面是一個平面，經過轉輪軸線或偏置一定距離，一般會有3~5個葉片被割斷。但隨著我國能源結構的不斷優化和調整，水電機組正由單一“供能”模式向“供能+調能”模式轉變，從而水力設計理念也發生了很大轉變。哈電為劉家峽2號機增容改造開發的寬負荷、高穩定性水輪機轉輪采用15個葉片，轉輪具有以下特點：葉片包角大，軸面長，葉片翼型扭曲。這對傳統的轉輪分瓣技術提出了挑戰，亟須研究出適合這種新型轉輪的分瓣方案。

2.2 劉家峽2號機轉輪分瓣方案設計

轉輪分瓣方案的設計時應重點關注如何減小焊接變形量、降低焊后殘余應力、減少轉輪焊接量，以及加工和焊接實施的難易程度等方面。下面對不同的轉輪分瓣設計方案進行三維建模分析和優劣評價。

2.2.1 方案1

采用傳統的對稱方法，沿軸線對稱分割。以盡量減少切割葉片數和厚度為原則，通過三維設計軟件不斷尋優調整分瓣面的位置，得出方案1見表3，切割位置見圖3。

表3 方案1切割葉片位置及參數

圖3 對稱分瓣切割位置圖

由表3可以得出，針對寬負荷轉輪葉片，采用對稱分瓣方案，切割葉片數多，焊接量非常大，焊接變形量很難控制。同理，偏心分割也面臨同樣的問題。

2.2.2 方案2

遵循不切割葉片原則，上冠采用對稱分割，下環采用階梯式分割。對兩瓣體轉輪在拆裝時葉片頭尾部的干涉區域進行特殊處理，待工地組焊時，進行修補塊填充或長焊，分瓣方案見圖4。

圖4 方案2轉輪分瓣示意圖

由于寬負荷轉輪葉片包角大、翼型扭曲，在分瓣轉輪在拆分和組裝時，上冠側葉片出水邊存在大量的干涉區域，具體尺寸詳見表4。

表4 方案2干涉區域主要參數

為便于裝焊，修補塊尺寸要適當大于干涉區域，設計最小寬度約為100 mm。其中1號、2號、9號葉片在三維設計時，數模中去除修補塊，數模和修補塊分別鑄造和數控加工。以1號葉片為例，修補塊造型見圖5。

圖5 1號葉片修補塊

綜上，與方案1相比，方案2大大減少了焊接量，但是增加了修補塊的鑄造、加工和焊接等工序。3個修補塊的長度都比較狹長，在進行修補塊與葉片本體、修補塊與上冠焊接時，焊接實施難度較大，葉片翼型很難保證。該區域處在高應力區，工地焊接完成后無法退火（電站安裝間沒有退火爐），為今后轉輪產生裂紋埋下隱患。

2.2.3 方案3

針對寬負荷轉輪葉片翼型，且葉片數為奇數，上冠若采用對稱分瓣，雖然有利于分瓣轉輪在工地組焊定位和控制周向變形量，但是切割葉片數多、焊接量大，焊接過程中很難控制葉片的變形量，對轉輪水力性能的影響程度無法預知。這就迫切需要研究出新的、更優的轉輪分瓣方式。

通過三維不斷模擬分析得出方案3：上冠進口區域、懸式法蘭區域對稱分割，靠近泄水錐側沿流道折線切割；下環階梯式分割。方案3轉輪分瓣方式見圖6。

圖6 方案3轉輪分瓣方式

方案3具有如下特點：

（1）上冠分瓣面不是一個平面，完全避開了15個葉片，因此葉片在整個組裝和焊接過程中都是整體的，較好地保證了核心部件葉片的完整性；其中1號、9號葉片頭部在分瓣轉輪組拆時與上冠有干涉，干涉尺寸見表5。

表5 方案3葉片干涉區域主要參數

由表5可知，干涉區域不大，對1號和9號葉片可在數模設計時將干涉區域去除，并留2 mm余量。該區域位于轉輪進水邊，易于焊接操作，待工地分瓣轉輪組裝好，將該區域焊接滿。

（2）分瓣面在上冠和下環上，這是低應力和低循環載荷區，轉輪上所有高周疲勞高應力區的焊縫都在主機廠完成，熱處理設備完善，能夠有效降低轉輪內部殘余應力，有利于轉輪質量控制。

（3）在不切割葉片的前提下，盡量增加對稱分瓣面的長度，可為后序裝焊定位創造了有利條件。在這種非對稱分瓣轉輪的制造、裝焊過程中，上冠進水邊側的對稱分瓣面將起到非常關鍵的定位作用。

（4）焊接量和焊接操作難度明顯降低，但上冠合縫面加工難度增加了。

3 分瓣轉輪制作關鍵點

3.1 上冠分瓣面坡口設計

上冠分2瓣分別鑄造，經粗加工并探傷合格后參加裝配焊接。

由于上冠、下環分瓣面厚度較大，為減小焊量和控制變形，分瓣面部分區域增設大鈍邊，即部分清根焊透。上冠、下環分瓣面坡口大鈍邊（陰影區域）位置見圖7。根據斷裂力學理論，采用有限元分析計算，對焊透部分（預裂紋）在交變應力作用下產生擴展的趨勢和程度進行評估。計算結果表明，分瓣面上的預裂紋在啟/停機工況和正常運行工況下，裂紋的應力強度因子的幅值小于材料的臨界應力強度因子幅值門檻值，并有一定的安全系數。預裂紋擴展的趨勢和程度很小，可以保證劉家峽2號機轉輪在全壽命周期內長期穩定運行。

圖7 上冠、下環分瓣面坡口大鈍邊位置

通過優化分瓣面坡口形式（見圖8）并增設大鈍邊 ，既保證了焊接質量，提高了焊接效率，又達到了降低焊接成本的目標，大大縮短了分瓣轉輪的生產周期。

圖8 上冠分瓣面坡口形式

3.2 下環切割分瓣

下環為整體鑄件，在分瓣面位置預制溝槽，經粗加工后參加裝配焊接。在裝配前，使用UT探傷儀測量預制溝槽后下環剩余厚度，確認剩余厚度在30~40 mm之間。下環階梯式分割時，應保證分瓣面與葉片本體有一定距離，避開葉片與下環的焊接圓弧。

3.3 分瓣轉輪廠內裝焊、拆分

由于上冠為非對稱分割，裝焊時應對兩瓣體注意區分并進行編號，如A瓣體、B瓣體。為消除轉輪拆分時的平移干涉，1號、9號葉片已進行了特殊處理，因此兩葉片需裝焊在基于A或B瓣體的指定位置。

葉片裝焊時以上冠外側對稱分瓣面為基準，首先對1號或9號葉片進行定位。圖9為1號、9號葉片相對于上冠瓣體和下環的定位示意圖。

圖9 轉輪裝焊位置示意

轉輪裝焊時應嚴格保證上冠、下環的分瓣面避開葉片本體及焊接圓弧，在焊接過程中密切監測1號、9號葉片與上冠的間隙，確保分瓣轉輪廠內拆分順利。

由于兩瓣體轉輪葉片存在相互交錯，在拆分時應制定嚴格的工序，避免劃傷流道。拆分工序如下：

（1）使轉輪處于正放工位，根據三維設計給出的單瓣轉輪重心位置，每瓣轉輪使用3件支墩支撐。使用UT探傷儀測量下環厚度，在下環過流面標記出分瓣面的實際位置，對合縫面附近的流道進行防護，盡可能避免后續拆分時的飛濺、熔渣損傷精磨表面。

（2）在上冠合縫螺栓處于把緊狀態下，拆除下環合縫位置工藝搭板，根據操作位置及空間大小，使用等離子切割或碳弧氣刨的方式，沿分瓣面標記線將下環分瓣面沿預制溝槽割開，割開后，測量并記錄下環分瓣面的實際間隙值，作為后續分瓣面長焊的尺寸依據，拆除上冠合縫螺栓，拆除上冠非過流面合縫處工藝搭板。

（3）使用兩件長度相同的鋼絲繩，將橋機主鉤分別與單瓣轉輪上冠非過流面靠近合縫的兩件吊耳連接；使用1件鋼絲繩，將橋機副鉤（額定載荷不低于30 t）與單瓣轉輪上冠非過流面遠離合縫的1件吊耳連接。

（4）使用千斤頂頂升待起吊瓣轉輪，頂升高度以剛好可以撤除下環下方墊板為宜，撤除墊板。

（5）緩慢提升橋機主鉤、副鉤，使鋼絲繩繃緊，使轉輪處于懸空狀態，確保兩瓣轉輪互相之間不發生碰撞，水平移動起吊瓣轉輪，直至兩瓣轉輪徹底分離。

4 結語

分瓣轉輪的焊接技術要求高，焊接質量嚴，應力和變形控制復雜。通過對劉家峽2號機轉輪分瓣方式的研究，提出了一種新的轉輪分瓣方式，大大提高了轉輪的制造質量。目前劉家峽2號機分瓣轉輪在廠內已完成組焊，各部位的變形量均在允許的公差范圍內。這標志著我國大型分瓣轉輪制造技術的又一進步，同時也為今后類似大型轉輪的制造奠定了基礎。