高水頭小型水輪機轉輪的設計制造優化

李 正, 王 威, 李榮生

（哈爾濱電機廠有限責任公司, 哈爾濱 150001)

1 前言

高水頭小型混流式水輪機轉輪尺寸小、結構緊湊，內部空間狹窄，制造難度很大。如何在兼顧機組性能、制造難度和質量控制的前提下進行綜合優化設計，是近年來各水輪機生產廠家難于破解的問題。

哈爾濱電機廠有限責任公司制造了多臺高水頭、高轉速水輪發電機組，比如：魯布革、漁子溪、石板、波羅、大七孔、金漢拉扎、馬鹿塘二期、瑞麗江、南椏河等。其中的大七孔和金漢拉扎電站轉輪，由于其水頭、轉速高、尺寸小，設計制造難度很大。大七孔電站轉輪（轉輪直徑為1.2m）設計上采用了上冠、下環、葉片均為兩部分制造的組合結構方式，基本上解決了轉輪內部空間狹小無法焊接操作的問題。在總結大七孔電站轉輪設計制造經驗的基礎上，又成功地設計制造了難度更大的金漢拉扎電站轉輪。

盡管近年轉輪的制造技術在不斷進步，如果設計考慮不周，對于直徑較小的高水頭轉輪，受空間條件的限制，制造質量仍然難于保證。本文以金漢拉扎電站轉輪為例，對小型高水頭水輪機轉輪的設計制造優化提出一些建議和看法，為相近電站轉輪的設計者提供參考。

2 高水頭小型水輪機的選型設計

300～450m 水頭段的大、中型水輪機一般采用混流式機組，小型水輪機受尺寸限制往往選擇沖擊式機組，能否也采用混流式機組一直是近年水輪機設計人員探討研究的課題。

高水頭混流式水輪機較沖擊式水輪機相比具有以下一些優點：

（1）混流式機組尺寸小，轉速高，機組造價比沖擊式低；

（2）混流式機組能量指標高，效率比沖擊式略高；

（3）混流式機組水頭利用好，可部分回收尾水管的動能。

（4）沖擊式轉輪承受交變載荷，容易疲勞損壞。

（5）混流式水輪機在運行控制方面比沖擊式更容易。

因此在同樣的水頭下，如果能保證制造質量，應該優先選擇混流式機組，表1列舉了一些國內典型的高水頭、高轉速小型混流式機組。

從表中可以看出，金漢拉扎水電站不僅為目前國內水頭較高(最高水頭420m)的混流式水輪機，也是高轉速機組（額定轉速不低于750r/min）中單機容量較大的小型混流式水輪機（單機容量 29MW），因此，機組的設計開發和制造具有非常大的難度和較高的挑戰性。

3 金漢拉扎電站水輪機轉輪的設計

3.1 轉輪水力設計

一些高水頭電站受轉速的限制，為了保證高水頭單位轉速避開背面脫流區域，不能選取相對較小的轉輪直徑，這就要求模型轉輪具有較小的單位流量。

對于直徑較大的轉輪來說，水力設計優化原則是：增加葉片數、降低導葉高度、適當縮小轉輪出口直徑、調整葉片型線和安放角度。這些措施對降低單位流量是比較明顯的。

對于直徑較小的轉輪，增加葉片數不是理想的方案。更為理想的方案是在保證性能參數的前提下，最大限度地增加轉輪的操作空間。通過控制轉輪的葉片數來保證合理的操作空間，通過縮小轉輪出口直徑達到減小單位流量的目的，這樣既不會增加成本，又降低了轉輪的制造、加工和檢修維護的難度。

金漢拉扎電站水輪機最大水頭 420m，額定功率29MW，當選取額定轉速750r/min時，為了避開葉片進水邊高水頭背面脫流區，轉輪直徑不宜低于1.65m，最高水頭的單位轉速為60r/min，對應的單位流量非常小，為 0.157 m3/s。在此之前，尚未見到國內實際應用的模型轉輪單位流量低于0.18 m3/s的先例。因此，金漢拉扎電站水輪機選型設計和水力設計均為較大的難題。既要克服單位流量小的困難，又要保證機組能夠安全穩定運行。

受工期的限制，合同中約定不做模型試驗。為了使轉輪達到預期的性能，根據使用的單位流量和參數匹配的情況，采用在已有相近轉輪的基礎上通過CFD優化改進的方案。基礎轉輪的葉片數為17片，進出口直徑的比值為0.70，導葉相對高度為0.1。考慮到再降低導葉高度，裝焊難度會急劇增加；若轉輪進出口直徑的比值改動較大，轉輪的性能也不容易控制。最終采用增加 2個葉片進行改型達到降低單位流量的目的。在原型機制造過程中，為了能夠驗證機組的性能，補做了模型試驗。模型試驗和機組制造的情況反映出：通過增加葉片數降低了單位流量，水輪機達到了預期的性能，但由于葉片數的增多，轉輪上冠、下環以及葉片之間的空間非常狹小，上冠處葉片開口只有19mm，給轉輪的焊接、加工、探傷、檢查等工作帶來非常大的難度。

表1

3.2 葉片材料選擇

對一些流道狹長的高水頭小型水輪機轉輪，鑄造轉輪的鏟磨序難于實現，只能采用焊接方式。

一般情況下鋼板較鑄件的機械性能好，化學成分穩定，鋼板制成的葉片抗空化和泥沙磨損能力比鑄造葉片好。自70年代，不少國家采用鋼板熱彎成型的技術制造葉片，比如挪威克瓦納公司、瑞典的諾哈弗公司、日本的日立公司、及蘇聯列寧格勒金屬工廠等。

采用這種方法制造水輪機葉片，較鑄造鏟磨的葉片相比，不但優化了葉片材料的內在質量，使葉片的抗磨蝕和泥沙磨損性能得到提高，還縮短了制造周期，降低了材料和人工成本。

因此在能選擇到合適鋼板，并有成熟設計制造技術的前提下，采用鋼板熱彎成型制造葉片是降低成本、提高質量的有效途徑。金漢拉扎電站轉輪采用組焊結構，葉片材料采用的是0Cr13Ni5Mo不銹鋼板。

3.3 轉輪上冠結構和葉片坡口的結構設計

金漢拉扎電站轉輪流道狹長，葉片出水邊(上冠側)間距非常小，最小開口只有 19mm，基本不具備焊接操作空間，焊接質量無法保證。向進水邊方向延伸200mm，開口為40mm左右，基本可以進行焊接操作，也就是說在葉片(上冠側)距出水邊200mm范圍內的焊縫都存在焊接操作空間受限的情況。為保證焊接操作空間，結構設計上采取了以下措施：

（1）上冠分為內外兩個環的組合結構，見圖1。

（2）葉片焊接坡口分為三段，從出水邊起第一段在葉片背面開單側坡口，第二段在葉片正面開單側坡口，第三段為雙側坡口，這樣的坡口組合可以獲得最大的操作空間。

圖1 金漢拉扎電站轉輪

4 金漢拉扎電站水輪機轉輪的制造

4.1 葉片的成型

近年，許多水輪機在運行過程中出現了嚴重的葉片裂紋和空蝕現象，迫使人們對葉片的材料、型線、尺寸及制造精度要求逐漸提高，這也是近年來制造技術的攻關重點。轉輪葉片制造質量的高低，直接反映了水輪機制造水平，各制造廠家為了減少葉片型線偏差，提高葉片質量，不斷改進制造工藝，在技術上取得了許多創新和突破。

水輪機的葉片型線的質量往往取決于葉片成型方式，合理選擇葉片成型方式，可以使葉片型線質量達到高標準的要求。葉片成型有以下幾種方式：

（1）鑄造鏟磨葉片

早期水輪機轉輪葉片制造，一直采用鑄造加手工砂輪鏟磨和立體樣板的傳統工藝方法來完成。葉片型面精度難以保證，型線誤差大，同臺轉輪葉片之間重量偏差也大，用這種技術生產出的葉片難以滿足當前的技術要求，不利于機組的穩定運行。

（2）精煉鑄造和數控加工聯合應用

精煉鑄造和數控加工的葉片整體質量較普通鑄造鏟磨葉片有了很大提高。一方面，通過 VOD精煉技術達到了控制葉片鑄件化學成分的目的，提高了葉片鑄件質量，同時，采用數控加工可以使葉片型線達到令人滿意的程度。

（3）鋼板熱彎成型葉片

近年來，為提高水輪機轉輪葉片的材料質量和葉片型線的一致性，降低鏟磨量，一些廠家先后采用了鋼板熱彎成型葉片。鋼板熱彎成型試制過一次模壓、二次模壓、或焊接板坯一次模壓、焊接板坯二次模壓等。天生橋II級、滿臺城兩江、石板、漁子溪改造、大七孔、緬甸邦朗、萬家寨大泵、馬鹿塘二期、瑞麗江、金漢拉扎等電站轉輪葉片均使用了鋼板熱彎成型制作技術。

鋼板熱彎成型葉片平面展開和厚度分布是一個復雜問題。盡管隨著計算機技術的應用和發展，使得三維空間曲面葉片的設計和展開漸趨完善，但仍有一些問題沒有得到解決。比如，葉片在熱彎成型的過程中，會有一定的塑性變形和水平漂移，葉片壓制后還會有回彈的問題，并且在加熱的過程中，葉片的表面也有一層氧化層，壓制后需要通過鏟磨來處理，這些因素在一定程度上影響了葉片型面的質量。

（4）鋼板熱彎成型與數控加工的聯合應用

首先對鋼板進行熱彎成型，正背面留有一定的加工余量，然后對葉片進行全方位（包括工作面、背面、進出水邊、上冠、下環及焊接坡口）的數控加工，這種方法是目前控制葉片型線，并同時保證葉片材料質量的最好方法之一。采用熱彎成型后數控加工的葉片重量偏差遠遠小于直接熱彎成型的葉片。

隨著數控加工設備和技術的不斷進步，三軸數控龍門銑床被大量采用。由于其設備價格低、維護方便、工時費用低，所以葉片加工成本大幅度降低，另外，三軸數控龍門銑床采用高轉速棒式銑刀、排刀密，排刀之間的波峰波谷差值小，使后序的鏟磨量大大減少，總體效率得到提高。故采用鋼板熱彎成型與數控加工聯合應用的方式制造高水頭混流式葉片的方法是較好的。

金漢拉扎電站1號轉輪葉片采用鋼板熱彎模壓一次成型的制造方式，發現難度遠遠超過預期，檢測結果葉片成型不好，超標項較多。原因是轉輪流道狹窄，葉片板坯狹長，厚度變化較大，最厚處為 40mm，最薄處不到 10mm，并帶有翼型，成型過程中葉片有橫向漂移、回彈量大，由于加熱溫度較高葉片表面產生一層氧化層，這些因素造成葉片成型后與葉片理論曲面型線差別較大，后來經過多次模壓、反復矯形才勉強合格。

總結金漢拉扎電站 1號轉輪制造的經驗教訓，2號轉輪葉片采用鋼板熱彎成型與數控加工聯合應用的制造方式，轉輪葉片一次合格，型線和表面質量得到了大幅度地提高，滿足了標準的要求。

4.2 轉輪的焊接

（1）裝配工具和裝焊順序的選擇。

金汗拉扎電站轉輪體積小，葉片狹長，裝配精度要求高，不適合葉片插裝的傳統裝配方法。為保證轉輪裝配質量，實際操作中采用了上冠、下環定位裝置和刮板中心架等裝配工具，檢查工具采用的是葉片進、出口角檢查樣板和樣板架。

經過反復論證，轉輪裝焊順序如下：轉輪上冠內、外環固定一起，在定位裝置上完成轉輪上冠、葉片，下環的第一次裝配后，拆掉上冠外環和轉輪下環，制作拉筋固定轉輪葉片；完成轉輪葉片與上冠內環焊縫的焊接；裝焊轉輪下環；裝焊裝輪上冠外環。焊縫探傷、鏟磨等序在轉輪焊接后交叉進行。這樣的裝配順序可以最大地獲得轉輪葉片出水邊焊縫的操作空間。

（2）焊接方法和焊材選擇

受金漢拉扎電站轉輪內部操作空間限制，葉片焊接坡口分為三段，第一段靠出水邊側的 100mm焊縫為單側坡口，開在葉片背面，用鎢極氬弧焊（焊接材料為HS13-5L）打底焊，然后用熔化極氣體保護焊（焊接材料為 HS13－5L）焊接，葉片正面用手工電弧焊（焊接材料為G367M）焊接圓角，這段焊縫不進行清根，做PT探傷；第二段在距出水邊100～200mm范圍內的坡口也為單邊坡口，開在葉片正面，坡口角度加大到60°，操作空間在30～40mm，這段焊縫用手工電弧焊（焊接材料為G367M）焊接坡口和圓角，焊縫不進行清根，做 PT探傷；第三段焊縫為雙面坡口焊縫，焊接方法為熔化極氣體保護焊（焊接材料為HS13-5L），焊縫要求清根焊透，做PT、UT探傷。這樣，在進行坡口焊接時是有相應的操作空間的，在操作空間受限的位置只進行過渡圓角的焊接；在坡口設計和焊接方法的選擇上最大限度保證了焊縫質量。

（3）焊縫表面缺陷的修復

轉輪焊接后，在距葉片出水邊 100mm范圍內，葉片上冠側正面圓角焊縫出現較多的點狀焊接缺陷（夾渣和氣孔），該位置操作空間僅有19～30mm，缺陷修復難度很大。因缺陷是不連續的點狀缺陷，手工電弧焊起弧難，不適合進行缺陷修復；采用改進后的氣保焊焊槍進行缺陷返修，即用φ12mm的銅管代替保護氣套管和導電桿磨細后的新焊槍，同時也要求焊工有相當高的操作技能，最終首臺轉輪歷時1個月，次臺轉輪歷時半個月完成了該處焊縫表面缺陷的修復工作。

（4）焊接時間的控制。

由于轉輪葉片坡口之間距離較小，焊接過程中應控制焊接時間，若焊得太快，勢必產生較大的變形，開口、節距、型線等關鍵尺寸均不易得到保證。

5 高水頭混流式小型水輪機轉輪設計制造優化建議

根據金漢拉扎電站1號、2號轉輪制造過程中出現的問題，結合以往轉輪的設計和制造經驗，對高水頭混流式小型水輪機轉輪設計制造提出以下優化建議：

（1）選型設計

選用高水頭混流式水輪機比沖擊式水輪機有以下一些優點：造價低、效率高、能量指標高、水頭利用好，可部分回收尾水管的動能，運行控制簡便。

（2）在水力設計階段考慮制造的可行性。

在保證性能參數的前提下，水力設計時應當優先考慮最大限度地增加轉輪內的操作空間。對于小尺寸轉輪，控制葉片數量，適當縮小轉輪出口直徑是比較合理的選擇，既降低了制造難度，也降低了成本。

（3）良好的質量控制

高水頭混流式小型轉輪內部操作空間狹小，若轉輪遭到破壞后，將難于修理，因此，制造階段應嚴格過程控制，把好質量關，盡量消除今后可能造成隱患的因素。

（4）轉輪結構設計

高水頭小型轉輪葉片之間的空間非常狹小，為了方便焊接和鏟磨，上冠可采用內外（或上下）環結構。葉片焊接坡口根據操作空間大小，可分成數段，采用不同的坡口形式。

（5）葉片制造

轉輪葉片一般帶有翼型，厚薄差別大，給熱彎成型過程帶來非常大的難度，僅靠熱彎成型，不僅型線的質量難于保證，也增加了轉輪裝焊時的難度。建議采用鋼板熱彎成型與數控加工聯合應用的制造方式。

（6）葉片材料

采用機械性能好，化學成分穩定的不銹鋼板，可提高葉片的抗空化和泥沙磨損能力，避免鑄造缺陷發生，也是轉輪降低成本、提高質量的有效途徑。

[1]朱邦材. 水輪機葉片成型工藝對精度的影響[J].大電機技術, 1999, (2): 52-56.

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