沖擊式轉輪的現代制造技術

[瑞士] T.魏斯 等

在沖擊式水輪機的研發中,人們進行了不懈的努力。沖擊式水輪機首次獲取專利的時間可追溯到1889年(超過 100 a)。最近,研究工作對理解沖擊式機組的典型水流現象取得了重大成就。由于有水力和機械數字模擬工具的支持,沖擊式水輪機的設計原理和設計技術取得了重大進步。

轉輪是水輪機的核心部件,得益于目前的流體 -結構模擬的進展,至于其性能、費用、安全和運行壽命,可對其設計進行非常精細的優化。轉輪的水力和機械設計是提高產品質量的基礎,但是,對供貨商而言,制造技術和質量控制是相當重要的基礎。圖 1所示表明,沖擊式水輪機能否安全和可靠地運行,其責任不能由供貨商單獨承擔。運行人員也要執行基本的任務,例如保證維修質量、進行定期檢查、防止大顆粒固體的影響等,這些在此不做詳細討論。

在過去幾年中,連續出現了沖擊式轉輪水斗根部區域損壞或裂縫,這是運行人員必須面對的風險和不確定性。因此,在 20世紀 80年代末,安德里茨水電公司開始研發各種先進的轉輪制造技術,利用優質材料保證安全運行(下面討論),在轉輪的整個壽命內,提高電站的可靠性和利用率。

圖 1 沖擊式水輪機安全和可靠生產的關鍵因素

1 轉輪分析的最新進展

安德里茨水電公司的轉輪制造策略通常是采用鍛造圓盤;只有在某些非常特殊的場合,有時也采用鑄造轉輪,如小水電項目。在所有工程中,都需做應力評估,結合流量和機械模擬,用所謂的流體 -結構相互作用(F S I)。對于原型比例的一個不穩定的有限元模擬,采用水斗中的不穩定壓力負荷作為輸入,從中可評估應力和變形情況。然后,對照工程規范,可評估轉輪設計。

對于奧地利蓋洛斯Ⅱ期水電站(6噴咀機組,Hn=615 m,P=140MW,D1=2.600 m,B2=0.755 m),通過原型測量,證明了應力預見的精度。通過布置于水斗根部區域的應變儀,可測量原型機本身的應力。

測量與模擬之間吻合得很好(圖 2)。在 F S I領域的這些最新發展,是保證沖擊式水輪機安全生產和支持水斗優化設計的寶貴財富,它系統地并行考慮了水力和機械這兩方面的問題。

圖2 水斗根部區域用應變儀測量和有限元法計算的結果比較

2 鑄造沖擊式水輪機的風險與不確定性

通常,與其他類型的水輪機相比,沖擊式水輪機發生致命性故障的可能性較大。沖擊式水輪機面臨大量的負荷循環,出現典型的交變應力,因此可快速產生裂縫,使水斗破壞。比如,以下兩種現象可能引起災難。

(1)損壞水斗(甚至更多的水斗)的質量,加上很大的離心力,巨大的動能可損壞水輪機外殼,甚至水輪機周圍物體。

(2)轉子大而突然出現的不平衡質量,不過它僅決定于軸承與軸承支撐的防止水輪機整體破壞的應急能力。

沖擊式水輪機出現這種破壞的可能性是自身固有的,但可通過采用抗疲勞、抗裂縫、抗裂紋擴展的優質材料,減少未探測到的表面以下的鑄造缺陷,使風險最小。20世紀 90年代,盡管要求改進材料質量,但沖擊式水輪機轉輪供貨商仍然是面對設備精良經驗豐富的鑄鋼廠的關閉。當時,安德里茨水電公司率先提出開發制造新技術,改進材料性能。這一進程的推動因素是優質鑄件供應量的減少和由來已久的整體鑄造轉輪裂縫和水斗破壞問題。

3 新制造技術的研發

今天,安德里茨水電公司可以回顧近 20 a來在先進制造技術領域不斷研究與開發的歷程。考慮了沖擊式水輪機鑄鋼轉輪已知的所有問題,對未來的解決辦法簡單而有效;適當的部件采用適當的材料,即最高應力區域采用最好的材料。

在高應力區,即水斗根部區域,可采用全世界公認的不銹鋼 C A 6N M(C r N i 134)鍛造材料。與常規的整體鑄件或鑄造圓環體(鑄造材料的轉輪圓盤)相比,鍛造材料仍然具有明顯的優點,這些優點能夠滿足產品的安全和可靠的要求。在每個制造過程中,負荷大的水斗根部用鍛造圓盤制成,可提高抗疲勞性能,延長使用長壽命。

通過更均勻和更細的微結構,來改進耐腐蝕和疲勞的性能。除了改進微結構的質量外,通過鍛造可以使雜質(如夾渣和內含物)和離析大大降低。根據無損探傷和晶界反射引起煩人的較高噪音水平的事實,意味著要求減少測試次數。另一方面,也降低了檢測小缺陷和內含雜物的可能性。

材料所具備的優點也反映在檢查周期的計算中,它是基于材料特性,如閾應力強度系數 ΔK0和巴黎(P a r is)提出的裂縫增長率 d a/d N應力強度和改進的福爾曼(F o r m a n)公式。

圖 3表示破裂機械特性的相對比較和根據無修理正常運行對檢查周期產生的影響。

圖 3 破裂機械特性的相對比較

可見,鍛造材料轉輪的檢查時間間隔為鑄造材料轉輪的 3倍。

4 安德里茨水電公司應用的制造技術

4.1 微鋪焊接

自 1992年以來,微鋪焊接(M i c r o G u s sTM)專利技術已成功應用于沖擊式水輪機。在 17 a內,已經訂購了約 380個這種轉輪。成功的關鍵是在水斗的根部高應力區域采用鍛造材料,然后通過數控機器人美格(M A G)焊接水斗的外部。320多個轉輪已經投入運行,總運行時間已超過 90億 h,客戶表示滿意。

因為重型鍛件圓盤供貨困難,所以人們提出了一種新的制造方法,即可采用寬度較小的鍛造圓盤。這使圓盤重量大大降低。水斗的其余部分的制作由機器人使用 M i c r o G u s sTM焊接工藝分兩步完成。

4.2 高質量焊接

安德里茨水電公司采用的第 2個解決辦法是高質量的焊接制造工藝,主應力區也采用鍛造材料。在這種情況下,鍛造材料也用于根部,然后,焊接到鍛造或鑄造的水斗上。

因為采用較小的鍛造圓盤,不必考慮轉輪的尺寸和重量的限制問題。

4.3 完全鍛造

自 2003年以來,安德里茨水電公司也開始制造整體鍛造的沖擊式轉輪。因為鍛造材料成本高,這種方法主要應用于制造較小的轉輪。在數控加工過程中,必須將大約 60%～70%的鍛造材料從圓盤上切削下來。

各種制造技術的經濟適用范圍見圖 4。考慮到上述優點,所有采用鍛造圓盤技術的質量水平都很高。

圖4 不同制造技術的經濟適用范圍

應當再次強調,安德里茨水電公司轉輪制造策略是首先應用鍛造圓盤,只有在非常特殊的情況下才應用鑄造轉輪,如小水電工程。

5 前 景

正如上面討論的要點所證明的,成功地應用了鍛造圓盤的沖擊式轉輪是制造技術的一個新里程碑。鍛造圓盤制造的沖擊式轉輪已經證明了它們在安全和實用性方面的可靠性,而整體鑄造轉輪或鑄造材料生產的轉輪圓盤,仍將受到關注。雖在短時期內,在經濟上,制造技術之間可能有差別,但是,對于如沖擊式轉輪這類長期運行的部件,在提供產品可靠性和安全性的高質量方面的投入是第 1位的。

安德里茨水電公司仍在進行研發,以不斷改進。一方面是進一步提高經濟性能,另一方面是改進技術,從設計到發貨的整個過程中,兩者都受到支持。

考慮到性能、安全、制造和成本等各個方面的因素,將在最短的時間內,提供與工程規范相適應的最好的折衷辦法;后者將成為一個關鍵的工程推動力。