丰满项目转轮制造工艺探讨

左建

（松花江水力发电有限公司丰满大坝重建工程建设局）

摘要：从转轮设计优化、叶片铸造工艺、叶片加工工艺、转轮组装焊接工艺等方面论述丰满项目水轮机转轮制造过程。

关键词：水力性能；转轮焊接；模压叶片

丰满水电站全面治理（重建）工程是在原坝轴线下游120米处新建的碾压混凝土重力坝，全长1068米，最大坝高94.5米，水库正常蓄水位263.5米，坝后安装6台单机200兆瓦混流式常规水轮发电机组，加上大坝左岸三期2台单机140兆瓦混流式常规水轮发电机组，总容量1480兆瓦。水轮机转轮由上冠、15张叶片、下环组成，均为高品质的镍镉不锈钢材质，总重量为，178.5吨，转轮进口直径为6708毫米。转轮是水轮机的关键部件，承担正常运行时势能与机械能转换的重要任务，这就对转轮的强度、抗气蚀性能提出了更高的要求。丰满项目是世界首座在原址重建的大型水电项目，其政治历史意义重大，更是以水电项目标杆、国优工程金奖为建设目标，所有部件的设计、制造及安装都必须是精品。

图2缩孔、缩松形成过程图

一、转轮设计优化

根据丰满电厂多年运行数据分析，得出电站运行特点：电站水头变幅较大，最大水头与最小水头的比值为1.61，最大水头与额定水头的比值为1.25，均达到了相近水头段电站统计数据的上限；吸出高度基本不受水头的影响，处于相近水头段电站的最低水平；机组需要频繁在小负荷进行调峰、调频运行。

根据以上特点，本着从电站安全、稳定、可靠运行的需求出发，在合同签订后的两年时间内，共完成四轮共11个实物转轮的改型优化设计方案和2套活动导叶、2套水力通道及模型装置优化方案的水力开发研究、11个方案完整的模型性能验证试验以及3个目标转轮共20多个不同泄水锥的设计和模型试验研究工作，最终得出结论，叶片数量由13个增加为15个，此时的转轮水力性能最佳，其主要优点有如下几个方面：

（1）改善部分负荷工况水力稳定性，拓宽稳定运行范围；

（2）减小运行范围内水流压力脉动；

（3）改善叶片表面压力分布，提高空化性能；

（4）减小应力集中，提高转轮的抗裂纹能力。

二、转轮叶片铸造和加工工艺分析

丰满转轮叶片由两个厂家共同铸造，均采用砂型铸造工艺。其中一家厂家叶片吊把位置设计分布在叶片三个角上，如图1，这种设计对铸造工艺要求极高，特别是吊把位置铸造质量控制难度很高。砂型铸造工艺叶片主要通过控制熔融金属冷却速度来控制铸造质量，由于砂型铸造部件是一次将钢水浇筑到位，在冒口处进行补缩，然后靠室温冷却，冷却顺序为由外到内，如遇到部件厚度突然增大，该部位中心位置冷却凝固速度就较附近厚度较薄区域慢，形成“孤池”，待此“孤池”冷却凝固时已无法得到补缩，导致缩孔、缩松缺陷产生，过程原理如图2。

另外一家厂家铸造时将叶片吊把设计分布在叶片的边缘上，如图3，这种设计有效避免了吊把增加叶片部件局部铸造厚度，使叶片铸件各部位均匀冷却，大幅减少缩孔、缩松等铸造缺陷的产生，过程原理如图4。

图4吊把位置在侧面时的冷却过程

叶片铸件加工也是关键工序。丰满转轮叶片全部采用五轴数控机床加工，外观质量高，对叶片型线控制精准，叶片重量差基本控制在10千克以内，为转轮组装后的平衡性提供了保证。

三、转轮组装焊接

表1：1号机转轮焊前尺寸（半径、开口）

表3：1号机转轮焊前尺寸（叶片进出口角偏差）

转轮焊接组装尺寸检查是控制转轮组装质量的关键步骤，为达到丰满建设局打造精品机组目标，制造厂将整个转轮制造标准在国家规范基础上提高50%，并在标准提高的基础上严格控制组装质量，上冠与下环同轴度、转轮进口开口尺寸、叶片单个开口偏差、叶片平均开口偏差、叶片进口角单个偏差、单个叶片进口角与平均值偏差、单个叶片出口角与平均值偏差、叶片进口节距等关键数据实测结果（表1-4）均满足厂控高标准要求，其中叶片单个开口、叶片进口节距等实测最大偏差仅为国家规范允许值的20%左右，使转轮组装质量提升了一个新台阶。

四、叶片铸造新工艺

随着科技进步，各行各业对电力的稳定性要求越来越高，这就意味着电力设备制造质量仍需突破，而转轮叶片铸造质量是水轮发电机组稳定运行的关键因素。砂型铸造工艺起源较早，技术成熟，目前仍为铸造行业主要铸造方式，但此铸造方法易产生缩孔、缩松等UT缺陷，导致转轮抗气蚀性能、稳定性降低，使用寿命缩短。针对这一问题，电渣熔铸工艺迅速发展，但其对曲面部件铸造有局限性，这也就出现了“电渣熔铸+模压叶片”工艺。

“电渣熔铸+模压叶片”工艺即将电渣熔铸的叶片直板坯，在1000℃左右的高温下，用万吨级水压机压制成设计翼型叶片，这种叶片具备电渣熔铸产品的全部优点：

（1）电渣熔铸属于一种精炼方法，冶金质量比较高，金属比较纯净。

（2）电渣熔铸导叶生产全过程始终在水冷结晶器中自下而上顺序凝固，精炼提纯；夹杂物含量少，金属纯度高；缩松少，缩孔消除，铸件内部质量好，不会产生普通铸造缺陷。

（3）电渣熔铸是在熔渣保护下浇注成型，不产生二次氧化，与真空浇注效果相近。

（4）毛坯精化，减少金属切削消耗，提高了材料利用率。

当然采用电渣熔铸工艺铸造叶片也有缺点，其电耗很高，但对看重产品质量的电力人来说此工艺的优势还是明显的，值得推荐。

参考文献：

《大型混流式水轮机转轮加工工艺》，工业技术出版社，2014

《电渣重熔与熔铸》，东北大学出版社，2002

《水力机械铸钢件检验规范CCH_70-3》，哈尔滨大电机研究所，1999