哈爾濱大電機(jī)研究所 童文波

作為重大裝備制造業(yè)的大型發(fā)電設(shè)備，設(shè)計(jì)起來很難，制造出來更難。世界流行的“諾浩”（Know how），直譯為“知道怎么做”，轉(zhuǎn)譯為“訣竅”，現(xiàn)在俗稱為“核心技術(shù)”，是絕對保密的，要求自主創(chuàng)新發(fā)明，花錢是買不來的。三峽右岸機(jī)組國內(nèi)中標(biāo)、承包制造，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。采用的許多先進(jìn)工藝，達(dá)到甚至優(yōu)于國外先進(jìn)水平，且可用于正在開發(fā)的1000MW級巨型發(fā)電設(shè)備。

1 加工難度

發(fā)電設(shè)備中最關(guān)鍵的是轉(zhuǎn)輪，首批中標(biāo)的三峽左岸14臺(tái)機(jī)組中有5臺(tái)采用熱彎模壓成型，有9臺(tái)采用鑄造成型，最后皆經(jīng)數(shù)控加工。其轉(zhuǎn)輪由上冠、下環(huán)和葉片三部分組成，有15個(gè)葉片，但形狀奇特，呈“X”型。其特點(diǎn)是：①接近于梯形的每個(gè)葉片的2個(gè)對角上翹，其余2個(gè)對角則下彎；②葉片與上冠的接觸邊比其與下環(huán)的接觸邊長；③15個(gè)葉片的出水邊不在同一軸截面上，呈空間曲面。

由于電站水頭變化范圍很大，最大值(113m)與最小值(61m)之比高達(dá)1.852倍，容易引起機(jī)組運(yùn)行的不穩(wěn)定，而采用該型葉片的轉(zhuǎn)輪可以解決這個(gè)問題，但加大了制造難度。

2 熱彎模壓

轉(zhuǎn)輪直徑10.6m、高5.06m、重達(dá)445t，屬當(dāng)前世界之最。轉(zhuǎn)輪制造最關(guān)鍵部分是葉片，它具有復(fù)雜的空間曲面，表面又呈流線型，斷面又不斷變化，加工難度很大。

相對于傳統(tǒng)的鑄造工藝，采用厚鋼板過巨型壓模熱壓來使葉片成型的方法是最近幾年新開發(fā)的先進(jìn)工藝。它的優(yōu)點(diǎn)是：①材質(zhì)好。不存在鑄造時(shí)難免出現(xiàn)的疏松、縮孔、夾渣、偏析、砂眼、針孔等缺陷；②厚度薄。采用鋼板坯材，可使葉片厚度相對減薄到220mm（若用鑄件，可達(dá)300mm以上）；③型線好。采用成型模具熱壓，能保證葉片型線準(zhǔn)確，重量偏差可控制在2%～3%范圍內(nèi)，型線誤差可控制在2mm以內(nèi)，而鑄件則遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如；④余量小。鋼板模壓留給數(shù)控切削加工的余量只有10mm～12mm，如果鑄造，即使余量再大也難免出現(xiàn)變形、黑皮等。⑤花費(fèi)少。鑄造須用木模圖等，需多花費(fèi)50～120萬美元，而鋼板模壓則不必；⑥可焊性好。鋼板以焊接性能優(yōu)于鑄件；⑦鏟磨量小。

3 鑄造成型

傳統(tǒng)的鑄造工藝雖然在許多方面比不上熱彎模壓工藝，然而鑄造工藝的不斷革新和現(xiàn)代化則又當(dāng)別論。例如，①采用葉片澆注全過程的計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)便可優(yōu)化鑄造工藝，加之采用爐外精煉新技術(shù)，可使型砂鑄造葉片毛坯的質(zhì)量大為提高。②采用現(xiàn)代化精密鑄造工藝，如電渣重熔鑄造法，不僅可使鑄件任一方向的強(qiáng)度達(dá)到較高值，而且可大大減小所留存的加工余量。③鑄造周期較短、成本較低，而鋼板模壓則與此相反。④鑄件強(qiáng)度均勻，而鋼板是沿軋制方向的強(qiáng)度高，但其斷面尤如多層薄餅狀，沿其軋制的垂直方向強(qiáng)度就差些?，F(xiàn)代化鑄造工藝達(dá)到的新水平，促使許多廠商仍然對其青睞，何況還有利于綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的提高。

4 焊接工藝

焊接工藝的制定是在美國ASME標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上完成的，其中包括焊接方法、預(yù)熱溫度、頭形式、保護(hù)氣體、試件尺寸及厚度、焊接規(guī)范及熔敷金屬的過渡形式、熱處理循環(huán)、無損傷檢驗(yàn)、試件取樣及力學(xué)性能的試驗(yàn)方法、評定標(biāo)準(zhǔn)等。

4.1 人工焊接

選用了數(shù)字脈沖半自動(dòng)氣體保護(hù)焊機(jī)，電源采用微機(jī)數(shù)控式逆變，輸出穩(wěn)定，根據(jù)焊接電流的變化自動(dòng)調(diào)整最佳的脈沖頻率，可以彌補(bǔ)焊工在操作技能上的某些不足。電源內(nèi)置多種焊接程序：有專用于不銹鋼材料的；也可根據(jù)焊絲直徑、焊接方法、焊接材料設(shè)置焊接程序，以調(diào)節(jié)焊接電源的脈沖頻率。由于轉(zhuǎn)輪流道較長，特殊配置了加長電纜，送絲穩(wěn)定。

4.2 機(jī)器人焊接

三峽轉(zhuǎn)輪采用機(jī)器人自動(dòng)焊接新工藝在國際上也是第一次，應(yīng)用機(jī)器人取代手工焊接的工作量約占總焊接量的40%以上，其優(yōu)點(diǎn)是：速度快、質(zhì)量好、效率高，而且不受人的因素影響，比如人眼視力錯(cuò)覺、體力疲勞、精神波動(dòng)等對操作的影響。機(jī)器人自動(dòng)焊接設(shè)備包括具有轉(zhuǎn)位和頂起功能的變位機(jī)、埋弧焊機(jī)器人及相應(yīng)軟件等。其軟件可對六個(gè)軸進(jìn)行編程，能對焊槍位置和狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確控制。焊接參數(shù)設(shè)置于焊接程序控制器中。為顯示焊接編程路徑，提供了兩個(gè)編程座標(biāo)平面的圖形界面。焊接時(shí)采用單極雙實(shí)心焊絲。為了控制焊接變形，采用2臺(tái)機(jī)器人在轉(zhuǎn)輪上相隔180～對稱分布的2個(gè)葉片上同時(shí)施焊，在焊接過程中，工件始終處于120～預(yù)熱狀態(tài)。

5 數(shù)控加工

不論采用模壓還是鑄造，葉片都必須采用精密數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工切削。數(shù)控加工是當(dāng)今世界水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片機(jī)械加工的發(fā)展方向，也是考查其制造水平是否先進(jìn)的重要標(biāo)志。它的優(yōu)點(diǎn)是：型線準(zhǔn)確、波浪度小，重量偏差小，表面粗糙度易保證，省去人工鏟磨，簡化靜平衡試驗(yàn)中的配重。混流式轉(zhuǎn)輪葉片沒有任何基準(zhǔn)的自由曲面，葉片的上冠邊和下環(huán)邊坡口空間扭曲較大，坡口角度也不對稱，在數(shù)控加工軟件編程方面存在很大難度，在防止正面和背面錯(cuò)位、提高加工效率等方面也存在很多困難。

為了開發(fā)和應(yīng)用這種先進(jìn)工藝，解決了曲線設(shè)計(jì)、復(fù)雜曲面擬合、邊界模型建立、四個(gè)層次造型功能、刀具與曲面間的干涉修正、刀具最佳優(yōu)擇、多曲面邊界對刀具運(yùn)動(dòng)的約束等課題。還采用曲面造型、刀位計(jì)算、后置處理等方法解決了數(shù)控加工最為關(guān)鍵的編程問題；采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)三點(diǎn)找正方法解決了正面和背面錯(cuò)位的問題；采用模擬加工取代試加工，從而縮短了加工時(shí)間、提高了加工效率；修改了龍門銑的銑頭后置程序，優(yōu)選了加工刀具，提高了加工質(zhì)量和效率。由于引進(jìn)了裝備有西門子公司840系統(tǒng)軟件包、CAD自動(dòng)輔助編程、自動(dòng)誤差補(bǔ)償?shù)认到y(tǒng)的德國五軸聯(lián)動(dòng)大型數(shù)控龍門銑床，并進(jìn)一步拓寬了軟件二次開發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)了整臺(tái)轉(zhuǎn)輪葉片的全方位數(shù)控加工，其中包葉片的正面、背面、上冠邊、下環(huán)邊、進(jìn)水邊、出水邊等。

6 光學(xué)測量

三峽轉(zhuǎn)輪葉片尺寸巨大、葉片截面樣板長度有限，有許多測不到的型面，必須采用精密光學(xué)測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由2臺(tái)CCD數(shù)碼攝像機(jī)、1臺(tái)工作站計(jì)算機(jī)、各種規(guī)格的測量光筆、基準(zhǔn)校正棒、通訊能源電纜、雷尼紹測量頭、打印機(jī)等組成。其測量原理類似于人眼視物，由攝像機(jī)攝取實(shí)物照片，并根據(jù)其二維座標(biāo)值，利用2個(gè)已知三維角度及空間位置的相機(jī)，再通過復(fù)雜的數(shù)字計(jì)算就可得也已知點(diǎn)的三維座標(biāo)值。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：在整個(gè)測量過程中始終采用同一個(gè)XYZ直角座標(biāo)系，并可直接同轉(zhuǎn)輪 CAD理論尺寸相比較。它能對難以測量到的部位進(jìn)行測量。測量時(shí)2臺(tái)攝像機(jī)的對稱中心夾角應(yīng)保持在60o到90o之間，而且應(yīng)同時(shí)工作，光探頭應(yīng)放在需測處。該裝置為便攜式，適合于車間現(xiàn)場和大范圍測量。

7 運(yùn)輸途徑

大型發(fā)電設(shè)備尺寸超過陸路運(yùn)輸中的橋梁、隧道等限制。過去往往采用半分結(jié)構(gòu)，運(yùn)到電站工地后再將2半組焊成圓。在工地組裝、焊接加工、熱處理等，都須配備相應(yīng)設(shè)備及工藝裝備，難度很大。為了解決這個(gè)難題，采取了下述3項(xiàng)措施。

7.1 渤海分廠。 早在1990年就在渤海灣的葫蘆島上建成并投產(chǎn)了東北濱海水電設(shè)備大件加工廠(現(xiàn)名為葫蘆島濱海水電大件制造有限責(zé)任公司)，由哈電與原渤海造船廠合資興建。組焊加工后經(jīng)過海上和江上運(yùn)往電站工地（如三峽）。

7.2 江海聯(lián)運(yùn)。另外一條是由哈市松花江運(yùn)到撫遠(yuǎn)港口，換裝江海聯(lián)運(yùn)船后，經(jīng)俄羅斯內(nèi)河到達(dá)尼古拉耶夫（廟街）出海（如1000MW火電定子）。

7.3 昆明分廠。在發(fā)改委、國資委領(lǐng)導(dǎo)下，已加盟哈電的昆明電機(jī)廠正在擴(kuò)建廠房、安裝現(xiàn)代化大型設(shè)備。從大東北到大西南，幾乎穿越全國，縮短運(yùn)輸距離。水力資源多在大西南。就地制造、就近安裝，縮短了運(yùn)輸距離，強(qiáng)化了市場競爭實(shí)力。

8 結(jié)論

在引進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過消化、吸收、再創(chuàng)新，國內(nèi)廠家圓滿地完成了所承包的三峽右岸和地下廠房的14臺(tái)機(jī)組，所采用的加工設(shè)備、工藝裝備、工藝方案等，都是世界公認(rèn)為最先進(jìn)的?？捎糜谡谘兄频?000MW及以上的巨型發(fā)電設(shè)備。