CN112372247A - 一种冲击式水轮机转轮的改造方法 - Google Patents

一种冲击式水轮机转轮的改造方法 Download PDF

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程广福
吕晓强
金殿彪
李景
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Harbin Electric Machinery Co Ltd
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
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Abstract

一种冲击式水轮机转轮的改造方法，它涉及水轮机转轮制造技术领域。本发明为解决现有水轮机转轮水力性能优化制造过程中，周期长、成本高的问题。改造方法包括切除原始外斗；规划焊接路径；增材制造；铣削加工；抛光。本发明用于冲击式水轮机转轮的改造。

Description

一种冲击式水轮机转轮的改造方法
技术领域
本发明涉及水轮机转轮制造技术领域，具体涉及一种冲击式水轮机转轮的改造方法。
背景技术
水轮机转轮是水电站发电机组的核心部件，其制造质量和寿命直接决定了电站的运行效率、安全性和稳定性。其中，冲击式水轮机转轮是应用比较广泛的转轮。随着水力设计的不断进步，新型水斗的水力性能不断优化，效率不断提高，电站为了追求更高的经济效益，由此产生了对原有转轮的更换升级的需求。在这些转轮中，有大量转轮只需要对外斗的型线进行优化就可以获得很好的改造效果，而对其轮毂和斗根均不需要发生变化，原有的方法为重新制造一个新的转轮，而将原有转轮报废，这不但造成了浪费，而且重新制造需要很长的周期。由此，提出了能够利用原有轮毂和斗根，仅对外斗进行重新制造的设想与需求。
增材制造技术(又称3D打印技术)，是基于材料堆积法的一种新型制造技术，可以根据零件或物体的三维模型数据，以材料累加的方式制成实物。电弧增材制造技术是以电弧为载能束，采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件，零件由全焊缝构成，化学成分均匀、致密度高，开放的成形环境对成形件尺寸无限制，成形速率高，主要应用于大尺寸复杂构件的低成本、高效快速近净成形。其中，冷金属过渡技术CMT(cool metal transfer)具有低热输入、变形小、无飞溅等特点，而且，其送丝运动与熔滴过渡过程可进行数字化协调，可操控性高，十分适用于电弧增材制造过程。CMT技术与机器人的结合应用可以完美的实现金属部件的增材制造和修复。相关的实验证明，CMT增材制造的转轮用0Cr13Ni5Mo材质，其HAZ仅在熔合区附近，范围极小，对部件的性能弱化作用非常小，同时，其疲劳性能明显优于锻件，而与0Cr13Ni5Mo基材结合界面处的性能与基材相当，因此，其与机器人的结合是冲击式水轮机转轮外斗改型优化水力性能改造的理想方法。
发明内容
本发明为了解决现有水轮机转轮水力性能优化制造过程中，周期长、成本高的问题，进而提出一种冲击式水轮机转轮的改造方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种冲击式水轮机转轮的改造方法包括如下步骤：
步骤一：切除原始外斗2：以转轮1的中心3为圆心，沿圆周4的方向切除原始外斗2，在斗根5上形成切面6；
步骤二：规划焊接路径：将新增外斗7的三维数学模型导入模拟软件，以切面6为增材制造基础，对新增外斗7进行切片8和焊接路径9规划；
步骤三：增材制造：将规划好的焊接路径转化成自动焊接机器人控制程序，自动焊接机器人对新增外斗7进行堆焊增材制造；
步骤四：铣削加工：在数控机床上对新增外斗7进行铣削精加工至图纸尺寸；
步骤五：抛光：对新增外斗7进行打磨抛光，完成转轮1的改造。
本发明与现有技术相比包含的有益效果是：
水轮机转轮是水电站发电机组的核心部件，其制造质量和寿命直接决定了电站的运行效率、安全性和稳定性。采用基于原有转轮的轮毂和斗根，仅对外斗进行重新设计和制造，在实现电站效率提升的同时，实现了低成本、高效率的转轮绿色优化改造。由本发明提出了一种机器人控制的CMT外斗增材制造转轮性能优化改造方法，充分利用机器人操纵CMT技术可以制造高质量增材的特点，实现转轮的优化改造，使得改型增材制造部分外斗的性能优于原有转轮本身，同时，结合界面处的性能极其接近于基材，是一种高性能、低成本、高效率的转轮优化改造方法。
附图说明
图1是原始冲击式水轮机转轮的结构示意图；
图2是轮毂及斗根部分示意图；
图3是加工掉原始外斗的转轮示意图；
图4是切片的规划示意图；
图5是焊接路径的规划示意图；
图6是斗根上切面的结构示意图；
图7是完成新增外斗后的转轮示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述一种冲击式水轮机转轮的改造方法包括如下步骤：
步骤一：切除原始外斗2：以转轮1的中心3为圆心，沿圆周4的方向切除原始外斗2，在斗根5上形成切面6；
步骤二：规划焊接路径：将新增外斗7的三维数学模型导入模拟软件，以切面6为增材制造基础，对新增外斗7进行切片8和焊接路径9规划；
步骤三：增材制造：将规划好的焊接路径转化成自动焊接机器人控制程序，自动焊接机器人对新增外斗7进行堆焊增材制造；
步骤四：铣削加工：在数控机床上对新增外斗7进行铣削精加工至图纸尺寸；
步骤五：抛光：对新增外斗7进行打磨抛光，完成转轮1的改造。
具体实施方式二：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述步骤二中，将新增外斗7的三维数学模型导入模拟软件后，对新增外斗7的过流面预留加工余量。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述步骤二中，新增外斗7过流面预留的加工余量为2mm。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述步骤二中，对新增外斗7进行切片8和焊接路径9规划时，在每层切片8的下切面与数学模型的轮廓交线范围内进行焊接路径9的规划。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式五：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述步骤二中，每相邻两层切片8之间的距离为3mm。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述步骤二中，焊接路径9采用长方形折返，折返点为与轮廓线最外围交点。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方五相同。
具体实施方式七：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述步骤三中，堆焊时采用冷金属过渡电弧增材制造的方法进行堆焊。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一、二、三、五或六相同。
具体实施方式八：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述步骤三中，按照新增外斗7的规划切片8和焊接路径9，在每完成一个新增外斗7的一层切片8堆焊后，旋装转轮1，使下一个新增外斗7进入增材制造工位，而后继续进行新增外斗7的增材制造，重复以上操作，直至完成所有新增外斗7同一层切片8的制造，然后进行下一层切片8制造，直至最终完成所有新增外斗7的自动增材制造。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述步骤二中，模拟软件为UG软件。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。
UG(Unigraphics NX)是Siemens PLM Software公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。Unigraphics NX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (9)

1.一种冲击式水轮机转轮的改造方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤一：切除原始外斗(2)：以转轮(1)的中心(3)为圆心，沿圆周(4)的方向切除原始外斗(2)，在斗根(5)上形成切面(6)；
步骤二：规划焊接路径：将新增外斗(7)的三维数学模型导入模拟软件，以切面(6)为增材制造基础，对新增外斗(7)进行切片(8)和焊接路径(9)规划；
步骤三：增材制造：将规划好的焊接路径转化成自动焊接机器人控制程序，自动焊接机器人对新增外斗(7)进行堆焊增材制造；
步骤四：铣削加工：在数控机床上对新增外斗(7)进行铣削精加工至图纸尺寸；
步骤五：抛光：对新增外斗(7)进行打磨抛光，完成转轮(1)的改造。
2.根据权利要求1所述一种冲击式水轮机转轮的改造方法，其特征在于：所述步骤二中，将新增外斗(7)的三维数学模型导入模拟软件后，对新增外斗(7)的过流面预留加工余量。
3.根据权利要求2所述一种冲击式水轮机转轮的改造方法，其特征在于：所述步骤二中，新增外斗(7)过流面预留的加工余量为2mm。
4.根据权利要求2或3所述一种冲击式水轮机转轮的改造方法，其特征在于：所述步骤二中，对新增外斗(7)进行切片(8)和焊接路径(9)规划时，在每层切片(8)的下切面与数学模型的轮廓交线范围内进行焊接路径(9)的规划。
5.根据权利要求4所述一种冲击式水轮机转轮的改造方法，其特征在于：所述步骤二中，每相邻两层切片(8)之间的距离为3mm。
6.根据权利要求5所述一种冲击式水轮机转轮的改造方法，其特征在于：所述步骤二中，焊接路径(9)采用长方形折返，折返点为与轮廓线最外围交点。
7.根据权利要求1、2、3、5或6所述一种冲击式水轮机转轮的改造方法，其特征在于：所述步骤三中，堆焊时采用冷金属过渡电弧增材制造的方法进行堆焊。
8.根据权利要求7所述一种冲击式水轮机转轮的改造方法，其特征在于：所述步骤三中，按照新增外斗(7)的规划切片(8)和焊接路径(9)，在每完成一个新增外斗(7)的一层切片(8)堆焊后，旋装转轮(1)，使下一个新增外斗(7)进入增材制造工位，而后继续进行新增外斗(7)的增材制造，重复以上操作，直至完成所有新增外斗(7)同一层切片(8)的制造，然后进行下一层切片(8)制造，直至最终完成所有新增外斗(7)的自动增材制造。
9.根据权利要求1所述一种冲击式水轮机转轮的改造方法，其特征在于：所述步骤二中，模拟软件为UG软件。
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