CN116441851B - 一种大型水轮机转轮止漏环增减材一体修复装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种大型水轮机转轮止漏环增减材一体修复装置及方法，包括固定机座、回转单元、调整单元、增材单元、减材单元，以及中央控制单元，所述固定机座用于固定安装到待修复的转轮上，回转单元安装在固定机座上，调整单元安装在回转单元上，增材单元安装到调整单元上能够对转轮进行增材加工，减材单元安装到调整单元上能够对转轮进行减材加工，调整单元用于调节增材单元和减材单元的加工位置，中央控制单元用于控制回转单元、调整单元、增材单元、减材单元协调运行。固定机座用于安装到待修复的转轮上，回转单元安装在固定机座上，回转单元能够依靠自身动力转动，从而带动调整单元上的增材单元和减材单元对转轮的止漏环进行快速修复加工。
Description
技术领域
本发明涉及大型水轮机转轮制造修复技术领域，尤其涉及一种大型水轮机转轮止漏环增减材一体修复装置及方法。
背景技术
对于大型混流式水轮机组而言，转轮是其关键部件，承担着将水的势能转换为机械能，通过水轮机带动发电机，使机械能转换为电能。转轮止漏环作为机组重要部件，机组在长时间运行后，其过流面不可避免的出现鱼鳞状磨损，甚至出现较深的凹槽状磨损，造成表面尺寸精度被破坏，空蚀和磨损，进而降低了发电效率，并且严重威胁着水电站的运行安全。影响转轮稳定运行，从而需要对止漏环缺陷部分进行修复处理。
中国专利文献CN107662070A，公开/公告日：2018.02.06，公开了一种水轮机转轮自动焊接修复系统，通过焊接机器人对转轮进行焊接修复，但是该系统只能用于焊接修复，并不能对修复的区域进行减材再加工使修复的部位满足技术需要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：解决上述背景技术中存在的问题，提供一种大型水轮机转轮止漏环增减材一体修复装置，对水轮机的止漏环进行增材和减材加工修复。
本发明要解决的另一技术问题是：提供一种采用所述一种大型水轮机转轮止漏环增减材一体修复装置的方法，用于修复大型水轮机转轮，能够同时实现增材修复和减材切削修复加工，一次性完成大型水轮机转轮止漏环的修复。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种大型水轮机转轮止漏环增减材一体修复装置，包括固定机座、回转单元、调整单元、增材单元、减材单元，以及中央控制单元，所述固定机座用于固定安装到待修复的转轮上，回转单元安装在固定机座上，调整单元安装在回转单元上，增材单元安装到调整单元上能够对转轮进行增材加工，减材单元安装到调整单元上能够对转轮进行减材加工，调整单元用于调节增材单元和减材单元的加工位置，中央控制单元用于控制回转单元、调整单元、增材单元、减材单元协调运行。
所述固定机座为法兰结构，固定机座的下侧能够与转轮的中心对接固定，回转单元安装在固定机座的上侧。
所述回转单元包括回转中心体、第一悬臂和第二悬臂，第一悬臂和第二悬臂分别安装在回转中心体相对的两侧，调整单元安装在第一悬臂上，回转中心体驱动第一悬臂和第二悬臂围绕回转中心体的中心轴旋转，回转中心体的中心轴与固定机座连接。
所述第二悬臂的末端安装有配重。
所述调整单元包括横向滑轨、横向滑座和纵向滑座，所述横向滑轨安装在回转单元的第一悬臂上，横向滑座滑动的安装在横向滑轨上，纵向滑座安装在横向滑座上，所述横向滑座通过第一伺服电机驱动，纵向滑座通过第二驱动器驱动，所述增材单元或减材单元能够安装到纵向滑座的下端。
所述增材单元为光粉同轴激光熔覆系统，所述光粉同轴激光熔覆系统包括水冷机、气载送粉器、红外连续激光器以及激光熔覆头，激光熔覆头安装在调整单元的纵向滑座下端。
所述水冷机、气载送粉器和红外连续激光器安装在回转单元上，所述回转单元的第一悬臂上设有第一放置仓，第二悬臂上设有第二放置仓，水冷机和气载送粉器安装在第二放置仓内，红外连续激光器以及中央控制单元放置在第一放置仓内。
所述减材单元为减材加工刀具系统，所述减材加工刀具系统包括刀架和刀具，刀架用于安装到调整单元的纵向滑座下端，刀具安装在刀架上。
所述增材单元还包括熔覆机器人，熔覆机器人安装在调整单元的纵向滑座下端，激光熔覆头安装在熔覆机器人的活动端，熔覆机器人的控制器安装在第一放置仓内。
一种采用所述的一种大型水轮机转轮止漏环增减材一体修复装置的方法，用于修复大型水轮机转轮，包括以下步骤：
S1. 清理转轮的止漏环待加工区域表面附着物，并用工业丙酮或者工业酒精除油除尘除污清洗；
S2.拆解装置；固定机座、回转单元、增材单元、减材单元，以及中央控制单元分别搬运到转轮现场进行组装；其中，中央控制单元、调整单元安装在回转单元上；
S3.先将固定机座吊装到转轮的中心，并对固定机座进行校正后与转轮安装固定，将回转单元安装到固定机座上，之后先将增材单元安装到调整单元上，组装完成后将中央控制单元电路接通，检查中央控制单元的连线及系统状态，启动回转单元运行一周，确定增材单元的激光熔覆头停留位置和角度；
S4. 将回转单元旋转至转轮止漏环各个待修复的区域附近停车，调整熔覆头位置及角度，使激光熔覆头扫描区域覆盖需要熔覆区域；
S5. 在中央控制单元输入激光熔覆工艺参数后进行增材熔覆加工；其中，激光功率2600W，金属粉末送粉量1.2r/min，激光光斑直径3mm，多道搭接量为1.5mm，激光熔覆粉末使用 Stellite6金属粉末，设定激光熔覆头扫描速度20mm/s，送粉气流量15L/min，激光熔覆保护气气流量15L/min，激光熔覆送粉气与保护气均选用惰性气体；
S6. 完成熔覆后将回转装置开到下一个需要激光熔覆修复的止漏环相应位置，重复S4和S5流程，直至完成转轮的修复工作；
S7. 将调整单元上的增材单元拆下，换装减材单元，调整增材单元的刀具刀头位置进行对刀， 设置回转单元的转速，启动回转单元做循环圆周运动，按照粗车、精车对已熔覆区域进行车削减材加工，直至满足止漏环技术要求尺寸；
S8. 拆解装置，将装置分体的搬离水轮机转轮位置。
本发明有如下有益效果：
1、相比于传统方式的人工补焊后打磨处理，需要在水轮机转轮周围搭建作业平台，或者在待修复部位搭设脚手架，脚手架搭建极为不便且工作量大、耗时较长，人工劳动强度且存在临空、临边作业。而增减材一体装置采用模块化设计，在转轮作业现场安装时采用模块化拼接方式，将各模块按照顺序吊装至转轮安装位置，随后就行拼接式安装，安装效率较高，转运方便。回转单元与转轮法兰面连接后，可通过自身动力装置进行转速调节，通过与两端悬臂配合，可在转轮整个圆周方向任意位置可定位，即针对大范围或局部均可实现在位修复，并能够通过增材单元和减材单元对转轮的止漏环进行高效修复加工。
2.相比于传统的补焊，激光增减材一体加工装置的自动化程度更高，对水轮机转轮止漏环的修复整体效率也能得到极大的提高。
3.采用激光增材的工艺方式对水轮机止漏环进行修复，基材与表面覆材为冶金结合，结合强度相对较高，组织致密，稀释率较低，性能满足要求，并对修复区进行车削加工后，其尺寸精度、表面粗糙度均得到有效保障。
附图说明
图1为本发明调整单元上安装减材单元主视结构示意图。
图2为本发明调整单元上安装增材单元主视结构示意图。
图3为本发明体结构示意图。
图中：固定机座1，回转单元2，回转中心体3，第一悬臂4，第一放置仓41，第二悬臂5，第二放置仓51，水冷机6，气载送粉器7，配重8，红外连续激光器9，中央控制单元10，控制器11，调整单元12，横向滑轨121，横向滑座122，纵向滑座123，第二驱动器124，第一伺服电机125，刀架13，刀具14，覆机器人15，激光熔覆头16，转轮17。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步的说明。
实施例一：
参见图1-3，一种大型水轮机转轮止漏环增减材一体修复装置，包括固定机座1、回转单元2、调整单元12、增材单元、减材单元，以及中央控制单元10，所述固定机座1用于固定安装到待修复的转轮17上，回转单元2安装在固定机座1上，调整单元12安装在回转单元2上，增材单元安装到调整单元12上能够对转轮17进行增材加工，减材单元安装到调整单元12上能够对转轮17进行减材加工，调整单元12用于调节增材单元和减材单元的加工位置，中央控制单元10用于控制回转单元2、调整单元12、增材单元、减材单元协调运行。固定机座1用于安装到待修复的转轮17上，回转单元2安装在固定机座1上，回转单元2能够依靠自身动力转动，从而带动调整单元12上的增材单元和减材单元对转轮17的止漏环进行快速修复加工。增材单元用于将缺陷位置修补，减材单元用于将转轮车削减材加工，使转轮的止漏环满足技术要求尺寸
参见图3，固定机座1为法兰结构，固定机座1的下侧能够与转轮17的中心对接固定，回转单元2安装在固定机座1的上侧。结构简单，安装方便，通过固定机座1与转轮17中心对接固定，从而定位整个装置的中心。
参见图1，回转单元2包括回转中心体3、第一悬臂4和第二悬臂5，第一悬臂4和第二悬臂5分别安装在回转中心体3相对的两侧，调整单元12安装在第一悬臂4上，回转中心体3驱动第一悬臂4和第二悬臂5围绕回转中心体3的中心轴旋转，回转中心体3的中心轴与固定机座1连接。通过设置第一悬臂4和第二悬臂5，平衡回转单元2的重心，使回转单元2在转动时更加平稳，使得加工精度更高。
进一步的，第二悬臂5的末端安装有配重8，平衡回转单元2的重心。
参见图1、2，调整单元12包括横向滑轨121、横向滑座122和纵向滑座123，所述横向滑轨121安装在回转单元2的第一悬臂4上，横向滑座122滑动的安装在横向滑轨121上，纵向滑座123安装在横向滑座122上，所述横向滑座122通过第一伺服电机125驱动，纵向滑座123通过第二驱动器124驱动，所述增材单元或减材单元能够安装到纵向滑座123的下端。XY轴滑台结构，结构简单，精度高。
具体的，增材单元为光粉同轴激光熔覆系统。光粉同轴激光熔覆系统包括水冷机6、气载送粉器7、红外连续激光器9以及激光熔覆头16，激光熔覆头16安装在调整单元12的纵向滑座123下端。使用激光熔覆的方式进行水轮机转轮止漏环的修复，热影响区较小，且可针对性进行修复，确保止漏环表面质量以及尺寸精度。
增材单元除了采用光粉同轴激光熔覆系统，也可以采用CN107662070A中的焊接修复系统。
进一步的，参见图1，水冷机6、气载送粉器7和红外连续激光器9安装在回转单元2上，所述回转单元2的第一悬臂4上设有第一放置仓41，第二悬臂5上设有第二放置仓51，水冷机6和气载送粉器7安装在第二放置仓51内，红外连续激光器9以及中央控制单元10放置在第一放置仓41内。增材单元所有配套设置放置于回转单元2上，加工时，跟随回转单元2单元转动，运行更加方便、稳定。
具体的，减材单元为减材加工刀具系统。减材加工刀具系统包括刀架13和刀具14，刀架13用于安装到调整单元12的纵向滑座123下端，刀具14安装在刀架13上。 通过刀具14对转轮的止漏环进行切削减材加工。
减材单元除了采用减材加工刀具系统，还可以采用抛光或者雕刻主轴系统。
为了使增材单元能够有更高的自由度，参见图2，增材单元还包括熔覆机器人15，熔覆机器人15安装在调整单元12的纵向滑座123下端，激光熔覆头16安装在熔覆机器人15的活动端，熔覆机器人15的控制器11安装在第一放置仓41内。
实施例二：
一种采用所述的一种大型水轮机转轮止漏环增减材一体修复装置用于修复大型水轮机转轮的方法，包括以下步骤：
S1. 清理转轮17的止漏环待加工区域表面附着物，并用工业丙酮或者工业酒精除油除尘除污清洗。
S2.拆解装置；固定机座1、回转单元2、增材单元、减材单元，以及中央控制单元10分别搬运到转轮现场进行组装；其中，中央控制单元10、调整单元12安装在回转单元2上。
S3.先将固定机座1吊装到转轮17的中心，并对固定机座1进行校正后与转轮17安装固定，将回转单元2安装到固定机座1上，之后先将增材单元安装到调整单元12上，组装完成后将中央控制单元10电路接通，检查中央控制单元10的连线及系统状态，启动回转单元2运行一周，确定增材单元的激光熔覆头16停留位置和角度。
S4. 将回转单元2旋转至转轮17止漏环各个待修复的区域附近停车，调整熔覆头位置及角度，使激光熔覆头扫描区域覆盖需要熔覆区域。回转回转单元2转速范围最小可实现2r/min且可调节。
S5. 在中央控制单元10输入激光熔覆工艺参数后进行增材熔覆加工；其中，激光功率2600W，金属粉末送粉量1.2r/min，激光光斑直径3mm，多道搭接量为1.5mm，激光熔覆粉末使用 Stellite6金属粉末，设定激光熔覆头扫描速度20mm/s，送粉气流量15L/min，激光熔覆保护气气流量15L/min，激光熔覆送粉气与保护气均选用高纯氩气，也可选用氮气或氦气。
S6. 完成熔覆后将回转装置开到下一个需要激光熔覆修复的止漏环相应位置，重复S4和S5流程，直至完成转轮17的修复工作。
S7. 将调整单元12上的增材单元拆下，换装减材单元，调整增材单元的刀具14刀头位置进行对刀， 设置回转单元2的转速，启动回转单元2做循环圆周运动，按照粗车、精车对已熔覆区域进行车削减材加工，直至满足止漏环技术要求尺寸；
S8. 拆解装置，将装置分体的搬离水轮机转轮位置。
Claims (6)
1.一种大型水轮机转轮止漏环增减材一体修复方法，其特征在于：采用了所述的一种大型水轮机转轮止漏环增减材一体修复装置，所述的一种大型水轮机转轮止漏环增减材一体修复装置包括固定机座（1）、回转单元（2）、调整单元（12）、增材单元、减材单元，以及中央控制单元（10），所述固定机座（1）用于固定安装到待修复的转轮（17）上，回转单元（2）安装在固定机座（1）上，调整单元（12）安装在回转单元（2）上，增材单元安装到调整单元（12）上能够对转轮（17）进行增材加工，减材单元安装到调整单元（12）上能够对转轮（17）进行减材加工，调整单元（12）用于调节增材单元和减材单元的加工位置，中央控制单元（10）用于控制回转单元（2）、调整单元（12）、增材单元、减材单元协调运行；
所述增材单元为光粉同轴激光熔覆系统，所述光粉同轴激光熔覆系统包括水冷机（6）、气载送粉器（7）、红外连续激光器（9）以及激光熔覆头（16），激光熔覆头（16）安装在调整单元（12）的纵向滑座（123）下端；
所述水冷机（6）、气载送粉器（7）和红外连续激光器（9）安装在回转单元（2）上，所述回转单元（2）的第一悬臂（4）上设有第一放置仓（41），第二悬臂（5）上设有第二放置仓（51），水冷机（6）和气载送粉器（7）安装在第二放置仓（51）内，红外连续激光器（9）以及中央控制单元（10）放置在第一放置仓（41）内；
所述减材单元为减材加工刀具系统，所述减材加工刀具系统包括刀架（13）和刀具（14），刀架（13）用于安装到调整单元（12）的纵向滑座（123）下端，刀具（14）安装在刀架（13）上；
修复方法包括以下步骤：
S1. 清理转轮（17）的止漏环待加工区域表面附着物，并用工业丙酮或者工业酒精除油除尘除污清洗；
S2.拆解装置；固定机座（1）、回转单元（2）、增材单元、减材单元，以及中央控制单元（10）分别搬运到转轮现场进行组装；其中，中央控制单元（10）、调整单元（12）安装在回转单元（2）上；
S3.先将固定机座（1）吊装到转轮（17）的中心，并对固定机座（1）进行校正后与转轮（17）安装固定，将回转单元（2）安装到固定机座（1）上，之后先将增材单元安装到调整单元（12）上，组装完成后将中央控制单元（10）电路接通，检查中央控制单元（10）的连线及系统状态，启动回转单元（2）运行一周，确定增材单元的激光熔覆头（16）停留位置和角度；
S4. 将回转单元（2）旋转至转轮（17）止漏环各个待修复的区域附近停车，调整熔覆头位置及角度，使激光熔覆头扫描区域覆盖需要熔覆区域；
S5. 在中央控制单元（10）输入激光熔覆工艺参数后进行增材熔覆加工；其中，激光功率2600W，金属粉末送粉量1.2r/min，激光光斑直径3mm，多道搭接量为1.5mm，激光熔覆粉末使用 Stellite6金属粉末，设定激光熔覆头扫描速度20mm/s，送粉气流量15L/min，激光熔覆保护气气流量15L/min，激光熔覆送粉气与保护气均选用惰性气体；
S6. 完成熔覆后将回转装置开到下一个需要激光熔覆修复的止漏环相应位置，重复S4和S5流程，直至完成转轮（17）的修复工作；
S7. 将调整单元（12）上的增材单元拆下，换装减材单元，调整增材单元的刀具（14）刀头位置进行对刀，设置回转单元（2）的转速，启动回转单元（2）做循环圆周运动，按照粗车、精车对已熔覆区域进行车削减材加工，直至满足止漏环技术要求尺寸；
S8. 拆解装置，将装置分体的搬离水轮机转轮位置。
2.根据权利要求1所述的一种大型水轮机转轮止漏环增减材一体修复方法，其特征在于：所述固定机座（1）为法兰结构，固定机座（1）的下侧能够与转轮（17）的中心对接固定，回转单元（2）安装在固定机座（1）的上侧。
3.根据权利要求1所述的一种大型水轮机转轮止漏环增减材一体修复方法，其特征在于：所述回转单元（2）包括回转中心体（3）、第一悬臂（4）和第二悬臂（5），第一悬臂（4）和第二悬臂（5）分别安装在回转中心体（3）相对的两侧，调整单元（12）安装在第一悬臂（4）上，回转中心体（3）驱动第一悬臂（4）和第二悬臂（5）围绕回转中心体（3）的中心轴旋转，回转中心体（3）的中心轴与固定机座（1）连接。
4.根据权利要求3所述的一种大型水轮机转轮止漏环增减材一体修复方法，其特征在于：所述第二悬臂（5）的末端安装有配重（8）。
5.根据权利要求1所述的一种大型水轮机转轮止漏环增减材一体修复方法，其特征在于：所述调整单元（12）包括横向滑轨（121）、横向滑座（122）和纵向滑座（123），所述横向滑轨（121）安装在回转单元（2）的第一悬臂（4）上，横向滑座（122）滑动的安装在横向滑轨（121）上，纵向滑座（123）安装在横向滑座（122）上，所述横向滑座（122）通过第一伺服电机（125）驱动，纵向滑座（123）通过第二驱动器（124）驱动，所述增材单元或减材单元能够安装到纵向滑座（123）的下端。
6.根据权利要求1所述的一种大型水轮机转轮止漏环增减材一体修复方法，其特征在于：所述增材单元还包括熔覆机器人（15），熔覆机器人（15）安装在调整单元（12）的纵向滑座（123）下端，激光熔覆头（16）安装在熔覆机器人（15）的活动端，熔覆机器人（15）的控制器（11）安装在第一放置仓（41）内。
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