CN116900537A - 一种小开口水泵水轮机转轮分扇铸焊制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种小开口水泵水轮机转轮分扇铸焊制造方法，属于水泵水轮机技术领域。转轮叶片与扇形上冠、扇形下环组成的铸造组合体分别独立地铸造及数控加工，转轮由多个铸造组合体装配焊接而成。本发明可极大改善小开口、长流道的水泵水轮机转轮的工艺可达性，使短叶片流道设计长度不受转轮制造工艺限制，极大降低铲磨工序工作量，同时转轮焊缝避开运行时的高应力区，提升转轮制造质量及运行安全裕度。
Description
技术领域
本发明涉及水泵水轮机领域，尤其涉及一种通过对独立制作的转轮叶片与扇形上冠、扇形下环组成的铸造组合体进行装焊而成的小开口水泵水轮机转轮的制造方法。
背景技术
当前抽蓄机组正朝着高水头方向发展，对机组安全稳定性及负荷范围的要求越来越高，对水泵水轮机核心部件转轮的安全运行范围以及设计制造质量要求越来越高。随着水头增高，转轮呈现长流道小开口的水力特性，其常规制造方法是将单独制作的上冠、下环、长叶片和短叶片四部分进行焊接组装，常规制造方法已经越来越难以兼顾制造工艺性及优良的水力学设计指标。小开口水泵水轮机转轮常规制造方法的缺点是：
1）转轮内部流道空间狭窄，焊接、铲磨及无损探伤可达性差。
2）连接焊缝位于叶片根部过渡圆弧部分，转轮高应力区与焊接连接部位高度重合，焊缝残余应力与运行应力叠加并作用于焊缝内部的薄弱环节，给部件的安全稳定运行带来风险。
3）当采用后插装短叶片的方案改善长叶片工艺可达性时，短叶片的工艺可达性与其变形控制无法兼顾，同时此种制造工艺也限制了短叶片的流道长度设计，一般情况下，短叶片流道长度不能超过长叶片流道长度的1/3。
4）叶片与上冠、下环间T形接头的焊接及过渡圆弧铲磨难度及工作量大。
综上，小开口水泵水轮机转轮常规制造方法的焊接、铲磨及无损探伤可达性差，越来越难以兼顾转轮制造工艺性及优良的水力学设计指标，同时焊接及铲磨难度大、周期长，部件制造及运行的安全裕度较低，因此有必要研发出一种新型小开口水泵水轮机转轮分扇铸焊制造方法。
发明内容
本发明通过采用一种新型小开口水泵水轮机转轮分扇铸焊制造方法，可以取代水泵水轮机转轮常规制造方法，主要解决小开口水泵水轮机转轮制造工艺可达性难题，同时提升小开口水泵水轮机转轮的制造质量及运行的安全裕度。本发明通过如下步骤实现：
S1、转轮叶片与扇形上冠、扇形下环组成的铸造组合体分别独立地铸造及数控加工，其中流道表面和焊接坡口精加工，非过流表面粗加工；
S2、在平台上划出装轮的投影线，按线吊装第一个铸造组合体并调平垫稳，以第一个铸造组合体为定位装配其它铸造组合体直至完成1/2瓣转轮，检查焊接扇形上冠之间焊缝和扇形下环之间焊缝的错边、相邻转轮叶片进水边和出水边的弦距、转轮平面度和直径，尺寸检查合格后搭焊牢固；
S3、完成另一1/2瓣转轮的装配并搭焊固定，将两个1/2瓣转轮合拢，通过旋转角度及拉开距离以避开干涉区域，尺寸调整合格后将整个转轮搭焊固定；
S4、先使用窄间隙焊接设备焊接U形坡口，焊道顺序依次为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ，再使用深熔焊设备焊接V形坡口，焊道顺序依次为Ⅻ、ⅰ，通过选择合适的焊接参数，可以实现钝边全熔透，免除气刨清根工序；
S5、对称焊接扇形上冠之间焊缝、扇形下环之间焊缝的U形坡口填充层和盖面层，一条焊缝焊接完成后，跳过相邻焊缝焊接下一条焊缝，直至转轮焊接完成。
在上述小尺寸水泵水轮机转轮分扇铸焊制造方法中，所述S1还包括，转轮叶片与扇形上冠、扇形下环组成的铸造组合体是一体铸造，直接铸造出转轮叶片与扇形上冠、扇形下环的过渡圆弧，铸造组合体的数量与转轮叶片的数量相等。
在上述小尺寸水泵水轮机转轮分扇铸焊制造方法中，所述S1还包括，扇形上冠之间焊缝最佳位置分布在相邻两转轮叶片与上冠交线的拟合中心线位置，即扇形上冠之间焊缝上任意一点到相邻两转轮叶片的距离相等，扇形上冠之间焊缝与转轮叶片的位置无重叠。
在上述小尺寸水泵水轮机转轮分扇铸焊制造方法中，所述S1还包括，扇形下环之间焊缝最佳位置分布在相邻两转轮叶片与下环交线的拟合中心线位置，即扇形下环之间焊缝上任意一点到相邻两转轮叶片的距离相等，扇形下环之间焊缝与转轮叶片的位置无重叠。
在上述小尺寸水泵水轮机转轮分扇铸焊制造方法中，所述S1还包括，扇形上冠之间焊缝、扇形下环之间焊缝为大坡口向外的全熔透焊缝，坡口形式为U-V形窄间隙坡口，坡口角度α为1.6°~3.0°，根部圆弧半径R为9~13mm，坡口宽度L为30~39mm，钝边尺寸c为6±2mm，坡口角度β为44°~50°，坡口深度h为9~11mm，装配间隙2±1mm，适用焊缝深度t≤450mm。
技术效果
本发明给出一种小尺寸水泵水轮机转轮分扇铸焊制造方法，通过重新设计转轮零部件的结构实现转轮的分扇铸焊制造，与常规制造方法相比本发明的有益效果如下：
1.本发明提出了一种小开口水泵水轮机转轮分扇铸焊制造方法，极大的改善了转轮焊接、铲磨及无损探伤可达性。
2.本发明提出了一种小开口水泵水轮机转轮分扇铸焊制造方法，使转轮焊缝避开了运行的高应力区，在抽蓄机组频繁启停机工况下，对提升转轮的制造质量及运行安全裕度具有重要意义。
3.本发明提出了一种小开口水泵水轮机转轮分扇铸焊制造方法，可使短叶片的流道设计长度不受转轮制造工艺的限制，短叶片流道长度可以达到长叶片流道长度的100%。
4.本发明提出了一种小开口水泵水轮机转轮分扇铸焊制造方法，将转轮叶片与上冠及下环间的T形接头转化为大坡口外露的U-V形窄间隙对接接头，降低了焊接、铲磨的难度及工作量。
附图说明
图1为转轮常规分瓣制造方案示意图。
图2为转轮常规分瓣制造方案叶片焊缝示意图。
图3为转轮新型分扇制造方案示意图。
图4为转轮新型分扇制造方案铸造组合体示意图。
图5为转轮新型分扇制造方案1/2瓣转轮装配示意图。
图6为转轮新型分扇制造方案两个1/2瓣转轮装配主视示意图。
图7为转轮新型分扇制造方案两个1/2瓣转轮装配俯视示意图。
图8为转轮新型分扇制造方案U-V形焊接坡口示意图。
图9为转轮新型分扇制造方案坡口焊接顺序示意图。
图中标记说明：1-上冠；2-下环；3-长叶片；4-短叶片；5-叶片与上冠间焊缝；6-叶片与下环间焊缝；7-上冠分环组合焊缝；8-铸造组合体；9-扇形上冠之间焊缝；10-扇形下环之间焊缝；11-转轮叶片；12-扇形上冠；13-扇形下环。
具体实施方式
下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要阐述的是，术语“上”、“下”、“长”、“短”、“内”、“外”等指示的位置关系只是基于附图所示方位的位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的部件具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
具体实施方式一：如图1所示，转轮常规分瓣制造方案中转轮分为上冠1、下环2、长叶片3、短叶片4四部分。为满足焊接、铲磨及无损检测的可达性要求，需要对上冠1或下环2进行分环（内环和外环），甚至分多环，增加了装配和焊接工作量。焊缝包括：叶片与上冠间焊缝5，叶片与下环间焊缝6，上冠分环组合焊缝7。如图2所示，转轮叶片焊接完成后，需要根据叶片型线通过铲磨方式磨出过渡圆弧16。如图3、图4所示，转轮新型分扇制造方案中转轮由多个转轮叶片11与扇形上冠12、扇形下环13组成的铸造组合体8焊接而成，连接焊缝为扇形上冠之间焊缝9、扇形下环之间焊缝10。本实施方式提供的一种小开口水泵水轮机转轮分扇铸焊制造方法是通过如下步骤实现的：
如图4所示，S1、转轮叶片11与扇形上冠12、扇形下环13组成的铸造组合体8分别独立地铸造及数控加工，其中流道表面和焊接坡口精加工，非过流表面粗加工。
本步骤中的短叶片流道设计长度不受常规转分瓣轮制造工艺的限制。本步骤中的转轮截距、开口高度、转轮叶片11安放角度、叶片过渡圆弧16等精品水力学结构尺寸质量的保证均由数控加工实现，相比常规的装配焊接，对转轮精品质量的保证具有重要意义。
如图5、图6、图7所示，S2、在平台上划出装轮的投影线，按线吊装第一个铸造组合体8并调平垫稳，以第一个铸造组合体8为定位装配其它铸造组合体8直至完成1/2瓣转轮，检查焊接扇形上冠之间焊缝9和扇形下环之间焊缝10的错边、相邻转轮叶片11进水边和出水边的弦距、转轮平面度和直径，尺寸检查合格后搭焊牢固。
如图5、图6、图7所示，S3、完成另一1/2瓣转轮的装配并搭焊固定，将两个1/2瓣转轮合拢，通过旋转角度及拉开距离以避开干涉区域，尺寸调整合格后将整个转轮搭焊固定。
本步骤提供一种简单可行的装配方案，若采用整体顺序装配，则最后一个铸造组合体8无法装配，相较常规分瓣制造方案不需要控制上冠1与下环2开口尺寸和转轮叶片11安放角度，简化了转轮装配工序及尺寸调整工序，降低装配难度并有利于缩短周期。
如图8、图9所示，S4、先使用窄间隙焊接设备焊接U形坡口14，焊道顺序依次为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ，再使用深熔焊设备焊接V形坡口15，焊道顺序依次为Ⅻ、ⅰ，通过选择合适的焊接参数，可以实现钝边全熔透，免除气刨清根工序。
本步骤中免除了气刨清根工序，不仅能减少转轮制造的生产成本，同时对转轮焊接变形的控制具有积极影响。
如图8、图9所示，S5、对称焊接扇形上冠之间焊缝9、扇形下环之间焊缝10的U形坡口14填充层和盖面层，一条焊缝焊接完成后，跳过相邻焊缝焊接下一条焊缝，直至转轮焊接完成。
本步骤中对接接头的扇形上冠之间焊缝9和扇形下环之间焊缝10代替了常规分瓣制造方案中T形接头的叶片与上冠间焊缝5和叶片与下环间焊缝6，克服了小开口转轮内部操作空间狭隘的问题，降低了焊接、铲磨及无损检测难度。本步骤中跳过相邻焊缝焊施焊的目的是避免焊接变形积累，进而导致转轮整体尺寸超差，同时跳步施焊有利于焊缝应力释放，对转轮质量提升具有积极意义。
具体实施方式二：如图3、图4所示，本实施方式是对具体实施方式一所述的S1作进一步限定，本实施方式中，所述S1中，转轮叶片11与扇形上冠12、扇形下环13组成的铸造组合体8是一体铸造，直接铸造出转轮叶片11与扇形上冠12、扇形下环13的过渡圆弧16，铸造组合体8的数量与转轮叶片11的数量相等。
本步骤中的过渡圆弧16铸造并加工的生产方式，取代了常规焊接、铲磨的生产方式，保证了流道区域表面质量和转轮叶片型线的精度，转轮整体铲磨工序的工作量降低为常规分瓣制造方法的1/3。
具体实施方式三：如图3、图4所示，本实施方式是对具体实施方式一所述的S1作进一步限定，本实施方式中，扇形上冠之间焊缝9最佳位置分布在相邻两转轮叶片11与上冠交线的拟合中心线位置，即扇形上冠之间焊缝9上任意一点到相邻两转轮叶片11的距离相等，扇形上冠之间焊缝9与转轮叶片11的位置无重叠。
本步骤中所选取的扇形上冠之间焊缝9位置远离叶片的过渡圆弧16，使扇形上冠之间焊缝9避开运行的高应力区，使转轮有更高的运行安全裕度，从而降低转轮的运行维修成本。
具体实施方式四：如图3、图4所示，本实施方式是对具体实施方式一所述的S1作进一步限定，本实施方式中，扇形下环之间焊缝10最佳位置分布在相邻两转轮叶片11与下环交线的拟合中心线位置，即扇形下环之间焊缝10上任意一点到相邻两转轮叶片11的距离相等，扇形下环之间焊缝10与转轮叶片11位置无重叠。
本步骤中所选取的扇形下环之间焊缝10位置远离叶片的过渡圆弧16，使扇形下环之间焊缝10避开运行的高应力区，使转轮有更高的运行安全裕度，从而降低转轮的运行维修成本。
具体实施方式五：如图8所示，本实施方式是对具体实施方式一所述的S1作进一步限定，本实施方式中，扇形上冠之间焊缝9、扇形下环之间焊缝10为大坡口向外的全熔透焊缝，坡口形式为U-V形窄间隙坡口，坡口角度α为1.6°~3.0°，根部圆弧半径R为9~13mm，钝边尺寸c为6±2mm，坡口宽度L为30~39mm，坡口角度β为44°~50°，坡口深度h为9~11mm，装配间隙2±1mm，适用焊缝深度t≤450mm。
本步骤中所选取的U-V形窄间隙坡口形式，焊接时采用单层单道焊，较常规手工焊接方法熔覆金属量节约60%，大大减少焊接热输入，焊缝应力水平低，降低了焊接变形的控制难度。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种小开口水泵水轮机转轮分扇铸焊制造方法，其特征在于：所述方法是通过如下步骤实现的：
S1、转轮叶片（11）与扇形上冠（12）、扇形下环（13）组成的铸造组合体（8）分别独立地铸造及数控加工，其中流道表面和焊接坡口精加工，非过流表面粗加工；
S2、在平台上划出装轮的投影线，按线吊装第一个铸造组合体（8）并调平垫稳，以第一个铸造组合体（8）为定位装配其它铸造组合体（8）直至完成1/2瓣转轮，检查焊接扇形上冠之间焊缝（9）和扇形下环之间焊缝（10）的错边、相邻转轮叶片（11）进水边和出水边的弦距、转轮平面度和直径，尺寸检查合格后搭焊牢固；
S3、完成另一1/2瓣转轮的装配并搭焊固定，将两个1/2瓣转轮合拢，通过旋转角度及拉开距离以避开干涉区域，尺寸调整合格后将整个转轮搭焊固定；
S4、先使用窄间隙焊接设备焊接U形坡口（14），焊道顺序依次为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ，再使用深熔焊设备焊接V形坡口（15），焊道顺序依次为Ⅻ、ⅰ，通过选择合适的焊接参数，可以实现钝边全熔透，免除气刨清根工序；
S5、对称焊接扇形上冠之间焊缝（9）、扇形下环之间焊缝（10）的U形坡口（14）填充层和盖面层，一条焊缝焊接完成后，跳过相邻焊缝焊接下一条焊缝，直至转轮焊接完成。
2.根据权利要求1所述的一种小开口水泵水轮机转轮分扇铸焊制造方法，其特征在于：所述S1还包括，转轮叶片（11）与扇形上冠（12）、扇形下环（13）组成的铸造组合体（8）是一体铸造，直接铸造出转轮叶片（11）与扇形上冠（12）、扇形下环（13）的过渡圆弧（16），铸造组合体（8）的数量与转轮叶片（11）的数量相等。
3.根据权利要求1所述的一种小开口水泵水轮机转轮分扇铸焊制造方法，其特征在于：所述S1还包括，扇形上冠之间焊缝（9）最佳位置分布在相邻两转轮叶片（11）与上冠交线的拟合中心线位置，即扇形上冠之间焊缝（9）上任意一点到相邻两转轮叶片（11）的距离相等，扇形上冠之间焊缝（9）与转轮叶片（11）的位置无重叠。
4.根据权利要求1所述的一种小开口水泵水轮机转轮分扇铸焊制造方法，其特征在于：所述S1还包括，扇形下环之间焊缝（10）最佳位置分布在相邻两转轮叶片（11）与下环交线的拟合中心线位置，即扇形下环之间焊缝（10）上任意一点到相邻两转轮叶片（11）的距离相等，扇形下环之间焊缝（10）与转轮叶片（11）的位置无重叠。
5.根据权利要求1所述的一种小开口水泵水轮机转轮分扇铸焊制造方法，其特征在于：所述S1还包括，扇形上冠之间焊缝（9）、扇形下环之间焊缝（10）为大坡口侧向外的全熔透焊缝，坡口形式为U-V形窄间隙坡口，坡口角度α为1.6°~3.0°，根部圆弧半径R为9~13mm，坡口宽度L为30~39mm，钝边尺寸c为6±2mm，坡口角度β为44°~50°，坡口深度h为9~11mm，装配间隙2±1mm，适用焊缝深度t≤450mm。
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