转轮结构

转轮结构（共10篇）

转轮结构 篇1

1 受力特点

转轮是水轮机组的关键构件, 其设计形成的结构布局、强度性能直接关系到整机的使用寿命, 与水电站的电力生产及输送的平稳安全与否息息相关。

混流式水轮机的转轮就结构而言由上冠、下环及叶片组成。通常情况下转轮具有多个叶片且叶片呈周向均匀分布排列, 具有周期性对称结构。为了实现转轮运转, 需要有力作用在转轮上, 而其中主要的作用力表现为叶片所承载的水压载荷以及叶片在转动过程中所产生的离心载荷力。后者具有与转轮结构相同周期对称的特征, 这一特征也使得叶片的几何形状与载荷具有相同的对称周期、甚至结构的变形也呈周期性对称。基于上述特征, 在对转轮结构进行设计考量时, 可只选取辐射夹角弧度为两个圆周率与叶片数比值的量, 即实现包含一个对称周期 (其中包含一个叶片在内的上冠与下环部分) 。

2 网格自动划分

在对水轮机转轮结构进行程序分析的过程中, 较难实现之处为对其结构各部分网格自动划分的科学确定。而通常情况下对于混流式水轮机转轮的三大主要构件而言, 形态样式较为规则的是其上冠与下环的空间形态。其中, 下环类似于锥体结构中锥壳的形态, 而上冠则类似于简单的二维图形, 绕空间轴旋转而成的三维旋转体, 但其自身的厚度变化不大, 只是外部边缘有一定隆起的台阶。上冠与下环部分因其自身的几何特征可以较为容易地实现自动化的网格划分, 这使得在人工操作过程中对原始数据及信息输入的要求较少。而在实际划分过程中, 较为困难的则是叶片部分, 由于叶片由三维空间曲面组成, 很难通过观察及测量列出叶片表面形状的一般数学模拟解析式, 且叶片实际呈现出的是弯曲扭转的复杂空间实体, 运用一般的离散坐标或自然光滑过渡方法进行模拟则会产生较大的误差亦或导致网格畸形的情况发生。

因此, 为了精确地对叶片进行网格模拟划分, 可采用三维单参数样条函数的方法对叶片木模图的各剖面离散点进行查值再造处理, 形成适合生成网格的数据坐标点, 即首先利用木模图上呈现出的各剖面上的坐标数据点对叶片表面的空间曲线进行构造拟合, 形成基本拟合空间曲线图像后, 再对空间区间进一步调整, 使其更加接近叶片的外形从而实现对叶片进行精准描述的目的, 最后再逐一对空间曲线进行叶片正反面对应的坐标点分布, 并形成最终的网格单元节点。输入数据除了木模图上给定的坐标值外, 只需再输入所需划分单元的参数则叶片网格即可实现自动生成。

3 计算方法及设计优化

3.1 计算方法优化

(1) 传统计算方法。混流式水轮机转轮结构优化设计的方法大致可分为准则法与数学规划法两大类。其中, 准则法计算便捷、直观易懂, 但应用范围具有较大的局限性, 常用到杆系结构与平面应力元件。而数学规划方法则充分利用了数理科学严谨的逻辑思维及数理模型构建覆盖面广泛等特征, 但需要精准的数据支撑及较大的数学运算量。由此可见, 应针对传统的计算方法进行适当的改变。

(2) 改进方法。有限元方法:通过输入原始数据, 利用叶片、上冠及下环网格的数据自动生成的功能, 将处理生成后的数据输入计算模拟系统, 利用计算机技术实现对单元刚度矩阵与应力矩阵的计算与存储, 同时, 对单元载荷量及形成的载荷矩阵进行计算, 在计算过程中, 通过计算机程序实现对计算方程的范围约束, 实现结果的精准。最后, 将数据进行存储并分析最终实现计算节点应力与主应力的目标。具体计算流程如图1 所示。

复合形法:利用三维及以上的n维度空间构造一个顶点为两倍空间维度即2n个顶点的n维几何体, 要求全部顶点都要在可行区域内, 通过计算各顶点的目标函数值, 并通过实际比较研究, 剔除不适宜的顶点, 逐步实现对最优点逼近拟合的过程。在拟合过程中, 最终通过数学中的收敛函数实现最优点确定, 但复合形法的收敛拟合进程较为缓慢, 尤其是空间维度及顶点数较多时, 为了实现理想新顶点的获取, 通常要向中心点进行多次工作量较大的收敛计算。

在实际的计算过程中, 应根据不同的数据结构进行不同计算方法的选取, 实现对数据的合理分析与利用。

3.2 结构设计优化

(1) 流程优化。先判断新点的优劣性质, 然后再判断其是否可行。判断标准是构造初始复合形时令新点的目标函数小于原始目标函数的95%为优, 否则不进行新点的约束条件判断, 需重新寻找新点。这一方法同样可以运用到以后的映射寻找新点的过程中。由此可以预见每调用一次有限元程序, 几乎都能得到一个新的较优点, 这个方法实际上在构成初始复合形时即令原始尺寸为最坏点, 程序的效率得到大大提高。

(2) 结构分析优化。结构优化设计大部分计算时间用于对结构的重复分析方面, 在进行编制优化设计程序的过程中, 应减少使用有限元分析的次数, 并结合实际进行结构分析优化。在转轮的优化设计过程中, 叶片形状及厚度与转轮的水力性能高度相关, 因此, 可不考虑对其进行优化, 这样操作可实现叶片尺寸一直保持不变, 使得叶片重量、单元刚度矩阵、弹性矩阵及载荷量矩阵也基本保持不变。在优化分析过程中亦无需对上述几项进行计算, 从而达到分析简化、节约工作时间与工作量的目的。

4 结束语

较多干扰水电站机组运行效率及安全的因素中, 对于混流式水轮机而言, 作为其核心部件的转轮, 对水轮机效率的影响不言而喻, 因此转轮的优化设计是整个水轮机设计过程中至关重要的部分。通过优化设计得到新的改进方法, 同时运用网格划分、计算流体动力学并结合模型试验技术, 从而开发出具有优良性能的水轮机转轮, 对缩短设计周期、降低开发成本及提升水轮机水力设计整体水平具有重要的理论及实践意义。

参考文献

[1]王少波.大型混流式水轮机转轮叶片结构动力特性分析[J].机械强度, 2004.

[2]马廷卫.混流式水轮机转轮结构分析研究[D].西华大学, 2006.

无叶片转轮风扇等 篇2

英国发明家最近推出了一款无叶片风扇——戴森空气增加器。它使空气从一个宽1.3 mm、绕着圆环转动的切口吹出来,速度可增至35 km/h。研究人员称,戴森空气增加器的空气流动比普通风扇产生的风更平稳,而且它产生的空气量不亚于目前市场上性能最好的风扇。

这种机器分大小两类,均呈金属色,和大多数桌上风扇一样,它能转动90°。但是与其他风扇不同的是,它由变光开关控制,而且由于没有叶片,不会覆盖尘土,或者伤到好奇儿童的手指。

读心仪

当你看到某些事情,希望通过语言和绘画进行表达时,通常会表现得并不完整。日前,科学家最新研究出一种读心仪器,这种研究脑波活动模式的仪器能够“读懂”人们的大脑活动,并以动态图像显示在计算机屏幕上。科学家称未来有一天它将用于处理犯罪案件,使目击证人或受害者复原当时的犯罪过程。

脑对脑交流系统

英国科学家宣称,他们已经研制出一套可以让人进行“脑对脑交流”的系统,将来人类实现脑脑交流将成为可能。

该系统通过一个网络连接,把一个人的大脑形成的信号发送到相隔数千米外的另一个人的大脑里。在脑信号传输过程中,两个人都接通用来测量特定部位脑活动的电极。第一个人的大脑中产生一系列二进制数字,假设动左臂是零,动右臂是一。电脑认识到第一个人的想法后,通过网络把信号传输给第二个人的电脑,这时显示灯就会以两种不同频率闪动,分别代表着零和一。第二个人看到这盏灯且一连串数字被电脑接收到后,电脑将对他的脑信号进行分析,从而达到交流目的。这项技术对那些身体不能动弹、不能说话甚至看不见的人非常有帮助。

飞行潜艇

美国设计的一款小型飞机模样的潜艇备受瞩目。这种称为“超级飞行器”的潜艇全长6.7 m,翼展3.7 m,重1.7 t,可深入305 m以下的海底,其最高下潜速度为 98 m/min,最高上升速度则为183 m/min。

新型潜艇的活动自由度前所未有。它以飞行的原理建造,可以推、升和拖拉,让艇中人可以在海浪下方“飞行”。它有数只翼和一支操控杆,可以像飞机那样带坡度转弯,也可以随意转动及依曲线前进。新型潜艇下水一次可以行走数小时,驾驶员不必担心它会疲倦或失压。

新型潜艇没有客座,只有两个加压驾驶座。驾驶座有厚厚的透明胶罩保护,让驾驶员可以看到360°的水底景观。

跑车办公桌

大型水泵转轮加工工艺 篇3

牛栏江-滇池补水工程项目装有4台21.4MW水泵机组, 为目前亚洲最大的水泵机组。项目建成后重点向滇池补充生态水, 改善滇池水环境, 在昆明发生水危机时, 提供城市生活及工业用水。机组转轮结构特殊, 按以往的加工制造经验, 很难保证转轮部分关键技术要求, 因此, 需要采取有效的工艺措施, 以保证转轮加工的质量。

2 转轮主要技术参数

3 转轮结构特点及加工难点

3.1 转轮叶片流道长, 上冠与下环开口尺寸较小, 焊接可达性不佳。

3.2 叶轮直径 (转轮进、出水边截面线对应直径尺寸) 的保证。

3.3 转轮配重空间的确定及残余不平衡力矩的保证。

4 加工方案

针对转轮焊接变形遗留的问题和加工难点, 前期及加工过程中经过多次研究与实践, 最终完全达到设计要求, 保证了产品质量, 具体如下:

4.1 转轮装焊后变形问题的解决

由于转轮叶片流道长, 上冠与下环开口尺寸较小, 强度较差, 焊接可达性不佳等原因。转轮焊接后上冠上平面平面度较差, 高低点差值达4.8mm左右, 上冠与下环间开口尺寸很难满足设计公差 (0.30mm) 要求, 以上问题只能留在加工序中来解决。后序采用如下工艺方法进行加工:

(1) 对转轮进行全面划检, 确定上冠梳齿与下环下平面的加工余量后, 经过计算在保证上冠强度的前提下对上冠上平面进行加工见平处理, 后序铲磨序中又对其进行了全面的修磨、抛光处理。

(2) 针对转轮焊接后实际开口偏大及公差要求较高的问题, 先按高宽1:15的比例对开口内侧进行长焊, 上车床在外圆处车5mm宽基准面, 由铲磨对里侧长焊区域进行粗磨, 钳工用砂轮机进行精磨、抛光。

通过以上工艺方法很好的保证了上冠的平面度, 以及转轮开口尺寸, 同时也提高了产品的外观质量。

4.2 叶轮直径的保证

由于叶轮出水边直径尺寸 (如图3:C1、C2、C3基准点对应叶片边缘直径尺寸) 关系到泵的扬程, 为重要技术参数, 直径偏小就意味着泵的扬程不够, 但是此转轮为9叶片, 直径尺寸无法直接用尺测量。因此采用如下方法配合机床进行测量并修复:

(1) 转轮上数控立车在下环外圆车测尺圆, 利用百分表测叶片截面线点到测尺圆的尺寸、根据测尺圆尺寸计算出叶轮进、出水边直径尺寸, 测量后叶轮出水边直径尺寸普遍偏小 (5~9) mm。

(2) 针对直径尺寸偏小的问题, 经过多次研究、论证, 对叶片出水边外圆处长焊, 铲磨利用叶片头部型线样板进行修磨、抛光, 修磨后上数控立车进行复测, 反复长焊、修磨后完全满足了设计±2mm的公差要求。

4.3 转轮配重空间的确定及残余不平衡力矩的保证

由于转轮没有内腔, 无放置配重物的空间, 转轮残余不平衡力矩仅为2.5Nm, 按以往的工艺方法:转轮粗车→粗镗→精车→精镗→静平衡进行转轮加工, 如果最后转轮不平衡力矩较大, 容易出现不平衡力矩无法消除的现象。因此, 该转轮采用的工艺方法为:转轮粗车→粗镗→粗平衡→调整转轮中心精车→精镗→精平衡。采用转轮增加一次静平衡和调整中心重新加工转轮的工艺方法, 能有效的保证转轮加工后残余不平衡力矩符合设计要求。

转轮第一次平衡后, 残余不平衡力矩为90Nm, 采用重新确定转轮中心的方法进行精加工转轮, 加工后再次平衡, 残余不平衡力矩为9.2Nm, 不平衡力矩降为约原来十分之一, 作用非常明显。调整转轮中心的作用是将转轮的重心进行偏移, 消除转轮一部分偏心重量, 减少转轮残余不平衡力矩。

转轮第二次平衡 (图5) 后, 在转轮下环下平面处钻孔, 采用去除重量的方法, 去除转轮重点位置的重量。

通过以上转轮调整中心配车及去除重量的工艺方法加工转轮, 转轮平衡后残余不平衡力矩为2.1Nm, 符合图纸残余不平衡力矩最大2.5Nm的要求。

5 结束语

转轮结构 篇4

当然，柯尔特公司并不是当时口袋型转轮手枪的惟一生产商，同类产品在市场上有很多竞争者，其中最强劲的对手当属小型大口径单发德林杰转轮手枪、胡椒盒转轮手枪。除此之外，本文的两个主角——斯普林菲尔德公司小型转轮手枪和S&W NO.1口袋型转轮手枪也是当时比较具有代表性的产品。

不过，那个时代，这些小型手枪均威力很小，人们拥有它，更多地是起到震慑作用。

斯普林菲尔德小型转轮手枪

在柯尔特M1849口袋型转轮手枪取得成功后，各公司同时代生产的击发式口袋型转轮手枪中，就有一部分枪仿造该枪的设计，外形和结构与其非常相似，如贝肯公司和大都会公司的口袋型转轮手枪。而马萨诸塞武器公司的梅纳德小型转轮手枪和斯普林菲尔德公司的小型转轮手枪则采用完全不同的独特设计。

斯普林菲尔德公司小型转轮手枪是1851～1852年根据枪械设计师詹姆斯·华纳的专利生产的，因此该枪也被称为华纳转轮手枪。该枪生产数量较少，仅制作了大约1525支，共有4款不同型号，各型号之间仅有微小差别，有的采用单动击发机构，有的则采用双动击发结构。前3款型号由于生产数量太少且年代久远，现存数量已经很少。目前比较常见的是最后一款型号，也是本文要展示的型号。

斯普林菲尔德小型转轮手枪外形非常小巧，其发射0.28英寸口径圆弹头，全枪长仅165mm，滑膛式枪管长64mm，转轮弹膛容弹量为6发。该枪外形奇特，转轮座呈“广”形，前端连接枪管，后端通过螺钉与发射机座相连。由于采用击发式结构，转轮弹膛后方外侧均匀分布6个圆孔，用于放置击发火帽。

转轮弹膛后方是发射机座，外观呈流线形，发射机座下方与握把相连。握把为木质，握把底部十分圆润，但因整体长度非常短小，握持并不是很舒适。扳机外形纤细，设置在发射机座下方，扳机外围带有一个大型扳机护圈，扳机护圈直径与发射机座长度相当。

该枪的闭锁和待击系统与柯尔特M1849口袋型转轮手枪完全不同。其击锤设置在发射机座上方，但并不是在发射机座的中间，而是稍向右偏，以一个倾斜的角度击打击针。这种击发机构的有效性远不及柯尔特M1849口袋型转轮手枪。全枪金属部件全部采用钢材制作，并经发蓝处理，发射机座两侧手工雕刻有优美的花纹，具有19世纪中期的风格。

斯普林菲尔德小型转轮手枪没有设置照门，但枪管前端上部设有一个非常小的圆锥形黄铜准星，可以进行概略瞄准。

为该枪装弹时，首先拧下转轮座后端的螺钉，取下转轮座/枪管组件，然后取下转轮弹膛。用专门的装药瓶在每个弹膛内分别装填0.4g火药和一个0.28英寸口径圆弹头，并用推弹杆将弹头推入弹膛底部。然后，在每个弹膛口部均涂上油脂，以保证射击时不会造成一连串发火。装上转轮弹膛，并固定好转轮座/枪管组件。再将击锤扳至半待击位置以锁定击锤，手动旋转转轮弹膛并在每个弹膛后方外侧的圆孔内放置击发火帽，最后将击锤扳至待击位置，此时枪即处于待击状态。

该枪使用的0.28英寸口径圆弹头质量仅2g，射击时初速约198m/s，枪口动能约40焦耳——这样的威力实在是太小，比柯尔特M1849口袋型转轮手枪小得多。

S&W NO·1口袋型转轮手枪

史密斯韦森公司生产的S&WNO.1口袋型转轮手枪对于该公司具有非凡的意义。尽管公司在推出该枪之前就已经设计出不少产品，但一直没有取得成功，直到S&W NO.1口袋型转轮手枪的出现才使史密斯韦森公司名声大噪，并因销售量巨大而为公司奠定了坚实的经济基础。

S&W NO.1口袋型转轮手枪于1857年设计成功，是世界上第一支真正实用的采用定装枪弹的转轮手枪，不过，该弹为边缘发火枪弹。该枪采用由罗林·怀特发明的通透弹膛，即现代转轮手枪的弹膛式样，转轮弹膛容弹量为7发，发射0.22英寸口径短弹。该弹弹头质量1.9g，采用0.26g FFFFg黑火药，由于其原型弹消失已久，其初速和枪口动能现在已不得而知。英国的0.297-230英寸英瑞斯短弹是中心发火式枪弹，但其黑火药量与该弹相似，只是弹头质量稍高，为2.4g。根据英瑞斯短弹初速265m/s、膛口动能84焦耳这一数据推断，S&W NO.1口袋型转轮手枪使用的0.22英寸短弹具有相似的初速，其膛口动能大约为67焦耳——虽然停止作用不好，但相比于斯普林菲尔德小型转轮手枪要好得多。

S&W NO.1口袋型转轮手枪外形小巧，与斯普林菲尔德小型转轮手枪尺寸相似，枪管长为80mm。其结构坚固可靠，已经初步具备了史密斯韦森公司转轮手枪的风格。枪管采用钢材制作，枪管内刻有膛线。枪管外缘为六边形，枪管下方设置有一根较短的固定式退壳杆，将转轮弹膛插入退壳杆即可退出空弹壳。枪管后上方与转轮座铰接在一起，而枪管后下方右侧带有一个小型弹簧卡锁，将枪管与转轮座锁定。转轮弹膛卡在转轮座前方，发射机组件组装在转轮座内。转轮座下方设置一个几乎呈竖直状的扳机，扳机外形短粗，外侧没有设置扳机护圈，这样设计的原因是公司当时认为没有扳机护圈更有利于携带。

转轮座顶部刻有凹槽，可作为照门使用，枪管前端带有一个半圆形片状准星。转轮座和转轮弹膛采用黄铜制作，外表进行镀银处理。握把采用胡桃木制作，握把底端棱角分明。

由于采用定装枪弹，因此S&WNO.1口袋型转轮手枪的装弹程序相比于发射分装枪弹的转轮手枪而言大大简化，仅需打开枪管后下方右侧的小型弹簧卡锁，即可解除枪管与转轮座的锁定，然后取出转轮弹膛，并在每个弹膛内放入枪弹，之后将转轮弹膛放回转轮座，将枪管恢复原位并锁定，再将击锤扳至待击位置即可开始射击。该枪装填速度非常快，装7发弹的时间仅相当于装填1枚分装式枪弹的时间，并且定装枪弹防水防潮，因此该枪一经推出就大获成功，直到1881年才停止生产，总共出售了约30万支。

S&W NO.1口袋型转轮手枪推出后立即风靡市场，由于订单数量太多，史密斯韦森公司的生产甚至有一段时间根本无法满足订单需求。与柯尔特M1849口袋型转轮手枪一样，S&WNO.1口袋型转轮手枪推出的时机也非常恰当。该枪推出后的1861年4月，南方军在萨姆特堡开火打响了南北战争的第一枪。士兵们纷纷购买能在战争中使用的任何物品，从笨重的金属护胸，到胶质水袋应有尽有，当然S&W NO.1口袋型转轮手枪是必不可少的装备，尽管其采用的0.22英寸短弹威力有限，但却成为了军官们极为青睐的自卫用口袋型转轮手枪。

虽然S&W NO.1口袋型转轮手枪很受欢迎，但不得不说其不适合在战争中使用，因为枪弹的威力实在太小。甚至美国小说家马克·吐温在他的经典著作《艰苦岁月》中也曾表达了对该枪的轻视。他在一段文中恰如其分地描写道：“我在战斗中武装到牙齿，但是仅携带一支可怜的小型S&W NO.1口袋型转轮手枪。该枪的枪弹实在是像一个药丸那样小。但是我仍然要说它是一支非常危险的武器，除了它精度不佳。”

斯普林菲尔德小型转轮手枪与S&WNO.1口袋型转轮手枪已是距今160余年的老枪。这两款手枪威力很小，在战场上与极端冲突中难以有效发挥作用，但它们在当时仍颇受欢迎，特别是S&WNO.1口袋型转轮手枪更是产量惊人，这足以说明那个年代对武器的渴求。这两支手枪作为历史的存在记录着当时武器的发展状况。

整铸转轮数控加工工艺总结 篇5

该转轮采用整铸不锈钢结构, 材质为ZG0Cr13Ni5Mo, 毛坯4224Kg, 净重3974 Kg, 转轮直径为1700mm, 最大外径2194.4mm。

2转轮加工工艺

冲击式转轮整体数控制造是工艺研究的重点, 整体制造可很好的解决转轮运行中的失效断裂问题、提高加工效率、减低加工成本、提高水轮机的效率。转轮加工工艺流程图如下图。

2.1转轮划检

转轮是我厂采用模具整铸的水斗式转轮, 数控加工前的划检难度较大, 划线是保证加工质量的关键点之一。转轮划检除采用传统人工划线外, 还需要精密仪器FARO测量数据与计算机相结合模拟转轮和水斗的尺寸和型线, 确定转轮的加工基准和加工余量。转轮划线时出现水斗加工量不一致、水斗型线局部不够加工、铸造有缺陷等现象。

2.2数控编程研究

2.2.1数控加工的计算机仿真加工。

转轮加工中难点为粗、精铣水斗正背面型线。由于转轮结构紧凑、几何形状复杂, 加工前需对转轮三维建模, 利用UG软件的自动编程功能, 合理的选择刀具、切削参数、进退刀方式等, 设计合理的数控加工程序。UG软件应用在整体数控加工冲击式转轮具有极大的创新意识, 开创了冲击式转轮整体数控加工的新局面。

2.2.2刀具的选择。从刀具的类型上, 选择硬质合金机卡刀较为合理。这种刀具耐磨、抗冲击性能好, 尺寸准确, 刀片可以更换。水斗型面的加工粗加工基本由钻头、高速面铣刀、插铣刀、螺旋立铣刀完成, 精加工由球头立铣刀和仿形铣刀完成。

2.2.3超长刀柄振动抑制。转轮水斗尖部到根部的距离为544.3mm, 刀具的直径和长度比达到1:18, 刀具加工时容易振动。因此需要设计提制具有减震功能的刀柄, 减小了加工过程时的振动现象, 提高了水斗表面加工的精度。从加工效果来看, 超长刀柄基本能满足斐济转轮的精度要求。

2.3夹具设计

结合机床的选择, 数控龙门铣为立式主轴结构, NC160镗床为卧式主轴结构, 转轮工装夹具设计卧式装卡法。此种夹具体积、重量较小, 结构简单, 造价低;加工时找正、观察、操作方便。这套胎卡具不仅用于卧式龙门铣床上加工水斗的背面, 同时也用在立式NC160镗铣床上加工水斗的正面。

2.4数控加工

国外整体数控加工冲击式转轮一般采用专用水斗转轮加工机床和带有数控转胎的五轴镗铣床加工。哈电由于设备的限制, 通过分析研究, 利用数控转胎和三轴镗铣床完成了转轮的加工, 所用设备如下: (1) NCφ2.5米立车:加工车序部分, 包括转轮上平面、下平面、内圆、外圆 (包括外圆分水刃豁口处) 。转轮在精车后, 加工转轮的平面和中心的基准, 便于装配胎具, 为镗床加工确定基准面。 (2) 数控龙门铣:具备五轴联动功能, 主要粗精镗联轴孔、粗精加工水斗背面型线。受水斗结构和龙门铣主轴限制, 龙门铣粗铣水斗背面和正面的端面需2个工位, 即水斗上、下两部分 (以水斗分水刃为界) 。转轮粗铣水斗背面上半部分后装胎同钻铰定位销。 (3) NC160镗铣床:具有数控转胎和三轴联动功能, 精加工水斗正面型线。

水斗正面的空间相对狭小, 加工工艺主要解决刀具与水斗的干涉、超长刀具的防振、数控程序编制等问题。粗精铣水斗正面编制多个程序, 按角度数控编程加工, 有效控制了加工中的温度应力。

3转轮平衡

转轮平衡是转轮验收的重点之一。为保证转轮平衡的顺利完成, 采用钢球镜板式立式静平衡和导轨式卧式静平衡。分别用于转轮粗平衡和精平衡, 平衡精度可达到G6.3级。转轮在粗平衡后钻孔配重, 在精平衡中做平衡品质检查。

4结束语

谈振动对机组转轮运行的影响 篇6

恰海电站位于伊犁特克斯河上, 坝高105m, 水库正常蓄水位995m。坝后式电站装机容量4×80MW, 水轮发电机由哈尔滨电机厂制造, 型号SF80-34/8800;水轮机由通用电气亚洲水电设备有限公司制造, 型号HL (L241) -LJ-405。

水轮机转轮型号为混流L241转轮, 采用铸焊结构, 上冠、下环、叶片均采用06Cr13Ni5Mo不锈钢“VOD”铸造工艺。叶片为“X”型, 进行座标数控加工, 叶形准确, 三者焊为一体, 采用二氧化碳气体保护焊, 在专门焊接转轮的支架上焊接, 预热到80~100℃后焊接, 焊接完后, 推入加热炉作应力释放处理后, 进行精加工。转轮在厂内做静平衡试验。

L241转轮内的流态、叶片正、背面的压力分布均衡, 压力差较小, 减小了局部高流速区, 减缓了转轮内的二次回流, 使进口后无涡流区, 解决了常规转轮内叶片背面的低压区和空蚀问题, 有良好的抗泥沙磨损性能。

相关参数:最高水头83.6m;电能加权平均水头72.45m;额定水头68m;最小水头51.2m;额定流量134.31m3/s;过机含沙量0.2kg/m3;额定效率92.17%;额定转速176.5r/min。

2 强振区运行对机组转轮的影响

电站2005年9月首台机组投产, 2006年9月, 4台机组交付电厂运行。

电站1号机组投入运行15个月后, 2007年1月机组大修, 对转轮进行无损检测, 采用着色渗透 (PT) 方法检查。上冠发现线性缺陷23处, 下环焊缝检查发现线性缺陷5处, 裂纹总长259mm。

电站4号机组运行15个月, 检修时发现转轮叶片甚至有一块约390mm×310mm缺失, 质量约20kg, 同时发现线型缺陷20处, 共计长度500mm, 其中裂纹4条, 如图1所示。

2号机组运行近2a后检修时, 转轮焊缝区共发现线型缺陷19处, 共计长度1 514mm, 其中有5条贯穿性裂纹, 最长裂纹:叶片正面240mm, 叶片反面320mm, 如图2所示。

3号机组运行1年半检修, 转轮焊缝区共发现线型缺陷12处, 共计长度1 608 mm, 其中裂纹12条 (有3条贯穿性) 。最长1条是566mm的半圆弧长, 正反裂纹长1082mm。如图3所示。3号机组转轮最长裂纹, 叶片正面566mm, 叶片反面516mm。

3 对转轮裂纹的原因分析

电站承担新疆电网的调峰、调频任务, 机组经常在强振区持续运行, 或往复穿越强振区。运行人员巡检时确认, 机组在强振区运行时的振动声音明显增高。电站水轮发电机强振区如表1。

电站4台机组检修所发现的裂纹, 多位于转轮叶片焊缝区、出水边叶片相对较薄的位置。检修人员在裂缝返修过程中均发现焊缝区内部或有气孔、或有夹渣等焊接缺陷。

由此判断, 机组长期在振动区运行, 引发焊接缺陷应力释放, 应力在叶片薄弱部位, 即叶片出水边根部集中, 振动频率影响分子固有频率, 导致裂纹产生, 并向叶片内部延伸。

通过向水轮机厂家咨询以及了解国内同类型机组水电厂的运行情况, 机组在强振区运行以及来回穿越强振区对转轮焊缝和叶片有很大危害。混流式水轮机在强振区工况运行时, 因涡带、叶道涡、卡门涡的产生会引起机组的振动、叶片的空蚀等, 机组振动将对设备本体、特别是对转轮造成破坏性的损坏。机组长期在振动区运行, 还会对水工建筑物造成破坏性影响。

因此, 国内外大中型水电厂一般不允许机组在70%额定负荷以下运行。

4 改善运行工况的处理方案

由于电站为新疆电网主力调频、调峰电厂, 电网要求AGC控制模式为“全厂模式”, 即省网调度员下达电站负荷, 由电站计算机监控AGC控制系统平均分配计算单机负荷, 并根据负荷变化实时调整。

2007年, 为改善机组的运行方式, 结合水轮机的模型资料和电站的运行经验, 多次向新疆电网调度申请调整机组出力负荷, 并提出如下方案, 方案按优劣顺序排序。

方案1:机组在70%额定负荷或50MW负荷以上运行。

方案2:省调向电厂下达日负荷曲线, 电厂生产技术部门根据日负荷曲线决定机组运行台数和负荷分配。

方案3:省调控制电厂机组运行台数和负荷分配, 但要做到在不影响新疆主网供电及旋转备用容量的情况下, 尽量减少本站机组运行台数, 让机组在稳定区运行;或仅让1台机组在振动区运行, 其它机组在稳定区运行, 在振动区运行的机组要避开强振区。

5 机组调整运行工况后的转轮运行情况

通过与省调的积极协调, 将上述我厂机组运行方案提供给省调值班员。在省调值班员的积极配合下, 我厂水轮发电机组运行基本上避开“表1”所列强振区运行。

2008年10月, 1号机组开展B级检修。检修人员在工作位置对1号水轮机转轮叶片进行了着色探伤检查, 转轮焊缝区共发现线型缺陷2处, 共计长度76mm。相对2007年1月对1号水轮机转轮裂纹检查, 裂纹长度减少约180mm。

2008年11月, 4号机组B级检修。转轮焊缝区共发现线型缺陷10处, 共计长度80 mm, 其中贯穿性裂纹1条。相对2007年11月裂纹长度减少约400mm。

2009年3月, 2号机组B级检修, 焊缝区共发现线型缺陷8处, 共计长度90 mm, 其中裂纹4条 (有1条贯穿性) 。相对2007年12月裂纹长度明显减少1 400mm。

2009年4月, 3号机组B级检修。转轮焊缝区共发现线型缺陷2处, 共计长度99mm, 其中裂纹2条。相对2008年3月, 裂纹长度明显减少1500mm。

6 结语

综上所述, 机组调整运行工况后, 对水轮机转轮叶片再次进行的着色探伤检查, 其明显减少的裂纹缺陷, 验证了我们制定运行方案的有效性, 即机组避开转轮的强振区运行, 可以有效地减少转轮叶片的裂纹, 减少机组的检修费用。

2010年4月, 通过与省调协商, 将电站的AGC运行方式由“全厂模式”改为“单机模式”, 省调给出全厂负荷, 由我厂值班人员调整每台机组所带负荷, 进一步改善了机组的运行工况。这样既满足了电网调频、调峰的需求, 又满足了我厂机组运行避开强振区的要求, 减少运行对转轮的损伤。

摘要：介绍了新疆恰海水电站水轮发电机组运行过程中, 机组振动对水轮机转轮叶片产生裂纹的影响, 以及采用调整机组负荷躲避强振区的方法, 减小振动对水轮机叶片的损伤, 确保发电机组安全稳定运行。

大型水轮机转轮叶片的加工工艺 篇7

一、大型水轮机转轮叶片加工工艺的基本思路

近些年, 数控加工技术不断发展, 为水轮机转轮叶片的加工提供了多种加工技术方法, 也为优化其加工工艺提供了良好条件。其中利用龙门铣机床作为主要的数控加工设备是当前转轮叶片加工中较为常见的加工技术。

具体来讲, 利用龙门铣机床进行大型水轮机转轮叶片加工的基本加工思路如下:首先在选择好加工零件的原始铸件后将其运送到加工车间, 其次铸件来料后利用胎具固定叶片, 利用龙门铣机床根据图纸进行加工, 粗加工留余量进行探伤, 合格将工件翻身粗加工另一侧, 留余量探伤, 然后利用激光跟踪仪器检测型线是否符合图纸理论型线, 符合后进行精铣一侧, 然后工件翻身检测另一侧型线, 符合后精铣。在此过程中要尤其注意做好叶片的测量、装卡找正、加工刀具选择和刀位计算等工作, 以确保加工质量。

二、大型水轮机转轮叶片加工技术要点

1 叶片的测量

在转轮叶片的加工过程中, 对叶片进行有效测量的非常重要的一道工序, 并且这一工序应该贯穿于叶片加工的整个过程。只有这样, 才能保证叶片表面的加工精度。一般来讲, 水轮机转轮叶片的表面是一种较为复杂的三维雕塑曲面, 测量起来难度较大, 尤其是在最后的精铣过程中, 对测量结果的精度要求较高, 一般的测量方法和测量仪器很难满足要求。为此需要采用特殊的专业测量工具, 通过直接测量或间接测量的方法完成曲面精度测量。

当然, 在具体的加工过程中, 首先应该对铸件, 即叶片的毛坯进行测量, 以确定其加工余量分布情况, 便于优化龙门铣机床的编程, 同时, 也有利于更加合理的固定铸件在胎具中的位置, 提高加工精度和效率。其次, 在具体的加工过程中, 也应该要进行一定的测量, 主要是为了确定粗加工后的剩余量, 以便于及时调整编程和工件的位置。及时的检测也有利于检测叶片是否出现了变形情况, 以及时调整。最后, 在加工完成之后, 仍然需要进行测量以检验加工是否符合质量要求。

2 正确的在胎具上固定叶片

在利用龙门铣机床进行转轮叶片加工时, 必须要正确的将叶片的毛坯固定在胎具上, 也就是要进行装卡找正。由于叶片本身的形状并不规则, 也没有明显的中心点, 所以对其进行装卡找正, 难度较大。一般应该遵循以下基本装卡原则:首先是要求胎具的强度应该足够大, 因为叶片本身的自重较大, 如果胎具强度不足, 在加工时易出现叶片移动的问题。其次是要求胎具本身应该有较为稳定的支撑点, 以便于确定叶片摆放的重心。再者, 叶片装卡找正时要确保叶片的所有加工部位都在龙门铣机床的有效行程范围内。第四是要求胎具的支撑点必须要可靠, 以避免叶片发生变形。第五是要求在加工过程中采取一定的减振措施。第六是胎具的装卡部位应该灵活易操作。在常规的装卡找正工作中, 常常会使用胎具自身进行找正, 但是实践证明这种找正方法不但无法确保找正效果, 且会耽误较长时间。为此现如今多采用计算机自动三点找正的方法来进行装卡找正, 效果较好。

3 合理选择加工刀具

对于转轮叶片加工而言, 刀具的选择至关重要, 因为若刀具选择不恰当, 不但不利于保证叶片加工的精度, 还可能会对龙门铣机床带来一定的不利影响。一般在大型水轮机转轮叶片的加工中, 多选用硬质合金机卡刀。这种刀具耐磨、抗冲击性能好, 尺寸准确, 刀片可以更换, 比较适合水轮机叶片的加工。刀具形状的选择要根据加工的部位来确定。刀具的尺寸 (刀具直径、刃高、刀杆长度) 由被加工曲面的形状来决定。形状比较平缓、曲率小的曲面, 可采用直径较大的刀具, 以提高加工效率。形状起伏变化大、曲率较大的曲面, 可采用直径较小的刀具, 以避免刀具干涉和过切。总的原则是在不发生刀具干涉的前提下, 尽量采用直径较大的刀具进行加工。对于加工余量分布很不均匀的叶片可考虑采用侧刃较高的刀具, 以避免加工中, 局部位置发生吃刀深度超过刃高的现象。对于被加工曲面或其他曲面和数控铣头发生干涉时, 可考虑采用较长刀杆的刀具进行加工。刀片的形状可根据刀具的不同及粗铣精铣的要求采用三角形、菱形、方形、圆形等不同形状的刀片。

4 刀位计算

刀位计算的主要任务是:首先选定加工坐标系, 然后用三点找正法对叶片的理论造型进行找正定位。在此基础上, 以提高加工效率、保证加工精度和型面质量为原则, 选定刀具、确定走刀方式和刀轴控制方式, 设定走刀方向和排刀方向的精度, 进行刀位轨迹的计算和刀具干涉检查, 最终生成为后置处理用的刀位轨迹数据文件。

结语

总之, 在大型水轮机的转轮叶片加工生产过程中, 加强对其加工精度的控制是非常重要的。一般合格的叶片被加工出来需要经过毛坯、粗加工和精铣三道基本工序, 当然在此过程中还要尤其注意做好叶片的测量工作, 确定最佳的装卡位置, 选择合适的刀具, 进行有效的刀位计算, 以保证叶片的加工效果。

参考文献

[1]李新华, 王旭.瑞丽江电站水轮机转轮叶片加工及工艺探讨[J].机械工程师, 2011 (06) .

[2]王波.水轮机叶片数控加工工艺的关键环节[J].科技咨询导报, 2007 (12) .

太阳能转轮除湿式空调系统 篇8

关键词：太阳能,转轮,除湿式空调系统

为解决能源短缺问题, 人们日益重视利用太阳能资源和工业余热、废热、燃气和低压蒸汽等低品位热源。开式旋转除湿空调系统是利用这些低品位热能实现空调制冷的新型高效空调设备。开式吸附式太阳能空调器充分利用了湿空气中水蒸气的特性来达到空调效果, 无现有空调系统中的氟里昂给大气臭氧层带来破坏的影响, 省去了压缩机、工质与空气的间接换热及一些辅助设备, 无压缩机噪声;且充分利用了太阳能, 节能环保。

1 空调概况

太阳能转轮开式旋转除湿空调系统是利用空气集热器所集的低温空气实现空调制冷和供暖的新型高效空调设备。其制冷原理的实质是将传热过程通过一个传质过程 (水汽的吸附与解吸) 来实现。这是一种输入热能便能实现空调制冷的空调设备, 其制冷量可以通过输入的热量实现无级调节。利用除湿转轮中的吸附剂吸附空气中的水分, 经热交换器进行降温, 再经蒸发冷却器通过绝热蒸发, 以进一步冷却空气而达到调节室内温度与湿度的目的。图1是改进后的系统图。

2 组成

太阳能除湿空调是由空气集热器和除湿空调系统组成, 除湿空调系统是由除湿转轮、显热交换器和直接蒸发冷却器组成, 利用除湿转轮中的吸附剂吸附空气中的水分, 经热交换器进行降温, 再经蒸发器通过绝热蒸发, 以进一步冷却空气而达到调节室内温度与湿度的目的。

1.空气集热器;2.热风风机;3.电加热器;4.湿空气出口;5.风机;6.处理风进口;7.除湿转轮;8.风阀;9.风道;10.预冷热湿交换循环泵;11.预冷热湿交换器12.套翅片管式预冷换热器;13.热湿交换循环泵;14.热湿交换器;15.出风风机;16.静压箱;17.出风风道;18.预冷风机

3 应用

皇明集团太阳能有限公司在集团的太阳能科技示范园中安装了一套太阳能除湿空调系统。

3.1 基本情况

(1) 主要参数。处理风量:6 0 0 m 3/h;出风温度:20～24℃。

(2) 太阳能集热器。采用空气集热器, 空气集热器以空气为介质, 系统没有结冰、无腐蚀、无结垢、无承压的要求, 如有泄漏也不致影响系统的使用;可提取大于1 0 0℃的空气温度。

(3) 建筑类型。三层单体别墅, 建筑面积800m2。

3.2 供暖和制冷过程

3.2.1 冬季供暖

冬季供暖时, 开启热风风机和出风风机, 打开风阀。空气集热器内所集的热风在热风风机的强迫下, 通过电加热、风阀, 经出风风机加速, 通过静压箱, 由出风风道通到楼内, 实现供暖。

3.2.2 夏季制冷

夏季制冷时, 开启机组开关、热风风机、出风风机、预冷热湿交换循环泵、热湿交换循环泵、预冷风机, 注意关闭风阀。

制冷总体是两个过程, 一个是除湿过程;一个是降温过程。

除湿过程的主要部件是除湿转轮。转轮除湿机的关键部件为载有吸湿剂的蜂窝状转轮, 蜂窝状转轮具有吸湿比表面积大、流通阻力小、除湿效率高等特点。吸湿载体采用高强度无机纤维材料卷制成蜂窝状通道的圆柱体——转轮。吸湿剂 (氯化锂、硅胶、分子筛) 嵌固或烧结于吸湿载体中, 性能稳定、使用寿命长。除湿转轮采用辊式链传动, 运转速度8r/h。转轮截面的3/4区域为除湿区, 1/4为再生区。各区之间采用氟弹性材料隔离密封, 有效地防止了除湿区和再生区之间互相窜扰。工作时除湿气流和再生气流逆向通过缓慢转动的转轮, 从而实现空气动态除湿。原理见图2。

本系统运用的转轮型号为:轮径8 0 0 m m, 处理风量1800m3/h, 再生风量≈600m3/h, 再生功率6kW。

当空气集热器的温度达不到除湿所要的温度时, 就要设置设备的除湿温度, 开启由可控硅控制的电加热系统, 注意设置的温度不能超过100℃, 否则高温对于转轮会有影响。

空气经过除湿转轮之后, 空气的湿度会降低, 大约在2 0%左右, 但是温度会升高。

还有一个过程是降温过程。降温过程由三个阶段组成:表冷器降温过程阶段;水预冷阶段;空气降温阶段。

(1) 表冷器降温过程阶段。因为经过除湿后空气温度升高, 需要对空气进行预降温。选定ф1 0 m m×0.7 m m紫铜管, 翅片选用δ=0.2 m m铝套片, 翅片间距2.2 m m, 管束按正三角排列, 管中心间距2 5 m m, 沿空气流动方向管排数4, 迎面风速2 m/s。管布置及基本结构如图3所示。

(2) 水预冷阶段。水通过表冷器后, 空气的部分热量传递给水, 水温上升。所以需要对水进行预降温处理, 处理完的水再进行第三个阶段的空气降温过程。

(3) 空气降温阶段。当得到低湿度的空气之后, 在热湿交换器中进行绝热蒸发。水的蒸发潜热是2 5 0 0 k J/k G, 制冷空调处理风量以6 0 0 m 3/h计算, 即处理风量7 2 0 k g/h (空气密度为1.2 k g/m 3) , 当空气绝热蒸发, 湿度升高, 以湿度从2 0%升到7 0%为例, 吸收水分3 g/k g。可知一共蒸发水分为2160g。所以可以得到的冷量为:2.16×2500=5.4 M J;则空气降温为7.5℃。

转轮结构 篇9

假如能让一位1899年的枪械工程师来查看这支枪，除了使用的是现代材料之外，可能再也找不到其他任何不平常的地方了。

这种独特的转轮手枪握持感极佳，部件可定做，并可进行精细的调整，这些都与19世纪末、20世纪初的工匠们制造的转轮手枪相似。但是更令人感兴趣的是，枪上最实用、最吸引人的特点都是在美国参加一次大战之前就已经开发出来的。

这支中型转轮手枪枪管侧面扁平，使用0.40英寸口径S&W弹。其设计目的除了为执勤的警察提供一种最具现代特点的转轮手枪外，还可用于战斗手枪的训练。该枪选择0.40英寸口径的原因是：

（1） 无凸缘手枪弹使手枪可以使用“满月弹夹”，弹夹上的6发枪弹成环形分布，不需要装弹器，就可直接将弹快速装入开放的转轮内。由于弹壳无法在星形退壳器下向后滑动，这种弹夹也提供了主动抛壳功能。

（2）0.40英寸S&W弹的长度短，这意味着二次装弹和主动抛壳都要比弹体长一些的0.38英寸、0.357英寸或10mm弹更加方便、快捷。

（3）0.40英寸S&W弹没有大口径转轮手枪或马格努姆转轮手枪的强后坐和膛口冲击波，能完成现役手枪所要做的各种事情。

1917年，S&W公司在美国陆军的要求下，制造出了著名的半月形弹夹，这种弹夹使转轮手枪可以使用无凸缘手枪弹。弹夹上有3个切口，可以咬住 0.45英寸ACP弹的弹壳凸缘，这样就可以有2发弹装入弹巢内，并以正常方式进行射击和抛壳。史密斯-韦森公司在20世纪80年代继续提供使用半月形弹夹的0.45英寸转轮手枪，并且将使用这种弹夹的弹种范围扩大到9mm巴拉贝鲁姆手枪弹和10mm自动手枪弹。在这一时期出现了可装6发弹的满月型弹夹，这种弹夹很受喜爱转轮手枪的射手欢迎。646型是众多使用满月形弹夹的史密斯-韦森转轮手枪中非常实用的一种。

在史-韦的不锈钢L型转轮座上，是101.4mm长、侧面扁平的枪管。退壳器杆被包起，不仅使退壳器杆得到保护，也增加了后坐缓冲量。坚固的黑色刀形准星位于枪管瞄准肋条的燕尾槽内。表尺为史-韦公司的组件，可调整方向和高低装定量。扳机窄而光滑，其独特之处是有一行程过量止动销，可保证较短的扳机行程以及轻快的回复。转轮回复到位确保了再次装弹的顺利进行。

为了使转轮不超过设计质量指标，史-韦的工程师们使用了钛质转轮。同等体积的钛要比不锈钢轻40%而且异常坚硬。646手枪的转轮经过了特殊的表面处理，可防磨损、腐蚀和烧蚀，并且退壳过程也比钢制转轮更加顺畅。因此，646的转轮弹膛不需任何研磨物质如砂纸等的擦拭。弹膛入口处为斜面，以确保用满月形弹夹再次装弹顺畅。

灰色的钛质转轮和喷砂的不锈钢转轮座与枪管形成鲜明对比，而红木手枪握把上奇特的纹理使整个枪显得更加美观。

武器专家保尔·斯卡莱塔在15m距离上用646分别装填4种不同品牌的弹药进行射击。结果显示，在所进行的12组6发弹试射中，没有一组散布超过76.2mm，除了不可避免的离群弹。

随后他检验646的无依托立射情况。将靶子设置在9m远的地方，并配套使用唐·休姆枪套。他进行了以一支手作支撑的反复拔枪速射动作。尽管这是一支刚从包装箱里取出的新转轮手枪，但它的双动扳机非常流畅、连贯，没有任何停顿，整体的平衡和后坐控制也高于一般水平。击中9环对保尔·斯卡莱塔来说没有任何困难。

用646的长退壳器杆可顺利地将满月弹夹内的0.40英寸史-韦弹壳起出，然后将装满弹的弹夹装入弹巢，闭合转轮就可以继续射击了。这个再装弹过程甚至可以说是一种乐趣。

唯一可能招致抱怨的就是646转轮手枪的准星了——这种黑色准星、黑色表尺的设计会给在昏暗条件下或者目标为黑色物体时的快速瞄准带来不便。保尔·斯卡莱塔在准星上涂上了少许桔黄色的发亮油漆。

出于好奇,保尔·斯卡莱塔用埋头弹装入646的转轮，想看一看没有满月弹夹的情况下点火会不会受影响。结果让他很满意，发射24发弹没有出现任何问题，而只用手指就可以将空弹壳抠出。

总之，作为一种竞赛转轮手枪， 646完全达到了它预期的目标。

准确、可靠、优良的人机工效，良好的后坐控制，快速装填以及毫无故障的击发，非常符合射击训练的需要。尽管646转轮手枪是为射击比赛而设计的，但它还是一款不错的家用/个人自卫手枪，而对于仍然偏好转轮手枪的警察来说，646转轮手枪能够满足他们对现役手枪的所有需求。646手枪再一次证明，在自动手枪得到广泛使用的今天，一支高质量的双动转轮手枪完全有能力做到一支手枪所能做的任何事情。

主要诸元

口 径 0.40英寸

全 枪 长 241mm

枪 管 长 101.6mm

全枪质量 1.02kg

容 弹 量 6发

瞄准装置 刀形准星、缺口

照门，表尺可调

◆ 迭 戈 编译

超大型水轮发电机组转轮裂纹分析 篇10

某超大型水电站共有6台混流式水轮发电机组, 单机容量700 MW。在历次检修期检查、统计发现水轮机转轮叶片持续出现裂纹, 并呈加剧趋势, 截至2014年3月21日, 全站6台机组共发现裂纹38条, 且出现重复性裂纹和裂纹开叉错位现象。通过对转轮进行动应力试验分析, 该电站转轮叶片产生裂纹的原因主要有四点, 分别为设计原因、铸造及焊接缺陷、机组开机过程中转轮应力过大、低负荷运行时间过长。根据机组设计初衷, 该电站机组应在不低于50%额定负荷, 也即不低于357 MW运行, 这样才能发挥它的优良技术特性和经济性。因系统原因, 夜间低谷时段, 常有多台机组空载进相运行。从2011—2013年统计数据来看, 全站机组在低负荷区运行时间呈增加趋势, 分别为3 065h、6 288h和7 696h。具体表现为:当有两台机组运行时, 至少有一台在低负荷区运行;当有3台机组运行时, 也会有一两台机组在低负荷区运行;只有4台机组运行时, 才全部在高负荷区运行。也就是说, 机组运行方式通常要满足电网调频需要。

1 转轮裂纹问题分析

自2010年2月开展第一台机组检修开始 (截至2014年2月9日) , 6台机组均出现不同程度的裂纹。共发现裂纹38条, 其中1号机组10条, 2号机组8条, 3号机组两条, 4号机组4条, 5号机组6条, 6号机组8条。随着时间的推移, 转轮裂纹现象呈加重趋势, 2012年末开始出现重复性裂纹, 2014年初开始出现裂纹开叉错位现象。1号机2012年11月发现#15叶片出现重复性裂纹, 2013年12月发现#7叶片出现重复性裂纹;2号机2013年1月发现#5叶片出现重复性裂纹, 2014年1月发现#7叶片出现重复性裂纹, 并出现分叉现象;5号机2013年4月发现#6叶片出现重复性裂纹;6号机2013年4月发现#8叶片出现重复性裂纹, 2014年2月发现#7叶片出现重复性裂纹。

1.1 材质及设计分析

为便于分析转轮裂纹产生的真正原因, 首先对叶片裂纹进行了检测分析, 重点是断口形貌以及缺陷形态。通过检查发现在断口上存在大量的熔渣类物质, 有着明显的焊接组织特征, 且裂纹主要集中在焊接融合线上, 因此可以推断叶片曾有过补焊现象。但由于补焊工艺不当, 机体的结合强度受到焊渣影响而削弱, 出现应力集中, 最终出现裂纹和导致疲劳开裂。有极少部分叶片铸件存在超标缺陷或小铸造缺陷, 但由于探伤等检测手段不合理, 未能在生产制造过程中检测出来。当水轮机投入运行后, 叶片出水边下环侧的高应力区将产生集中应力, 从而造成疲劳断裂, 甚至扩展到叶片内部。这一情况在之前的检测中也曾经出现过, 与下文提到的开机规律不良及长期在振动区运行有很大关系。

通过计算分析转轮的有限元受力可知, 在各种设计工况下, 转轮的静态应力均满足相关规范要求, 因此可以判断, 引起转轮裂纹的主要原因并不是静态应力。对应力分布进行分析研究, 可以发现应力 (包括静态应力和动态应力) 最大点位于裂纹处, 也就是说这一点属于应力集中点, 当机组在非设计运行区域下运行时, 转轮的动态应力将会进一步增大。

根据转轮叶片的裂纹情况, 制造厂家对转轮结构进行了局部设计改进, 并按照改进工艺要求完成转轮裂纹修复, 同时改进了探伤工艺和手段, 因而铸造及焊接缺陷已随着历次转轮叶片裂纹修复逐渐消除。

1.2 真机运行与转轮动应力分析

机组投产后, 电厂组织设备厂家、设计院以及试验研究院对真机的运行特性以及机组的稳定性进行了实测, 以便了解机组的运行规律, 从而分析问题产生的原因。通过数据实测, 可以有效弥补理论计算阶段无法满足的真机特性。

实测数据显示, 转轮叶片的上冠侧静应力与机组出力成反比, 而下环侧应力与机组出力成正比, 其最大静应力为90 MPa, 满足相关标准要求。

当机组运行在200~300 MW之间时, 压力脉动频谱有明显的0.9 Hz主频, 主要是由于转轮旋转涡带造成;但在200MW以下则没有明显主频, 运行工况严重偏离设计工况, 产生叶道涡, 引起严重的水力扰流和水力不稳定。若在200 MW以下负荷运行, 其压力脉动及动态应力远远超出正常运行工况值, 极易引起转轮的疲劳破坏。

根据叶片相对疲劳计算分析, 可能影响疲劳寿命的原因主要有以下两点:首先是开机规律不合适, 其次是在限制运行区域运行时间过长。通过对叶片损坏速率分布进行分析, 水轮机在200 MW以上负荷区域运行时, 转轮并没有疲劳问题, 甩负荷对疲劳的影响也很小。

1.3 开机规律优化

根据机组真机运行与转轮应力分析, 可以确定不良的开机规律对机组转轮裂纹有着巨大影响, 如果对机组开机规律进行优化, 则其疲劳寿命可能增加两倍。

通过对比分析, 将调速器开机规律作如图1所示修改。

此外, 为防止机组提前进入空载状态, 其开始Start_Timer设置值也应尽可能大, 故而将开机显示设置为300s。

完成对机组开机规律的优化后, 对机组开机方式进行了分析和比较, 结果证实, 不同的开机规律对转轮应力的影响有很大差别。转轮叶片下环侧的动应力峰值降低140 MPa, 转轮叶片上冠侧的动应力峰值则降低25 MPa, 而开机时间仅仅延长了20s, 从120s增加到140s。

2 机组运行工况影响分析

经过多次转轮应力试验分析, 制造厂家在修复工艺上加以改进, 转轮在铸造及焊接方面的缺陷已随着历次转轮叶片裂纹修复逐渐消除。2012—2013年度检修期间又分别对6台机组开机规律进行了优化, 开机过程中转轮应力大的问题已得到解决。

2.1 低负荷工况统计

从统计数据来看, 2011—2013年, 电站各台机组在低负荷 (单机负荷小于200 MW) 运行时间共17 048.6h, 占总运行时长的17.46%, 且呈现逐年增加的趋势。从机组运行区域统计分析, 机组转轮在低负荷区运行时间过长, 远远超出设备限制值, 在此工况下水轮机的运行工况严重偏离设计工况。

2.2 低负荷运行工况分析

因系统原因, 水轮机长时间在严重偏离设计工况状态下运行, 转轮叶片在交变应力作用下疲劳并产生裂纹、分叉掉块, 随着低负荷区运行的逐年增加, 转轮裂纹情况会不断加剧。

要减少或消除转轮叶片裂纹, 主要应从设计优化及运行工况两方面着手。设计优化方面已完成相应修复完善, 运行工况优化主要途径为减少或消除机组空载和低负荷运行时间。如图2所示, 深灰色和浅灰色是允许长期运行的区域, 但在可能的条件下应尽量在深灰色稳定区域运行;黑色则属于禁止运行区域。

2.3 机组稳定性分析

机组投产前, 云南电力试验研究院于2010年4月—2012年8月对电站机组进行了多次分水头稳定性试验。根据试验结果, 对机组振动区设置做如下说明:当水头≤193 m时, 振动区为210~380 MW;当水头>193m时, 振动区为240~480 MW;压力脉动在负荷为200 MW以下时较大, 建议尽量减少机组在200 MW以下运行的时间。

2.4 机组运行工况建议

综合水轮机禁止运行区域及机组稳定性试验结果, 重新划定机组禁止运行区:水头≤193m时, 禁止运行区为0~380 MW;水头>193m时, 禁止运行区为0~480 MW。

当全厂总负荷小于700 MW, 满足单台机组运行及进相条件下, 建议运行方式优化为单台机组运行。当单机进相能力不满足系统调压要求时, 建议增加全厂总负荷, 以满足机组在高负荷运行区运行。

当全厂总负荷具备安排两台及以上机组发电运行时, 全厂总有功应根据机组不同水头下的禁止运行区分配, 各台机组均应在高负荷区运行 (380~700 MW或480~700 MW) , 当全厂总负荷变化减少时, 如某台机组落入低负荷区, 应及时调整负荷, 安排该台机组停机, 尽量避免一台及以上机组在低负荷区运行。若由于特殊原因无法避免机组在低负荷区运行, 要尽量缩短机组在低负荷区运行的时间。

3 结语

通过试验分析及模型试验, 当机组在部分负荷 (限制运行区域) 运行时, 其动态应力比正常运行工况 (设计工况) 要大得多。特别是当机组在200 MW及以下负荷区域运行时, 其动应力增加更为明显。当机组在原开机规律和限制运行区域运行时, 将缩短转轮裂纹萌生时间、并加快扩展速度。在已完善修复工艺和优化调速器开机规律情况下, 可以通过调整优化机组运行工况, 从而有效改善转轮裂纹, 以延长转轮寿命。

参考文献

[1]吴永智, 何常胜.调速器开机规律对机组转轮裂纹的影响[J].云南电力技术, 2014, 42 (S1) .