冲击式水轮机转轮的现代制造技术

专利名称：一种冲击式水轮机转轮的制造方法
专利类型：发明专利
发明人：程广福,吕晓强,李景,金殿彪,刘玉鑫,文道维,魏松申请号：CN201810928239.3
申请日：20180815
公开号：CN108942107A
公开日：
20181207
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种冲击式水轮机转轮的制造方法，将转轮沿着节圆将每个斗叶分为斗根和外斗两部分，以节圆内的轮毂和斗根为整体，采用机械加工的方法制造，节圆外部的斗叶的外斗采用冷金属过渡电弧增材制造方法制造；将外斗三维数学模型导入专用软件，以斗根的节圆截面为增材制造基础，对外斗数学模型沿节圆垂直方向进行切片和焊接路径规划将规划的焊接路径转化成机器人控制程序，控制机器人采用冷金属过渡技术进行电弧增材制造，完成所有外斗的自动增材制造，形成近净成型的外斗；在数控机床上进行完成外斗增材制造的转轮的外斗的机械加工；对转轮进行抛光，完成转轮的制造。

该方法具有加工精度高、周期短和成本低的优势，同时，对于以锻件为基的制造，可以获得性能优于整体锻件制造的转轮，对于铸造为基的制造，可以获得易疲劳破坏区域性能更优的转轮。

申请人：哈尔滨电机厂有限责任公司
地址：150040 黑龙江省哈尔滨市香坊区三大动力路99号哈尔滨电机厂有限责任公司技术管理部国籍：CN
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新型冲击式水轮机的设计和实验验证一、引言水能是一种可再生的能源资源，全球各国都在寻求开发和利用水能资源的方法。

水轮机作为将水能转化为机械能的设备，一直以来都扮演着重要的角色。

然而，传统的水轮机存在效率低、造价高和环境污染等问题。

因此，研发新型冲击式水轮机成为了提高水能利用效率和可持续发展的重要途径。

二、新型冲击式水轮机的设计1. 内部构造新型冲击式水轮机的设计灵感来自于水击式瞬时加热器。

它采用了冲击式设计，即利用水流的冲击力来驱动转子旋转。

水流在进入水轮机时经过喷嘴加速，然后以高速撞击转子叶片，使转子叶片产生力矩，从而驱动转子旋转。

与传统水轮机的叶轮相比，新型冲击式水轮机的叶片更加简单和易于制造。

2. 转子材料选择为了保证冲击式水轮机的稳定性和耐用性，转子材料的选择至关重要。

一般情况下，高强度和耐腐蚀性的材料是首选。

比如，钛合金、不锈钢和镍基合金都是常用的转子材料。

此外，可以通过表面处理技术，如涂覆陶瓷材料或增加耐磨层，来提高转子的耐磨性能。

3. 涡轮设计涡轮是新型冲击式水轮机的核心部件。

其设计需要综合考虑转子的旋转速度、流量、叶片形状等因素。

一般来说，设计涡轮时应遵循流体动力学理论，以确保水流在涡轮叶片上的冲击充分转化为机械转动力。

此外，采用可调节叶片角度的设计有助于提高水轮机的效率。

三、新型冲击式水轮机的实验验证1. 实验装置为了验证新型冲击式水轮机的性能和效率，需要搭建相应的实验装置。

实验装置包括供水系统、水轮机、负载系统、测量传感器和数据采集系统等。

供水系统用于提供水流，水轮机将水流转化为机械能，负载系统模拟实际使用情况，测量传感器用于监测各项参数，数据采集系统用于记录实验数据。

2. 实验过程在实验过程中，需要调整流量、压力和转速等参数，以及记录水轮机的转速、扭矩和输出功率等信息。

通过改变水流条件以及水轮机的设计参数，可以获取不同工况下的性能曲线和效率曲线。

此外，还可以进行一些特殊的试验，如冷启动试验、部分负载试验和自适应调整试验，以评估新型冲击式水轮机的工作性能。

冲击式水轮机转轮水斗整体数控加工工艺及编程技术的研究王波;刘献礼;杜金成;徐雷;岳彩旭【摘要】本文以某电站节圆直径为1.74m,最大外径2.048m的21个斗的原型机水斗转轮为依托,对材质为0Crl3Ni4Mo的实际转轮开展示范验证,提出了一整套冲击式水轮机整体转轮加工工艺方案,开发了专用工装,优化了加工工艺参数.应用振动学及金属切削原理结合CAD/CAM/CAE技术,解决了超长刀柄切削的振动抑制,刀位规划时的约束及轨迹干涉问题.【期刊名称】《大电机技术》【年(卷),期】2010(000)003【总页数】5页(P40-44)【关键词】冲击式水轮机;转轮;插铣;振动抑制;数控加工【作者】王波;刘献礼;杜金成;徐雷;岳彩旭【作者单位】哈尔滨电机厂有限责任公司,哈尔滨,150040;哈尔滨理工大学,哈尔滨,150080;哈尔滨理工大学,哈尔滨,150080;哈尔滨电机厂有限责任公司,哈尔滨,150040;哈尔滨电机厂有限责任公司,哈尔滨,150040;哈尔滨理工大学,哈尔滨,150080【正文语种】中文【中图分类】TK730.61 概述冲击式水轮机具有结构简单、效率平缓、使用水头高、抗泥沙磨蚀性能好等优点，因此，国内外在100-1770m水头范围内，广泛选择冲击式机组。

冲击式水轮机转轮也称水斗（如图1所示），目前国内外水斗有三种制造工艺：整铸打磨、整铸数控加工、整锻数控加工。

以往，国内生产厂家大都采用整铸打磨成型，其水斗型线误差大，性能难以保证。

由于制造缺陷，断斗现象时有发生，给水电站造成巨大损失。

转轮整体锻造后数控加工，不仅可以保证水斗的型线和尺寸公差，保证其水力性能，还能有效防止断斗现象，延长转轮的使用寿命。

2 冲击式转轮制造的发展历程2.1 非数控加工在上世纪70年代前，受铸造技术的限制，水斗式转轮常见的形式为装配组合方式，如图2a所示。

其优点是容易铸造、个别水斗损坏时换修方便。

但把合螺栓承受巨大的脉冲载荷，容易断裂。

冲击式水轮机转轮设计制造现状及发展动态分析针对冲击式水轮机转轮的设计影响因素、设计方法、制造限制、制造工艺进行梳理总结，概括出设计制造现状，并结合数字模拟、机械化生产等因素，对冲击式水轮机转轮设计制造的发展动态进行了全面分析。

标签：三维设计；现代设计技术；整体制造；动态发展1.前言近年我国提出生态文明建设与绿色发展的新发展理念，而水力发电为当前最高效的能源转换方式，并且考虑到我国水利资源丰富，水利发电将在我国的能源结构调整和节能减排等重大举措中发挥至关重要的作用。

冲击式水轮机与反击式相比较，特点突出，其有水头更高、受空蚀与流量变化的影响更小等优点，使其在我国的应用广泛。

本文通过总结相关技术资料，阐述了冲击式水轮机设计制造的主要方法，并分析其发展趋势，以期为冲击式水轮机的发展提供有价值的参考。

2.冲击式水轮机转轮的设计冲击式水轮机结构尺寸一般直接由设计参数确定，喷嘴直径由流量和射流速度决定，而转轮直径直接由水头确定，水斗大小取决于射流直径，喷嘴数以及水斗数则是独立设定的。

2.1影响转轮设计的因素冲击式水轮机转轮设计需综合考虑水轮机工作条件、机组稳定运行、水轮机效率、抗疲劳性能、造价和养护的经济合理性等方面，从而确定机组布置形式、转轮结构组成（主要任务有喷嘴的选择）、引水连接部件（包括引水管路和排水管路）、效率换算修正值等要素。

2.2水轮机转轮设计方法2.2.1机械设计通过以反击式水轮机为研究基础，总结经验、归纳出冲击式水轮机的基本原理模型与最佳效率的普遍变化规律方程为：基于上述方程，我国周文桐【1.2】、马锐等【3】学者进行了多项干扰的定量分析、空蚀磨损分析等研究，不断完善冲击式水轮机转轮的机械设计，并为其他设计方法奠定理论基础。

2.2.2水力设计根据水轮机中的水力特性，拟定适宜的假設条件，构建水力模型，再配合对CFD等技术的运用，分析和预估冲击式水轮机长工作特性和各种工况下的工作状态，进行冲击式水轮机转轮设计的方法。

冲击式水轮机发展概况与新技术尤瑜策现阶段，伴随科学技术的不断进步，我国水电站冲击式水轮机取得了长足的发展，为我国水电事业的进步奠定了坚实的基础。

希望通过文章的阐述，能够使电力系统部门和水电站了解冲击式水轮机的发展历程和技术特征，在日后的生产实践中，变革传统观念，创新工作思路方法，全面提高该项技术的发展步伐，为我国现代化建设贡献更加卓著的力量。

标签：冲击式水轮机；发展概况；新技术1、冲击式水轮机特点冲击式水轮机具有水头较高、压力钢管比较长、机组运行过程中的力距非常小的特征。

所以，在机组运行过程中必须拥有超强自动调节功能的喷针作为保障，必须同时安装折向器，当机组的实际负荷超出规定量时，折向器必须在第一时间内对水流进行阻断，使水流不再进入水轮机，避免水锤压力与机组转数之间产生不可调节的矛盾。

2、新理论概述2.1水斗内粘性摩擦损失为各损失中最大首先，水斗内粘性摩擦损失是总损失中的一部分。

由于粘性摩擦发生在相对（即旋转）系统中，它对绝大系统中的效率影响是一个复杂的物理过程。

一方面，摩擦本身是一种力，直接推动或阻碍水斗的转动。

另一方面，粘性摩擦引起水流相对速度减缓，从而导致流水层底部压力下降，水斗推动力折损，最终间接导致水轮机效率损失。

这一直接与间接影响的叠加是水斗内粘性摩擦的总效应，即相对运动系中的粘性摩擦导致绝对系中的效率损失。

2.2飞逸速度及其计算方法在冲击式水轮机的设计阶段，飞逸速度是一个极其重要的设计参数。

过高的飞逸速度会导致发电机的设计困难。

一直以来，实验室模型试验是确定冲击式水轮机飞逸速度的唯一途径。

实验室方法也因此而代价高，费时长。

而一些设计手册中给出的参考数据一般为额定转速的1.8～1.9倍。

由于该数据过分粗糙，所以常常无法满足需要。

从原理上看，由于飞逸速度发生在射流与转动水斗不发生相互作用的情况下，所以归根到底它是一个与射流速度有关的参数。

通过几何推导，飞逸速度下转的切向速度与射流速度的比值U1R/C0由下式给出：（1）这是一个小于1的值。

1冲击式水轮发电机转轮的设计制造1.1冲击式水轮机制造的关键因素在冲击式水轮发电机制造技术当中的关键就是转轮的设计与制造。

因为转轮是其能量转换的中心，而且对于转轮的质量控制以及验证都是延长冲击式水轮机使用寿命的关键因素，因此，转轮的质量及发展的水平决定了冲击式水轮发电机组的整体质量水平。

质量优秀的转轮可以实现较高水平的水力转换率，而一般使用的设备容易出现一些类似水斗破碎等问题。

因此，要想实现冲击式水轮发电机的发展，就应该牢牢抓紧转轮液压技术以及水轮机效率提升的问题。

另外，要采取有效措施解决在实际操作过程当中可能遇到的问题。

在冲击式水轮发电机的设计当中，疲劳问题决定着冲击式水轮发电机的使用寿命。

1.2水轮机的效率对于目前的冲击式水轮发电机来说，无论从模型的实验还是到真机组的效率问题，都没有统一的概率换算公式。

因为即使转轮的转速比是相同的，但是不同的水轮机效率修正值也不尽相同。

如果计算水轮机的实际效率，应该根据现场的实际情况并结合具体的设计条件进行计算才比较准确。

影响冲击式水轮发电机效率的一个重要因素就是水斗射流入口的形状，针对于多喷嘴的冲击式水轮机，应让入水口向上弯曲，这样可以有效提高水轮机的效率，有效减少入口处多余的泄水量。

1.3泥沙磨损除了空蚀或者疲劳问题以外，泥沙磨损也是影响水轮机效率的一个重要因素，在水轮机的设计当中同样应该加以重视。

在水轮机的设计当中应该考虑到以下几个方面：①沙砾的加速度受到水面弯曲率的影响，一些大中型水轮机中沙粒的加速度很高；②接触水斗的沙量应该与水斗的体积以及射流的大小呈反比例的关系；③转轮整体的泥沙磨损程度与喷嘴的数量呈现正比例的关系。

上文中提到的一些问题都是基于长期的经验提出的，针对于那些位于含沙量较大的水中进行实际工作的冲水式水轮机，如果其转速处在匀速的情况下，那么从理论上来讲水轮浅析冲击式水轮发电机转轮设计制造现状和发展趋势陈芬球（杭州杭发发电设备有限公司 浙江 杭州 311200）摘要：随着经济和科学技术的不断发展，我国对于电力资源的需求越来越大。

水轮机课程总结学院：能源学号：姓名：浅谈冲击式水轮机早在古代，我国就开始使用水车提供生产动力。

现如今，以水车为原型的水轮机——冲击式水轮机正在成为水轮机领域一个新的热门领域。

在其他各种水轮机都相对成熟了的时候，冲击式水轮机正在受到越来越多的关注。

现代冲击式水轮机是借助于特殊导水机构引出具有动能的自由射流，冲向转轮水斗，使转轮旋转做功，从而完成讲水能转换成机械能的一种水力原动机。

在冲击式水轮机中，以工作射流与转轮相对位置和做工次数的不同，可分为切击式水轮机、斜击式水轮机和双击式水轮机。

切击式水轮机工作射流中心线与转轮节圆相切，故名切击式水轮机。

其转轮叶片均由一系列呈双碗状水斗组成，故又称水斗式水轮机。

切击式水轮机是目前冲击式水轮机中应用最广泛的一种机型。

其应用水头一般为300-2000m，目前最高应用水头已达到1771.3m（澳大利亚的列塞克-克罗依采克水力蓄能电站，水轮机出力P=22.8MW）。

斜击式水轮机主要工作部件和切击式水轮机基本相同，只是工作射流与转轮进口平面呈某一角度α，射流斜着射向转轮。

斜击式水轮机适用于水头在35-350m、轴功率为10-500kW、比转速为18-45的中小型水电站。

双击式水轮机水流先从转轮外周进入部分叶片流道，消耗了大约70%-80%的动能，然后离开叶道，穿过转轮中心部分的空间，又一次进入转轮另一部分叶道消耗余下大约20%-30%的动能。

这种水轮机效率低，一般适用于H<60m，N<150kW 的小型水电站。

随着水力资源的深入开发，有许多高落差的流域需要进行开发，如我国的雅鲁藏布江，落差达到两千多米，同时修筑水坝又不现实（考虑到这时一条国际河流）。

因此冲击式水轮机便成为了首选。

冲击式水轮机主要有以下优点：1.适应流量和水头比值比较小的情况。

2. 加权平均效率很高，在整个运行区间都有很高的效率。

特别是水斗式水轮机现在先进的可以在30％～110％负荷区间可以平均91％以上的效率。

工艺文件名称冲击式转轮加工工艺守则文件编号设计校核会签审核审定批准冲击式转轮加工工艺守则1 适用范围本守则适用于水轮机冲击式转轮的加工。

2 使用设备、工夹具、材料1）设备：普通车床、插床、电焊机、吊车、风动砂轮机、点焊平台、卧式平衡架一对。

2）工夹具：转轮点焊工具、转轮平衡工具、锥度环、塞规、游标卡尺、水斗组合样板、水斗铣出水边样板水斗缺口样板水斗划线样板水斗槽角度样板水斗铣背面夹具水斗分水刃样板水斗插槽夹具、分水刃R样板。

3）材料：砂轮、布砂轮、毛刷、绵纱布、红铅油、焊条、柴油，1306涂料。

3 轮毂（或轮盘）、水斗加工3.1轮毂（或轮盘）加工1 ) 粗车：粗车各尺寸，单边各留2~3 毫米。

2）探伤：进行超声波探伤检查。

3）精车：按图车合各尺寸，注意内径点焊工艺尺寸的加工控制。

4）铣：按图通过回转分度盘分度，铣水斗外切多边形。

3.2水斗加工1）检：对每批铸出的水斗应抽样进行化学成分分析。

2）转钳：用水斗组合样板考核，打磨水斗正、背面型线（对存在的缺陷可作补焊处理），使水斗正面型线对组合样板的偏差及其表面粗糙度达到表1要求。

表1 单位：mmW-水斗内表面最大宽度3）检：检验水斗A)正背面型线和粗糙度应达表1要求；B)水斗内侧宽度不允许出现负偏差C)水斗背面外侧型线不允许出现正偏差；对不合格项要及时处理.4）划：通过水斗组合样板划出水边(及上平面)加工线。

5）铣：粗、精铣水斗出水边平面及上平面。

6）划：通过水斗组合样板划转轮射流中心线和水斗缺口端工艺基准加工线。

7）铣：A）铣工艺基准面。

B）粗铣水斗背面。

8）检：作超声波探伤检查。

9）划：在叶片正背面划水斗槽加工线及其两侧焊接坡口加工线。

10）气割：气割柄部多余部份(留5-6mm加工余量)。

11）铣：A）铣水斗柄部尾端平面及其焊接坡口。

B）粗铣水斗槽（水斗槽未铸出的水斗）。

12）插：插水斗槽合图。

13）铣：精铣水斗背面，铣两侧焊接坡口。

14）钳：去毛刺，称重打标记并作记录。