大型轴流式水轮机叶片的大面积喷焊

文章编号：1000-5889（2001）02-0009-04

大型轴流式水轮机叶片的大面积喷焊

陈学定1，门志慧1，张富邦1，吴艾2

（1.甘肃工业大学材料科学与工程学院，甘肃兰州730050；2.宁夏青铜峡水电厂，宁夏青铜峡751601）

摘要：针对大型轴流式水轮机叶片的空间几何形状要求高和大面积喷焊受热极易产生变形等问

题，采用由外向内、由薄到厚、由点到面、对称喷焊工艺和叶片刚性网架固定等技术措施，得到了表

面平整、内在质量优良的涂层.叶片喷焊后经组合样板检测变形量很小，无需进行修理即可组装运

行，并获得了优良的耐空蚀和泥砂磨损的性能，延长了水轮机的使用寿命.

关键词：轴流式水轮机；喷焊；变形；工艺

中图分类号：TG249.6文献标识码：A

Extensive spray welding on the blade of large-scale axial-flow hydraulic turbine CHEN Xue-ding1，MEN Zhi-hui1，ZHANG Fui-bang1，WU Ai2

（1.College of Materials Science and Engineering，Gansu Univ.of Tech.，Lanzhou730050，China；2.Qing tongxia Hydropower Plant，Qingtongxia751601，China）

Abstract：Aimed at the problems such as the complicated special geometry of the blade of large-scale axial-flow hy-draulic turbine and the blade deformation occurred readily when it is heated in a large extent by spraying welding，the weld processing such as from-outer-to-inner，thin-first-thick-second，from-spot-to-area，and symmetric spraying welding as well as the technical measure of rigid fixture framework for the blade are employed，so that a coating on the blade with smooth surface and superior quality interior is attained.It is found that the deformation amount of the blade is very small when the blade is checked by an assembled templated after welding，so that the blade can be directly installed onto the runner without correction to put the latter into operation.Spray welding makes the blade attain good anti-abrasions and cavitations capability and improves the service life of hydraulic turbine.

Key words：axial-flow hydraulic turbine；spray welding；deformation；processing

空蚀和泥砂磨损是水轮机过流部件的主要破坏形式，严重时会使发电机组产生振动［1］，影响机组发电效率，甚至有可能威胁机组的安全运行，因此，提高过流部件的耐空蚀和泥砂磨损性能具有重要意义.青铜峡水电厂位于黄河上游的最后一个梯级电站，安装有8台机组，总装机容量27.2万kW，从建厂至今的31年中，因空蚀和泥砂磨损而报废的转轮有9套，其中服役最短的为8年.近5年来，过机平

收稿日期：2000-10-14

作者简介：陈学定（1939-），男，江苏张家港人，甘肃工业大学教授，博士生导师.均含砂量7.8kg/m3，最大含砂量308.8kg/m3.因此保护过流部件，延长使用寿命，增加发电效率，成为该厂提高经济效益的主要问题.

1999年4月，在青铜峡水电厂有关技术人员的配合下，对该厂3#机组大型新转轮叶片进行了大面积喷焊涂层的预保护工作，经组合样板检测，涂层质量和变形量符合技术要求，喷焊工作取得成功.

1转轮结构与喷焊要求

喷焊施工对象为大型轴流式水轮机叶片共4个，其形状和尺寸如图1所示.叶片的材质为0Cr13Ni4Mo.

第27卷第2期2001年6月

甘肃工业大学学报

Journal of Gansu University of Technology

Vol.27No.2

Jun.2001

图1

喷焊叶片形状与尺寸

图2

叶片喷焊区域

喷焊部位为叶片正面和背面的空蚀与泥砂磨损区域，如图2所示.要求喷焊涂层厚度为0.8～1.0

mm ，表面平整光滑，用组合样板测定它的变形量小于3mm.

2

喷焊工艺

2.1

工艺分析

大型轴流式水轮机叶片具有特殊的空间几何形

状，形线要求高，喷焊时有较大的自由度，应力分布复杂，喷焊部位基材厚度大，喷焊面积大.由于喷焊是一种热加工过程，热输入量大，基材表面受热温度达1300K 以上.因此，防止叶片变形是喷焊过程中

的一个难题.

目前，喷焊用热源多为氧-乙炔火焰，该热源温

度低，能量密度小，因此对该大型轴流式水轮机叶片这样厚大工件的大面积喷焊是很困难的，尤其是在喷焊过程中对涂层进行重熔时，因传热快而使涂层与基材结合面难以达到粉末的液相线温度.2.2

工艺方案

根据工艺分析，针对大厚度大面积喷焊和严格控制变形以及叶片厚度不均匀等工况条件，结合喷焊所采用的热源，喷焊工艺原则是由叶片进出水冷边分别向中心进行施工，采用由薄到厚、对称喷焊，每次完成二步法喷焊面积为100mm ×150mm ，以减少热输入量.在喷焊叶片背面时，在叶片正面采用厚度为15mm 的钢板组焊成的刚性网架结构进行点焊固定，以增加叶片刚度来防止叶片变形.完成背面喷焊后进行正面喷焊，同样在叶片背面非喷焊位置采用此法来防止变形.2.3

喷焊工艺

1）清理.叶片表面油漆用除油剂清洗，

然后用丙酮擦净.

2）打磨.用粗砂轮打磨叶片表面喷焊部位，

直至出现新鲜基体金属，钢丝刷去除表面尘粒，这样既使表面净化又使得喷焊表面具有一定粗糙度.3）预热.用氧-乙炔火焰将叶片均匀加热至200

～250℃，

用表面触点式测温计测量.4）喷焊.根据工艺方案，

由两人分别从进出水边同时进行，在100mm ×150mm 小区域内用二步法完成喷焊.再移至另一区域，分块进行，直至整个叶片表面完成喷焊.在每个小区域喷焊时，控制送粉量及喷粉均匀性，以确保转轮在运行时平衡良好.5）保温.在喷焊结束时，采用石棉布大面积包裹，使涂层缓慢冷却，以降低应力和防止涂层开裂.

6）工艺控制.叶片冷却后，

拆去背面刚性固定?

01?甘肃工业大学学报第27卷

架，用组合样板检测叶片变形，以使在另一面喷焊时进行工艺控制.

7）叶片翻转.在叶片背面进行刚性网架固定，然后对叶片正面实施喷焊，具体工艺同叶片背面.

3喷焊材料

喷焊用粉末采用甘肃工业大学合金粉末厂生产的水轮机抗空蚀和泥砂磨损专用合金粉末，涂层硬度为HRC56～62，熔点为1253～1353K.该粉末为镍基自熔性合金，并含有一定量的Mo和稀土元素，消除了涂层内的Ni

3

B网状组织，提高涂层韧性，从而改善抗疲劳性能，显著提高涂层耐空蚀和抗泥砂磨损的性能［2］.

4喷焊后检测

4.1涂层表面质量检测

喷焊后的叶片见图3.根据喷焊前后的叶片厚度变化及采用局部剥离涂层实测，喷焊涂层厚度均在0.8～1.0mm范围内，涂层表面平整、光滑，无龟裂和气孔，无需打磨，可直接将叶片装机运行.

4.2叶片变形检测

用组合样板检测叶片变形，如图4所示.2#，4#叶片喷焊前与喷焊后相对于组合样板的检测结果，列于表1～

4.

图3

喷焊后的叶片

图4用组合样板测量叶片变形

表12#叶片喷焊前叶型测量记录

断面

进水边→出水边各序号下的标弦高与长

A B C D E F G H I J K L

Ⅰ699543124320

Ⅱ101111445665266

Ⅲ81011985597567

Ⅳ1112141054887756

V151411986654347

Ⅵ15117541243598

表22#叶片喷焊后叶型测量结果

断面

出水边→进水边各序号下的标弦高与长

A B C D E F G H I J K L

Ⅰ665412333000

Ⅱ91110544544334

Ⅲ7129875564534

Ⅳ12111112103465456

V15129846467279

Ⅵ2013114414611141510

矫形后68129

?

1

1

?

第2期陈学定等：大型轴流式水轮机叶片的大面积喷焊

表34#叶片喷焊前叶型测量记录

断面进水边→出水边各序号下的标弦高与长

A B C D E F G H I J K L Ⅰ567633007531Ⅱ610121054540522Ⅲ611121096667475Ⅳ1013111086367755V 111110975458789Ⅵ

7

2

2

4

3

1

4

7

9

表44#叶片喷焊后叶型测量结果

断面出水边→进水边各序号下的标弦高与长

A B C D E F G H I J K L Ⅰ686433223333Ⅱ8128536453126Ⅲ58101095645445Ⅳ8891384337545V 71012743233869Ⅵ

5

2

3

5

4

5

6

79121315矫形后

4

7

9

11

根据测量结果，仅在叶片出水边局部位置（VI —I ，J ，K ，L ）略有变形，经火焰轻微矫正后符合技术要求.其余1#，3#叶片经测量变形量均小于3mm ，无需进行矫形.

5结论

1）大型轴流式水轮机采用刚性网架结构固定

在叶片喷焊背面来提高叶片刚度，可有效地防止大面积喷焊时的变形，其效果显著.

2）轴流式水轮机叶片大面积喷焊时，采用从进出水边对称喷焊和实施小区域二步法喷焊，并逐步向叶片中心区域移动的工艺方法.不仅可顺利完成

叶片大面积喷焊，而且可获得表面平整、光滑的涂层.

3）大型轴流式水轮机叶片的喷焊成功表明，

采用氧-乙炔火焰和抗空蚀与耐泥砂磨损用自熔性合金粉末，同样可获得大面积优质涂层，从而延长水轮机的使用寿命，提高水电厂的综合经济效益.参考文献：

［1］刘大恺.水力机械流体力学［M ］.上海：

上海交通大学出版社，1988.373-383.

［2］陈学定，韩文政.表面涂层技术［M ］.北京：

机械工业出版社，1994.49-51.

?

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