一种水轮机转轮止漏环原位增材制造方法及装置与流程

本发明涉及先进制造领域，尤其是一种水轮机转轮止漏环原位增材制造方法及装置。

背景技术：

1、转轮是水轮机发电机组最重要的部件之一，承担着水的势能转换为机械能的作用。转轮为转动部件，与中间转动轴相连，进而带动发电机转子转动，通过切割磁场将机械能转化为电能，进而发电。可见转轮转动的效率与发电量直接相关，部分型号转轮与固定部件之间存在较大的间隙，中间使用转轮止漏环部件进行填充，以减少漏水量，提高水能利用率，同时避免蚀孔缺陷对整个转轮造成毁灭性损伤。

2、当前转轮止漏环采用热套过盈配合方式与转轮连接，在长期使用过程中，由于水的侵蚀、离心力作用、应力变形等，转轮止漏环易产生疲劳裂纹开裂，甚至脱落，具有安全隐患。转轮止漏环直径达10米，上下止漏环重量为7.5吨，在更换修复的时候，需要重新定制止漏环，整个定制周期长达4个月，极大的影响发电机组的发电时间，经济损失重大。

3、为解决上述问题，本发明提出一种原位增材制造止漏环的方法及装置，通过在转轮上直接原位增材制造止漏环零件，替换掉从外部定制再安装的方式，彻底解决止漏环易开裂、脱落的问题，同时缩短止漏环更换时间，提高发电机组利用率。

4、中国专利文献cn116441851a，公开/公告日：2023.07.18，公开了一种大型水轮机转轮止漏环增减材一体修复装置及方法，通过增减材一体化装置对止漏环进行激光熔覆修复并加工，但是该系统只能进行简单修复，对修复区域的形状、尺寸、位置都有限制，且修复效率较低，并不能满足本发明所提出的对转轮侧壁进行高效率直接原位制造的技术需求。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种水轮机转轮止漏环原位增材制造方法及装置，用于替换传统转轮止漏环制造方法，解决传统止漏环易开裂、脱落，同时修复时间长的问题。本发明通过使用原位增材制造方法制造止漏环，彻底解决止漏环易开裂、脱落的问题，同时缩短止漏环更换时间，提高发电机组利用率。

2、为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：一种水轮机转轮止漏环原位增材制造方法及装置，具体包括：

3、s1：确定侧壁成形工艺参数，保证侧壁成形稳定性；

4、s2：转轮三维扫描，得到转轮cad模型；

5、s3：建立止漏环三维cad建模；

6、s4：多打印头协同打印轨迹规划；

7、s5：多打印头协同原位增材制造成形；

8、s6：打印结束止漏环原位形貌检测与余量检测；

9、s7：原位覆盖式热处理退火；

10、s8：原位机械精加工；

11、s9：质量检测及探伤。

12、优选地，所述s1中侧壁成形工艺参数为止漏环原位增材制造核心，是止漏环能否稳定原位制造的关键，通过倾斜打印头，降低打印过程功率输入，可以在没有支撑的情况下在侧壁成形。

13、优选地，为了提高止漏环原位增材制造效率，所述s1中侧壁成形方案可以选用基于电弧的增材制造方法。

14、优选地，所述s2中转轮三维扫描，可以选用手持式三维扫描仪，得到转轮的三维cad数据。

15、优选地，所述s3中止漏环三维cad模型及为需要原位增材制造成形的模型。

16、优选地，所述s4中打印轨迹为多个打印头同时打印轨迹，需要考虑不同打印头之间的轨迹匹配、轨迹搭接等。

17、优选地，所述s5为原位增材制造核心，通过不断重复s5直到整个打印过程完成。

18、优选地，所述s6可以选用手持式三维扫描仪，得到原位增材制造止漏环的三维cad数据，并与s3中建立的cad模型进行对比，得到尺寸偏差数据。

19、优选地，所述s7为止漏环原位退火，以释放增材制造过程中的应力，同时解决大尺寸止漏环无法进行炉中退火的问题。

20、基于上述方法，一种水轮机转轮止漏环原位增材制造装置，具体包括：

21、转盘：用于驱动机械臂绕转轮中心旋转；

22、机械臂：用于驱动打印头上下运动及沿着转轮中心方向运动；

23、打印头：用于原位增材制造；

24、焊机：用于提供增材制造所需热源。

25、优选地，所述转盘与转轮同心连接，同时可以通过伺服电机驱动转盘相对于转轮绕中心进行旋转运动。

26、优选地，所述机械臂包括水平机械臂、垂直机械臂、径向机械臂，其中水平机械臂与转盘连接，垂直机械臂与水平机械臂连接，径向机械臂与垂直机械臂连接。

27、优选地，所述打印头固定在径向机械臂上，可以通过转盘和机械臂联动实现旋转、上下、径向运动。

28、优选地，所述焊机可以实现熔化极或非熔化极电弧增材制造。

29、与现有技术相比，本申请的有益效果是：

30、1.提高止漏环稳定性：与传统通过外部制造后过盈配合方式相比，采用原位增材制造的方式可以提高止漏环稳定性，包括力学性能的提升，解决止漏环易开累、脱落的问题；

31、2.缩短止漏环更换时间：传统止漏环跟换时间4个月，本发明所提的原位增材制造方法，通过采用多个打印头同步作业，可以将7.5吨的止漏环成形时间缩短为20天，极大的提高发电机组的利用效率，减少经济损失（每个发电机组每天的发电经济效益约为400万元）；

32、3.延长止漏环更换周期：与传统止漏环过瘾配合安装方式相比，本方法制造的止漏环与转轮成为一体，其结合力远超传统止漏环，同时止漏环力学性能得到提升，止漏环的服役时间预计为传统止漏环的3倍以上，极大的延长止漏环跟换周期；

33、4.可重复使用：由于每个转轮都有细微差异，传统止漏环只能定制，本发明装置可以自由成形所需模型，针对不同转轮都可以进行止漏环原位增材制造，装置利用率高。

技术特征：

1.一种水轮机转轮止漏环原位增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的水轮机转轮止漏环原位增材制造方法，其特征在于，所述侧壁成形工艺参数包括倾斜打印头和降低打印过程功率输入，以实现无支撑侧壁成形。

3.根据权利要求1所述的水轮机转轮止漏环原位增材制造方法，其特征在于，所述增材制造方法选用基于电弧的增材制造方式，包括但不限于熔化极和非熔化极。

4.根据权利要求1所述的水轮机转轮止漏环原位增材制造方法，其特征在于，所述转轮三维扫描和止漏环原位形貌检测与余量检测采用手持式三维扫描仪进行，并与建立的cad模型进行对比以获取尺寸偏差数据。

5.根据权利要求1所述的水轮机转轮止漏环原位增材制造方法，其特征在于，所述打印轨迹规划考虑不同打印头之间的轨迹匹配和搭接。

6.根据权利要求1所述的水轮机转轮止漏环原位增材制造方法，其特征在于，所述原位覆盖式热处理退火用于释放增材制造过程中的应力，并解决大尺寸止漏环无法进行炉中退火的问题。

7.一种水轮机转轮止漏环原位增材制造装置，其特征在于，包括转轮1、上止漏环2、水平机械臂3、打印头4、径向机械臂5、垂直机械臂6、下止漏环7、焊机8、转盘9。

8.根据权利要求7所述的水轮机转轮止漏环原位增材制造装置，其特征在于，转盘用于驱动机械臂绕转轮中心旋转，机械臂用于驱动打印头上下运动及沿着转轮中心方向运动，打印头用于原位增材制造，焊机用于提供增材制造所需热源。

9.根据权利要求7所述的水轮机转轮止漏环原位增材制造装置，其特征在于，所述转盘与转轮同心连接，并通过伺服电机驱动转盘相对于转轮绕中心进行旋转运动；所述机械臂包括水平机械臂、垂直机械臂和径向机械臂，其中水平机械臂与转盘连接，垂直机械臂与水平机械臂连接，径向机械臂与垂直机械臂连接；所述打印头固定在径向机械臂上，并通过转盘和机械臂联动实现旋转、上下、径向运动。

10.根据权利要求7所述的水轮机转轮止漏环原位增材制造装置，其特征在于，所述机械臂及打印头数量可以是其他数量，机械臂可以进行对称或非对称分布。

技术总结本发明涉及一种水轮机转轮止漏环原位增材制造方法及装置，旨在解决传统止漏环易开裂、脱落问题，并缩短更换时间，提高发电机组利用率。该方法包括确定侧壁成形工艺参数、转轮三维扫描、建立止漏环三维CAD模型、多打印头协同打印轨迹规划、原位增材制造成形、形貌检测与余量检测、原位热处理退火、机械精加工以及质量检测探伤等步骤。装置包括转盘、机械臂、打印头和焊机，能够实现转轮侧壁的无支撑增材制造。该发明显著提高了止漏环的稳定性和使用寿命，减少了经济损失，具有重要的经济和实用价值。技术研发人员：唐尚勇,王瑞,王华峰,姜旭,张永浩,刘杨,张晓蕾受保护的技术使用者：华海智造（杭州）科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/11