（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司黑龙江哈尔滨150046）
摘要：转子作为汽轮机中能量转换的核心部件,它的作用是把高温高压的气体内能转化为旋转的机械能,从而输出功率。转子在运行中承受着非常复杂的作用力,主要有扭力、离心力及热应力等,因此其结构形式的设计、材料的选用及加工工艺都面临着严峻的考验。转子的稳定性对汽轮机运行起着至关重要的作用,转子的不平衡量越小,转子在转动过程中跳动就越小,转动就越平稳,因此对转子精加工的加工精度有着相当高的要求,所以设计比较全面的加工制造工艺方案,对保证转子在加工、装配中的精度是至关重要的。
关键词：汽轮机；转子；加工；工艺
本文通过试验对汽轮机转子加工转速、进给量、吃刀量进行分析,找出三者与表面粗糙度的关系,便于确定加工工艺参数。通过对无冷却液切削、有冷却液以及复合喷雾法的对比试验研究,发现复合喷雾法效果最好。对汽轮机转子各个组成部分进行研究,并对加工过程中的难点进行了分析,研究开发了一种特定的刀杆,用于转子轮槽间汽封齿的加工,保证加工准确的进行;设计了一种转子加工平台用于转子加工过程中的装夹定位,即保证了加工精度,又大大减少了装夹定位的时间;对转子机加工工艺进行设计、改进,包括机床、刀具、和检测等方面,并确定了合理的加工参数,完成了对转子加工工艺的最优化。对转子的锁口、轮槽和平衡孔的加工过程中的加工难点进行系统、全面的分析,并对切削刀具、加工方法和工艺参数进行改进。对于转子轮槽加工,采用粗精加工刀具分开的方式,提高了刀具的利用率及加工效率,也能更好地满足零件加工精度;对于平衡孔的加工,通过设计新刀杆并在三菱机床进行加工的方法,解决了压力级叶轮多,平衡孔跨距长无法在钻床加工的问题,并保证了转子的加工精度和加工质量;对锁口的优化加工,通过运用UG进行数控编程加工,锁口加工精度更高,表面质量更美观,并且省时、省力。
一、汽轮机转子装夹方案
在汽轮机转子加工过程中,选择正确的装夹方法是保证工件加工质量的前提,比如:转子前、后轴颈外圆的表面粗糙度要求为Ra0.8,形位公差(圆柱度、垂直度等)保持在0.01~0.02mm范围内。转子对加工精度的要求很高,每一尺寸都有公差带。为保证转子各处的精度要求,须在事先确定好加工次序的前提下,依照制造流程,选择合理的装夹方法。
为避免定位转子时产生变形,采取一夹一顶的定位方式,即初始加工时,先夹住转子的前端,顶住汽轮机排汽端,在花盘处车削一段基准外圆,用以搭建中心架,然后掉过来进行装夹,也在汽轮机排气端车削一段用以搭建中心架的基准外圆。利用支承架支承在转子的前端,割出转子第一轴段长度,需留出2mm,重打中心孔。然后掉头进行装夹(夹住转子前端,顶住汽轮机排气端),并将支承架支承至排气端,切割轴段长度,并留有相同的加工余量,重修中心孔,待完毕后,利用滚压工具对第一轴段和第五轴段进行滚压,确保基准外圆的表面粗糙度为Ra0.8。滚压前需确保外圆径向跳动与椭圆度要求,以保证加工转子时的同心度要求。按上述步骤重搭中心架,待校准完毕后,紧固尾架顶尖。
二、汽轮机转子叶根槽的加工工艺分析
转子通流部分是一个复杂的结构体,在生产制造中存在着诸多难题,进而对转子的质量造成很大的影响。
（一）槽型结构加工工艺分析
转子通流部分转鼓级和持环挡驱动级的槽型结构大体呈倒T字形,槽底分布着一个半圆形的垫隙槽。
1、确定定位基准。以直槽右侧端面作为T形槽的轴向定位面,以末级持环右侧大端面作为转子通流部分的轴向加工基准面。按照客户的不同要求,计算出转鼓级倒T形槽的级数。T形槽尺寸长度为从转子通流部分轴向加工基准面到T形槽轴向定位面之间的距离,粗、精车倒T形槽的各部位。
2、T形槽加工路线。依据T形槽的形状,先用割刀加工直径8.4mm,上公差为0、下公差为-0.1mm、槽深为14.8±0.1mm的矩形直槽。然后利用90°正反劈刀加工横槽上部外圆直径12.5mm,上偏差为0.04mm,下偏差为0。完毕后以其为基准,加工横槽7.5mm,上公差为-0.04mm,下公差为-0.07mm,并进行倒角加工。最后对半圆形垫隙槽进行加工。
3、加工刀具要求。倒T形槽加工大体分为4步,在加工横槽过程中,要求横槽刀必须能够放到直槽内,并留点间隙,在对深为2.3mm,上公差为0.2mm、下公差为0的横槽进行加工时,使用弯头割刀,要求切削刃到刀体深度应大于2.5mm。叶根槽底部半径为2mm,其横槽内侧半径为0.4mm,这就要求刀具有一定宽度和刀体强度。在加工横槽过程中,通常横槽刀尺寸为5mm,深度为2.8mm,而且确保进入直槽内的刀体宽度也为5mm。
（二）转子加工过程中的排屑问题
当刀具(横槽刀或直槽刀)正装时,铁屑向上排出,容易使刀具与槽子产生碰撞,可能会崩碎刀头,进而会损坏刀具,同时铁屑排出中与工件产生挤压,直接影响到工件的加工精度和表面粗糙度。被挤压的工件也会致使转子产生振动,进而影响转子的形位误差。为阻止上述问题的产生,转子加工过程中,采用刀具反装、机床主轴反转、冷却液下冲等措施,此时铁屑畅通无阻地往下排,进而保证了工件的加工精度和表面粗糙度,也提高了工件的加工进度。
（三）转子本体刚性差、形位公差难以保证
转子结构特点为两头细长、直径小,且中间通流部分外径尺寸大又长,转子运行时转速很高使得通流部分转鼓级和叶轮槽轮的刚性变差。在对这两个位置的横槽进行加工时,转子受到轴向串动和径向离心力的作用,导致转子本体产生振动,加大了刀具的切削力,从而难以进行切削加工,转子的形位误差难以达到图纸设计要求。为了增强转子本体加工部位的刚性,在转子本体加工处侧搭中心架,具体步骤为:在加工通流部分转鼓级的倒T形槽时,分段使用中心架,并尽可能保证刀具位置靠近中心架,尽量确保转子不产生振动,从而确保了加工部位形位公差的要求。在进行试加工后,避免了上述不利因素,从而可以轻松地完成对工件的切削加工。
三、汽轮机转子轴颈和推力面加工工艺分析
汽轮机工作时转子转速很高,为保证轴颈和推力面的形位公差和加工精度要求,采用滚压方法进行加工。根据多年实践探索,在滚压加工中积累了一些经验。
（一）滚压操作前
确保被滚压件外圆不能有锥度和椭圆度,表面粗糙度要求为Ra0.8以下,并保证好加工误差要求。
（二）控制好车刀刀尖半径尺寸在一定范围内,车刀半径越大,滚压时压入量越小;车刀半径越小,滚压时压入量就越大。经过多次实践,车刀刀尖半径尺寸在0.2~0.3mm为最宜,压入量在0.02~0.03mm之间,从而在滚压前确定出尺寸控制的公差范围。（三）确定加工参数在经过滚压试加工后,控制转子转速在80~120r/min之间,当压入量在0.5~1mm时,可将工件直径压下0.01~0.03mm,此时的进给量为0.1~0.15mm。按照上述加工方法,经过滚压后的转子轴颈和推力面,其加工精度和形位公差等均达到了设计要求。结束语本文针对汽轮机转子叶根槽及轴颈和推力面的加工工艺进行分析,转子加工采用了合理的装夹方案,通过分析在加工过程中出现的诸多难题,并针对这些难题提出了合理的加工方案,从而保证了转子的加工精度和表面粗糙度要求。
参考文献：
[1]廖上斌.汽轮机转子T形叶根轮缘强度补充分析[J].科技创新与应用,2018(28):116-118.
[2]张炜,胡玉峰.基于有限元分析的汽轮机转子低周疲劳损耗研究[J].热能动力工程,2018(09):31-38.
[3]郭涛,谢群力,黄建国,张帅.汽轮机转子结垢原因分析与清洗方法选择[J].中氮肥,2018(05):55-57.
[4]丁玲玲,杨百勋,田晓,李益民.高效超超临界汽轮机转子钢FB2的低周疲劳特性研究[J].动力工程学报,2018,38(08):682-688.
[5]石志标,陈长河,曹丽华.基于云PSO-SVM的汽轮机转子故障诊断研究[J].热能动力工程,2018,33(06):41-47.