某重型燃機轉子體對接技術難點研究

秦琦棟，桂啟志，劉良玉，馮偉，楊友志

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

某重型燃機轉子體對接技術難點研究

秦琦棟，桂啟志，劉良玉，馮偉，楊友志

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

文章介紹了公司生產(chǎn)的某重型燃機轉子體的結構特征以及該轉子體的壓氣機部分轉子和透平部分轉子的對接過程，分析了對接過程中的技術難點，并針對難點給出了解決方案。

燃機，轉子，對接，接配

0 引言

燃氣輪機技術是世界頂級的高新發(fā)電技術，而燃機轉子作為燃氣輪機的核心部件，其加工裝配技術更是代表了世界制造行業(yè)的最高技術水平，在國外也僅有幾家大公司掌握了大功率燃機轉子的制造技術。

公司生產(chǎn)的某重型燃氣輪機轉子，其轉子體由壓氣機轉子和透平轉子兩部分對接而成。圖1為公司某燃機兩部分轉子體上車床上準備對接。

圖1 兩部分轉子體吊上車床準備對接

其對接過程為：在車床上分別單獨加工好兩部分轉子的接配面和接配止口，然后兩部分轉子同時上車床，壓氣機轉子在床頭采用一夾雙托方式，透平轉子在床尾采用雙托方式，兩部分轉子接配面相對，相距20～30 mm，通過在接配外圓和接配端面上互相打表對兩部分轉子進行找正。轉動花盤調整壓氣機轉子相位，使兩部分轉子 “A”標記對齊，以便兩部分轉子接配面上事先均已按鏜模加工好的72個對接螺栓孔完全按順序互相一一對應 （而非任意2個螺栓孔對應）。在兩部分轉子對接螺栓孔上圓周均分4點穿入4根工藝螺栓并同時逐漸把緊，使透平轉子靠近壓氣機轉子并使透平轉子接配凸止口壓入壓氣機轉子接配凹止口，然后穿入產(chǎn)品螺栓，按要求最終把緊。

在以上過程中，對接前兩部分轉子的接配面加工精度要求很高，對接后整根轉子各處輪盤均有跳動要求。因此，該機型轉子體的對接難度很大，必須滿足加工及對接的技術要求，且必須保證一次成功。

1 結構特點

該燃機壓氣機轉子由主軸與葉輪等各零部件紅套而成，紅套后各級葉輪徑向跳動在0.08 mm以內，如圖2所示。壓氣機主軸總長超過6 m，從大頭端開始，直至小頭端近3 m的一段位置為空心結構。壓氣機轉子接配處即主軸大頭端，該處外徑約1.3 m。接配處形位公差如圖3所示，接配內止口內徑公差 （0，-0.03 mm），接配面端面跳動0.008 mm，表面粗糙度Ra1.6。壓氣機側接配面與接配止口在紅套前均留有一定余量，對接前再精車準。透平轉子為輪盤疊裝后拉桿拉伸而成，如圖2所示。透平轉子裝配完成后總長近4 m，其接配面為中間軸靠壓氣機側端面處，其接配面技術要求與壓氣機接配面相同。

圖2 對接前兩部分轉子結構

圖3 接配面與接配止口處形位公差

圖4 對接后接配面處結構

兩部分轉子對接后，如圖4所示，左側實線部分為壓氣機轉子接配面，右側虛線部分為透平轉子接配面，兩止口為過盈配合。對接后要求中間軸處等部位徑向跳動0.05 mm，其余各輪盤徑向跳動均在0.08 mm以內 （所有輪盤均已加工準）。

2 難點分析

2.1 端跳0.008 mm的接配面加工

圖5是某重型臥車主軸系統(tǒng)局部剖視圖。在數(shù)控機床的安裝過程中，零件本身的加工誤差（如主軸的軸頸圓度、同軸度、軸間端面垂直度，軸承的內圈、外圈以及滾動體精度，箱體軸承孔的圓度、同軸度、端面垂直度等）和裝配時產(chǎn)生的誤差 （如箱體軸承孔與軸承座裝配后的接觸度、圓度、同軸度、垂直度，推力軸承與主軸裝配后的同軸度、垂直度等）會造成主軸回轉軸線的運動誤差，其由徑向跳動、角度擺動和軸向竄動3種基本形式疊加而成，如圖6所示。這些誤差不可避免，從而導致車床加工出的工件端面有跳動。

圖5 重型臥車主軸系統(tǒng)局部剖視

圖6 機床主軸運動誤差的3種基本形式

此外，在常規(guī)裝夾找正方式下，有如下3個因素會對工件端面跳動產(chǎn)生影響：（1）為防止工件在旋轉時出現(xiàn)軸向竄動，工件床尾端中心一般會略高于工件床頭端，如圖7（a）所示，導致工件端面與花盤端面出現(xiàn)瓢偏，從而在加工時對工件端跳產(chǎn)生影響；（2）工件由于本身自重在車床上出現(xiàn)撓性彎曲，如圖7（b）所示，卡爪與工件的接觸點在1、2點處，隨著工件旋轉，工件在1點、2點處產(chǎn)生扭動，卡爪與工件間存在憋勁，從而在加工時對工件端跳產(chǎn)生影響；（3）常規(guī)找正方式下工件找左右為按工件兩端外圓找正。在機床刀架導軌與工件導軌不平行時，工件的左右將與刀架導軌平行，如圖7（c）所示，工件與卡爪接觸點為3、4點，工件端面會與花盤端面產(chǎn)生瓢偏，在工件較短時該瓢偏對工件端跳影響尤為顯著。

圖7 常規(guī)裝夾找正方式對工件端跳產(chǎn)生影響的3個因素

在上述誤差及因素的影響下，如何利用現(xiàn)有機床，加工出端跳為0.008 mm的接配面，是難點之一。

2.2 摩擦熱對止口加工的影響

如圖8所示，在車床上加工轉子接配止口時，裝夾方式為一夾一托，接配外圓即托架圓。為避免靜壓支撐方式下轉子受切削力后竄動，支撐方式采用硬支撐。轉子轉動時托架圓與硬支撐瓦塊處產(chǎn)生大量摩擦熱，止口熱變形很大，轉子轉動時實測該處溫度比室溫高15℃。

圖8 加工接配止口時的轉子裝夾方式

接配處內止口膨脹量可按式 （1）計算：Δd=d（t'-t）α1（1）

式中：d為內徑；t'為受熱后的溫度；t為受熱前的溫度；α1為該材料線膨脹系數(shù)。將數(shù)據(jù)代入式（1）計算得到內止口膨脹量為0.21 mm。該膨脹量已遠超止口尺寸公差要求，對止口尺寸加工帶來了影響。如何消除摩擦熱對止口加工的影響，是難點之二。

2.3 對接后的跳動保證

透平轉子上距接配面軸向距離最遠的輪盤外圓為透平四級輪盤出汽側外圓，其與接配面軸向距離2 870 mm。對接時兩部分轉子的相位已由A標記對齊定好。在該情況下，若對接時2個接配面上高點均在同一相位，如圖9所示，則對接后，在接配面全周均勻變形的前提下，按相似三角形計算，則得出該轉子透平四級出汽側外圓處軸心將偏離0.031 mm，導致徑向跳動將會增大0.062 mm，從而對該處徑向跳動的影響非常顯著，極有可能導致跳動超差。如何確保對接后的跳動合格，保證對接一次成功，是難點之三。

圖9 2個接配面上高點均在同一相位

3 解決方案

3.1 接配面端跳保證

由于僅靠機床精度達不到加工要求，因此必須通過改進裝夾方式、找正方式、刀具結構、檢測方式等各種工藝手段來保證端跳要求。

在裝夾方式上，如前所述，卡爪與工件間存在憋勁。為此，在保證工件夾緊要求 （足夠的摩擦力）的前提下可盡量減少卡爪與工件的接觸面積，通過采用薄墊塊等作為卡爪墊塊，置于卡爪與工件外圓之間，以減少卡爪憋勁現(xiàn)象；通過采用硬支撐而非靜壓支撐，以減少轉子在轉動過程中由于靜壓因素造成的擾動。

在找正方式上，通過將百分表架在花盤上，指針打在轉子法蘭外端面上，轉動花盤觀察百分表讀數(shù)，并據(jù)此對轉子進行上下及左右的調整，以消除花盤與工件間瓢偏，盡可能減少擾動。

在刀具結構上，采用了專用寬刃車刀，利用其刀寬的優(yōu)勢消除刀紋，降低工件表面粗糙度。如圖10所示，其刃寬22 mm，刀刃直線度0.005 mm，刀刃與刀柄定位面垂直度0.005 mm。在刀具使用時采用低速快走刀，轉速n≤10 r/min，走刀f=12～14 mm/r，每刀切深αp=0.005～0.01 mm，采用向下反向車削的方式，使鐵屑自然落下，避免影響端面粗糙度。

圖10 專用寬刃車刀

在檢測方式上，為檢測出真實的跳動值，將百分表架在刀架對面一側圓周等分8點記錄端面跳動值；并在高精度平尺上涂上一層薄薄的紅丹粉，檢查平尺與接配面的接觸情況，接觸面積大于90%為合格。

3.2 摩擦熱對止口加工的影響控制

圖11是2個粗糙面構成的摩擦副。根據(jù)摩擦學上相關的摩擦副表面接觸溫度理論，摩擦時工件接觸表面溫度為：

Ts=Tb+Tf（2）

式中：Tb為接觸體原有溫度；Tf為摩擦時的瞬時溫升。其中：

式中：U1、U2分別為兩表面的切向速度；f為摩擦系數(shù)，其與工件接觸面的表面粗糙度正相關。即：切向相對速度越大，瞬時溫升越大；接觸面的表面粗糙度越差，瞬時溫升越大。

圖11 粗糙面構成的摩擦副

因此，在降低摩擦熱方面：轉子轉速不能太高；轉子法蘭外圓面及支撐瓦塊表面的粗糙度應盡可能提高；同時通過人工澆冷卻液，以達到帶走表面熱量，降低溫度的目的。

為消除止口熱膨脹量對尺寸加工的影響，措施如下：室溫時圓周分8點實測止口處內徑尺寸，對照最終尺寸，算出需要加工的余量 （加工余量最大單邊0.5 mm）。然后低速均勻轉動轉子，在轉動過程中，摩擦熱會使轉子表面溫度逐漸升高。在溫度上升到一定程度的時候，在摩擦產(chǎn)生的熱量、向轉子體其余部位傳導的熱量、向空氣中擴散的熱量以及冷卻液帶走的熱量等幾個因素的綜合作用下，轉子溫度的上升會逐漸趨于平緩直至最終達到一個穩(wěn)態(tài)。在此穩(wěn)態(tài)下，止口膨脹量將不再變化，此時盡快按室溫時已確定好的加工余量對止口進行加工，然后待轉子冷卻至室溫后再對止口內徑圓周均分8點進行測量。由于加工余量最大只有0.5 mm，即使在熱態(tài)時，該余量的熱膨脹量不足0.01 mm。因此，加工掉的余量在熱態(tài)時的伸長量對尺寸的影響很小。此外，由于止口深度8 mm，因此，在止口內徑加工時可采用寬刃車刀用類似刮削的方法進行加工，這樣可使該止口處各點均在同一外部狀態(tài)下同時被加工，避免了在走刀方式下由于走刀前后溫度不均等因素導致的冷卻至室溫后止口出現(xiàn)哨度的現(xiàn)象。

3.3 對接后的跳動保證

為確保對接后的跳動，對接前應通過如下兩方面措施控制。

3.3.1 車削出高低點互配的接配面

通過前述分析可知，如果兩接配面能夠實現(xiàn)高低點互配，則可最大限度地減小接配面端跳對轉子接配后徑跳的影響。在兩部分轉子對接時周向相位已由A標記確定好的前提下，為實現(xiàn)高低點互配，可以對機床主軸回轉軸線的運動誤差加以利用，刻意在特定的相位加工出高、低點。具體做法如下：

將壓氣機轉子接配面加工好后，圓周均分8點打表記錄下接配面上8個點處的跳動，確定高、低點所在相位后吊下車床。透平轉子上車床，按要求找正并夾緊。在透平轉子接配面上同樣均分8點，8點相位應與壓氣機轉子接配面上8點相位完全一一對應，即轉子對接時兩部分轉子接配面上的8點應全部一一重合。根據(jù)壓氣機轉子接配面8個點的高低點所在相位，依據(jù)高低互配原則，確定透平轉子接配面上最高點和最低點應該所在的相位，并做好標記。然后對透平轉子接配面按正式加工時的要求試切。試切完成后檢測8個點的端跳，找出最高點和最低點對應的機床花盤卡爪位置。然后適當對卡爪松壓，以花盤轉動時轉子與卡爪之間打滑即可。轉動花盤，將試切時檢測出的接配面最高點處對應的卡爪轉動到接配面上需要加工出最高點的相位處，然后將轉子按要求找正后夾緊，再次進行試切并檢測接配面端跳，確認此時接配面最高點所在的相位正是對接時所需的最高點所在的相位。確認無誤后，則可按要求將其加工出。

3.3.2 預測轉子對接后的軸心曲線

為確保對接一次成功，對接前應提前掌握轉子對接后的各處徑跳，并據(jù)此對結果進行預判。具體方法如下：

兩部分轉子分別上車床，檢測其各處輪盤外圓跳動，并圓周均分8點對跳動值進行記錄。每2個相對位置的點為1個相位，將8點分為4個相位，對每個相位上的2點跳動進行矢量疊加后除以2，得出該處軸心在該相位上的偏移量。將所有輪盤外圓跳動按以上方法進行計算后，繪制出兩部分轉子對接前在4個相位上的軸心曲線圖，如圖12所示。

圖12 兩部分轉子對接前的軸心曲線

對2個接配面上的8點跳動對應兩兩相加，得出對接后兩接配面重合時該重合面上8個點相對于理論垂直面的跳動。將重合面上的8點跳動分為4個相位，對每個相位上的2個跳動相減，得出該重合面在4個相位上的Δx。設i為圓周均分的點的標識，根據(jù)圖13的相似三角形關系，有：

即：

式中：Φ為接配面節(jié)圓直徑；L為透平轉子上任一處軸心到接配面的軸向距離；xi-xi+4為相應相位上i號點與（i+4）號點的跳動差值；yi→i+4為該處軸心由i號點向（i+4）號點方向上的偏移量。

圖13 對接后接配面端跳對徑跳的影響

依照該方法求出距接配面L處的軸心在4個相位上的偏移量，將該偏移量與對接前透平轉子在相應相位上的軸心線進行疊加，最終得出對接之后整根透平轉子在4個相位上的軸心曲線圖，并據(jù)此預判對接之后跳動是否合格。

4 結語

通過對某重型燃機轉子體的對接技術難點進行攻關，掌握了該型燃機轉子的對接技術，圓滿完成了轉子的制造，確保了對接的一次成功，同時也使公司轉子的加工和裝配技術得到了進一步的提高，對公司的長遠發(fā)展具有深遠意義。

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[2]鄭林慶.摩擦學原理[M].北京:高等教育出版社,1994

[3]遲赤,關忠.臥車裝夾方式對工件跳動的影響與分析[J].機械工程師,2010,(7):136-137

Research on Docking Technology Difficulties of Heavy Gas Turbine Rotor

Qin Qidong，Gui Qizhi，Liu Liangyu，F(xiàn)eng Wei，Yang Youzhi

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

This paper describes the structure of heavy gas turbine rotor and the docking process which the compressor section is connected with the turbine section,analyzes technical difficulties in the docking process,and gives solutions for the difficulties.

gas turbine,rotor,docking,connect

TK476

B

1674-9987（2015）03-0017-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.03.005

秦琦棟（1986-），男，本科，工程師，畢業(yè)于四川大學機械設計制造及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事汽輪機轉子加工及裝配工藝工作。