汽輪機轉子圍帶加工技術研究

楊洋李蒙軍王彪羅禮俊

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

0 引言

轉子毫無疑問是汽輪機的核心部件，其在運行過程中作高速旋轉，將高溫高壓蒸汽攜帶的熱能轉化為機械能。汽輪機轉子結構復雜、形式多樣，在工作時不僅要承受動葉片所產生的離心力，更要承受復雜的動應力。因此，轉子的尺寸精度、形狀和位置精度及粗糙度要求極高，加工難度大。而葉頂圍帶作為轉子的重要結構要素，其作用是減小徑向漏氣、提高輪周效率、調配葉片頻率等作用。其加工質量更是直接影響機組的通流間隙，進而影響汽輪機組運行的經濟性與安全性。

本文對轉子松裝葉片、大尺寸長葉片及某型反動式葉片葉頂圍帶車削加工過程出現的圍帶軸向錯位問題進行了分析，并針對該問題提出了具體的工藝解決措施，以期為類似結構加工起到參考及借鑒作用。

1 圍帶加工的要求

汽輪機轉子的圍帶外圓尺寸公差、外圓相對于兩端軸頸的跳動值一般根據機組通流尺寸的范圍而各自有其精度要求，而葉片裝配及加工的軸向錯位偏差按照制造標準一般應不大于0.2 mm。圍帶的外圓尺寸以及跳動值的精度受加工的機床精度及操作工人的技術水平影響較大，而影響圍帶的軸向錯位偏差的主要因素則是葉片類型及所采用的加工工藝。

2 圍帶加工錯位的原因分析

在加工圍帶時容易產生錯位的葉片類型主要包括以下幾種：

2.1 松裝葉片

圖1為某樅樹型葉根葉片結構的示意圖。該葉片為樅樹形型葉根，階梯型圍帶。整級葉片裝配完成后葉片中間體之間不是緊密貼合，而是存在如圖要求的間隙。葉片軸向使用圓柱銷限位，圓柱銷與葉片及轉子間均為間隙配合。該型葉片屬于松裝葉片，當葉片裝配完成后車削圍帶時，若不采取相應的限制措施，葉片會因軸向切削力產生較大竄動，出現軸向錯位尺寸超差情況。

圖1 某樅樹型葉根葉片結構示意圖

2.2 大尺寸長葉片

圖2為某大尺寸長葉片的結構示意圖。該葉片屬于緊裝葉片且葉身較長，由于葉片剛度原因，在加工此類葉片圍帶時，軸向切削力使葉身產生較明顯的彈性形變。而在此狀態下，葉片圍帶的軸向開檔尺寸及外圓尺寸是無法精確控制，容易產生質量問題。

圖2 某大尺寸長葉片結構示意圖

2.3 某反動式葉片

圖3為某反動式葉片結構的示意圖，T型葉根、葉身帶預扭，且整級僅一個鎖口。帶有過盈量的末葉片封入鎖口時將整級葉片漲緊，使葉片間的間隙符合設計要求。然而該結構只有一個鎖口，末葉片裝入后，鎖口兩側一定范圍內的葉片緊度與鎖口對側葉片之間的緊度是不均勻的，葉片預扭導致的軸向扭轉力矩在車削圍帶時在軸向切削力作用下極易發生部分葉片圍帶軸向錯位超過設計允許的數值。

圖3 某型反動式葉片結構示意圖

3 加工方案設計

根據原因分析的結果可以得出，圍帶錯位問題均是在葉片受到軸向切削力的過程中出現的，而要避免該問題，則必須在切削的過程中使相鄰葉片圍帶之間不出現相對位移，工藝解決措施有以下幾種。

3.1 焊拉筋

在葉片裝配完成后在葉頂圍帶上使用氬弧焊將合適直徑與長度的圓鋼與整級葉片點焊在一起，每只葉片點焊一點，使各單只葉片聯合成為一個剛性整體，然后再加工圍帶的開檔尺寸、臺階和外圓等。

其具體工藝過程為：葉片裝配完成—點焊拉筋—車削圍帶—去掉拉筋—車削剩余圍帶。

經過工藝實踐，該措施適用于松裝葉片及大尺寸長葉片的圍帶車削。在車削大尺寸長葉片時一般還需要在葉身之間的汽道內塞入木質或軟橡膠材質的工藝楔形塊，限制葉片在切削力作用下的彈性形變。

通常反動式葉片的尺寸較小，每級反動式葉片數量比沖動式葉片多，甚至能達到沖動式葉片數量的2倍以上，點焊拉筋的工作量會成倍增加，不利于降低勞動強度、節約成本和提高生產效率，并且反動式葉片的葉頂圍帶寬度較小，焊接拉筋后圍帶的外圓就無法車削了。基于以上原因，此種類型的反動式葉片無法使用焊接拉筋的方案。

3.2 涂抹AB膠

在加工圍帶前將AB膠涂抹于各葉片圍帶間隙內，待膠液固化后，整圈葉片即黏合為一整體，然后再加工圍帶尺寸。該方法不受葉片圍帶尺寸限制，且在圍帶加工的過程中可多次重復涂膠，適用于多種型式的圍帶。然而該方法也存在以下缺點：

（1）級的直徑越大，級數越多，耗費的膠液也就越多，相應成本也會較高。

（2）膠液從涂抹到固化約24～36 h，等待時間較長。如果需要重復涂膠，更是會影響轉子的加工周期。

（3）圍帶加工完成后仍會有少量凝固膠液殘留在葉片上無法清理，影響轉子外觀質量。

3.3 鑲嵌填絲

該反動式葉片顯然不適用焊拉筋，涂膠成本較高且延長了加工周期。為了縮短轉子加工周期，降低成本，提高轉子的外觀質量，現介紹另一種防止反動式葉片圍帶開檔錯位的加工方法。

以某反動式葉片為例，其圍帶汽封結構為城墻齒型，汽封齒高3.5 mm，具體加工步驟見圖4。

圖4 某反動式葉片圍帶加工具體步驟

（1）車削圍帶外圓（步驟①→步驟②）

按照轉子總圖要求，粗車圍帶最大外圓，外圓處可適當留量0.25～0.50 mm。

（2）車鑲齒槽（步驟③）

使用2 mm寬硬質合金專用切刀，在如圖4所示部位切2 mm寬2.5 mm深鑲齒槽。注意：該切刀在刀板上裝夾時必須在車床Z軸方向找正至0.02 mm內，否則容易出現扎刀事故。

（3）鉗工裝配鑲條并鉚緊（步驟④）

使用規格為2 mm×2.8 mm填絲，修剪至合適長度（一般將整圈分為3段）。鉗工用小錘將填絲分段鑲入齒槽，用對應規格沖頭沿圓周均勻鉚緊。

注意：鑲條接頭位置不允許設在圍帶接縫處，且接頭處需單獨鉚緊。

（4）精車葉片圍帶外圓（步驟⑤）

（5）車圍帶開檔（步驟⑥）

車圍帶開檔及圍帶寬度尺寸。

（6）車葉頂汽封槽（步驟⑦→⑧→⑨→⑩）

步驟①→⑥使用合適寬度的切刀，粗、精車葉頂城墻齒一側面，鑲條側面留量不小于0.5 mm。

步驟⑦→⑩使用合適切刀切除鑲條，并精車城墻齒另一側面。

注意：切刀寬度B值需大于留量寬度A值，且鑲條與全部余量需一刀切出。

工藝實驗時使用的填絲為鑲嵌轉子汽封齒后的剩余料，材料成本幾乎可以忽略。圍帶直徑約Φ450 mm，加工鑲槽并完成填絲鑲嵌僅需約15 min。與涂抹AB膠的工藝方法相比可顯著縮短加工周期，節約加工成本，提高轉子的外觀質量。

4 結語

本文首先以幾種典型葉片為例，簡要分析了在圍帶加工過程中出現軸向錯位的原因，然后針對該問題提出了多種具體的工藝解決措施。經過工藝實踐證明，這幾種工藝措施切實有效。顯著降低了轉子圍帶的加工風險，提高了轉子的加工質量。