渦輪盤榫槽工作面波紋問題分析與改善*

□ 蘇 和

1.甘肅省煉化特種裝備工程技術研究中心 蘭州 730060 2.渤海裝備蘭州石油化工裝備分公司 蘭州 730060

1 存在的問題

渦輪盤結構如圖1所示。渦輪盤是催化裂化裝置用煙氣輪機的核心零件,外端安裝動葉片,中部與主軸連接,組成煙氣輪機的關鍵部件轉子組件。煙氣輪機工作時,渦輪盤與動葉片在高溫高壓的氣固雙相介質流中高速旋轉,工作環境惡劣,受力復雜,對材質性能和加工精度有很高的要求。渦輪盤與動葉片通過榫槽與榫齒嚙合,在工作狀態下,渦輪盤榫槽動與葉片榫齒只在對應的工作面接觸,如圖2所示。相比整個安裝配合面,工作面占比很小,因此,工作面的接觸率是評價渦輪盤榫槽與動葉片榫齒加工精度的重要指標。

▲圖1 渦輪盤結構

▲圖2 渦輪盤與動葉片工作面

在理論情況下,渦輪盤榫槽與動葉片榫齒在相應工作面應全部接觸。但這只是理想情況,通過多次對使用后的渦輪盤榫槽和動葉片榫齒接觸情況進行觀察,發現在每個單條工作面上,實際接觸痕跡為規則的幾段,并不是全部接觸。對于新制的渦輪盤與動葉片,通過紅丹粉對研后再檢查工作面接觸情況,發現渦輪盤榫槽工作面也是規則的分段接觸,如圖3所示。這說明渦輪盤榫槽工作面不是平整的,渦輪盤榫槽和動葉片榫齒對應的工作面接觸精度不高。雖然煙氣輪機經過長期運行,渦輪盤榫槽還未出現問題,但是這對煙氣輪機而言終究是不足和隱患,應該引起足夠重視,進行原因分析,研究改善措施。

▲圖3 渦輪盤與動葉片工作面實際情況

2 原因分析

渦輪盤上分布著多個榫槽,單個榫槽的尺寸精度要求很高,以保證動葉片可以正確安裝。與此同時,每個榫槽在渦輪盤上的位置精度要求也很高,以保證動葉片榫齒在渦輪盤上精確的位置分布。渦輪盤榫槽形狀復雜,渦輪盤材質為極難加工的高溫合金材料。由此,渦輪盤加工是煙氣輪機制造的難點,而渦輪盤榫槽又是渦輪盤加工中的難點。

渦輪盤榫槽加工的常用手段有拉削和銑削兩種。相對于銑削,拉削加工雖然需要的工裝和刀具復雜,但是具有加工精度高、效率高、互換性好等優勢。因此,在結構允許的情況下,拉削加工是渦輪盤榫槽最常用的加工工藝。

由于渦輪盤榫槽形狀復雜且加工量大,因此拉削加工采用多把拉刀分次切削逐步成形的加工模式,每把拉刀分工明確且作用唯一,榫槽的最終成形面主要由最后一把精拉刀拉削確定。由此,要分析榫槽工作面的波紋問題,就要分析最后這把拉刀的拉削過程。

榫槽在渦輪盤上的安裝角β如圖4所示,這一安裝角使拉削方向與渦輪盤軸線不一致。精拉刀拉削方向及拉削成形截面如圖5所示。精拉刀不同拉削成形截面切入和切出渦輪盤的過程如圖6所示。由于安裝角的存在,造成拉削成形截面從點1到點2、點3逐步切入工件,從點4到點5、點6逐步切出工件。精拉刀拉削成形截面從點1到點2、點3逐步切入工件時,不斷增大的切削分力f造成切削抗力合力變化,如圖7所示。點1開始逐步增大,到點2時最大,到點3時兩邊受力平衡,合力為零。同樣,從點4到點5、點6切出工件時,造成了合力的反向變化。

▲圖4 渦輪盤榫槽安裝角▲圖5 精拉刀拉削成形▲圖6 精拉刀拉削過程▲圖7 拉削成形截面切入切出工件

合力的變化曲線就像一個完整正弦波的上、下兩半,周期性作用于精拉刀,造成精拉刀隨著拉削成形截面的切入和切出呈周期性波動讓刀運動,這樣的讓刀必然造成渦輪盤榫槽工作面周期性高低現象,產生波紋問題。這種波紋問題的周期與精拉刀齒距和渦輪盤厚度有關,反映于渦輪盤榫槽工作面,表現為與動葉片榫齒分段接觸。這就是渦輪盤榫槽工作面波紋問題產生的原因。

3 改善措施

通過多年對煙氣輪機渦輪盤的加工研究,筆者發現想要徹底解決渦輪盤榫槽拉削加工的波紋問題是非常困難的。首先,拉削加工的波紋問題是由安裝角引起的,安裝角為0可以避免拉削過程的逐步切入和切出,但是使安裝角為0就要影響產品的設計性能,這是不允許的。其次,改變加工工藝手段,采用銑削加工可以避免波紋問題產生的環境,但高溫合金材質銑削渦輪盤榫槽將造成成本高、效率低、精度低、互換性差等一系列問題,是不可接受的。

對此,筆者采取一些措施改善波紋問題,具體措施如下:

(1) 提高拉床夾具的剛性,減小夾具受力變形對拉刀與渦輪盤相對位置的影響;

(2) 及時調整拉刀盒與拉床夾具的間隙,使拉床夾具和拉刀的運動定位件既能保持最小間隙,又能相對平滑運動,這需要豐富的拉床操作經驗;

(3) 及時修磨拉刀,保持拉刀的鋒利性,減小切削抗力,進而減小拉削時拉刀的受力波動;

(4) 通過對精拉刀進行改進設計,利用先進多軸數控拉刀磨床的磨削手段,優化精拉刀切削刃結構,優化切削力分布,減小合力的波動幅度,進而減小精拉刀拉削時波動引起的讓刀和過切。

這些措施的實施,起到了明顯的效果,改善了渦輪盤榫槽工作面的波紋問題,渦輪盤榫槽工作面的接觸率明顯提高。

4 效果對比

用對研方法檢查渦輪盤榫槽工作面的接觸情況,改善前后接觸效果對比如圖8所示。改善前三個齒的工作面均被接觸點和非接觸點分成多段,接觸邊緣不規則,整體接觸率不足70%。改善后接觸情況較為滿意,榫槽的第一齒和中間的第二齒工作面實現了連續接觸,接觸帶邊緣規整,與渦輪盤榫槽工作面設計基本吻合。下面的第三齒工作面接觸還不連續,有不規則的非接觸帶,但改善后渦輪盤榫槽工作面的整體接觸率已明顯高于改善前。

5 結束語

煙氣輪機渦輪盤榫槽的主要加工手段是拉削,由于渦輪盤榫槽設計的安裝角和拉削加工的特殊性,造成渦輪盤榫槽工作面存在規則的微觀高低不平現象,即波紋問題。這種波紋問題是無法從根本上解決的,只能通過改進拉刀和拉削工裝來進行改善。筆者通過改善,使煙氣輪機渦輪盤榫槽的加工質量得到提高。

▲圖8 接觸情況對比