汽輪機轉(zhuǎn)子紅套用轉(zhuǎn)臺研制

駱占山

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

1 引言

汽輪機轉(zhuǎn)子常用的結(jié)構(gòu)為整體鍛造轉(zhuǎn)子、套裝轉(zhuǎn)子兩類，各類汽輪機轉(zhuǎn)子多采用整體鍛造轉(zhuǎn)子。套裝轉(zhuǎn)子一般應(yīng)用在主軸細小、葉輪直徑較大的轉(zhuǎn)子上或者超大型汽輪機產(chǎn)品上。紅套工藝方法有水平裝配與垂直裝配兩種方法，汽輪機轉(zhuǎn)子一般采用垂直狀態(tài)裝配，目前較常用的方法是將轉(zhuǎn)子翻轉(zhuǎn)成垂直狀態(tài)，固定在固定的工作臺上，逐一進行葉輪等部件的裝配工作，該方法存在一個較大的缺點是：轉(zhuǎn)子無法進行旋轉(zhuǎn)，需要人工調(diào)整熱狀態(tài)的葉輪，裝配效率及安全性大大降低。本文論述了一種轉(zhuǎn)臺設(shè)備，可以完成轉(zhuǎn)子垂直狀態(tài)夾持和平穩(wěn)回轉(zhuǎn)。

2 總體要求

轉(zhuǎn)臺所夾持轉(zhuǎn)子長度一般在4000～7500mm 之間，轉(zhuǎn)子重量一般為30t 左右，因此轉(zhuǎn)臺承載能力最大定為45t。轉(zhuǎn)盤安裝在井式平臺內(nèi)，因此空間狹小，其卡盤的卡緊應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動卡緊，我們選用三爪卡盤。一般轉(zhuǎn)子主軸豎起后進入紅套狀態(tài)，其垂直度要求為0.03mm/1000mm，因此轉(zhuǎn)子裝卡部位必須足夠長，選取800mm 作為夾持長度，以確保其平穩(wěn)。轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)速度要求為2r/min，確保轉(zhuǎn)臺運轉(zhuǎn)過程中平穩(wěn)牢固。本文中的轉(zhuǎn)臺由兩部分組成，一部分是實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，另一部分是實現(xiàn)自動定心裝卡的三爪卡盤及其實現(xiàn)系統(tǒng)。兩部分集成安裝在底座箱體中。

圖1 結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 夾緊力受力簡圖

3 轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計

轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)系統(tǒng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)子夾持后轉(zhuǎn)動功能，以適應(yīng)不同的裝配狀態(tài)，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由高速級齒輪減速、蝸輪蝸桿減速、低速級齒輪減速3 級組成。高速級直齒圓柱大小齒輪均選用45 鋼，采用軟齒面，小齒輪調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度217～255HBS，平均硬度236HBS。大齒輪正火處理選用8 級精度。齒面硬度162～217HBS，平均硬度190HBS。大小齒輪齒面平均硬度差46HBS，在30～50HBS 之間，選用8 級精度。將蝸輪蝸桿傳動置于中間級，可以減小結(jié)構(gòu)尺寸。因蝸桿傳動功率不大，速度不高，蝸桿選用45 鋼，調(diào)制處理，齒面硬度220～250HBS。蝸桿輪緣選用鋁鐵青銅。箱體散熱面積足夠。因為是一般傳動，且蝸輪圓周速度不高，所以選用8 級精度。根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸要求，低速級大齒輪尺寸直徑應(yīng)大于1200mm。因為低速級傳遞轉(zhuǎn)矩較大，故大小齒輪均選用40Cr，表面淬火，齒面硬度為48～50HRC，選用7 級精度。

3.2 夾持系統(tǒng)設(shè)計

夾持系統(tǒng)采用三爪夾盤，自動夾緊。傳動方案為電機帶動蝸輪蝸桿減速器，使用一個雙聯(lián)齒輪實現(xiàn)三個卡爪的同步運動，通過安全離合器設(shè)定所需的夾緊力大小。為實現(xiàn)三個卡爪的聯(lián)動功能，采用一個雙聯(lián)齒輪結(jié)構(gòu)，空套在系統(tǒng)主軸上，形成類似滑動軸承的結(jié)構(gòu)。為減小齒輪與軸的摩擦力，齒輪內(nèi)圈鑲銅，并要求齒輪內(nèi)圈和相配合的軸徑加工精度高。

3.3 傳動系統(tǒng)設(shè)計

夾持系統(tǒng)共分為5 級傳動。第一級采用蝸輪蝸桿傳動，蝸桿選用45 鋼調(diào)制處理，齒面硬度220～250HBS。蝸桿輪緣選用鑄錫磷青銅。第二、三、四級直齒圓柱齒輪齒輪為一般傳動。故大小齒輪均選用45 鋼采用軟齒面，小齒輪調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度217～255HBS，平均硬度236HBS。大齒輪正火處理選用8 級精度。齒面硬度162～217HBS，平均硬度190HBS。大小齒輪齒面平均硬度差46HBS，在30～50HBS 之間，選用8 級精度。第五級圓錐齒輪傳動大小齒輪均選用45 鋼，小齒輪調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度217～255HBS，平均硬度236HBS。大齒輪正火處理選用8 級精度。齒面硬度162～217HBS，平均硬度190HBS。大小齒輪齒面平均硬度差46HBS，在30～50HBS之間，選用8 級精度。

4 系統(tǒng)分析

圖3 主軸底座的有限元網(wǎng)格

圖4 靜力分析圖

轉(zhuǎn)臺主要是實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的垂直裝卡，并實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，因此三爪卡盤的夾緊力需要進行計算分析；為保證轉(zhuǎn)臺的運行平穩(wěn)，需要對底座箱體進行受力分析。

4.1 夾緊力計算

夾緊力能否滿足要求，是夾持系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，已知參數(shù)：主軸長7500mm，端部直徑D=750mm，重G=4.5×105N。吊車放置主軸允許與豎直方向成7°偏角，靠三爪夾盤的夾緊力矯正，夾緊位置距主軸軸端距離860mm。受力見圖2 所示。夾緊力F×860≥G×64.8,因此F≥G×84.8/860=44372N，按夾緊力最大值取F=5×105N 進行設(shè)計。

4.2 支撐部件有限元分析

轉(zhuǎn)臺的大部分零部件需要安裝在底座箱體上，必須保證各傳動部件的安裝尺寸精度，承受主軸的全部重量，并起到保護零部件的作用。本設(shè)計的箱體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，尺寸大。安裝的零部件多，因此選擇材料為流動性好、體收縮和線收縮小的灰鑄鐵，用熔模鑄造的方法制造。

對底座箱體在重力作用下的變形，在外加軸向和徑向載荷作用下的各階模態(tài)進行了基于ANSYS的有限元分析。通過建立有限元理論模型，重點對轉(zhuǎn)臺重要支撐件進行模態(tài)分析，判別了底座的薄弱環(huán)節(jié)，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供可靠的依據(jù)。

5 結(jié)語

本文僅對汽輪機紅套用轉(zhuǎn)臺進行了較為宏觀的介紹，傳動比的計算、軸承強度校核、齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸計算、電機功率計算等內(nèi)容涉及方面較多，本文未進行討論，大家可參照對應(yīng)資料進行計算。