核電低壓轉(zhuǎn)子輪盤及聯(lián)軸器熱壓配合工藝技術(shù)

王俊爵

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

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核電低壓轉(zhuǎn)子輪盤及聯(lián)軸器熱壓配合工藝技術(shù)

王俊爵

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaoTong

University,Shanghai200240

大型低壓熱壓配合轉(zhuǎn)子技術(shù)是低參數(shù)大型化核電汽輪機(jī)開發(fā)的技術(shù)關(guān)鍵之一。本文著重介紹了西門子結(jié)構(gòu)核電低壓轉(zhuǎn)子的輪盤熱壓配合技術(shù)的過程。文章從設(shè)備，工藝，質(zhì)量控制等幾個方面介紹了熱壓配合的一些技術(shù)參數(shù)和控制要求，目的是保證工藝的的安全可靠。

[Abstract]The techniques of turbine rotor, type L shrunk is one of critical points for low parameter of turbine D&R. An introduction is being presented to the process that Siemens’ techniques of disk and coupling shrinking for nuclear low pressure rotor. This article introduces some technical data and requirement from equipment, process and QC etc. in order to assure security of shrinking process.

核電汽輪機(jī)熱壓配合轉(zhuǎn)子

0　前言

在全球?qū)Φ吞寄茉春袈曉絹碓礁叩慕裉欤四茏鳛榈V石能源的替代作用正越來越顯現(xiàn)。正式在國家大力發(fā)展新型清潔能源的當(dāng)下，中國各家裝配制造企業(yè)在引進(jìn)吸收世界先進(jìn)技術(shù)的同時，走出了一條自己的技術(shù)之路。

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子按加工、裝配方式可以分為整鍛轉(zhuǎn)子、焊接轉(zhuǎn)子和套裝轉(zhuǎn)子，這三種結(jié)果型式在我國百萬千瓦級核電機(jī)組均有應(yīng)用。哈汽核電機(jī)組的高壓和低壓轉(zhuǎn)子均為整鍛結(jié)構(gòu)，由整根鍛件加工而成，在安全性、抗應(yīng)力腐蝕方面有一定的優(yōu)勢。東汽的核電低壓轉(zhuǎn)子為焊接型式，焊接轉(zhuǎn)子的選材容易，合格率高，轉(zhuǎn)子本身還具有質(zhì)量輕，應(yīng)力低等優(yōu)點，但對設(shè)計方法、焊接工藝、質(zhì)量控制等都提出更高的要求。上汽百萬等級核電機(jī)組的高壓部分采用整鍛轉(zhuǎn)子，低壓部分為套裝葉輪結(jié)構(gòu)。套裝葉輪是西門子核電機(jī)組特有的結(jié)構(gòu)型式，具有交貨周期縮短、材料性能均勻等優(yōu)點。通過在輪盤鍛件上采用專門的熱處理和表面處理工藝，使輪盤整個表面區(qū)域一定深度范圍內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力，來解決核電機(jī)組的應(yīng)力腐蝕問題。西門子該型式的核電低壓轉(zhuǎn)子累計運行時間超過2.75×106h，從未由于應(yīng)力問題而更換轉(zhuǎn)子或葉輪[1]。

核電低壓轉(zhuǎn)子分為三個部分，聯(lián)軸器、輪盤和中心軸，見圖1。中心軸總長超過11米，對稱布置共8個輪盤，其中最大輪盤重量超過25T，采用水平熱壓配合工藝將聯(lián)軸器和輪盤分別從中心軸兩端靠向?qū)?yīng)的臺階，待冷卻后輪盤與中心軸將產(chǎn)生3.3～4.0 mm的過盈量，緊緊抱住中心軸；而聯(lián)軸器直徑雖小，但也需要約1.5 mm過盈量。

由于核電汽輪機(jī)有著工作參數(shù)低、蒸汽流量大、設(shè)計單一性、應(yīng)力水平低、尺寸大型化等幾個特點[2]?；诎偃f核電核電汽輪機(jī)這些特點，就決定了大型鑄鍛件將是核電機(jī)組生產(chǎn)的關(guān)鍵零部件。我國汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子生產(chǎn)能力遠(yuǎn)達(dá)不到市場需求，不得不從法國、德國、意大利、和韓國進(jìn)口。而國外關(guān)鍵大型鑄鍛件價格高、交貨周期長、供貨困難，關(guān)鍵時刻又可能出于戰(zhàn)略考慮進(jìn)行技術(shù)保密甚至限制出口[3]。為此核電轉(zhuǎn)子的國產(chǎn)化，是擺在我廠整個核電機(jī)組國產(chǎn)化前的最大障礙。

圖1　HN1000-6.43機(jī)型低壓轉(zhuǎn)子熱壓配合圖Fig.1　HN1000-6.43 model low pressure rotor hot press fit

1　熱壓配合理論基礎(chǔ)

1.1配合面間所需的徑向壓力p

F——聯(lián)接傳遞軸向力，N；

T——聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩T，N·M；

d——配合的公稱直徑，mm；

l——配合的接觸面長度，mm；

f——摩擦系數(shù)；

此式為徑向壓力大于聯(lián)接傳遞軸向力和聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩之和，即

當(dāng)聯(lián)接傳遞軸向力F時(圖2)，應(yīng)保證聯(lián)接在此載荷作用下，不產(chǎn)生軸向滑動。亦即當(dāng)徑向壓力為P時，在外載荷F的作用下，配合面上所能產(chǎn)生的軸向摩擦阻力F，應(yīng)大于或等于外載荷F。

當(dāng)聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩T時，則應(yīng)保證在此轉(zhuǎn)矩作用下不產(chǎn)生周向滑移。亦即當(dāng)徑向壓力為P時，在轉(zhuǎn)矩T的作用下，配合面間所能產(chǎn)生的摩擦阻力矩Mf應(yīng)大于或等于轉(zhuǎn)矩T。

1.2過盈聯(lián)接的最小有效過盈量δmin

過盈配合分為脹縮法裝配和壓平配合兩種。其中本文的熱壓配合工藝屬于漲縮法，即不考慮表面微觀不平度的峰尖的形變，其最小有效過盈量δmin=Δmin；但當(dāng)采用壓入法裝配時，配合表面的微觀峰尖將被擦去或壓平一部分(圖3)，此時δmin=Δmin+2μ，即Δmin值應(yīng)再增加被擦去部分2μ。

圖2　變軸向力的過盈聯(lián)接和受轉(zhuǎn)矩的過盈聯(lián)接

圖3　壓入法裝配時配合表面擦去部分示意圖Fig.3　The schematic diagram of the fitting surface to wipe off the assembly with the pressing in method

Δmin——根據(jù)材料力學(xué)有關(guān)厚壁圓筒的計算理論，在徑向壓力為P時的過盈聯(lián)接傳遞載荷所需的最小過盈量；

RZ1、RZ2——分別為被包容件及包容件配合表面上微觀不平度的十點高度，其值隨表面粗糙度而異，μm；

p——配合面間的徑向壓力，MPa；

d——配合的公稱直徑，mm；

E1、E2——分別為被包容件與包容件材料的彈性模量，MPa；

C1——被包容件的剛性系數(shù)

C2——包容件的剛性系數(shù)

d1、d2——分別為被包容件的內(nèi)徑和包容件的外徑，mm；

μ1、μ2——分別為被包容件與包容件材料的泊松比。對于鋼，μ=0.3；對于鑄鐵，μ=0.25。

1.3過盈聯(lián)接的強(qiáng)度計算pmax

過盈聯(lián)接的強(qiáng)度包括兩個方面，即聯(lián)接的強(qiáng)度及聯(lián)接零件本身的強(qiáng)度。由于按照上述方法選出的標(biāo)準(zhǔn)過盈配合已能產(chǎn)生所采的徑向壓力，即已能保證聯(lián)接的強(qiáng)度，所以這里只討論聯(lián)接零件本身的強(qiáng)度問題。

過盈聯(lián)接零件本身的強(qiáng)度，可按材料力學(xué)中闡明的厚壁圓筒強(qiáng)度計算方法進(jìn)行校核。首先根據(jù)求得的最小有效過盈量δmin，從國家標(biāo)準(zhǔn)中選出一個標(biāo)準(zhǔn)過盈配合，這個標(biāo)準(zhǔn)過盈配合的最小過盈量應(yīng)略大于或等于δmin，按所選的標(biāo)準(zhǔn)過盈配合種類查算出最大過盈量δmax。再求出最大徑向壓力pmax。

2　核電低壓轉(zhuǎn)子熱壓配合裝配技術(shù)

2.1設(shè)備介紹

熱壓配合專用的滾輪支架：支撐轉(zhuǎn)子的滾輪支架，所攜帶的馬達(dá)可控制轉(zhuǎn)子做正反轉(zhuǎn)和啟停。

輪盤專用加熱爐：加熱爐為罩式電控爐。加熱爐直徑應(yīng)該允許輪盤或是聯(lián)軸器平臥在爐內(nèi)，加熱前輪盤或是聯(lián)軸器內(nèi)外圓分別接上熱電偶，然后蓋上爐罩，緩緩將爐溫與零件溫度共同提高到經(jīng)驗公式要求的溫度和時間。加熱爐為自動控制爐溫保持恒定。

Y型壓輪：由于輪盤冷卻后軸向與中心軸臺階有一定的間隙要求，所以在熱態(tài)下，設(shè)計了一個Y型架，兩頭各有一個滾輪，在熱壓配合后，保證輪盤軸向能夠緊緊靠近中心軸臺階。冷卻后輪盤與中心軸將自然形成一定的熱脹間隙。保證轉(zhuǎn)子在運行時，此處間隙閉合，避免中心軸臺階根部遭遇濕蒸汽，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。

夾具：目前我廠的低壓轉(zhuǎn)子共有4種尺寸的輪盤，對應(yīng)需要4種規(guī)格的輪盤夾具。夾具的作用主要是幾點，輪盤在加熱爐內(nèi)翻身作用，輪盤熱壓配合時起吊作用和最后調(diào)整熱態(tài)套裝的位置。

2.2熱壓配合安裝工藝

為了減小轉(zhuǎn)子由于末葉片對于整圈葉片的重量不平衡，在設(shè)計時所有各級轉(zhuǎn)子的末葉片和輪盤末葉窗口都是周向均布。為了能在輪盤熱壓配合時，不至于將輪盤的周向位置弄錯。就必須事先根據(jù)轉(zhuǎn)子端面上的鋼印，在合適的外圓上用漆筆畫出鐘點位置(周向均分12個區(qū))。

同時設(shè)計的時候就考慮到輪盤熱壓配合時，是兩側(cè)輪流套入輪盤，所以中間軸的中心就不能落在總長的中間，而是要根據(jù)一級輪盤的重量，向一側(cè)偏移。而在熱壓配合時第一個輪盤會先從重心離端面較短的一端開始，然后兩端輪流熱壓配合。

2.2.1第一級輪盤裝夾具準(zhǔn)備過程

輪盤夾具分兩端，翻身端和起吊端。每級輪盤葉根槽都有且僅有一個標(biāo)示鋼印，最終每一個葉輪，將此標(biāo)記對齊在同一直線上(主要靠目測)，在葉輪加熱前，夾具分別放在3點和9點位置，將葉輪出汽邊放在上面，將標(biāo)示鋼印處留在12點位置(熱壓配合后與轉(zhuǎn)子上的12點位置一致)，用雙頭螺柱和碟形墊片將凹字形夾具緊固。

起吊端夾具是可以軸向調(diào)整吊鉤和輪盤起吊位置的，使起吊時吊鉤位置能垂直投射在輪盤的重心上，在熱壓配合時保證輪盤內(nèi)圓中心線和轉(zhuǎn)子中心線盡量平行，防止吊入輪盤和轉(zhuǎn)子熱壓配合時發(fā)生咬死。

輪盤平面上放上金屬薄圓環(huán)。在熱壓配合后，Y型滾輪通過液壓力，軸向壓緊在金屬薄圓環(huán)上，保證輪盤靠緊轉(zhuǎn)子凸肩。金屬薄圓環(huán)由四個搭子固定。在輪盤內(nèi)圓上涂上防咬劑。該過程需注意與輪盤夾具接觸的加熱爐內(nèi)的翻身用墊鐵工裝，也需要涂防咬劑，作用是加熱前平臥輪盤和加熱后立起輪盤時潤滑。

2.2.2熱壓配合第一級輪盤準(zhǔn)備過程

首先要調(diào)整用于熱壓配合后壓緊輪盤的Y型壓輪。調(diào)整Y型壓輪的輪盤間距尺寸(保證上下兩個輪盤落在金屬薄圓環(huán)上)，并且保證對于轉(zhuǎn)子中心的對稱。滾輪的軸向徑向位置也要粗調(diào)水平和垂直，以保證在輪盤熱壓配合后，壓輪的壓力可以均勻作用在輪盤上，而不產(chǎn)生使輪盤側(cè)偏或是卡阻的力。然后移開Y型壓輪，頂起轉(zhuǎn)子中間，一人在轉(zhuǎn)子下面觀察，等到需要撤掉支架的一端稍稍騰起，停止頂起。移開一側(cè)的滾輪支架。

2.2.3整個熱壓配合過程

整個熱壓配合過程可以分為以下五步：(1)打開加熱爐，行車豎起輪盤。(2)吊出，放在平臺上，先卸掉翻身端夾具。(3)擦凈內(nèi)圓，檢查膨脹量合格后，方可繼續(xù)。(4)將輪盤吊到中心軸懸臂端。2個人分居輪盤左右用鐵棍串在輪盤上夾套中調(diào)整水平，1個人在轉(zhuǎn)子側(cè)面看輪盤水平情況，1個人拿手電筒看徑向方向上輪盤和轉(zhuǎn)子是否對中。另一個人負(fù)責(zé)將滾輪支架跟著輪盤平移。直至輪盤靠緊中心軸臺階。(5)隨后迅速將軸向Y型壓輪工具，壓緊輪盤。并拆除起吊端夾具。

由于輪盤即使加熱后，內(nèi)徑膨脹量也不是很大，與中心軸外徑大約只有1 mm直徑的間隙，而輪盤與中心軸的對中則完全依賴行車。一旦熱壓配合失敗，超過3 mm的過盈量，將使得輪盤將永遠(yuǎn)無法再次進(jìn)行任何調(diào)整。所以熱壓配合過程中，對于人員個人注意力和人員和行車之間的配合要求極高。而且為了保持輪盤在爐中取出以后，溫度下降盡可能地慢，四周盡量不能有空氣流通。由于操作熱壓配合輪盤時，有大量需要接近零件的工作，所以熱壓配合人員被要求穿上隔熱服。加熱后取出輪盤，一般應(yīng)在20分鐘內(nèi)結(jié)束熱壓配合的整個過程，否則可能導(dǎo)致熱漲間隙不夠。

2.2.4第一級輪盤打軸向銷介紹

具體步驟：(1)行磨銷孔，記錄(記錄值精度0.005 mm)；(2)滾壓銷孔，分三次記錄；(3)行磨銷孔，記錄。銷與孔間隙，0.03 mm；(4)在銷子表面涂上防咬劑，放入錐銷；(5)錐銷要檢查接觸長度和面積；(6)測試接觸面積的時候，沿聯(lián)軸器端面在銷子上劃一根線，鋸去多余長度，裝進(jìn)去時敲緊銷子，低于平面聯(lián)軸器端面2 mm。一級輪盤和二級輪盤由于質(zhì)量較大，所以都需要加工騎縫銷。而為了防止蒸汽腐蝕騎縫銷，在騎縫銷的外面會加一個擋銷環(huán)，擋銷環(huán)會被前一級輪盤箍緊。

圖4　輪盤軸向銷的剖視圖

2.2.5聯(lián)軸器熱壓配合

最后按圖紙將兩端的聯(lián)軸器熱壓配合到中心軸上，由于聯(lián)軸器直徑和質(zhì)量都比較小，所以熱壓配合本身難度不大。但是由于本身滾輪支架的支撐的中心軸外圓，現(xiàn)在需要熱壓配合聯(lián)軸器，所以熱壓配合聯(lián)軸器是將熱壓配合輪盤后的轉(zhuǎn)子固定在木頭上，二頭軸頸騰空，在熱壓配合后通過調(diào)整墊片抬高聯(lián)軸器下方的滾輪支架，托起間隙配合熱態(tài)的聯(lián)軸器，直到轉(zhuǎn)子外圓上的聯(lián)軸器內(nèi)圓間隙軸向均勻。在冷緊過程中，要經(jīng)常檢查間隙是否均勻，以保證聯(lián)軸器內(nèi)圓與中心軸外圓的各個方向均勻過盈，以避免熱壓配合帶來的重力彎曲。熱壓配合另一端的聯(lián)軸器，步驟同前。

2.2.6熱壓配合結(jié)束工作

熱壓配合結(jié)束吊出轉(zhuǎn)子。為了保證聯(lián)軸器上錐銷孔及其他法蘭孔的安裝精度，在熱壓配合結(jié)束后，還有這部分的機(jī)加工工作。

3　熱壓配合裝配的工藝特點及質(zhì)量控制

西門子公司典型核電汽輪機(jī)采用熱壓配合低壓轉(zhuǎn)子設(shè)計，由于熱壓配合本身就有很高的預(yù)應(yīng)力，而低壓汽輪機(jī)尺寸很龐大，即使采用半速設(shè)計也具有很高的離心應(yīng)力，為了降低部件的設(shè)計工作應(yīng)力，采用了表面特殊熱處理、高拉應(yīng)力，從而降低部件的實際工作應(yīng)力水平，達(dá)到材料表面工作應(yīng)力與材料屈服強(qiáng)度的的設(shè)計目標(biāo)比值。從最早的德國KONVOI核電站到最新的EPR核電站設(shè)計，采用此設(shè)計手段的汽輪機(jī)從未發(fā)生過應(yīng)力腐蝕裂紋現(xiàn)象[4]。此種結(jié)構(gòu)的輪盤在熱壓配合前進(jìn)行特殊的噴丸處理，以保證一定的表面壓應(yīng)力。而中心軸相關(guān)外圓表面都需要做滾壓(Rolling)，其目的也是一樣的。

對于圖紙上要求的，熱壓配合后輪盤的軸向尺寸、輪盤和轉(zhuǎn)子端面冷卻后留有的1 mm間隙及輪盤對于轉(zhuǎn)子的垂直度，無法在輪盤熱壓配合時調(diào)整，需要通過以下五個方面進(jìn)行事先控制，如果熱壓配合失敗，目前還沒有將輪盤取下的經(jīng)驗，只有聯(lián)軸器可以取下。

3.1加工前，機(jī)床保證轉(zhuǎn)子和輪盤的形位公差；

3.2加熱過程中，輪盤內(nèi)外壁的最終溫度的監(jiān)測和控制，為了保證檢測溫度的可靠性，每根轉(zhuǎn)子熱壓配合結(jié)束都要更換新的熱電偶線；

3.3在熱壓配合前調(diào)節(jié)壓緊Y形壓輪的水平，以保證熱壓配合后，第一時間給予輪盤的壓緊力是平行于中心軸中心線的；

3.4冷卻中，通過對于校調(diào)數(shù)據(jù)的判斷，對轉(zhuǎn)子繞度進(jìn)行調(diào)整。熱壓配合校調(diào)記錄(Radial Run-Out Inspection of shrinking)內(nèi)容從熱壓配合輪盤被Y型壓輪軸向推緊后開始，直到整個輪盤冷卻。在熱態(tài)下，校調(diào)轉(zhuǎn)子，使得轉(zhuǎn)子不至于因為局部受熱而產(chǎn)生過大的撓度和局部膨脹。這是整個熱壓配合過程中最影響轉(zhuǎn)子熱壓配合重力彎曲的一步；

3.5輪盤的騎縫銷加工需要注意一下幾點，①加工前保證萬向鉆鉆頭與被加工部位的形位尺寸②鉆頭不能碰傷槽底③定位銷的尺寸和粗糙度都會直接影響定位銷的疲勞壽命，所以相關(guān)數(shù)據(jù)必須記錄。④加工后清潔槽底。

對于①點，應(yīng)該這樣控制，先用水平儀保證轉(zhuǎn)子和鉆頭水平位置一致，然后用標(biāo)準(zhǔn)塊測試多個位置鉆頭外圓到轉(zhuǎn)子外圓的距離，保證銷孔到中心軸的中心距離和鉆頭和轉(zhuǎn)子中心線平行，精度可以達(dá)到0.05 mm，這二步校調(diào)分別保證了銷孔兩個方向上的垂直度和銷孔的徑向位置。對于④點，要求是這樣的，磨準(zhǔn)銷孔后，依次從每個銷孔中灌入清潔劑，通過轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)將清潔劑從旁邊一個孔中流出，帶出殘留在輪盤和轉(zhuǎn)子之間的鐵屑，最后吹干孔底液體。

4　總結(jié)

目前，上海汽輪機(jī)廠已采用此工藝方法對多根HN1000-6.43型低壓轉(zhuǎn)子完成熱壓配合安裝。各項圓跳動數(shù)據(jù)均達(dá)到國外先進(jìn)水平。該工藝方法對其他套裝轉(zhuǎn)子也有參考和指導(dǎo)作用。

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Process Technology of Disk and Coupling Shrinking for Nuclear Low Pressure Rotor

WangJunjue

NuclearSteam turbineshrinking fitRotor

1006-8244(2016)02-029-05