水電站水輪機(jī)導(dǎo)葉軸套加工工藝簡(jiǎn)析

劉功亮，胡德江，王 慷

（南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司檢修試驗(yàn)分公司，廣東 廣州511400）

0 引言

活動(dòng)導(dǎo)葉是水輪機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的重要部件之一，它的作用是通過(guò)開(kāi)啟和關(guān)閉導(dǎo)葉來(lái)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開(kāi)度，保證水流以很小的能量損失，在不同的流量下沿圓周均勻進(jìn)入轉(zhuǎn)輪。軸套作為導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)的支撐部件，主要作用就是限制導(dǎo)葉的徑向擺動(dòng)，使導(dǎo)葉能平穩(wěn)地進(jìn)行開(kāi)關(guān)并控制流量，所以軸套要具有良好的同心度使導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)時(shí)不產(chǎn)生憋勁和卡澀。通常導(dǎo)葉軸套在使用初期狀況良好，但在機(jī)組運(yùn)行多年后，可能出現(xiàn)內(nèi)徑減小、脫層、潤(rùn)滑不足、異物卡塞及刮傷等缺陷，導(dǎo)致導(dǎo)葉無(wú)法正常開(kāi)啟或關(guān)閉，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。故在平時(shí)小修中需對(duì)個(gè)別軸套進(jìn)行更換或者機(jī)組大修的時(shí)候?qū)S套進(jìn)行整體更換。

目前，國(guó)內(nèi)外水電機(jī)組使用的導(dǎo)葉軸套產(chǎn)品主要有以下幾種類(lèi)型[2-4]：水潤(rùn)滑的尼龍軸套、油脂潤(rùn)滑的青銅套、銅基鑲嵌自潤(rùn)滑材料、雙金屬自潤(rùn)滑材料等。本文以某抽水蓄能電廠的尼龍導(dǎo)葉軸套更換為例，簡(jiǎn)述軸套的加工工藝。

1 導(dǎo)葉軸套基本情況

該抽水蓄能電廠每臺(tái)機(jī)組水輪機(jī)有20個(gè)導(dǎo)葉，每個(gè)導(dǎo)葉軸套分為上、中、下3個(gè)軸套，上、中軸套通過(guò)過(guò)盈配合組裝至同1套筒中并裝于頂蓋上，下軸套過(guò)盈配合裝至套筒后裝于底環(huán)上。

該電廠使用的尼龍軸套為特瑞堡公司的Orkot纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料，該材料由獨(dú)特的復(fù)合成分以及固體潤(rùn)滑顆粒組成，有TLMM和TXMM 2種型號(hào)，該電廠采用TXMM型軸套，其在干磨狀態(tài)下具有更好的潤(rùn)滑性和耐磨性。軸套的安裝[5]及加工要求見(jiàn)表1。

表1 軸套加工要求

2 導(dǎo)葉軸套外徑加工

在車(chē)削新軸套外徑前先將舊軸套進(jìn)行破拆，然后對(duì)套筒內(nèi)徑進(jìn)行測(cè)量，上軸套和下軸套對(duì)應(yīng)套筒內(nèi)徑測(cè)量尺寸分別在299.99～300.05 mm和299.97～300.07 mm范圍，下軸套套筒內(nèi)徑尺寸范圍為289.98～290.12 mm。上、中、下軸套套筒內(nèi)徑測(cè)量值加上與軸套配合過(guò)盈量即可確定每個(gè)軸套的外徑加工數(shù)值。

為了固定軸套和對(duì)中軸套中心，車(chē)削軸套外徑時(shí)可在軸套外緣車(chē)削一條寬5 mm、深7 mm左右的夾持位。軸套固定及對(duì)中后，按每個(gè)軸套的外徑尺寸要求車(chē)削多余的厚度。依據(jù)測(cè)量值可得上、中軸套外徑需車(chē)削約1.22～1.26 mm，下軸套需車(chē)削1.25～1.29 mm。從表2中可看出，軸套與套筒過(guò)盈量配合尺寸滿(mǎn)足表1的加工要求。軸套外徑加工合格后，還需對(duì)軸套按設(shè)計(jì)要求加工外倒角（3.5×15°），方便裝入套筒內(nèi)。軸套其他部位倒角工藝嚴(yán)格按照?qǐng)D1設(shè)計(jì)要求進(jìn)行加工。

圖1 軸套加工工藝圖

表2 軸套與套筒過(guò)盈量 單位：mm

軸套與套筒之間采用的是過(guò)盈配合，在常溫下軸套無(wú)法套裝在套筒內(nèi)。根據(jù)熱脹冷縮的物理原理，可利用清潔廉價(jià)的液氮冷卻新軸套[6]。即將外徑已加工好的新軸套放入零下196℃的液氮中冷卻，軸套冷卻2～3 min后取出，平穩(wěn)放到對(duì)應(yīng)的套筒中，最后讓其在自然條件下恢復(fù)常溫達(dá)到與套筒過(guò)盈配合的效果。注意在軸套放入套筒過(guò)程中時(shí)要先將車(chē)有外倒角（3.5×15°）的一端裝入，裝配示意圖如圖2所示。

圖2 導(dǎo)葉軸套冷卻后與套筒裝配圖

3 導(dǎo)葉新軸套內(nèi)徑車(chē)削

冷卻裝入套筒的軸套必須在常溫下保持24 h以上才能車(chē)削，避免低溫下軸套較脆導(dǎo)致加工時(shí)破損，且保持24 h以上才能保證軸套與套筒充分貼合。軸套內(nèi)徑加工的尺寸是根據(jù)實(shí)測(cè)的導(dǎo)葉軸頸直徑確定的，對(duì)于變形彎曲的軸領(lǐng)部位，還需對(duì)彎曲部位進(jìn)行車(chē)圓再測(cè)量軸領(lǐng)直徑。上、中軸領(lǐng)直徑在269.50～269.60 mm范圍內(nèi)，下軸領(lǐng)測(cè)量值為259.51～259.58 mm，在加工過(guò)程中嚴(yán)格按照表1和圖1加工工藝及配合間隙進(jìn)行加工，加工精度控制在0～+0.04 mm以?xún)?nèi)。

軸套內(nèi)徑加工的關(guān)鍵一步是定中心，即軸套徑向和軸向位置百分表跳動(dòng)不得超過(guò)0.02 mm，且在加工過(guò)程中要嚴(yán)格控制同心度和同軸度，避免軸套加工過(guò)程中軸套出現(xiàn)錐度及橢圓度。對(duì)于長(zhǎng)套筒，由于中軸套對(duì)應(yīng)位置的套筒不是很厚，為防止在加工上軸套時(shí)使已加工好的中軸套變形，在加工軸套內(nèi)徑時(shí)應(yīng)先車(chē)削上軸套，再車(chē)削中軸套。加工時(shí)先用刀具粗車(chē)，將端口以及內(nèi)徑大部分余量車(chē)去，使內(nèi)徑稍小于設(shè)計(jì)尺寸，冷卻10 min左右使軸套恢復(fù)常溫。然后換鋒利刀具對(duì)軸套進(jìn)行精車(chē)，同時(shí)調(diào)小進(jìn)刀量，精細(xì)車(chē)削使其盡量滿(mǎn)足內(nèi)徑偏差要求。軸套內(nèi)徑加工后與軸領(lǐng)配合間隙情況如表3所示，間隙滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表3 軸套與導(dǎo)葉軸領(lǐng)配合間隙 單位：mm

對(duì)于中軸套和下軸套，還需加工密封槽，密封槽要求距離端口12 mm，寬8.75 mm，深5.6 mm，詳細(xì)工藝要求見(jiàn)圖3。在車(chē)削完成后需用1號(hào)砂紙進(jìn)行手工打磨，使軸套內(nèi)表面粗糙度滿(mǎn)足3.2 μm的設(shè)計(jì)要求。

圖3 車(chē)削中軸套密封槽

尼龍軸套加工的難點(diǎn)在于：1）實(shí)地測(cè)量軸套支撐套筒的內(nèi)徑，且為破壞拆除舊軸套。由于機(jī)組運(yùn)行多年，套筒存在變形，需要注意破拆時(shí)對(duì)套筒無(wú)損傷，同時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)需要更換不同的高度和方向進(jìn)行測(cè)量求取平均值，最終確定加工的新軸套外徑尺寸；2）采用液氮冷縮的方式進(jìn)行安裝以達(dá)到過(guò)盈配合，需要注意冷卻的時(shí)間及恢復(fù)常溫的溫度和時(shí)間，防止冷卻時(shí)間過(guò)短軸套卡在中間，恢復(fù)溫度過(guò)低和時(shí)間不足時(shí)出現(xiàn)加工脆裂的問(wèn)題；3）加工定中心時(shí)，需要注意套筒的變形，尋找氣蝕較小的圓面進(jìn)行測(cè)量對(duì)中，或者采用四點(diǎn)法對(duì)中；4）對(duì)于較長(zhǎng)的軸套加工，可能會(huì)出現(xiàn)橢圓的現(xiàn)象，這時(shí)可以更換更加精細(xì)的刀具再車(chē)削或者利用砂紙打磨的方法進(jìn)行校正。

4 結(jié)論

本文借助某抽水蓄能電廠大修整體更換軸套的加工機(jī)會(huì)，對(duì)尼龍軸套的加工工藝進(jìn)行了闡述，詳細(xì)介紹了新軸套的外徑加工、冷卻套裝、新軸套內(nèi)徑的車(chē)削以及如何定中心和處理橢圓的工藝，確保了軸套加工的精度、其與套筒和導(dǎo)葉軸頸的配合度。新軸套回裝至機(jī)組后，在機(jī)組調(diào)試運(yùn)行期間，活動(dòng)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，無(wú)卡澀、無(wú)蹩勁及無(wú)漏水現(xiàn)象，機(jī)組更換軸套至今3年運(yùn)行狀況良好，為水輪機(jī)導(dǎo)葉軸套加工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也為其他同類(lèi)型的導(dǎo)葉軸套以及尼龍材料的加工工藝提供了借鑒依據(jù)。