大功率汽輪機低壓內(nèi)缸加工技術(shù)現(xiàn)狀及改進方向初探

謝龍飛， 劉祥， 羅霞， 張斌， 吳攀， 卞文

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

0 引言

最近幾年來， 公司大型火電、 核電汽輪機低壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化， 對傳統(tǒng)、 非落地支撐結(jié)構(gòu)火電汽輪機低壓內(nèi)缸而言， 最大的變化之一是中分面法蘭原為整體結(jié)構(gòu)現(xiàn)為級間分段結(jié)構(gòu)。還有就是一些新機型正逐漸采用落地支撐結(jié)構(gòu)低壓內(nèi)缸， 最典型的是公司660 MW 超超臨界汽輪機和CAP1400 核電汽輪機低壓內(nèi)缸， 這種全新支撐結(jié)構(gòu)的低壓內(nèi)缸與以往直接通過外缸支撐的相比有很大不同， 要么中分面法蘭級間斷開， 支點軸向尺寸大幅增加； 要么支點橫向（徑向）尺寸大幅增加。 公司震后重建購置的部分靜子零部件機加設(shè)備已不能完全滿足現(xiàn)有低壓內(nèi)缸的制造要求，設(shè)備能力不足導致了部分低壓內(nèi)缸不得不改變設(shè)計結(jié)構(gòu)， 會影響機組性能和增加制造難度推高制造成本。 當下， 須進一步優(yōu)化加工方法， 提高加工能力和加工精度， 在設(shè)計與制造（加工）之間形成良性循環(huán)， 實現(xiàn)公司產(chǎn)出性能好、 價格有競爭力的火電、 核電汽輪機。

1 公司大功率汽輪機低壓內(nèi)缸加工技術(shù)現(xiàn)狀

低壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)、 尺寸、 重量、 剛性、 精度、特別是支撐方式等決定了加工方式的選擇。 其中低壓內(nèi)缸內(nèi)孔、 開檔、 端面、 隔板槽或隔板定位環(huán)等部位加工（后繼統(tǒng)稱為低壓內(nèi)缸內(nèi)孔加工或具體部位加工）是生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工序， 是本文討論的重點。 目前， 該工序均在立車上進行， 一般需調(diào)頭2 次完成精車， 內(nèi)缸的加工狀態(tài)與工作狀態(tài)不吻合， 水平與垂直剛好反著。 這種立放狀態(tài)加工的內(nèi)缸其自重變形和軸向、 徑向的裝卡變形會嚴重影響缸的加工精度。 當內(nèi)缸按工作狀態(tài)總裝時， 上下半隔板槽的徑向錯位、 軸向錯位和開檔與汽缸中心線的垂直度往往超出設(shè)計或總裝要求， 須上鏜床按工作狀態(tài)二次返修隔板槽， 鏜床返修的隔板槽定位面的密封效果明顯不及車削加工。 就國內(nèi)汽輪機制造行業(yè)而言， 低壓內(nèi)缸內(nèi)孔加工方式與公司總體類同， 存在的問題相近。

1.1 非落地支撐低壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)特點及加工精度現(xiàn)狀

公司引進日立技術(shù)和自主研發(fā)的300 MW、600 MW、 700 MW、 1 000 MW 級火電汽輪機低壓內(nèi)缸支撐方式多采用下半缸的4 個貓爪直接支撐在外缸上， 內(nèi)缸結(jié)構(gòu)緊湊， 剛性相對較好， 四貓爪位置徑向緊靠中分面法蘭、 軸向一般在次末級與末級隔板槽之間或正對， 個別的在次末級或末級的左、 右側(cè)， 目前均采用立車加工內(nèi)孔。 這類內(nèi)缸總裝時， 上下半中分面處隔板槽的軸向錯位一般≤0.10 mm、 徑向錯位一般≤0.20 mm 設(shè)計允許值。 圖1 是某300 MW 級汽輪機兩端把有導流環(huán)的低壓內(nèi)缸上下半， 缸的軸向尺寸較小， 中分面法蘭與圖3 整體結(jié)構(gòu)相似， 剛性較好， 貓爪短且位置適中， 總裝時隔板槽的軸向、 徑向最大錯位一般約為允許值的0.6 倍。 圖2 是某700 MW 級汽輪機低壓內(nèi)缸， 缸的軸向尺寸較大， 中分面法蘭級間斷開， 貓爪軸向位置在次末級與次次末級隔板槽之間， 貓爪徑向尺寸比圖1 略大； 圖3 是引進型600 MW、 1 000 MW 級汽輪機低壓內(nèi)缸示意圖， 貓爪位置正對末級隔板槽定位面， 貓爪徑向尺寸較?。?圖4 是某1 000 MW 級汽輪機低壓內(nèi)缸， 它的結(jié)構(gòu)和尺寸與圖3 所示的引進型1 000 MW 級低壓內(nèi)缸相近， 不同的是貓爪位置正對末級隔板槽非定位面， 貓爪徑向尺寸略大； 圖2～4這3 種結(jié)構(gòu)低壓內(nèi)缸總裝時隔板槽軸向、 徑向最大錯位一般為允許值的0.8～1 倍。 圖5 中的1 000 MW 級汽輪機低壓內(nèi)缸與圖3 低壓內(nèi)缸總體結(jié)構(gòu)類似， 不同的是中分面法蘭級間斷開， 之間只有撐管連接， 總裝時隔板槽軸向、 徑向最大錯位分別達0.3 mm 和0.5 mm， 須用鏜床返修隔板槽。

圖1 300 MW 級低壓內(nèi)缸

圖2 700 MW 級低壓內(nèi)缸

圖3 引進型600 MW/1 000 MW 級低壓內(nèi)缸

圖4 某1 000 MW 級低壓內(nèi)缸下半中分面

圖5 1 000 MW 級低壓內(nèi)缸下半中分面

1.2 軸向落地支撐低壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)特點及加工精度現(xiàn)狀

660 MW 超超臨界汽輪機低壓內(nèi)缸采用軸向落地支撐方式， 下半4 只長貓爪支點距末級隔板槽軸向約850 mm、 徑向約600 mm， 中分面法蘭級間斷開， 之間只有撐管連接， 目前采用立車加工內(nèi)孔。 總裝時的空缸狀態(tài)， 上下半正反末級隔板槽軸向錯位一般在0.2±0.03 mm， 正反次末級在0.08±0.03 mm， 正反中間三級一般為0～0.05 mm，總的錯位趨勢是越靠橫向中心線越小， 隔板槽徑向錯位一般約為軸向錯位的1～1.5 倍， 實缸狀態(tài)錯位略增。 立車精車后， 正常的返修工序是按工作狀態(tài)支撐， 在鏜床上返修正反次、 末級隔板槽。

1.3 橫向落地支撐低壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)特點及加工精度現(xiàn)狀

CAP1400 低壓內(nèi)缸采用的是橫向（徑向）落地支撐方式， 下半4 只特長貓爪支點距末級隔板定位環(huán)橫向約3 000 mm、 軸向約1 000 mm， 見圖6，圖中貓爪搭壓在彎頭支撐頭部。 受公司現(xiàn)有φ12.5米立車最大加工直徑的限制， 下半設(shè)計時橫向分成3 段， 中間是內(nèi)缸， 左右為支撐裝置。 3 段連接后， 橫向最大尺寸為13 220 mm， 比公司現(xiàn)有φ12.5 米立車最大加工直徑大720 mm。 除車削工序外， 其他各加工工序總體工藝方案均按或接近工作狀態(tài)支撐加工。 此結(jié)構(gòu)內(nèi)缸到目前為止已總裝完3 套， 逐步進入總裝的還有2 套， 這幾套內(nèi)缸生產(chǎn)過程中在工藝層面暴露出來的設(shè)計、 加工及制造成本等方面的問題主要有： （1） 結(jié)構(gòu)復雜，尺寸大， 重量重， 剛性差； （2） 焊接、 加工、 總裝、 發(fā)貨等過程太復雜； （3） 下半制造成本高，粗略計算， 焊接、 熱處理、 加工、 總裝、 轉(zhuǎn)運等過程的工作量及制造成本是正常設(shè)計缸的1.5 倍以上， 同時重量增加約13%、 材料消耗增加約16%；（4）用戶的認可度不高， 離機組真正走出國門還有一定距離； （5） 外觀顯得過于笨重， 有待完善；（6）缸的內(nèi)孔沒能力按工作狀態(tài)支撐加工， 總裝時缸的上下半隔板定位環(huán)軸向、 徑向錯位， 存在不同程度的超差， 特別是實缸狀態(tài)錯位更為嚴重。當下半實缸狀態(tài)扣合上半時， 上半隔板定位環(huán)靠中分面部位存在不同程度拉傷。 分析內(nèi)缸加工過程， 當內(nèi)缸下半在龍門銑工作臺和鉆床地坑按工作狀態(tài)支撐時， 因重力作用汽缸的內(nèi)孔會在垂直方向和中分面部位的徑向方向發(fā)生變形， 扣合上半后下半變形還會增加， 上半的變形方向剛好與下半相反， 在中分面處上半向外張， 下半向內(nèi)收。內(nèi)缸立放狀態(tài)加工內(nèi)孔時， 重力變形變?yōu)檩S向方向， 此時上下半原支撐狀態(tài)徑向重力作用帶來的變形量大小、 方向會發(fā)生變化， 方向是上半向內(nèi)收、 下半向外張， 因上下半把合于一體， 之間存在相互約束， 這是缸的一種變形。 另外一種變形是： 上下半結(jié)構(gòu)不完全對稱， 剛性存在差異， 在重力作用發(fā)生的軸向變形大小就不一樣。 立車工序后， 拆開上下半， 將下半與支撐裝置把合， 再按圖6 支撐， 扣合上半。 此時因缸的支撐狀態(tài)、重力作用方向和原有的2 種變形量的綜合影響致使上下半隔板定位環(huán)產(chǎn)生了較大的軸向、 徑向錯位， 實缸狀態(tài)錯位略增。 另外， 在總裝狀態(tài)， 測量出的內(nèi)孔天地、 水平、 45°方向的直徑尺寸也不盡相同， 相應端面定位止口也不圓了。 由此可見，用立車加工這種內(nèi)缸弊端較多。

圖6 CAP1400 低壓內(nèi)缸下半支撐方式

1.4 低壓內(nèi)缸隔板定位面加工精度對機組性能的主要影響

低壓內(nèi)缸隔板定位面是密封面， 上下半中分面部位的軸向錯位和面的平面度誤差均會直接帶來級間漏汽， 或多或少會影響機組的熱效率。 由于是大功率汽輪機， 低壓模塊一般有1～3 個， 單個模塊一般有10～14 級壓力級， 如各級隔板定位面密封效果都存在問題， 那么帶來總的熱損耗還是比較可觀。 如內(nèi)缸加工精度能得到充分保證，在一定程度上還能給機組設(shè)計減小通流間隙創(chuàng)造條件， 實現(xiàn)機組效率的提升。

2 低壓內(nèi)缸內(nèi)孔加工工藝方案探討

落地支撐結(jié)構(gòu)低壓內(nèi)缸和部分中分面法蘭級間斷開的低壓內(nèi)缸因結(jié)構(gòu)原因， 從工藝層面上講，須按工作狀態(tài)支撐加工內(nèi)孔才能確保隔板定位槽或定位環(huán)的加工精度。 下面重點以核電、 大功率火電汽輪機低壓內(nèi)缸為例進行討論。

2.1 車鏜床簡介

外購或自制圖7 所示車鏜床， 此類機床相對簡單， 技術(shù)成熟。 類似機床的軸向進給由裝在導軌上的床頭箱拖動鏜桿完成， 行程3 000 mm， 尾座固定不動， 鏜桿可在尾座孔內(nèi)軸向滑動， 尾座上的鏜桿支撐孔為上下半結(jié)構(gòu)。 機床的徑向進給由徑向刀架完成， 進給驅(qū)動裝置裝在鏜桿和刀架孔內(nèi)部并與床頭箱連接， 通過床頭箱傳出的運動驅(qū)動。 這兩向運動可完成直面、 斜面、 曲面和某些特殊面的加工， 也可用成型車刀加工內(nèi)孔的某些型面。 考慮到鏜桿剛性對加工振動的影響、 撓度對加工精度的影響， 鏜桿本體設(shè)計成整體結(jié)構(gòu)，支點間距與鏜桿直徑的比控制在8.5～10.5， 鏜孔直徑與鏜桿直徑的比控制在≤6.6； 徑向刀架在鏜桿上有12 個安裝位置， 間距1 200 mm， 刀架的安裝位置由汽缸的加工部位確定， 圖7 中的鏜桿是按加工CAP1400 低壓內(nèi)缸內(nèi)孔相似尺寸， 同時滿足前面討論的火電汽輪機低壓內(nèi)缸的加工。 機床總承重700 t， 地坑長×寬×深=12 000 mm×16 000 mm×3 500 mm， 加工直徑φ2 000 mm ～φ9 860 mm， 除鏜桿外， 機床的加工能力、 加工范圍覆蓋現(xiàn)有各機型核電、 大型火電汽輪機低壓內(nèi)外缸的整體加工， 并留有一定富裕量。 使用中可根據(jù)不同的加工對象設(shè)計鏜桿。

圖7 車鏜床加工低壓內(nèi)缸示意圖

2.2 CAP1400 低壓內(nèi)缸內(nèi)孔車鏜床加工方案

CAP1400 低壓內(nèi)缸下半在車鏜床地坑就位前先取下鏜桿， 接著將下半汽缸就位， 落裝鏜桿；以鏜桿為找正基準， 精調(diào)下半內(nèi)缸水平、 方位；扣合上半， 復查下半水平及方位變化， 再次精調(diào)至工藝要求， 加工內(nèi)孔各尺寸。 由于缸的實際總重一般在245 t 左右， 故汽缸不需施加外力卡壓，自重即可保證汽缸處于卡緊狀態(tài)， 需要時可用百分表監(jiān)測汽缸可能出現(xiàn)的位置變化。 用這種方式加工的汽缸， 完全消除了自重和裝卡變形對加工精度的影響， 同時缸的形位公差也得到了很好的控制。

2.3 大型火電汽輪機低壓內(nèi)缸內(nèi)孔加工方案

大型火電汽輪機低壓內(nèi)缸內(nèi)孔加工過程與2.2類同， 缸相對較輕， 就位后須壓緊， 支、 壓點同在貓爪上， 加工中出現(xiàn)振動可增加輔助支點。

2.4 選用車鏜床加工汽輪機低壓內(nèi)缸內(nèi)孔的必要性

目前， 公司各機型汽輪機低壓內(nèi)缸內(nèi)孔加工更多的只能選擇立車完成。 受現(xiàn)有立車加工高度、直徑的制約， 內(nèi)缸軸向、 徑向尺寸會受到約束，超了就得分段設(shè)計。 這種設(shè)計結(jié)構(gòu)在影響機組性能的同時， 還會提高制造成本， 如有車鏜床這樣的加工設(shè)備， 內(nèi)缸的外形尺寸將不受限制。 比如，如用車鏜床加工缸的內(nèi)孔， 下半缸就可整體設(shè)計，相應制造過程也簡單了， 同時做到了內(nèi)孔加工支撐方式、 重力方向與缸的工作狀態(tài)完全一致， 在制造精度得到充分保證的同時， 制造成本將成倍下降。

3 結(jié)論

本文通過對多種大功率汽輪機低壓內(nèi)缸加工技術(shù)現(xiàn)狀的分析， 提出了采用車鏜床加工低壓內(nèi)缸內(nèi)孔的工藝方案， 這種方案不僅可有效保證加工精度， 還可大幅降低制造費用， 特別是保證了上下半隔板定位面軸向沒有錯位。 對于像CAP1400 這樣的低壓內(nèi)缸， 如用車鏜床加工， 下半就可按整體結(jié)構(gòu)設(shè)計， 3 個部件變成1 個部件，單下半重量就可減輕18 t 左右， 焊接、 熱處理、加工、 總裝、 吊運等過程的生產(chǎn)成本更會直線下降， 粗略計算， 生產(chǎn)7、 8 套CAP1400 低壓內(nèi)缸多花掉的制造費用就可添制1 臺車鏜床。 同時，有了這樣的機床， 直接為汽輪機低壓內(nèi)缸的設(shè)計提供了方便， 有利于從源頭提高機組性能， 降低制造成本。