汽輪機轉子平衡塊毛坯的選用

華寧芳

(南京汽輪電機(集團)有限責任公司,江蘇 南京 210037)

0 引言

汽輪機原理——汽輪機以蒸汽作為工質，并將蒸汽的熱能轉換為旋轉機械能，從而帶動發電機發電[2]。

汽輪機由于轉子零件部件材質分布不均勻和機械加工裝配中存在著誤差，這樣才容易導致轉子在圓周方向上質量不均形成偏重。在工程上叫質量不平衡。回轉體的質量不平衡基本上可分為靜不平衡和動不平衡。靜不平衡是指回轉體在靜止狀態下其較重的位置在地心力作用下指向地心。轉子旋轉時產生的不平衡離心力引起整個軸系的振動形成動不平衡。為使轉子轉動時的不平衡量控制在設計范圍內，在設計過程中為轉子平衡設計了平衡塊，從而為轉子平衡創造條件。[4]

1 平衡塊的分類

1) 軸向平衡塊

圖1是軸向平衡槽在轉子中的位置。

圖1 軸向平衡槽在轉子中的位置

圖2是軸向平衡塊。

圖2 軸向平衡塊

2) 徑向平衡塊

圖3是徑向平衡槽在轉子中的位置。

圖3 徑向平衡槽在轉子中的位置

圖4是徑向平衡塊。

圖4 徑向平衡塊

汽輪機轉子平衡塊材料牌號一般都采用合金鋼：15CrMoA、1Cr13等。此平衡塊安裝在節圓位置上，直徑大概在700mm～850mm之間，厚度大概10mm～30mm、弧長大概在40mm～60mm之間。

毛坯狀態基本上可采用以下3種毛坯形式加工。就軸向平衡塊鍛件毛坯加工為例:

1) 鍛件環料進行機械加工；

2) 鍛件條料按直徑方向排料進行機械加工；

3) 鍛型材件(板料)進行機械加工。

針對上述3種毛壞形式進行如下選料及加工。

1) 毛坯形式是鍛件環料(圖5)毛坯尺寸：

毛坯尺寸：d820/D720×36～51 (59件壞料)

毛坯質量：50.45kg～71.49kg

單件毛坯質量：0.86kg～1.21kg

圖5 鍛件環料

鍛件毛坯在鍛打過程中因要加熱到一定的溫度后才能鍛打成形，就會有一定的熱損耗，所以鍛件毛坯外形尺寸需要在零件圖樣尺寸上放一定余量保證有足夠加工余量。一般高度方向需要放5mm～8mm，厚度方向單邊要放5mm～6mm。對平衡塊這樣的零件直徑相對大，厚度相對薄的鍛件毛坯就需要多放余量，因薄件在鍛打過程中保溫性能比較差容易產生裂紋，這樣的缺陷就會影響平衡塊的機械性能，所以平衡塊在鍛打中厚度方向、長度方向都要比常規放量多。這樣加工出來的零件才能保證品質無缺陷。使用不同的設備加工鍛件毛坯，毛坯長度余量也是不一樣的：如利用立車來完成平衡塊加工，這時鍛件工藝上就不會考慮放加工工藝夾頭，立車在加工過程中裝夾是靠壓板固定，在加工外圓時壓內圓，在加工內圓時壓外圓直到內外圓達到圖紙要求再轉線切割設備加工到位即可；但是利用臥車(C6140，C6150)加工此平衡塊時必須考慮到增加機加工工藝夾頭，因為臥車裝夾是在主軸花盤的三爪或四爪上，對于此薄件直徑又相對比較大加工零件會產生機加工應力造成工件變形反而不易裝配，所以加工過程中只需一次裝夾來完成(如圖6所示裝夾)，再轉線切割設備加工到位即可。

圖6 環料毛坯在臥車上的裝夾

2) 毛坯形式是鍛條料：把平衡塊按直徑方向進行排料進行機械加工(圖7)。

圖7 按直徑方向進行排料的鍛條料毛坯

條料尺寸: 36×405×81(一次可作20件)

毛坯質量：18.43kg(20件)

單件毛坯質量：0.92kg

59件的毛坯質量：54.28kg

此條料鍛件要比鍛環料厚度單邊減少10mm～15mm，雖然材料厚度減少了但是這樣給機械加工帶來很多不便，如圖8裝夾。

圖8 條料毛坯在立車上的裝夾

這種形式在使用設備上有一定的局限性，只能利用立車來完成平衡塊的加工。在裝夾過程中為了數據測量方便工件必須擺放成180°對稱，減少單邊切削相對提高加工利用率。但正常速度走刀還不行,因在加工過程中工件始終是間斷切削，這樣就會不斷沖擊刀頭使之磨損，工件光潔度也就達不到圖樣要求，隨之帶來加工周期延長，加工成本無形中上升了，這不是最終目的。

3) 毛坯形式是鍛件條料或型材：為了更好地使材料利用率提高和機械加工成本下降，現可采購鍛件條料或型材(板料)(圖9)。

圖9 鍛件條料或型材毛坯

毛坯尺寸：36×850×30

毛坯質量：7.16kg

單件毛坯質量：0.36kg

59件的毛坯質量：21.12kg

前面講述此平衡塊外徑:d800mm；內徑：D760mm；弦長：42.11mm；弧長：42.17mm按照此弦長與弧長之比42.11/43.16=0.999幾乎等于1∶1。這樣鍛件毛坯就可考慮為直條料毛坯，在厚度方面也比前面兩種形式的毛坯還可薄，這時厚度只需要單邊放4mm～5mm，長度方向只在圖樣要求的尺寸單邊放線切割目絲余量0.15～0.20mm，在選擇機械加工設備上就可以采用一些比較簡單設備如：小牛頭刨、銑床切削最后線切割使之工件與圖樣要求基本符合，只是在平衡塊上下四點接觸面有點小干涉。如何解決此問題呢？唯一辦法只有通過裝配工在裝配過程中修配平衡塊與平衡槽之間拂配最終裝入。選擇這樣的毛坯方式及機加工設備對減少工藝流程縮、短生產周期，同時也減少材料用量都有很有好處，大大提高了材料利用率、達到了節約成本的目的，產生了很好的社會效益。

2 結語

總結上述3種鍛件毛坯形式進行比較，不難看出毛坯形式第3種最具有經濟性。一方面從設備利用上考慮也是第3種加工方式最為合理可行，另一方面材料成本也大大降低，這對機械制造者和使用者都是有利的，通常以單位質量的工程材料價格(元/kg)來衡量材料的價值，從滿足使用性能的若干材料形式中選擇加工成本較低者，這對一個企業來講是一件好事，起了控制成本的作用，這樣的企業才能夠有新發展，新的未來。

[1] 陶正良.熱能與動力機械制造工藝學[M].北京：機械工業出版社.

[2] 沈士一.汽輪機原理[M].北京：中國電力出版社.

[3] 旋轉機械振動監測及故障[M].北京：機械工業出版社.