百萬千瓦級超超臨界汽輪機低壓缸加工技術的探討*

王 標

1. 上海交通大學 機械與動力工程學院 上海 200240 2. 上海電氣電站設備有限公司 上海汽輪機廠 上海 200240

百萬千瓦級超超臨界汽輪機低壓缸加工技術的探討*

王 標1,2

1. 上海交通大學 機械與動力工程學院 上海 200240 2. 上海電氣電站設備有限公司 上海汽輪機廠 上海 200240

1000MW超超臨界汽輪機組低壓缸尺寸龐大，加工技術要求高。經過一系列工藝分析，確定了加工工藝方案，可保證低壓缸表面粗糙度和中分面螺孔定位精度要求，也能控制加工變形，滿足圖紙要求，提高了加工效率，降低了加工成本，確保了加工進度。所確定的加工工藝方案為同類結構低壓缸國產化制造提供了借鑒參考。

超超臨界汽輪機； 低壓缸； 數控加工

1000MW超超臨界汽輪機是當今汽輪機發展的最高水平，也是我國發電設備的發展方向。該機組低壓缸的技術和加工質量要求都很高，零件尺寸較大，結構復雜，需要大型數控加工設備來加工。玉環1000MW汽輪機組低壓部分由低壓內缸和低壓外缸構成，低壓內缸為上下半對稱雙流結構，低壓外缸由汽缸前端板、后端板、側板及低壓外缸上半等部分組成。低壓缸(圖1)外形尺寸龐大，加工有一定困難[1]。

1 低壓內缸工藝難點分析與方案確定

1.1 低壓內缸增加粗車拼缸引導銷

玉環機組低壓內缸外形尺寸龐大，上半體積為

圖1 1000MW超超臨界汽輪機組低壓缸結構圖

6890mm×4777.5mm×3800mm，下半體積為6890mm×6470mm×3285mm，拼合后體積為6890mm×6470mm×7085mm，上半毛胚質量為53900kg，下半毛胚質量為68860kg，拼合后毛胚質量為122617kg，如圖2所示。龐大的外形，沉重的質量，再加上立車粗加工前拼缸時中分面連接孔尚未加工，造成立車粗加工前拼缸困難。此外，由于汽缸外形龐大，拼缸時稍有不準就會造成較大偏差，影響汽缸的精加工[2]。為了解決以上問題，根據以往加工經驗，提出粗加工時在汽缸上、下半中分面的四個角上需要精加工大螺孔處先預鉆四個比螺孔直徑小得多的引導螺栓孔，立車粗加工前拼缸時，利用這四個引導螺栓孔引導上缸拼至下缸。利用增加粗車拼缸引導銷的方法，一方面可以提高拼缸的精度(由于四個引導孔都是按照精加工的位置加工的，所以粗精加工兩次拼缸的狀態是一樣的，從而減小了兩次拼缸的誤差)，另一方面可以減輕操作工人在拼缸時的勞動強度(如果沒有引導銷，拼缸時往往要移動多次才能移到理想位置，增加引導銷后，通常一次拼缸就能成功)[3]。

圖2 立車粗加工內圓安裝

1.2 低壓內缸以銑代車粗加工內圓

由于玉環機組低壓內缸外形尺寸龐大，整個汽缸又為焊接件，因此考慮到可能引起的形變，加工余量放得較大。加工余量最大處可達120mm左右，并且與端面距離較遠，不利于用立車加工。因為8m單臂立車的主軸比較小，加之是二手機床，所以粗加工兩缸的內圓比較困難。經綜合工藝分析后，決定既需立車加工又需數控鏜床粗銑的內圓，全部粗加工均在數控鏜銑床上粗銑。以銑代車的工藝方法有兩大優點。第一，提高加工效率。立車加工是單刀片切削，切削量不能太大，這樣就限制了立車的加工速度，并且單臂 8m 立車的主軸無法伸太長，伸得越長，主軸剛性就越差，易引起主軸抖動，影響加工質量，進而影響加工速度。而數控鏜銑床用銑刀銑內圓時，利用附件加工，附件剛性好，且切削時刀盤圓周上的十多把刀片同時參與切削，切削快且量大。第二，操作方便。立車粗加工時要將汽缸豎立起，但該汽缸很高，豎直高度達6890mm，需要在汽缸內腔安裝搭子才能進行測量、對刀、換刀等操作，十分不方便且不安全。以銑代車后，汽缸加工時分開平放在數控鏜銑床上，操作、測量等非常方便且安全[4]。

1.3 低壓內缸中分面大直徑平底螺紋孔的加工

低壓內缸中分面大直徑螺孔采用德國標準，如圖3所示，特點是螺孔底部為平底，且尺寸有一定要求。西門子公司加工時采用山特維克公司鑲齒擴孔鉆進行擴孔成形，但這種擴孔鉆價格昂貴。為降低加工成本，經技術分析后，決定采用在數控機床上用小鍵槽銑刀行星銑削的方式來加工螺孔底部平面[5-7]。對于M140×6、M80×6和M72×6大直徑螺紋，在數控鏜銑床上利用三軸聯動行星銑削方式加工，實際加工后效果理想，具體措施如下。

圖3 低壓內缸中分面螺孔示意圖

(1) 編制螺紋銑削程序，擴大機床功能。數控鏜銑床由于軟件功能的缺陷，沒有銑削螺紋的功能，為了解決該難題，編制了螺紋銑削子程序：

%SPF 522

N5 R71=R1/2 R72=R9*2 R73=R71-R72

N10 R54=R1-R72 R55=R54/2 R57=R2-R3 R58=0 R300=R9/2

N15 G Z=R3

N20 G01 G41 G91 X=R73

N25 G03 X=-R54 Y0 Z=R300 I=-R55 J0

N30 G03 X0 Y0 Z=R9 I=R71 J0

N35 R58=R58+ R9

N40 @123 R57 R58 K50

N45 @100 K-30

N50 G0 G40 X=R71

N55 G90 Z=R10

M17

該套程序經過多次測試，最終達到理想效果,其適用性廣,特別適合各種大螺紋、大螺距的加工。

(2) 設計專用刀具。銑螺紋需要用到專用三角刀片，專用刀片的幾何尺寸需要考慮銑削時刀片對銑削面的干涉及所配用的專用刀排。銑刀排直徑盡可能選大些，以便提高螺紋銑刀排的剛性及增強加工的穩定性。螺紋銑削刀具如圖4所示。

圖4 螺紋銑削刀具

利用數控三軸聯動的特點，對螺紋進行銑削加工，工作原理為： 螺紋銑刀通過數控程序控制，在自身旋轉的同時作空間螺旋運動，在空間形成的軌跡輪廓面與螺紋的螺旋面重合，從而銑削出完整的螺紋。在螺紋銑削時，為了避免排屑的影響，螺紋銑刀從最底部開始進行螺紋銑削，直至頂部結束[8]，如圖5所示。

圖5 螺紋銑削示意圖

(3) 實施低壓內缸螺紋銑削工藝。低壓內缸在數控鏜床加工螺紋前，先應用鉆床鉆孔快的特點，由搖臂鉆床預鉆各孔，單面放5mm余量，深度在原螺孔深度的基礎上再加深15mm，最后由數控鏜床鏜去余量，達到各螺紋底徑的要求尺寸，并利用數控三軸聯動的特點對螺紋進行銑削，X軸、Y軸控制螺紋中徑，Z軸控制螺距。通過試銑削，調整好最佳刀尖直徑偏置值，并控制好切削參數的匹配[9]。

銑削M140×6大螺紋的主程序如下：

N5 G16 X Y W

G G90 G54 W Z50 D1 S1000 F1200 M3R1=140 R2=-140 R3=-420 R9=6 R10=50 R11=3 R13=522

L50

GG50M5

M30

主程序中，D1為刀具補償，R1為直徑，R9為螺距，R10為退刀點，R11為第幾軸。

1.4 低壓內缸內圓處汽封槽加工

在玉環機組低壓內缸內腔端面附近，兩端各有8條2×2.5mm的汽封槽，如圖6所示。

圖6 低壓內缸端部汽封槽

針對精加工內部汽封槽、持環安裝腰帶、各直槽等，設計各種割刀、汽封槽割刀、刀排、接長排等用于完成加工。針對內部尺寸測量困難的問題，設計直槽卡板和3.5m直尺對加工尺寸進行檢驗。低壓內缸在數控立車上完成內部加工，如圖7所示。

圖7 低壓內缸在數控立車上加工

1.5 精車低壓內腔時直接鑲汽封齒并精加工汽封齒

在玉環機組低壓內缸內腔端面附近的8條2×2.5mm汽封槽內均要鑲汽封齒，還要對汽封齒進行精加工。常規加工工藝是： 在內腔2×2.5mm 汽封槽加工好之后，汽缸吊下立車，拆開上下半，然后分別在上、下半2×2.5mm汽封槽內鑲汽封齒，再拼合上、下半，在數控立車上進行精加工[10]。由于此缸外形龐大且沉重，上車、下車、拆缸、拼缸都十分不方便，且要花較長時間，因此提出在精加工內腔內圓和2×2.5mm汽封槽，且在立車上鑲汽封齒后，立即精加工汽封齒的改進方案。這方案存在一個缺點： 鑲汽封齒時，汽封齒在中分面的接合處可能會留下間隙，這條間隙比兩缸分開鑲大1～2mm。經過向本體、葉片、車間技術組和車間鉗工多方咨詢和討論，認為可以將此間隙控制在3mm以內，對效率沒有影響。于是，在實際加工過程中采用了這一方案(圖8)。實施工藝方案，鑲汽封齒結束后，測量了汽封齒在中分面接合處的間隙，只有約 2mm，達到了設計要求。這一改進方案有兩個優點。第一，大大減小了勞動強度。如果拆開鑲汽封齒，將多一次拆缸和一次拼缸，汽缸多翻兩次身，多上兩次車，對于如此大且沉重的缸而言，這無疑有很大的勞動量。第二，操作方便。拆開鑲汽封齒是在垂直方向上徑向鑲，汽缸內壁為圓弧面，半徑比人高，因此操作極為不便，并且還要重新搭操作臺。不拆開在立車上直接鑲汽封齒，操作人員一邊鑲一邊可以在圓周方向上移動，工作方便，且操作人員可以利用立車搭好的操作臺進行操作，不需要重新搭操作臺。綜上所述，在精加工內腔內圓之后直接在立車上鑲汽封齒，然后精加工，這種方法簡單且能滿足設計要求。

圖8 低壓內缸徑向鑲汽封齒操作圖

1.6 低壓內缸內部中分面騎縫銷孔的加工

低壓內缸內部軸向平面靠近中分面處有8個騎縫銷孔，由于騎縫銷孔在內側中分面上，上下半合缸后才能加工，因此加工很困難。針對這一問題，設計了專用工裝、定位座、接長鉆和鉸套，并用鉆模板保證孔的位置，用吸鐵鉆保證加工順利完成。所設計的專用工裝已申請國家發明專利，專利號： 200910201135.3。

2 低壓外缸工藝難點分析與方案確定

玉環機組低壓外缸外形尺寸龐大，前端板、后端板長均為 10800mm，高 4950mm，汽缸側板寬6700mm，高4950mm，低壓外缸上半長10800mm，寬7100mm，高4950mm，各部分加工完畢后運至電廠進行裝焊。此缸尺寸大，剛性差，加工中容易變形，中分面表面粗糙度難以保證。中分面上螺孔眾多，于是將汽缸放置在數控鏜銑床上加工，保證表面粗糙度和中分面螺孔定位精度，并且提高了加工效率。低壓外缸上半長10800mm，分電機端、調閥端和中部三個部分，總寬7100mm，電機端和調閥端中分面需要加工，加工后符合裝配要求，中部不必加工，電機端、調閥端和中部運至電廠后再焊接拼合為一體。

玉環機組低壓外缸的加工難點主要表現在兩個方面。第一，外形尺寸龐大，整個汽缸在加工階段無法拼合為一體進行加工，需要肢解成汽缸前端板、后端板、側板、汽缸上半等部分，分別進行加工，運至電廠安裝現場后再進行拼合。如此龐大的尺寸要求，機床的加工范圍較難達到工件最大加工尺寸范圍。第二，極易產生變形，汽缸前端板、后端板、側板、汽缸上半等部分均由鋼板焊接組成，由于鋼板較薄，大部分鋼板材料均采用Q235普通碳素結構鋼，因此這些部件在起吊、裝夾、加工過程中極易產生變形。

針對以上加工難點，實施了相應對策加以解決。第一，采用大型數控鏜銑床進行加工，針對玉環機組低壓外缸外形尺寸龐大的特點，指定一臺大型數控鏜銑床加工此缸，該機床最大加工體積為24m×6m×1.5m，最大承載質量為75t，工作臺面積為5m×11m，可滿足工件的外形尺寸要求。與此同時，應用該數控機床加工還可以解決工件中分面孔定位難的問題。因為在機床上對中分面進行一次裝夾即可完成加工，可以有效避免因多次裝夾造成的校調困難、基準不一致等影響加工精度的問題，保證了加工質量。第二，優化裝夾方案、增加校調基準，反復校調，針對鋼板較薄、剛性差，以及在起吊、裝夾、加工過程中極易產生變形的問題，采用了減少裝夾次數、增加校調基準、反復多次校調等方法來減小汽缸變形對加工的影響。汽缸7個部分加工的部位分別在中分面和側面，為了減少裝夾次數，充分應用了機床現有的附件，用最優化的裝夾方案進行加工，大部分加工部位一次裝夾即可完

成。對于必須采用兩次裝夾才能完成的部位，在加工過程中通過反復校調基準的方法，來保證兩次裝夾基準的一致性。由于鋼板剛性差，裝夾時經常出現一邊校調準后另一邊又不準的情況，為此在加工時候采用反復多次校調的方法進行安裝校準。

3 總結

對玉環機組1000MW超超臨界汽輪機低壓缸加工工藝進行改進，實現了自主加工，節約了大量加工費用，同時也確保了加工的進度要求，為今后加工超大容量機組汽缸積累了寶貴的經驗。玉環1000MW 汽輪機組是國家重點工程，確保該機組加工質量和按時交貨意義重大。玉環機組制造工程的順利完成使生產能力更適應市場經濟的要求，也使百萬千瓦等級汽輪機的加工工藝上了一個新臺階。

[1] 施徐明.亞臨界300MW機組低壓內缸結構優化改造[J].裝備機械，2014(4)： 32-37.

[2] 朱永茀，黃德厚.大型零件的平衡裝夾方法[J].機床，1985(11)： 23-24.

[3] 薛源順.機床夾具設計[M].3版.北京： 機械工業出版社，2011.

[4] 陳遠智.垂直螺孔加工專用工裝的設計[J].機電技術，2011(2)： 113-115.

[5] 聞邦椿.機械設計手冊[M].5版.北京： 機械工業出版社，2010.

[6] 李鵬飛，沈永根，蔡振銘.一種帶定位的螺紋孔加工方法[J].上海電氣技術，2015，8(2)： 32-36.

[7] 沈永根，蔡振銘.燃氣輪機中間缸制造技術的研究[J].裝備機械，2015(3)： 21-27.

[8] 孫智勇，姜黎生.百萬核電汽輪機低壓內缸車銑加工[J].機械工程師，2015(5)： 278-279.

[9] 陳雪.汽輪機低壓內缸大直徑螺紋數控鏜削加工技術[J].中國教育技術裝備，2015(14)： 169-170.

[10] 吳紀.低壓缸汽封改造及內缸面開槽經濟性研究[J].江西電力，2013(4)： 88-90.

Low-pressure cylinder of 1000MW ultra-supercritical steam turbine requires high process technology owing to its large size. After a series of process analysis the determined process scheme could ensure the surface roughness of low-pressure cylinder and the screw positioning accuracy at the split plane, and it can also guarantee the deformation requirements during processing and the processing requirements specified by the drawings while improving the working efficiency, reducing the processing cost and ensure the processing schedule. The determined process scheme could provide a reference for localization manufacturing of low-pressure cylinder with homogeneous structures.

Ultra Supercritical Steam Turbine； Low-pressure Cylinder； NC Processing

2016年2月

王標(1984— )，男，本科，工程師，主要從事汽輪機大型零部件的工藝及數控編制工作， E-mail: wangbiao@shanghai-electric.com

TM611.24;TG506

B

1674-540X(2016)03-039-05

*中國發明專利： 汽輪機低壓內缸腔體內的斜銷孔的加工夾具及加工方法，專利號： 200910201135.3