大型水輪機座環現場機加工經驗總結

付有泰

（中國水利水電第十四工程局有限公司機電安裝事業部，云南 昆明 650032）

大型水輪機座環現場機加工經驗總結

付有泰

（中國水利水電第十四工程局有限公司機電安裝事業部，云南 昆明 650032）

苗尾水電站為岸邊式明廠房結構，水輪機座環工地組焊成整體后進行現場機加工。本文根據苗尾水電站座環現場機加工的關鍵工序、控制重點以及加工過程中出現的問題和原因分析，整理、總結出大型水輪機座環現場機加工的施工經驗，以期為同類型水電站借鑒。

水輪機座環；現場機加工；尺寸控制；苗尾水電站

1 概述

苗尾水電站位于云南省大理州云龍縣舊州鎮苗尾村附近瀾滄江河段上，上游與大華橋水電站銜接，下游為功果橋水電站，為明廠房結構。電站裝有4臺單機容量為350 MW的水輪發電機組，總裝機容量為1 400 MW。水輪機座環的設計制造方為東方電機有限公司，水輪機座環由上下環板和固定導葉組成，受運輸條件影響，座環分6瓣到貨，在工地組焊成整體并進行現場機加工。座環上部為上筒體（即頂蓋支持環筒），下部為基礎環，三者組焊成整體后最大外徑為10.74 m，總重192.228 t。座環現場一共有6個機加工面，分別為底環基礎面、支持環上法蘭、座環下環板和止口平面、支持環法蘭內圓面以及筒閥導向條。如圖1所示。

圖1 座環加工面

2 座環現場機加工的關鍵指標質量控制

苗尾水輪機座環加工有六個關鍵質量控制指標，第一個關鍵指標是加工機床的安裝調試，其精度直接影響后續的加工質量；第二個關鍵指標是支持環上法蘭面水平度，其精度直接影響頂蓋安裝的水平度，水平度不好會給機組的安全穩定運行帶來隱患；第三個關鍵指標是底環安裝基礎面水平度，其精度直接影響底環安裝的水平度及活動導葉端面間隙，從而影響整個導水機構的安裝質量；第四個關鍵指標是座環上法蘭面至底環基礎面的開檔距離，其精度將直接影響活動導葉端面間隙，端面間隙過大，活動導葉關閉后漏水量過大，端面間隙過小，活動導葉在關閉時將會直接與底環和頂蓋抗磨面發生刮擦，導致卡阻，使調速系統失靈而使機組發生事故停機；第五個關鍵指標是座環下環板內鏜口止口平面度，其精度直接影響底環安裝的水平度；第六個關鍵指標是座環下環板內鏜口止口平面至底環基礎面的開檔距離，其精度也是直接影響底環安裝的精度，從而給整個導水機構的安裝質量帶來隱患。

上述六個關鍵控制指標之間都是相互關聯、相互制約的，若是有一個指標不滿足標準規范都將不同程度的影響水輪機導水機構的安裝精度，從而給機組的安全穩定運行帶來致命的隱患。

2.1 加工機床的安裝調試精度控制

加工機床由上下支撐裝置，主軸箱、主軸、刀臂、托輪裝置、走刀裝置、配重臂、拉桿以及相應的自動化元件等構成。該加工機床主要用于加工、修復大型法蘭端面、內鏜口、環狀零部件的外圓及法蘭內鏜口。機床采用西門子802DSL數控系統（CNC），實現所有使用功能。如插補功能，既可實現平面，又能實現各種曲面加工。該系統設置地面監控，實現加工狀態監控。

機床安裝前，應對機組的中心、高程、方位進行測定。用全站儀測定機組安裝的實際高程、實際中心方位偏差，用內徑千分尺測量支持環上法蘭內鏜口、座環上環板內鏜口、座環下環板內鏜口以及筒閥導向條對應的12個固定導葉內半徑，通過測量數據分析確定機組的安裝中心，中心確定后將中心樣點轉移到非加工面座環上環板及座環下環板凸臺X、Y軸線位置，以便加工機床中心調整以及后續的機電設備安裝。用NA2水準儀配GPM3測微儀測量23個固定導葉中心的水平并計算出平均值，取與平均值最接近的固定導葉中心高程作為機組安裝的基準高程，同時作為座環加工的基準高程，并做上明顯標記；測量底環基礎面、支持環上法蘭面、下環板止口平面的水平，找出高低點并初步確定其加工余量。

機床的中心調整時直接在加工刀架上架設一百分表，旋轉刀臂分別至機組+Y、-Y以及+X、-X的樣點標記處，調整機床使百分表在+Y、-Y以及+X、-X標記處的讀數差值與事先做好的樣點標記處的差值一致，過程中要注意百分表讀數越大，與之對應的樣點位置半徑越小，反之，樣點位置半徑越大。機床中心的調整過程中在垂直刀臂上放置一框式水平儀，確保刀臂在360°范圍內旋轉至任意位置刀臂上，框式水平儀水平度不超過0.02 mm/m的要求。如圖2所示。

圖2 機床中心、水平調整測量方法

2.2 平面度的控制

座環機加工有三個平面需要精準控制，分別是支持環上法蘭面、底環安裝基礎面以及座環止口平面。先加工底環基礎面，底環基礎面加工完成后，以底環基礎面為基準分別加工支持環上法蘭面和座環止口平面。加工時分粗加工和精加工兩個步驟，先根據機坑測定的數據找出加工面的高點、低點，并確認其加工余量，以高點對刀確定進刀量進行粗加工，粗加工結束后用NA2水準儀配GPM3測微儀對平面度進行測量，檢查加工面的周向水平度以及徑向水平度，同時以基準高程點確定加工面的剩余加工余量。當加工剩余量為1.5 mm時轉入精加工，精加工時，每一次進刀量在0.20～0.30 mm之間。

2.3 底環基礎面至支持環上法蘭面開檔距離控制

底環基礎面至支持環上法蘭面的開檔距離是整個座環加工尤為關鍵的一步，是關系到整個導水機構安裝質量的重要指標。

首先應確認底環基礎面至支持環上法蘭面的加工開檔距離。工地現場測量底環的厚度、活動導葉的高度、頂蓋法蘭面至抗磨面的高度，測點不少于24個，將此三個數據相加得到一值，假設為A值，查看水輪機廠家圖紙導葉端面的設計總間隙，假設導葉端面總間隙為B值，同時考慮到頂蓋安裝就位后，相應的導水機構的零部件也全部吊入機坑進行安裝，此時頂蓋會下沉，相應的導水機構過流面開檔值減小，隨之導葉端面間隙也會變小，該下沉量一般為0.35 mm，首臺機加工時以0.35 mm為準。根據首臺機組安裝時的實際下沉量來確認后續機組的下沉量，假設該下沉量為C值，若將底環基礎面至支持環上法蘭面的開檔距離假設為D值，那么D=A+B+C（備注：A值的確定還應結合廠家的出廠值）。

開檔距離的確認一般在座環加工之前完成，確認后方可開始加工。此時底環基礎面已加工完成，應以底環基礎面為基準來加工支持環上法蘭面。加工前先根據機坑測定數據找出高點、低點，同時確定該平面的加工余量，以高點對刀進行粗加工，粗加工剩余1.5 mm余量時進行精加工，進入精加工階段時每完成一次走刀，需對其平面度以及剩余加工量進行測量記錄，平面度用框式水平儀及NA2水準儀配GPM3測微儀測量，用平尺配合內徑千分尺測量底環基礎面至支持環上法蘭面的開檔距離，測量時在平尺上放置一把框式水平儀，通過平尺上框式水平儀讀數用塞尺調整平尺至水平，將測量值與D值進行比較確認剩余加工余量。精加工過程要多次測量，直至加工尺寸滿足要求。測量時如圖3所示。

圖3 底環基礎面至支持環上法蘭面距離測量

2.4 止口平面至底環基礎面開檔距離控制

座環下環板內鏜口平面至底環基礎面開檔距離的控制與2.3項方法一致。現場測量底環基礎面至密封面的實際距離，確認底環基礎面至密封面的開檔距離，加工時以底環基礎面為基準，用平尺配合內徑千分尺測量該距離，直至加工尺寸滿足要求。測量時如圖4所示。

圖4 底環基礎面至底環密封面距離測量

3 加工過程中出現主要問題及分析優化

3.1 刀具磨損帶來的水平偏差

加工過程中由于刀具磨損給平面度造成偏差，為解決該問題，精加工時我們在刀頭處架設了一塊百分表，同時現場安排專人負責監測，每米記錄一次百分表的讀數，這樣加工完一整圈后，通過百分表監測的數據可準確判斷出整圈多點的平面度，并在高點處做上明顯標記，調整銑刀盤對高點進行過渡加工，過渡加工的方法對進刀量進行實時監測，加工完成后取得了很好的效果。

3.2 溫差帶來測量差

由于座環加工周期長加上當地氣候早晚溫差大，在加工過程中發現上午測量時有0.70mm加工余量，這時以進刀量深度為0.30mm，走刀一圈，加工完成后已是下午，再次測量時發現加工余量只剩0.20mm。通過分析，造成此現象的原因主要是溫度差對千分尺測量值的影響，根據其熱脹冷縮原理，溫度升高尺子變長，相應的測頭讀數就變小，溫度降低尺子變短，相應的測頭讀數就變大。為此我們針對同一測點在不同溫度下進行測量發現，溫度升高1℃時，4.5 m長的千分尺測頭讀數將變小0.03～0.05 mm。

針對該情況，我們在整個座環加工過程中，從加工前的測量至整個精加工過程，每測量一次均記錄下當時的環境溫度，特別在精加工支持環上法蘭面時充分的結合當時測量A值的環境溫度，以確定每一次精加工的進刀量，直至加工至尺寸在設計要求范圍內，保證導水機構安裝時導葉端面間隙滿足廠家設計圖紙要求。

4 效果檢查

目前苗尾電站1號機、2號機座環已全部加工完成，各項指標均滿足國家標準及廠家技術要求，主要控制尺寸偏差優于國家優良標準。1號、2號加工后測量數據見表1所示。

表1 1號、2號加工后測量數據

5 結語

座環的加工精度直接影響水輪機整個導水機構的安裝質量，從而影響機組的安全穩定運行，尤其在關鍵指標的質量控制上，必須深入研究，優化工藝，嚴格管控施工過程，可以起到“事半功倍”的效果。目前2臺套座環加工已全部完成，各項指標均控制在國家標準和廠家設計圖紙范圍內，證明上述總結的經驗是可行的。隨著國內大型水電站的不斷開發，受運輸條件的影響，大型座環現場組焊后進行機加工是必然的，結合施工一線的安裝經驗與教訓不斷改進，總結一些施工經驗即可不斷提高現場安裝質量，同時也可給同類型工程施工提供經驗借鑒。

TK730.3+15

B

1672-5387（2017）10-0013-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.10.005

2017-07-21

付有泰（1991-），男，助理工程師，從事水電站水輪機埋件制造安裝及機電設備安裝技術管理工作。