環(huán)境溫差對(duì)明廠房大型座環(huán)加工精度的影響分析

趙七美

（中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司機(jī)電安裝事業(yè)部，云南 昆明 650032）

環(huán)境溫差對(duì)明廠房大型座環(huán)加工精度的影響分析

趙七美

（中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司機(jī)電安裝事業(yè)部，云南 昆明 650032）

大型水輪機(jī)座環(huán)從現(xiàn)場(chǎng)加工開(kāi)始至調(diào)整導(dǎo)葉端面間隙時(shí)的時(shí)間間隔約5～7個(gè)月，對(duì)于明廠房結(jié)構(gòu)的水電站，在這段時(shí)間內(nèi)，環(huán)境溫差變化較大，由于熱脹冷縮的原因，溫差的變化對(duì)座環(huán)加工精度影響較大，將會(huì)直接影響機(jī)組的安裝質(zhì)量，在加工過(guò)程中需根據(jù)當(dāng)時(shí)機(jī)坑內(nèi)的溫度計(jì)算實(shí)際加工尺寸，以確保后續(xù)機(jī)組安裝的尺寸精度，確保機(jī)組安裝質(zhì)量。本文對(duì)梨園水電站根據(jù)環(huán)境溫差來(lái)計(jì)算實(shí)際加工尺寸的工藝和技術(shù)進(jìn)行分析、總結(jié)，以期對(duì)同類型電站提供指導(dǎo)和借鑒。

環(huán)境溫差；座環(huán)加工；機(jī)組安裝精度；梨園水電站；明廠房

1 概述

梨園水電站位于云南省麗江市玉龍縣（右岸）與香格里拉縣（左岸）交界處的金沙江中游河段，為岸邊式明廠房結(jié)構(gòu)，主廠房?jī)?nèi)共設(shè)置4臺(tái)立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量600 MW，總裝機(jī)容量2 400 MW，水輪機(jī)額定水頭106 m，最大水頭118 m。座環(huán)本體和上筒體各分4瓣到貨，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝、焊接、安裝和加工，座環(huán)固定導(dǎo)葉中心安裝高程為EL1494.805 m。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在現(xiàn)場(chǎng)利用大型立式車床進(jìn)行座環(huán)加工。

根據(jù)明廠房現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況、機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工工期的長(zhǎng)短，在座環(huán)加工期間需考慮環(huán)境溫差的影響，需根據(jù)加工和測(cè)量時(shí)機(jī)坑內(nèi)的實(shí)際溫度來(lái)計(jì)算實(shí)際尺寸，以確保機(jī)組安裝精度和質(zhì)量。

2 座環(huán)加工時(shí)考慮環(huán)境溫差的必要性

座環(huán)底環(huán)板加工面至上法蘭加工面間的開(kāi)檔距離（以下簡(jiǎn)稱為座環(huán)大開(kāi)檔尺寸）設(shè)計(jì)為5 345 mm，允許偏差為0～+0.15 mm。根據(jù)設(shè)計(jì)說(shuō)明，設(shè)計(jì)圖紙上的尺寸和偏差均認(rèn)為是環(huán)境溫度為25℃時(shí)的尺寸和偏差設(shè)定。

活動(dòng)導(dǎo)葉端面總間隙為0.85～1.2 mm，其中導(dǎo)葉上端面間隙為0.5～0.7 mm，導(dǎo)葉下端面間隙為0.35～0.5 mm。

從座環(huán)加工至調(diào)整導(dǎo)葉端面間隙時(shí)的時(shí)間間隔約5～7個(gè)月，在這段時(shí)間內(nèi)環(huán)境溫差若按7℃計(jì)算，座環(huán)加工時(shí)用內(nèi)徑千分尺進(jìn)行測(cè)量，若按0.06 mm/℃來(lái)計(jì)算溫差對(duì)加工精度的影響，7℃×0.06 mm/℃=0.42 mm，也就是說(shuō)，在這段時(shí)間內(nèi)，由于存在溫差，在座環(huán)加工時(shí)測(cè)量的尺寸，至導(dǎo)葉端面間隙調(diào)整時(shí)會(huì)造成0.42 mm的偏差，這將直接影響導(dǎo)葉端面間隙值的調(diào)整和驗(yàn)收要求，也必將影響機(jī)組的安裝質(zhì)量。

綜合以上的分析，由于熱脹冷縮的原因，溫差對(duì)測(cè)量?jī)x器或測(cè)量設(shè)備造成偏差，當(dāng)溫度升高時(shí)，測(cè)量?jī)x器伸長(zhǎng)，測(cè)量尺寸的讀數(shù)減小，當(dāng)溫度降低時(shí)，測(cè)量?jī)x器縮短，測(cè)量尺寸的讀數(shù)增大。故在明廠房結(jié)構(gòu)的座環(huán)加工過(guò)程中，為確保機(jī)組安裝精度和質(zhì)量，需考慮環(huán)境溫差的影響。

3 加工基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置

（1）機(jī)組安裝高程確定：用NA2水準(zhǔn)儀配GPM3測(cè)微儀，測(cè)量23個(gè)固定導(dǎo)葉中心線高程，取與平均值最接近的固定導(dǎo)葉高程為座環(huán)的安裝高程，此即為水輪機(jī)安裝高程，同時(shí)作為加工時(shí)的高度測(cè)量基準(zhǔn)面，梨園電站首臺(tái)機(jī)（4號(hào)機(jī)）20號(hào)固定導(dǎo)葉、3號(hào)機(jī)12號(hào)固定導(dǎo)葉的高程最接近平均值。均分24點(diǎn)分別測(cè)量座環(huán)底環(huán)板面、上法蘭平面的高程，計(jì)算出各平面加工余量。

（2）機(jī)組中心確定：以下環(huán)板內(nèi)鏜口為基準(zhǔn)架設(shè)求心器，采用電測(cè)法分24點(diǎn)，測(cè)量座環(huán)上法蘭、導(dǎo)向條和上環(huán)板內(nèi)鏜孔半徑值，計(jì)算圓度和同心度，同時(shí)計(jì)算各部位的加工余量，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)各部位的同心度滿足要求，以及各部位的加工余量整圓基本均勻后，此中心即可確定為座環(huán)加工時(shí)的中心測(cè)量基準(zhǔn)，同時(shí)也作為以后機(jī)組安裝的中心基準(zhǔn)。

4 座環(huán)加工設(shè)備布置

座環(huán)加工設(shè)備由上海VOITH公司提供，屬于專用立式車床，車床分為上、下徑向支架，上徑向支架與機(jī)坑里襯焊接（其外壁設(shè)有預(yù)埋錨鉤），下徑向支架與座環(huán)下筒體焊接。在車床上分別設(shè)有上、下施工安全平臺(tái)。刀架在中心柱上能夠上下軸向移動(dòng)。立式車床結(jié)構(gòu)和布置位置如圖1所示。

圖1 立式車床結(jié)構(gòu)和布置位置

5 座環(huán)加工部位技術(shù)要求

座環(huán)加工共有4個(gè)部位：①座環(huán)上法蘭平面及盤根槽；②筒閥上導(dǎo)軌及帶導(dǎo)軌的導(dǎo)葉出水邊；③座環(huán)下環(huán)板內(nèi)鏜口；④座環(huán)底環(huán)板平面。各部位加工余量及允許偏差如表1所示。

6 座環(huán)加工程序

機(jī)坑內(nèi)支撐切除→機(jī)坑清掃→全封閉平臺(tái)吊裝搭設(shè)→機(jī)坑測(cè)定→計(jì)算加工余量→機(jī)組中心及高程確定→車床部分部件安裝間組裝→吊裝車床部件→車床組裝→立柱中心調(diào)整→立柱鉛垂度調(diào)整→車床調(diào)試→加工座環(huán)底環(huán)板面→加工下環(huán)板內(nèi)鏜口→加工固定導(dǎo)葉出水邊導(dǎo)向條→加工上導(dǎo)向條→加工上法蘭面及密封槽→整體尺寸測(cè)量→車床吊出機(jī)坑→清掃機(jī)坑→掛鋼琴線復(fù)測(cè)各加工尺寸→座環(huán)加工整體驗(yàn)收→刨除上下支架基礎(chǔ)。

表1 座環(huán)各部位加工余量及允許偏差一覽表

7 溫差對(duì)座環(huán)大開(kāi)檔尺寸精度影響值計(jì)算

梨園電站座環(huán)大開(kāi)檔尺寸（底環(huán)板面至上法蘭面距離）設(shè)計(jì)為5 345 mm，實(shí)際加工時(shí)應(yīng)記錄機(jī)坑內(nèi)的環(huán)境溫度，根據(jù)實(shí)際環(huán)境溫度計(jì)算加工尺寸。

（1）按設(shè)計(jì)圖紙：環(huán)境溫度在25℃時(shí)，座環(huán)大開(kāi)檔尺寸為 5 345（0～+0.15）mm。

（2）內(nèi)徑千分尺的線膨脹系數(shù)α為1.15×10-5℃-1，環(huán)境溫度每變化△t℃時(shí)，內(nèi)徑千分尺測(cè)量長(zhǎng)度的變化量△L為：△L=α×L×△t

式中：L為測(cè)量長(zhǎng)度；△t為環(huán)境溫度變化值。

環(huán)境溫度每變化1℃時(shí)，內(nèi)徑千分尺測(cè)量座環(huán)大開(kāi)檔尺寸時(shí)其長(zhǎng)度的變化量：

△L=α×L×△t=1.15×10-5℃-1×5 345 mm×1℃=0.06 mm。

（3）根據(jù)環(huán)境溫度每變化1℃時(shí)，內(nèi)徑千分尺的測(cè)量誤差為0.06 mm。舉例說(shuō)明和計(jì)算如下：

1）當(dāng)機(jī)坑內(nèi)溫度為20℃時(shí)，座環(huán)大開(kāi)檔加工尺寸應(yīng)為：

0.06 mm/℃×（25℃-20℃）=0.30 mm，座環(huán)大開(kāi)檔實(shí)際加工尺寸應(yīng)為5 345.3 mm。

2）當(dāng)機(jī)坑內(nèi)溫度為 24℃時(shí)，0.06 mm/℃×（25℃-24℃）=0.06 mm，座環(huán)大開(kāi)檔加工尺寸應(yīng)為5 345.06 mm。

3）當(dāng)機(jī)坑內(nèi)溫度為 15℃時(shí)，0.06 mm/℃×（25℃-15℃）=0.6 mm，座環(huán)大開(kāi)檔加工尺寸應(yīng)為5 345.6 mm。

在每次測(cè)量前提前2 h將測(cè)量?jī)x器放入機(jī)坑，適應(yīng)環(huán)境溫度，盡量減少測(cè)量誤差。

8 考慮溫差后實(shí)際加工尺寸

梨園電站4臺(tái)套座環(huán)大開(kāi)檔加工實(shí)際尺寸根據(jù)溫差情況計(jì)算如表2所示。

表2 梨園電站4臺(tái)套座環(huán)大開(kāi)檔實(shí)際加工尺寸計(jì)算表

表2中加工尺寸，為重點(diǎn)閘明環(huán)境溫差對(duì)加工精度的影響，未計(jì)入頂蓋、底環(huán)和導(dǎo)葉的實(shí)際高度的影響。

從表2中可以看出，梨園電站4臺(tái)套座環(huán)大開(kāi)檔的加工尺寸最小值為5 345.0 mm，最大值為5 345.63 mm，可以說(shuō)每臺(tái)機(jī)組的加工尺寸均不相同（因加工時(shí)的環(huán)境溫度不同），最大值和最小值相差0.63 mm，這就是考慮環(huán)境溫差后的效果。

9 結(jié)論

座環(huán)底環(huán)板面至上法蘭面的尺寸按加工時(shí)機(jī)坑內(nèi)的實(shí)際溫度進(jìn)行計(jì)算，再綜合考慮導(dǎo)葉、頂蓋和底環(huán)的實(shí)際加工偏差，經(jīng)計(jì)算后再確定最終的加工尺寸，確保了座環(huán)加工和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)預(yù)裝的質(zhì)量。至目前為止，梨園電站4臺(tái)機(jī)組已全部投產(chǎn)發(fā)電，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)安裝尺寸均滿足設(shè)計(jì)圖紙和廠家工藝要求，其成功的工藝措施和計(jì)算方法可為同類型明廠房水電站提供技術(shù)支持。

TK730.4

B

1672-5387（2017）10-0048-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.10.017

2017-07-21

趙七美（1968-），女，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事水電站機(jī)電設(shè)備安裝工作。