水輪發(fā)電機軸結構與加工撓度控制

1、<p>　　水輪發(fā)電機軸結構與加工撓度控制</p><p>　　摘要：立式水輪發(fā)電機的普遍應用，使得當前水電站的發(fā)電效率和質量都得到了大幅度提升，立式水輪發(fā)電機轉軸結構的機械加工能力、水平，也因為結合了當前一些國外的先進技術而得到了空前的發(fā)展。本文通過對立式水輪發(fā)電機各種軸結構工件加工工藝的研究、總結，初步形成了獨特的、具有自主創(chuàng)新的加工工藝，為水輪發(fā)電機的加工、制造提供一定的技術參考。 </p&

2、gt;<p>　　關鍵詞： 水輪發(fā)電機 主軸結構 加工工藝 撓度控制 </p><p>　　水力發(fā)電是我國當前最主要的發(fā)電方式，立式水輪發(fā)電機是當前發(fā)電站中一種常見的發(fā)電機，它不僅提高繼承了傳統水輪機的所有優(yōu)點， 而且還使的其發(fā)電效率和質量都有了大幅度提升。 </p><p>　　一般立式水輪發(fā)電機的主軸是發(fā)電設備的關鍵組成部件，它上聯發(fā)電機轉子和頂軸、下接水輪機。水輪機、主

3、軸、發(fā)電機轉子、頂軸自下而上通過螺栓順序聯接起來，構成了發(fā)電機的轉動部分。由于其結構、具體受力情況比較復雜，主要用于傳遞扭矩，承受機組部分的重量和水推力產生的軸向力，以及定、轉子氣隙不均勻引起的單邊磁拉力和轉子機械不平衡力等，并且還要承受事故狀態(tài)下的非正常力矩。因此，水輪發(fā)電機的軸除了具有一定的強度和剛度外還具有很高的尺寸和形位公差要求。 </p><p>　　所以在立式水輪發(fā)電機軸結構的加工過程中，加工難度非常

4、大，只有嚴格按照設計要求和其他相關標準進行加工，才能確保立式水輪發(fā)電機軸結構加工的質量。 </p><p>　　一、水輪發(fā)電機軸的一般加工 </p><p>　　1、主軸材質及質量 </p><p>　　主軸機械加工前需要對主軸材質進行化學成分和機械性能復驗，作超聲波無損探傷檢查，在臥式車床上，先粗車全軸，表面粗糙度Ra3.2，然后再對主軸進行超聲波無損探傷檢查。

5、</p><p>　　2、主軸機械加工步驟與流程 </p><p>　　鏜加工→ 實測主軸內圓止口尺寸→ 車加工→ 劃滑轉子上孔線→ 鏜加工→ 車加工→ 裝焊→ 車加工→鏜加工→ 焊縫煤油滲漏試驗→ 修磨焊縫。 </p><p>　　一根主軸加工成品要經過30多個工位、近百道工序才能完成，機組型號、容量、結構不同，主軸結構也會不同，其加工工藝也不同，但大致如上述加工

6、過程。 </p><p>　　3、加工的關鍵點： </p><p>　?、?文件見證與現場見證的監(jiān)造。 </p><p>　　② 關鍵尺寸、關鍵部位粗糙度、全部形位公差都是監(jiān)造要點。 </p><p>　?、?主軸加工成品，工位、工序很多，要用幾種機床加工，加工時間較長，關鍵部位的粗糙度、形位公差不是一次完成的，每完成一處或幾處，就需要進行質

7、量檢查。 </p><p>　　二、軸的加工難度原因及解決 </p><p>　　1. 困難原因：一是由于主軸的形位公差過小，二是由于它本身的結構特殊，從結構上看，主軸毛坯是鍛造實心軸，而且水導軸承檔內腔要進行端面槽加工，難度大，軸承檔外圓孔勢必造成加工過程中的斷續(xù)切削力，并影響工件的表面質量，從材料上看，試棒實測力學性能硬度偏高。 </p><p><b&g

8、t;　　2. 解決方案： </b></p><p>　?、?加工基本條件：盡量消除機床本身的誤差（如機床振動，尾部頂尖誤差） </p><p>　?、?刀具選擇：刀具選擇抗沖擊，耐磨性好。在加工過程中刀子伸出較長，剛性差，且平面槽又不利于排屑的順暢，需要把白鋼刀磨成左，中，右三把切槽刀鑲焊在刀桿上，輪流車削，順利完成軸承檔端面槽的加工。 </p><p>

9、;　?、?切削參數選擇恰當，避開形成切屑瘤的切削速度，最后一刀的切速，切深，進刀量二者匹配關系。 </p><p>　　④ 工藝的合理性：劈兩端中心孔及半精車內止口后，再精車轉輪端法蘭外舌平面及止口，然后校正主軸轉輪端法蘭，外圓及平面，控制跳動在0.01mm以內，再精車內止口及軸身各檔尺寸。 </p><p><b>　　三、主軸加工分類 </b></p>

10、<p>　　轉軸因為機組結構尺寸、機械強度和剛度的要求以及加工制造、安裝運輸等多方面因素，其采用的結構型式也不同，主要有兩種：一根軸和分段軸。 </p><p><b>　　1. 一根軸結構 </b></p><p><b>　?、? 結構說明 </b></p><p>　　一根軸結構是指發(fā)電機端從上到下轉軸

11、不分段，即發(fā)電機轉子與水輪機兩軸直接聯接的結構形式。其徑向尺寸相對較小，屬于細長軸結構，極容易產生撓度，再加上與之配合的部件較多，配合面形位公差要求高，因此加工工藝復雜。 </p><p>　　一根軸結構適用于中、小容量水輪發(fā)電機和大容量懸式水輪發(fā)電機，因為結構簡單、減小了整機高度，機組更加緊密，機組整體性好，軸線易調整。在這種結構中，發(fā)電機的扭力矩是通過軸與輪轂之間的鍵，或軸與輪轂的過盈配合傳遞的。中、小容量水

12、輪發(fā)電機的力矩較小，加工鍵槽較方便，故常用鍵結構傳遞力矩；而大容量水輪發(fā)電機多采用轉軸與輪轂熱套結構，借助配合緊量傳遞力矩。 </p><p>　　⑵. 一根軸加工工藝特點 </p><p>　　由于立式水輪發(fā)電機轉軸結構比較復雜，因此，在立式水輪發(fā)電機轉軸結構的加工過程中，必須嚴格按照設計要求和其他相關標準進行加工，從而才能夠確保立式水輪發(fā)電機轉軸結構加工的質量。在立式水輪發(fā)電機轉軸結構

13、的加工過程中，轉軸為一根軸結構時，配車尺寸多，加工找正精度及形位公差要求高。特別是加工過程中軸身的撓度難以控制：。 </p><p>　　① 由于轉軸軸身細長，軸身的撓度難以控制。 </p><p>　　在加工過程中需要確定出軸身上正確的裝夾位置。當轉軸與轉子支架、導軸承滑轉子為熱套結構時，通過對內孔的找正來確定轉軸兩端的中心架子口，每次調換裝夾方向后需重新修復轉軸兩端的架子口以消除架子口

14、的誤差，以架子口為找正基準對上導滑轉子外圓，轉子支架配合段，下導滑轉子外圓及主軸法蘭等在一次裝卡下加工完成， 保證發(fā)電機端各轉動部件配合面同軸， 實現機組安裝擺度最小。 </p><p>　?、?由于轉軸的重量集中在中間段，軸身的重量不均衡，造成軸身的撓度難以控制。 </p><p>　　當轉子支架（或磁軛）與主軸鍛成一體時，此時磁軛圈的外緣設有鴿尾形槽（或T 尾形槽），用以安裝磁極。這種

15、結構造成了轉軸中間段重量過于集中。 </p><p>　　為減少撓度給加工帶來的影響，加工時需計算并確定出正確支撐位置，并且車序加工盡量在單件中完成。在加工磁軛圈上鴿尾槽（或T 尾槽）時應注意保證鴿尾槽（T 尾槽）平行度、圓周分布及槽型尺寸。除了根據槽型及設備情況提制相應參數的成形銑刀外還要制作特殊樣板，保證加工后能夠一次性達到圖紙要求。對于磁軛圈外圓的多邊形則利用數控鏜床尾座的分度盤進行正確劃分。同一根軸上各外

16、圓表面的跳動度需控制在0.03mm 以內，以保證整根軸的同軸度。（水輪發(fā)電機轉軸加工現場示意圖） 　?、? 一根軸結構統計 </p><p>　　我們在一組典型水輪發(fā)電機一根軸結構的設計數據中，對其統計分析后發(fā)現，一根軸的徑向與軸向尺寸比例大，軸身形位公差在機床加工過程中，其控制難度十分大。如表1 </p><p><b>　　2 分段軸結構 </b></p&

17、gt;<p><b>　?、? 結構說明 </b></p><p>　　分段軸結構是指在轉子支架中心體的上部裝有上端軸（_一般又稱頂軸），在轉子中心體的下部裝有下端軸（一般又稱主軸）。由于中間一段是轉子支架的中心體，，沒有軸，，所以又被稱為" 無軸結構" 。根據廠房高度情況和機組整體布置需要有的機組還將發(fā)電機的下端軸與水輪機軸合為一根軸，可降低機組高度，又可

18、保證軸的加工同軸度，減少軸線擺度，從而提高安裝和運行質量。這種結構還具有轉軸便于鍛造、運輸，以及不需熱套輪轂的優(yōu)點。中、低速大容量傘式水輪發(fā)電機廣泛采用分段軸結構。 </p><p>　　⑵. 加工工藝特點 </p><p>　　主軸加工時，發(fā)電機端法蘭止口與水輪機端法蘭止口必須在一次裝卡下加工完成。另外，分段軸結構中頂軸與主軸分別用螺栓與轉子支架中心體連接，而主軸與轉子中心體之間多采用銷

19、釘或鍵來傳遞扭矩。若采用銷釘結構，主軸與轉子支架中心體連成一體，在軸線調整合格后同鉆、鉸孔。若采用鍵結構，通過研配鍵和鍵槽達到設計要求。 </p><p>　　頂軸與主軸外圓表面加工常采用" 一夾一頂"的方式，，通過配車軸堵確定軸身架子口位置，保證軸身的同軸度。當頂軸具有引線槽時，軸身外圓無法車架子口，為便于加工需要提供特殊工具，滿足支撐需要。思林機組的頂軸在臥車上全部粗加工。 </p&

20、gt;<p>　　滑轉子配合面加工到要求后包繞預防軸電流絕緣， 固化后加工絕緣部分， 然后熱套滑轉子，最后在臥車上精加工配合面。為保證集電環(huán)配合段及滑轉子外圓與法蘭止口同心，這些部位必須在一次裝卡下完成。頂軸與轉子支架上圓板靠止口定位， 不需同鉸聯軸螺栓孔。三峽機組的頂軸。 </p><p>　?、?典型分段式轉軸統計 </p><p>　　根據對典型水輪發(fā)電機分段式轉軸結構

21、的設計數據的統計分析， 我們可以總結出分段軸由于本身重量較大， 給起吊、調換方向、軸端法蘭孔位置度找正及孔的同鉆鉸帶來一定的難度，為此，在制定合理的加工工藝方法中應盡量綜合考慮加工過程中出現的各種因素， 為后期機組總裝打下良好的質量基礎。 </p><p><b>　　四、結束語 </b></p><p>　　主軸是水輪發(fā)電機的的關鍵組成部件，無論是一根軸還是分段軸結

22、構型式，因其機組結構尺寸、機械強度和剛度的要求，其加工難度大、誤差率及尺寸精度歷來是水輪機加工中一個難題。如何讓立式水輪發(fā)電機轉軸的制造工藝更加成熟，加工穩(wěn)定達到設計數據要求，加工工期縮短等需要進一步解決。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　【1】 李梁.大型水輪發(fā)電機定子機座加工及鐵心疊片工藝探討[J].東方電機 </p&

23、gt;<p>　　【2】 余維坤， 湯正義. 水輪發(fā)電機檢修技術問答[M].中國電力出版社， 2005. </p><p>　　【3】 劉占軍.水輪發(fā)電機定子機座結構與加工[J].上海大中型電機，2009. </p><p>　　【4】 陳爽 三峽右岸哈電水輪發(fā)電機定子機座的設計[J].科技創(chuàng)新導報，2008. </p><p>　　【5】 陳俊，王立