大型水轮机座环现场机加工经验总结

付有泰

（中国水利水电第十四工程局有限公司机电安装事业部，云南 昆明 650032）

大型水轮机座环现场机加工经验总结

付有泰

（中国水利水电第十四工程局有限公司机电安装事业部，云南 昆明 650032）

苗尾水电站为岸边式明厂房结构，水轮机座环工地组焊成整体后进行现场机加工。本文根据苗尾水电站座环现场机加工的关键工序、控制重点以及加工过程中出现的问题和原因分析，整理、总结出大型水轮机座环现场机加工的施工经验，以期为同类型水电站借鉴。

水轮机座环；现场机加工；尺寸控制；苗尾水电站

1 概述

苗尾水电站位于云南省大理州云龙县旧州镇苗尾村附近澜沧江河段上，上游与大华桥水电站衔接，下游为功果桥水电站，为明厂房结构。电站装有4台单机容量为350 MW的水轮发电机组，总装机容量为1 400 MW。水轮机座环的设计制造方为东方电机有限公司，水轮机座环由上下环板和固定导叶组成，受运输条件影响，座环分6瓣到货，在工地组焊成整体并进行现场机加工。座环上部为上筒体（即顶盖支持环筒），下部为基础环，三者组焊成整体后最大外径为10.74 m，总重192.228 t。座环现场一共有6个机加工面，分别为底环基础面、支持环上法兰、座环下环板和止口平面、支持环法兰内圆面以及筒阀导向条。如图1所示。

图1 座环加工面

2 座环现场机加工的关键指标质量控制

苗尾水轮机座环加工有六个关键质量控制指标，第一个关键指标是加工机床的安装调试，其精度直接影响后续的加工质量；第二个关键指标是支持环上法兰面水平度，其精度直接影响顶盖安装的水平度，水平度不好会给机组的安全稳定运行带来隐患；第三个关键指标是底环安装基础面水平度，其精度直接影响底环安装的水平度及活动导叶端面间隙，从而影响整个导水机构的安装质量；第四个关键指标是座环上法兰面至底环基础面的开档距离，其精度将直接影响活动导叶端面间隙，端面间隙过大，活动导叶关闭后漏水量过大，端面间隙过小，活动导叶在关闭时将会直接与底环和顶盖抗磨面发生刮擦，导致卡阻，使调速系统失灵而使机组发生事故停机；第五个关键指标是座环下环板内镗口止口平面度，其精度直接影响底环安装的水平度；第六个关键指标是座环下环板内镗口止口平面至底环基础面的开档距离，其精度也是直接影响底环安装的精度，从而给整个导水机构的安装质量带来隐患。

上述六个关键控制指标之间都是相互关联、相互制约的，若是有一个指标不满足标准规范都将不同程度的影响水轮机导水机构的安装精度，从而给机组的安全稳定运行带来致命的隐患。

2.1 加工机床的安装调试精度控制

加工机床由上下支撑装置，主轴箱、主轴、刀臂、托轮装置、走刀装置、配重臂、拉杆以及相应的自动化元件等构成。该加工机床主要用于加工、修复大型法兰端面、内镗口、环状零部件的外圆及法兰内镗口。机床采用西门子802DSL数控系统（CNC），实现所有使用功能。如插补功能，既可实现平面，又能实现各种曲面加工。该系统设置地面监控，实现加工状态监控。

机床安装前，应对机组的中心、高程、方位进行测定。用全站仪测定机组安装的实际高程、实际中心方位偏差，用内径千分尺测量支持环上法兰内镗口、座环上环板内镗口、座环下环板内镗口以及筒阀导向条对应的12个固定导叶内半径，通过测量数据分析确定机组的安装中心，中心确定后将中心样点转移到非加工面座环上环板及座环下环板凸台X、Y轴线位置，以便加工机床中心调整以及后续的机电设备安装。用NA2水准仪配GPM3测微仪测量23个固定导叶中心的水平并计算出平均值，取与平均值最接近的固定导叶中心高程作为机组安装的基准高程，同时作为座环加工的基准高程，并做上明显标记；测量底环基础面、支持环上法兰面、下环板止口平面的水平，找出高低点并初步确定其加工余量。

机床的中心调整时直接在加工刀架上架设一百分表，旋转刀臂分别至机组+Y、-Y以及+X、-X的样点标记处，调整机床使百分表在+Y、-Y以及+X、-X标记处的读数差值与事先做好的样点标记处的差值一致，过程中要注意百分表读数越大，与之对应的样点位置半径越小，反之，样点位置半径越大。机床中心的调整过程中在垂直刀臂上放置一框式水平仪，确保刀臂在360°范围内旋转至任意位置刀臂上，框式水平仪水平度不超过0.02 mm/m的要求。如图2所示。

图2 机床中心、水平调整测量方法

2.2 平面度的控制

座环机加工有三个平面需要精准控制，分别是支持环上法兰面、底环安装基础面以及座环止口平面。先加工底环基础面，底环基础面加工完成后，以底环基础面为基准分别加工支持环上法兰面和座环止口平面。加工时分粗加工和精加工两个步骤，先根据机坑测定的数据找出加工面的高点、低点，并确认其加工余量，以高点对刀确定进刀量进行粗加工，粗加工结束后用NA2水准仪配GPM3测微仪对平面度进行测量，检查加工面的周向水平度以及径向水平度，同时以基准高程点确定加工面的剩余加工余量。当加工剩余量为1.5 mm时转入精加工，精加工时，每一次进刀量在0.20～0.30 mm之间。

2.3 底环基础面至支持环上法兰面开档距离控制

底环基础面至支持环上法兰面的开档距离是整个座环加工尤为关键的一步，是关系到整个导水机构安装质量的重要指标。

首先应确认底环基础面至支持环上法兰面的加工开档距离。工地现场测量底环的厚度、活动导叶的高度、顶盖法兰面至抗磨面的高度，测点不少于24个，将此三个数据相加得到一值，假设为A值，查看水轮机厂家图纸导叶端面的设计总间隙，假设导叶端面总间隙为B值，同时考虑到顶盖安装就位后，相应的导水机构的零部件也全部吊入机坑进行安装，此时顶盖会下沉，相应的导水机构过流面开档值减小，随之导叶端面间隙也会变小，该下沉量一般为0.35 mm，首台机加工时以0.35 mm为准。根据首台机组安装时的实际下沉量来确认后续机组的下沉量，假设该下沉量为C值，若将底环基础面至支持环上法兰面的开档距离假设为D值，那么D=A+B+C（备注：A值的确定还应结合厂家的出厂值）。

开档距离的确认一般在座环加工之前完成，确认后方可开始加工。此时底环基础面已加工完成，应以底环基础面为基准来加工支持环上法兰面。加工前先根据机坑测定数据找出高点、低点，同时确定该平面的加工余量，以高点对刀进行粗加工，粗加工剩余1.5 mm余量时进行精加工，进入精加工阶段时每完成一次走刀，需对其平面度以及剩余加工量进行测量记录，平面度用框式水平仪及NA2水准仪配GPM3测微仪测量，用平尺配合内径千分尺测量底环基础面至支持环上法兰面的开档距离，测量时在平尺上放置一把框式水平仪，通过平尺上框式水平仪读数用塞尺调整平尺至水平，将测量值与D值进行比较确认剩余加工余量。精加工过程要多次测量，直至加工尺寸满足要求。测量时如图3所示。

图3 底环基础面至支持环上法兰面距离测量

2.4 止口平面至底环基础面开档距离控制

座环下环板内镗口平面至底环基础面开档距离的控制与2.3项方法一致。现场测量底环基础面至密封面的实际距离，确认底环基础面至密封面的开档距离，加工时以底环基础面为基准，用平尺配合内径千分尺测量该距离，直至加工尺寸满足要求。测量时如图4所示。

图4 底环基础面至底环密封面距离测量

3 加工过程中出现主要问题及分析优化

3.1 刀具磨损带来的水平偏差

加工过程中由于刀具磨损给平面度造成偏差，为解决该问题，精加工时我们在刀头处架设了一块百分表，同时现场安排专人负责监测，每米记录一次百分表的读数，这样加工完一整圈后，通过百分表监测的数据可准确判断出整圈多点的平面度，并在高点处做上明显标记，调整铣刀盘对高点进行过渡加工，过渡加工的方法对进刀量进行实时监测，加工完成后取得了很好的效果。

3.2 温差带来测量差

由于座环加工周期长加上当地气候早晚温差大，在加工过程中发现上午测量时有0.70mm加工余量，这时以进刀量深度为0.30mm，走刀一圈，加工完成后已是下午，再次测量时发现加工余量只剩0.20mm。通过分析，造成此现象的原因主要是温度差对千分尺测量值的影响，根据其热胀冷缩原理，温度升高尺子变长，相应的测头读数就变小，温度降低尺子变短，相应的测头读数就变大。为此我们针对同一测点在不同温度下进行测量发现，温度升高1℃时，4.5 m长的千分尺测头读数将变小0.03～0.05 mm。

针对该情况，我们在整个座环加工过程中，从加工前的测量至整个精加工过程，每测量一次均记录下当时的环境温度，特别在精加工支持环上法兰面时充分的结合当时测量A值的环境温度，以确定每一次精加工的进刀量，直至加工至尺寸在设计要求范围内，保证导水机构安装时导叶端面间隙满足厂家设计图纸要求。

4 效果检查

目前苗尾电站1号机、2号机座环已全部加工完成，各项指标均满足国家标准及厂家技术要求，主要控制尺寸偏差优于国家优良标准。1号、2号加工后测量数据见表1所示。

表1 1号、2号加工后测量数据

5 结语

座环的加工精度直接影响水轮机整个导水机构的安装质量，从而影响机组的安全稳定运行，尤其在关键指标的质量控制上，必须深入研究，优化工艺，严格管控施工过程，可以起到“事半功倍”的效果。目前2台套座环加工已全部完成，各项指标均控制在国家标准和厂家设计图纸范围内，证明上述总结的经验是可行的。随着国内大型水电站的不断开发，受运输条件的影响，大型座环现场组焊后进行机加工是必然的，结合施工一线的安装经验与教训不断改进，总结一些施工经验即可不断提高现场安装质量，同时也可给同类型工程施工提供经验借鉴。

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，助理工程师，从事水电站水轮机埋件制造安装及机电设备安装技术管理工作。