水轮机导叶套筒加工工艺改进*

马永忠，王 伟，王福磊

(国网甘肃刘家峡水电厂，甘肃 临夏 731600)

0 引 言

刘家峡水电厂位于黄河上游，装有5台大型混流式水轮发电机，每年要对其中1台机组进行A级检修，导叶套筒作为水轮机导水机构主要组成部分，起着固定导叶轴心和密封水流的作用[1]，检修过程中要对导叶套筒进行跳动值测量、旧轴套的拆除以及新轴套的安装、车削加工等多个修复加工工序，而且机组检修时间紧任务重，同时对导叶套筒加工精度要求高，为此，需要改进套筒加工工艺，缩短套筒加工时间、降低人工劳动强度，为水电厂增加效益。根据现场作业需要和实际情况，对套筒装夹辅助工具、套筒车削刀具进行了改进，并在40 MW机组套筒加工过程进行了现场应用，现场检修效果良好。

1 导叶套筒的结构和作用

水轮机组导叶套筒结构如图1所示，固定在水轮机顶盖上的通孔中，作用是固定导叶轴心和密封水流[1]，套筒内镶有轴套，上轴套与导叶上轴径配合，中轴套与导叶中轴径配合，轴套与套筒为过盈配合方式，过盈量约为0.6 mm，轴套起到密封和润滑的作用，刘家峡水电厂位于黄河上游，汛期水流中含沙量较大，水轮机过流部件磨损严重[2]，每台机组的A级检修周期为5年，检修中要拆除导叶套筒，对其进行同轴度检测、拆除旧轴套并加工更换新轴套等修复工作，因此需要不断改进套筒加工工艺来保证加工质量并缩短工期，确保发电机组早日运行发电。

图1 刘家峡水电厂40MW机组套筒

2 导叶套筒加工过程分析

2.1 轴套外径、内孔粗加工

在每年的机组检修过程中，按照图2所示的图纸尺寸进行轴套粗加工。

图2 40 MW机组套筒轴套粗加工图

图中轴套材料为尼龙1011，在装夹过程中极易变形，在车削加工过程中工艺参数不好控制，车削刀具容易磨损，装夹找正结果直接影响加工精度，因此在轴套粗加工过程中需要多次尝试找正、多次磨制刀具，消耗了大量的加工时间，在加工过程中轴套还会由于受力变形造成加工精度达不到质量要求。

2.2 套筒本体装夹并加工

为防止安装过程中轴套变形，在粗加工时内孔留有1.5 mm左右的余量，轴套粗加工完成后，将加工后的轴套安装至套筒内，之后需要按照图3所示的装配尺寸再次对尼龙套内孔和密封槽进行车削，这时需要将套筒本体一起进行装夹，套筒本体重量大因此不易找正，同时加工内孔过程中不易观察内部车削情况，不易达到尺寸精度要求，而且不易加冷却液、刀具容易磨损。

图3 40MW机组套筒装配图

2.3 加工精度分析

找正过程中，需要借助百分表对端面和同心进行找正，找正精度要求同心和水平均达到0.05 mm,由于套筒本体质量大，装夹找正过程中容易掉落发生偏差，为了保证找正精度，需要多次找正，因此找正过程费时费力。

车削过程中，对于轴套精度和表面光洁度要求高，因此要磨制锋利、角度合适的车刀，同时需要调节合适的吃刀量和走刀速度，而且在车削内孔和加工密封槽的过程中，不易观察内部车削情况，不易加冷却液，车刀容易磨损，加工精度不好保证。

通过分析导叶套筒加工过程，可知水轮机导叶套筒加工工艺存在两方面的不足之处：一是没有找正辅助工具；二是车刀刚性不足，容易磨损。

3 设计制作找正辅助工具

在进行轴套粗车时，由于轴套的材料属性，需要用四爪软爪卡盘装夹，装夹过程中不能用力过急过猛。轴套安装完成后进行车削时，装夹找正过程中，套筒本体重量大，不易找正，同时由于在30车床上进行加工，没有与尾座相配合的找正辅助工具，套筒在进行找正过程中，由于自身重力作用容易向下掉落，影响找正效率和找正精度。

40 MW机组轴套尺寸如图3所示，内孔直径为127 mm，轴套外径为180 mm，根据轴套尺寸设计与之相匹配的找正辅助工具，如图4所示，设计制作外径160 mm，台阶外径为126.9 mm，台阶内径为120 mm，中心孔为10 mm，厚度为6 mm的法兰顶盖式找正辅助工具。

图4 找正辅助工具设计图

在找正辅助工具制作过程中，台阶必须要与中心孔同心，使用找正辅助工具后，配合机床尾座，可以快速完成找正，达到找正精度要求，保证了加工质量，同时大大节省了机组检修时间。

4 增加车刀刚性

在轴套加工过程中，对于加工精度和表面光洁度要求较高，使用机加不重磨硬质合金刀时，由于轴套的材料属性，加工表面较粗糙，不能达到图纸要求，因此需要手工磨制白钢刀。

在内孔加工过程中，不易观察轴套内部车削情况，同时不易加冷却液，如果刀具磨制、安装不合适，很容易造成刀具磨损，需多次磨制刀具，影响加工效率，因此对刀具刚性要求高。根据轴套孔径，查阅相关资料，加工制作直径为50 mm的刀杆，同时保证刀具刀尖位于刀杆中心线上。

如图5所示，在装夹车刀时，让车刀的刀尖位于刀杆中心线上，这样刀杆的截面积就可达到最大长度，最大限度提高刀杆的强度。

图5 刀杆设计图

刀杆设计完成后，磨制角度合适、锋利的车刀：在砂轮机上磨制通孔车刀，为了减小径向切削力，防止振动，主偏角应在60°～75°之间，副偏角为15°～30°之间，为了防止车刀后面和孔壁的摩擦和不使车刀的后角磨得太大，一般磨成两个后角[3]。并制定出如表1所列的水轮机导叶套筒加工工艺参数。

表1 水轮机导叶套筒加工工艺参数

刀杆的伸出长度尽可能缩短。如果刀杆伸出太长，就会降低刀杆刚性，容易引起振动，因此刀杆伸出长度只要略大于孔深即可，在装夹刀杆时，轴套孔深为105 mm，刀杆伸出长度在110 mm左右即可。

5 结 语

通过设计制作找正辅助工具、增加车刀刚性后，套筒加工过程中可以实现快速找正，在车削过程中大大减少了磨制刀具次数，节省了加工时间，提高了加工效率，同时24个套筒加工精度达到0.05 mm，满足图纸要求，在提高效率的同时保证了加工质量。