试论大型水轮发电机圆盘式转子支架加工新工艺
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作者:孙小龙
摘 要：圆盘式转子支架具有重量轻、节约材料成本和制造成本，同时具有较大的刚度、传递力矩大、通风损耗小的特点，因此现代大型水轮发电机转子几乎全部使用圆盘式支架结构。水轮发电机转子连接支架主轴和磁轭，主要作用是固定磁轭和传递转矩。目前在三峡、瀑布沟等电站大型水轮发电机中得到成功应用。圆盘式的转子要求有很强的加工工艺，并且支架需要很大，需要进行大量的焊接，因此需要科学选择合适的焊接工艺，有效控制焊接精度，保障质量并防止变形。
关键词：水轮发电机 圆盘式 转子支架 加工工艺
水轮发电机转子连接支架主轴和磁轭，主要作用是固定磁轭和传递转矩。目前在三峡、瀑布沟等电站大型水轮发电机中得到成功应用。圆盘式转子支架尺寸大，焊接量大，对加工工艺要求比较高，必须要采取有效的工地焊接工艺，才能提高焊接质量、精度及控制焊接变形。
1 大型水轮发电机圆盘式转子支架结构特点
受到运输条件限制，圆盘式转子支架会设计成中心体和扇形支臂两大部分，整体结构分为好几部分，有上下圆盘和中心体，以及腹板和立筋板等等。其中，中心体和支臂组焊及加工在工厂内完成，运到工地后再进行焊接和组装。一些转子还有着上下加强板的设置。因为在焊接圆盘支架之后可能造成变形，为了防止对圆盘支架组装产生影响，通常就会利用带磁轭键槽的立筋板进行矫正。
2 圆盘式转子支架加工新工艺
2.1 传统工艺的不足
圆盘式转子支架传统的制造工艺目前已臻成熟，加工精度也比较高，实践表明，加工质量也能契合大型水轮发电机的平稳、安全、可靠运行的需求。不过，其也存在明显的不足之处，例如，转子支架的中心体和扇形支臂需要分两次进行组圆，使得加工效率比较低，生产周期比较常，而且会消耗大量的人力、物力和财力资源。同时，由于大型水轮发电机的圆盘式转子支架的尺寸比较庞大，要用大型立车进行组圆加工，加上加工周期长，导致关键资源长时间被占用，影响企业的产能。
2.2 新加工工艺应用
（1）工艺思路。传统的圆盘式转子支架加工工艺具有效率低、周期长、关键资源占用多等不足，无法更好地满足当前的生产需求。为提高生产效率与效益。在分析大型水轮发电机圆盘式转子支架结构与工艺特点基础上，提出了一种新的加工工艺。在圆盘式转子支架中，其内筋板很多压缩了空间，也增加了操作难度。为了让中心体环缝背面清根彻底，必须要进行仔细的打磨，之后进行内筋板后插装。在支臂中，两个不同厚度的钢板形成大立筋板，分别从不一样的角度进行拼焊，这增加了焊接工序的困难。支臂都使用分别装焊，并且保障装配尺寸的同一性。支臂材料的板厚、焊缝的尺寸相对较大，无法较好地控制焊接变形。新工艺针对这些问题，围绕“减少转子支架组圆次数、缩短大型立车占用时间”的总体思路，利用激光跟踪仪与数控龙门铣等先进工具，设计出圆盘式转子支架加工新工艺。
（2）工艺实施。遵循“谨慎试验、及时修正”原则，在云南澜沧江某电站机组#1机转子支架生产制造中，应用该新加工工艺。该电站是重要的梯级电站，机组单机容量为350MW，采用圆盘式发电机转子支架设计。整体上，支架由中心体和10瓣扇形支臂构成，支架外圆直径达16160mm，支架总重量约为205.1t。因为外形尺寸比较大，分瓣数量也比较多，如果采用传统加工工艺，将需要占用18m立车、22m立车等关键资源。经过研究讨论，采用激光跟踪仪与数控龙门铣相结合的方法来加工。
中心筒采用热辊成型方法卷制而成，材料是120mm厚的钢板，将其分为三瓣，采用自动埋弧焊方法，急性焊接三条拼焊缝。在结束后要进行焊缝的UT、MT探伤检查。如果和标准相符合，然后加工中心筒内外圆。对于其它筋板，主要是使用数控气割下料，并且整平下料。针对中心筒和上、下圆盘，做好直接装配工作，并且保障其稳定性。当焊到坡口的1/3深度时，需要清理和打磨其焊缝背面。在完成探伤检查之后，用富氩气体对背面的焊缝进行保护，做好封底焊缝焊接，之后针对环缝正面，分为两次完成焊接[2]。认真进行焊缝封底焊，减少修补次数，提高焊接质量。内筋板的装配采用平衡梁吊装方式在转胎上完成，焊接方法是半自动气体保护焊。将中心体吊下转胎，装配外筋板严格按照图纸，针对外筋板中间空档处，使用半自动气体保护焊装焊三层临时拉筋。在对应力热处理消除后，去掉临时拉筋，对焊缝质量和尺寸进行检查，只有在达标以后，才能够进行下一步的喷砂和清理，然后进行涂底漆等等各项操作。
在外圆支臂中，主要是使用独立装焊工艺，在装配过程中，对装配高度公差用定位架来设置。在进行装配之前，需要将定位样板放置在装配定位架下，使用倒装位置方式装配外圆支臂。先吊放下圆板到样板上，然后吊装立筋板、下圆板及挡风板等，尺寸调整好之后，进行定位焊。再把支臂吊到平台上，做好焊接工作。安排两个焊工，分别在对称位置实施施焊操作，并且分为三次循環完成，保证工件的均匀变形。消除应力热处理后，将临时拉筋去除，再进行其他加工。
（3）支架装配。首先，对中心体进行调整，设置好中心体的支撑架，在圆周的对称位置上，进行楔子板的调整并吊放中心体就位，然后，用螺栓将二者紧密连接起来。以上法兰作标准，调节中心体的水平度，使其符合标准。在下法兰外圆，使用千斤顶顶牢中心体和支撑架，在加工时要避免中心体产生位移的现象。另外，装配支臂，在每个扇形支臂处，放置3个自制钢支墩，在支墩上，设置楔子板，对支臂合缝块以及拉筋进行检查，看是否存在损坏和杂物，如果合格，将运输用工字钢割去，及时清理坡口和周围的铁锈以及污渍。选择4个吊环螺钉，采用对称交错的方式，将扇形支臂进行吊装，对主立筋进行测量，并且在测量中使用内径千分尺测量，对半径和弦距校对，检查各焊缝的间隙值[3]。在此基础上，加上垫片并对半径和弦距值进行调整、方法。测量好各项数据并进行详细记录。再次，开始进行定位。4名焊工在对称位置施焊，使用陶瓷电加热器局部预热高于80℃，每段定位焊长度80～100mm，焊接厚度6～8mm，间距为400mm。
3 结语
综上所述，通过实验验证，采用新的加工工艺制作大型水轮发电机圆盘式转子支架，效果非常理想，检查报告表明各项指标均完全符合设计要求，而且制作周期短，效率高，能较好地满足大型水轮发电机大部件焊接变形小、焊接质量高的设计要求。在瀑布沟、金安桥、溪洛渡和糯扎渡电站等机组发电机转子支架加工中，已经成功应用该项工艺。这说明，基于激光跟踪仪和数控龙门铣相结合的水轮发电机大型圆盘式转子支架加工新工艺，具有较高的正确性、科学性及可操作性，为转子支架加工开拓了新的加工途径，有利于提高大件加工制造效率，缩短生产周期，并能有效减轻大型立车设备的工作负荷，增强生产管理部门调度灵活性，因而，可以在同类工件加工实践中进一步加以推广应用，使其经济效益与社会效益实现最优化。
参考文献
[1] 张杰英.大型圆盘式转子支架工地装焊焊接变形分析及控制[J].大电机技术，2014（4）：51-54.
[2] 周亮，王欢，邱玉海.大型水轮发电机圆盘式转子支架加工新工艺[J].东方电机，2013，41（6）：16-17.
[3] 张全顺.大型圆盘式转子支架焊接工艺研究[J].电站系统工程，2012，28（3）：75-76.
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