Изготовление роторов турбин

1.Описание назначения и конструкции предложенной детали  

Вал – основная и наиболее нагруженная деталь ротора. На вал ротора турбины действуют крутящий момент, соответствующий передаваемой турбиной мощности; изгибающий момент от собственного веса и веса, насаженных на него деталей; силы неуравновешенного давления пара вдоль оси.
  Тяжёлые условия работы валов и большая ответственность их с точки зрения обес-печения надёжности работы всей турбины требуют особо тщательного подхода к выбору материалов, способов изготовления заготовок и последующей механической обработки, а также методики и средств контроля качества обрабатываемых валов на всех этапах технологического процесса.

2.Применяемые материалы

  Валы роторов изготовляют из поковок. Поковки для валов, работающих при тем-пературе металла не свыше 4500 С, изготовляют из углеродистых и легированных сталей шести категорий (по прочности). Рекомендуемые марки стали согласно от-раслевым техническим условиям (ОТУ 24-10-004-68 ) указанны в табл. 1. Таблица 1.

Механические свойства поковок валов и цельнокованых роторов

В паровых и газовых турбинах для цельнокованых роторов, работающих при тем-пературах свыше 5000 С, где требуется высокий уровень жаропрочных свойств мате-риала, применяют молибденсодержащие стали, например хромомолибденовые, хро-момолибденованадиевые, хромомолибденовольфрамованадиеые. При температурах свыше 7000 С применяют сплавы на никелевой основе, а также на кобальтовой, мо-либденовой и смешанных основах. Некоторые из марок сталей, наиболее широко применяемых для деталей роторов, работающих при температурах выше 5000 С, при-ведены в табл. 2.

Таблица 2.Механические свойства поковок валов паровых и газовых турбин

3. Вид заготовок  

Для изготовления поковки вала отливают слиток, у которого отношение длины к его диаметру равно примерно двум. От слитка отрезают верхнюю прибыльную часть весом около 25% от полного веса слитка. А снизу – донную часть не менее 5% от веса слитка. Проверка материала поковки по химическому составу и механическим свойствам должна подтвердить соответствие их техническим условиям.
  Ось поковки должна совпадать с осью слитка. Внешнее очертание поковок должно приблизительно соответствовать наружным очертаниям валов с учётом припусков по 30 – 40 мм. на сторону для последующей обработки. В местах сложных очертаний поковкам придают упрощённую форму, т. е. делают напуск. Тогда короткие ступени, уступы и выемки не обжимаются, а куются по диаметру ближайшей большой стороны.
  Нормы припусков для поковок, указанные в некоторых стандартных справочниках, для валов турбин не применимы. При назначении припусков для таких уникальных поковок исходят из технологических возможностей выполнения кузнечных операций, необходимости компенсации деформаций при термической обработке и ряда специфических требований и условий. С обоих концов поковка стали выполняется удлинённой на 400 мм. От каждого конца поковки отрезают по две пробы длиной по 200 мм. каждая для испытаний. Одну пробу отрезают на заводе – изготовителе поковки после её обдирки и термической обработки; вторую – на заводе – изготовителе вала.
  Металлургические заводы поставляют поковки роторов и валов, как правило, грубо обточенными и термически обработанными, по согласованным между поставщиком и заказчиком чертежам заготовок (РЧЗ) с установленными припусками для механической обработки и контрольных испытаний материалов. Размеры припусков обычно следующие: в радиальном направлении – по 15 – 20 мм. на сторону, в осевом – примерно по 10 мм. на каждый участок. Кроме того, для изготовления продольных образцов и на каждом конце поковки даются припуски по 200 мм. и для изготовления тангенциальных образцов и кольцевых проб(по дисковой части ротора) – 40 мм.

4. Технические требования к механической обработке роторов

  Основными техническими требованиями к процессу механической обработки валов и роторов, обычно указанных в чертежах турбины, являются следующие:
  а) большинство основных размеров цельнокованых роторов должны выполнятся по 2 – му классу точности, а отдельные из них (например, размеры мест под посадку дисков) – по 1 - му классу; размеры мест под посадку лопаток должны выполняться по 3 - му классу;
  б) чистота обработки поверхности опорных шеек должна соответствовать 9 – му классу; участков под насадку дисков и других деталей - 7 - му классу; резьб и неответственных фасок – 5 – му классу; остальных участков – 6 – му классу;
  в) овальность, конусность и не концентричность участков под насадку рабочих ко-лёс и других деталей обычно не должны превышать 0,02 мм. ; опорных шеек – не более 0,015мм
  г) смещение центрального отверстия относительно опорных шеек обычно допуска-ется не более 0,3мм.;

  д) радиальное биение не должно превышать: 0,02мм. – для опорных шеек роторов и валов паровых и газовых турбин; 0,05мм. – для роторов осевых компрессоров; 0,02мм.на длине 800 мм. от места посадки диска – для консольных роторов;
  е) допустимое торцевое биение по упорному диску, выточенному за одно целое, и фланцу жёсткой муфты по присоединительной стороне должно быть не более 0,015 – 0,02 мм. ; по ободу дисков цельнокованого ротора – 0,05 м. ; по всем уступам вала с насадными дисками – 0,01 – 0,03 мм.
  ж) перекос шпоночных пазов относительно оси ротора допускается не более 0,015 мм. на каждые 100 мм. длины; перекос боковых граней паза – не более 0,03мм. При двух или трёх шпоночных пазах несимметричность расположения пазов относительно оси вала не должна превышать 0,05 мм.

5. Типовой процесс механической обработки

  Технологический процесс механической обработки цельнокованых роторов состоит из предварительной и окончательной обработки.
  Последовательность предварительной механической обработки цельнокованых рото-ров, независимо от их конструкции и размеров, в основном принимается одинаковой и состоит в следующем:
  а) зачистка торцов поковки;
  б) проверка поковки для определения размеров припусков на обработку и размет-ка центровых отверстий (гнёзд или центров);
  в) обработка центровых отверстий;
  г) обдирка поковки с припуском по 15 – 20 мм. на сторону;
  д) травление поверхностей вала для выявления флокенов и снятие серных отпечатков для выявления неметаллических включений и характера их распределения;
  е) сверление и предварительная расточка центрального отверстия с припуском 15 – 20 мм. на диаметр;
  ж) термическая обработка для повышения механических свойств с последующим высоким отпуском для снятия внутренних напряжений;
  з) отрезка проб для изготовления образцов и испытание образцов для определения механических свойств материала;
  и) вторичная обдирка с припуском по 5 – 8 мм. на сторону;
  к) обработка под тепловое испытание с припуском 1 мм. на сторону и тепловое испытание.
  Дальше следует окончательная чистовая обработка до получения размеров и качест-ва всех элементов поверхности детали в соответствии с требованиями чертежа.
  Предварительная обработка. Обработку вала начинают с зачистки торцов поков-ки, которая облегчает её проверку и разметку. На торцах зачищают набольшие площадки; при разметке на этих площадках наносят по две пересекающиеся линии, определяющие положение оси поковки.
  После очистки поковку вала устанавливают на разметочную плиту и разбивают мелом на сечения. С обеих сторон поковки ставят угольники. Верхнюю поверхность поковки окрашивают меловой краской. От угольника откладывают отрезки, равные радиусу увеличенному на величину припуска для чистовой обработки. Расстояние между точками в одном сечении показывает на диаметр, который нужно удалить при черновой обработке.
  Соединив середины расстояний между этими точками в каждом сечении, получим среднее положение осевой линии поковки. Для определения правильного положения оси вдоль вала натягивают струну, которая должна проходить между намеченными точками. Струну можно натянуть так, чтобы припуски с обеих сторон расположи-лись по возможности одинаково. Положение струны у торцов отмечают рисками. По положению струны накернивают точки, которые соединяют риской.
  Повернув вал приблизительно на 900 ,повторяют разметку в другой плоскости и наносят на торцах риски. В точках пересечения рисок намечают места центровых отверстий. Если при разметке будет установлено, что величина припусков является недостаточной или она вовсе отсутствует и поковка не поддаётся правке, то поков-ку бракуют, не приступая к дальнейшей обработке.
  Центровка вала. У валов турбин центровые отверстия выполняют с углом зен-ковки 900 и добавочным предохранительным конусом с углом 1200. размеры центровых отверстий приведены в табл.

 Обдирка валов. Валы обдирают согласно обдирочному чертежу, оставляя припуски для дальнейшей обработки по 15 – 20 мм. на сторону. Обдирочный чертёж разрабатываются также с учётом припусков, необходимых для подвешивания вала в про-цессе его термической обработки. Термически обрабатывают валы, подвешивая их вертикально шахтных печах.
  Сверление и растачивание центральных отверстий. Центральные отверстия у валов стационарных турбин предусматриваются для контроля качества металла путём перископического осмотра. Большинство отверстий выполняется сквозными одного диаметра, но бывают ступенчатые и бутылочные формы. Размеры отверстия зависят от размеров вала и достигают 200 – 250 мм. в диаметре и 8000 мм. по длине центральные отверстия валов турбин относятся к глубоким отверстиям. Отношение их длины к диаметру достигает 40 и более.

  Обработка вала под тепловое испытание. Под тепловое испытание вал обрабаты-вается с припуском 2 мм. на сторону. Шероховатость поверхностей средней части вала, где устанавливается индикатор биения, и двух опорных шеек должна быть не ниже 7 – го класса чистоты, остальных поверхностей вала – приблизительно 2ь – го класса. Вал обрабатывают с одной установкой по всей длине за исключением лево-го конца, закреплённого в кулаках планшайбы, который обрабатывается со второй установки. Затем вал проходит тепловое испытание.
  Тепловое испытание имеет целью проверить однородность структуры материала поковки для вала по всей её толщине. Неравномерность структуры, наличие рыхлот и других дефектов металла может приводить к появлению различных коэффициентов линейного расширения на противоположных сторонах поковки, что неизбежно приведёт к изгибанию вала при его нагревании и, как следствие, к образованию недопустимой вибрации турбины в процессе её работы. Тепловое испытание позволяет своевременно отбраковывать дефектные ротора. Этому виду испытания подвергаются заготовки роторов, имеющих в рабочих температуру в какой – либо части не менее 2500 С.
  Процесс теплового испытания заключается в следующем. Вал при медленном вра-щении (0,5 – 3 об/мин) постепенно нагревают при скорости нагрева, не большей 500С/ч, до температуры, превышающей рабочую на 500 С. Не снижая частоты враще-ния, вал выдерживают при этой температуре 72 ч. Затем, не прекращая вращения, вал медленно охлаждают вместе с печью до температуры 2000 С, после чего процесс испытания прекращают. Во избежание искривления вал продолжают вращать пока его температура не понизиться до 500 С.
  На протяжении всего режима испытания через каждый час измеряют биение (про-гиб) вала индикатором и температуру, как в рабочем пространстве печи, так и внутри центрального отверстия вала. Скрытые дефекты и внутренние напряжения вызывают искривления вала при таком испытании. По величине и степени постоянства искривлений определяют пригодность вала к работе. По техническим условиям обычно допускается прогиб валов, испытываемых при нагревании до температуры, превышающей рабочую на 500 С, не более чем 0,05 мм.
  Окончательная чистовая обработка. При окончательной обработке цельнокованых роторов особое внимание следует уделять правильной установке и проверке их положения на станке. Известно, что при обработке деталей типа тел вращения самой надёжной базой являются центровые отверстия.
  На чистовую обработку валы турбин поступают с просверленными и окончательно обработанными центральными отверстиями. Сборные валы газовых турбин перед чистовой обработкой окончательно собирают и стягивают болтами.
  Одним из основных требований к качеству окончательной обработке валов и роторов является обеспечение концентричности их центральных отверстий и наружных поверхностей. Чтобы выполнить это требование, в центральное отверстие с обоих концов устанавливают пробки с точно обработанными в них центровыми отверстиями (центрами), которые и принимают за основную базу для всего процесса последующей чистовой обработки, как базовых крайних шеек, так и всего вала. В дальнейшем, при необходимости, положение вала на станке можно контролировать по базовым шейкам.
  При обработке ступенчатых валов наиболее ответственным процессом является по-лучение точных размеров длины отдельных ступеней. Допуски на размеры этих длин задаются, обычно, в пределах 0,02 – 0,1 мм, что по численным значениям сов-падает примерно с допусками 2 – го и 3 – го классов точности. Такой высокой точ-ности обработки длин ступеней вала можно достичь несколькими способами.
  Наиболее совершенный способ состоит в применении приспособления с индикато-ром и набором штихмасов. За базу при измерении положения торцов отдельных ступеней принимается вертикальная плоскость среднего цилиндрического выступа. На станине станка после обработки торца среднего выступа, не отводя резца, уста-навливают стойку 1 с индикатором 2. штифт индикатора подводят к упорному паль-цу 3, установленному на суппорте станка, и замечают показание индикатора. Для подрезки следующих торцов суппорт переводят соответственно на какое – нибудь расстояние, помещая между индикатором и упорным пальцем штихмас 4 соответст-вующего размера; показание индикатора при измерении положения конца каждой ступени обрабатываемого вала должно оставаться равным его показанию при первом суппорта. Штихмас поддерживают две стойки 5. этот способ позволяет длину уступов с точностью до 0,03 мм. И отказаться от применения шаблонов, дающих меньшую точность измерений. Для получения более точных результатов измерений торцы штихмасов 4 делают сферическими. При единичном изготовлении валов применяют составные наборные штихмасы с микрометрической головкой.
  Диаметры цельнокованых роторов достигают 1500 – 2000 мм. Измерения больших диаметров, имеющих допуски второго класса, производят специальным микрометри-ческими скобами. После снятия замера, для чего обычно требуется два человека, скобу проводят микрометрическим штихмасом; во избежание влияния деформации скобы на точность промеров скобу необходимо проверять в том же положении, в каком производилось ею измерение диаметра обрабатываемого ротора.
  При обработке в роторах галтелей, радиусы которых имеют величину 1 – 100 мм, применяют специальные галтельные резцы и приспособления.
  В роторах цельнокованых и барабанного типа, в которых рабочие лопатки набира-ются в пазы, проточенные в телах барабанов, точение пазов производиться методом постепенного приближения их вида к окончательной их форме и размерам, анало-гично точению пазов в дисках. Шаг пазов выдерживается с помощью делительного диска, закрепляемого на роторе, и фиксатора, устанавливаемого на столе станка.

6. Вид станков

  Зачистка ротора выполняется путём фрезерования на горизонтальном сверлильно – фрезерном станке. Центровку ротора выполняют на горизонтальном сверлильно – фрезерно – расточном станке. Обдирку поковок барабанных роторов крупных разме-ров производят на токарно – центровых станках большой мощности, с двумя или тремя суппортами для одновременной работы несколькими резцами. Сверление и растачивание производят на специальных горизонтально – сверлильных станках для глубокого сверления или на крупных токарных станках, снабжённых специальными приспособлениями. В барабанных роторах просверливают уширенные отверстия так называемой бутылочной формы. Такие отверстия растачиваются с помощью специ-альных борштанг. Крепление резцов в борштанге силой резания. Для этого резцы устанавливаются в конических пазах. Глубина расточки выдерживается по упорам или заметкам на борштанге. Установка для теплового испытания состоит из специа-лизированного станка и электропечи. Можно применять также специально приспо-собленный токарно – центровой станок. 

ВНИМАНИЕ: Данная информация получена путем сканирования, цифровой обработки физических носителей или обмена с неравнодушными пользователями. Она не имеет отметок грифа секретности и тайны, если вы считаете, что эта информация нарушает Ваши авторские или другие права. Незамедлительно сообщите администратору для удаления ее из портала.