«Посвящается светлой памяти профессора Николая Яковлевича Баумана В.А. Новиков ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА И МОНТАЖА ПАРОВЫХ И ГАЗОВЫХ ТУРБИН Учебное электронное текстовое издание Подготовлено кафедрой Турбины и двигатели ...»

Конструкция ротора с наборными дисками (рис. 91, в) применяется в современных турбинах в частях низкого давления или одноцилиндровых турбинах для низких и средних параметров пара, где не возникает ослаблений дисков на валу, обусловленных высокими температурами. Преимуществом таких роторов является то, что они более просты в изготовлении поковок вала и дисков, а их габаритные размеры и масса меньше, чем габаритные размеры и масса поковок цельнокованых роторов. Изготовление деталей наборного ротора в механическом цехе осуществляется параллельно, что сокращает сроки его производства.

Рис. 91. Цельнокованые (а), комбинированные (б) и наборные роторы (в) В цилиндрах среднего давления мощных паровых турбин, имеющих промежуточный перегрев пара, применяют обычно комбинированные роторы (рис. 91, б). В зоне высоких температур диски отковывают за одно целое с валом, а в зонах, где температура пара снижается примерно до 300 °С, диски насаживают с определенным натягом.

Барабанным ротором называется барабан (рис. 92), откованный заодно с валом, в пазы которого вставляют рабочие лопатки. Такие роторы делают составными, что обеспечивает возможность их облегчения путем растачивания бочкообразной плоскости в барабане. Отдельные части ротора соединяются горячей посадкой и скрепляются между собой при помощи болтов. В газовых турбинах применяются преимущественно роторы барабанного типа. Барабанная часть ротора может иметь еще и насадные диски.

В таком случае роторы называются комбинированными.

Большое распространение получили также роторы барабанного типа, которые выполняют сварными (рис. 93, а) из отдельных, предварительно обработанных дисков, без центрального отверстия, а также сборными с центральным отверстием (когда ротор конструктивно состоит из трех или четырех частей, стянутых центральной стяжкой) и без центрального отверстия (когда стяжки расположены по окружности на периферии полотна диска – рис. 93, в).

По сравнению со сборными роторами дискового или барабанного типа сварной ротор имеет ряд значительных технологических достоинств:

упрощаются поковки, сокращается цикл механической обработки. Изготовление сварных роторов требует весьма высокого уровня сварочной техники. С точки зрения технологичности роторы турбин достаточно хорошо отработаны.

Обычно в цилиндрах низкого давления (ЦНД) турбин мощностью 500 и 800 МВт используют роторы с насадными дисками. Предельные напряжения на расточке дисков последних ступеней составляют 45106 МПа.

В ЦНД перспективных быстроходных турбин роторы с насадными дисками из-за больших предельных напряжений при расточке непригодны. Поэтому роторы ЦНД турбины мощностью 1200 МВт выполняют сварными.

Сварные роторы обладают преимуществами, основным из которых являются более низкие, чем в насадных дисках, напряжения, что обусловлено отсутствием центрального отверстия. Вследствие этого преимущества и большой жесткости они получили широкое применение в современном турбостроении. Но сварные конструкции роторов имеют и недостатки. Для получения качественного сварного шва необходимо применять малоуглеродистые слаболегированные стали. Этим объясняется сравнительно низкий предел текучести материала сварных роторов 0, 2 = (5…6)·104 МПа.

Роторы быстроходных турбин можно выполнять сболченными, состоящими из трех или четырех частей (рис. 93, б). Сболчиваемые части с фланцами изготовляют из высоколегированной стали с пределом текучести 0, 2 = (7…8)·104 МПа.

а – сварной ротор; б – сборный ротор из четырех частей; в – сборный ротор В настоящее время для крупных электрических генераторов применяют роторы, образованные из трех или четырех частей, стянутых центральной стяжкой диаметром до 500 мм. Однако для роторов паровых турбин, испытывающих большие нагрузки от центробежных сил лопаток последующих ступеней, такая конструкция неприменима в основном из-за наличия центральной расточки.

Преимущества конструкции сболченного фланцевого ротора ЦНД следующие: наиболее нагруженные концевые диски могут быть выполнены без центральной расточки, а средняя часть – с центральной расточкой небольшого диаметра; можно осуществлять проверку качества отдельных поковок до их сбалчивания; применение высокопрочной легированной стали с пределом текучести 0, 2 = (7…8)·104 МПа и более повышает надежность турбины, особенно в аварийных ситуациях, что позволяет применять стальные лопатки длиной 1200 мм с умеренной хордой корневого сечения взамен титановых лопаток (при обнаружении дефектов или повреждений в одной из частей ротора заменена может быть только поврежденная часть, а не весь ротор).

Для изготовления сболченных роторов на турбинных заводах не требуется дополнительных площадей, дорогостоящего специализированного сварочного оборудования и печей для термообработки. Появляется возможность параллельного изготовления частей ротора (включая окончательную механическую обработку) до их сбалчивания, что уменьшает потребность в крупном высокоточном станочном оборудовании. Сболченные роторы менее трудоемки, чем сварные, себестоимость их изготовления ниже. Стоимость заготовок сболченных роторов, поставляемых металлургическим заводом для одной турбины К-1200-240, значительно ниже стоимости заготовок сварных роторов для той же турбины, а трудоемкость изготовления сболченных роторов на турбинном заводе на 26 тыс. нормочасов меньше, чем сварных. У сборочных роторов особые требования предъявляются к болтовому соединению ротора (необходимо сохранять затяжку шпильки в течение всего срока службы турбины).

В ЦНД болтовые соединения работают при температуре ниже 350°С.

Материал болтов (например, сталь марки 25ХМФ) при этой температуре не подвержен деформации ползучести (фактор времени после первоначальной затяжки не играет роли). Влияние возможности смятия резьбы или контактных поверхностей гаек может быть исключено при опрессовке болтов. Поэтому до сборки ротора болты нагружают совместно с гайками на специальном приспособлении усилием примерно в 1,2-1,3 раза превышающим усилие начальной затяжки. Только после проведения таких операций болты используют для сборки роторов. Конструкция болтового соединения ротора обеспечивает хорошие условия для осуществления контроля затяжки шпилек при замере их удлинения и после проведения разгоночных операций на высокооборотном балансировочном станке.

Основными деталями ротора являются валы, диски и рабочие лопатки. Диски с насаженными на них лопатками называют также и рабочими колесами. Посадка дисков на вал осуществляется с натягом, обеспечивающим постоянную плотность соединений без возможности ослабления как в рабочих условиях от действия центробежных сил массы диска, так и при пусках турбины, из-за различия температур диска и вала в процессе прогревания. Необходимая величина натяга определяется расчетом.

Ориентировочная величина натяга составляет 0,001 часть диаметра вала. Разность между максимальным и минимальным натягами обычно равна 0,05-0,08 мм, что обеспечивается обработкой посадочных мест диска и вала в пределах 6-го квалитета точности. Посадка дисков с натягом не исключает необходимости применения осевых шпонок (одной или двух на каждый диск), которые обеспечивают передачу крутящего момента от диска к валу.

Чтобы не ослаблять осевыми шпоночными канавками ступицу (рис. 94) особо напряженных дисков, вместо обычного осевого шпоночного соединения применяют радиальные шпонки 2, устанавливаемые в пазах на торце ступицы. В этой конструкции крутящий момент будет передаваться через две радиальные шпонки на специальную малонагруженную втулку 3, связанную с валом осевой шпонкой 4.

В конструкциях роторов судовых турбин применяют так называемые пальцевые втулки. Втулка своим наружным диаметром точно, но без натяга пригоняется к диску и соединяется с ним при помощи ряда радиальных штифтов. Диск с втулкой насаживается на вал с обычным натягом и удерживается от проворачивания осевыми шпонками, установленными в пазы, выполненные в валу и пальцевой втулке. Если под действием температуры или центробежных сил диаметр отверстия в диске станет больше диаметра пальцевой втулки, то соосность диска и втулки (а следовательно, и вала) все же сохранится из-за наличия радиальных штифтов. В то же время посадка втулки на валу не может ослабеть, так как напряжения во втулке под действием ее центробежной силы незначительны, а температура втулки почти не отличается от температуры вала. Данная конструкция особенно уместна в сильно нагруженных дисках, а также в первых ступенях высокого давления судовых турбин, где время прогрева турбины обычно очень мало.

Детали собранного ротора должны быть надежно закреплены для противодействия усилиям проходящего пара, стремящегося сдвинуть их вдоль вала. Вместе с этим детали ротора должны иметь возможность свободного теплового расширения, что обеспечивается наличием гарантированных тепловых зазоров.

Кроме рассмотренных элементов на роторе размещены опорные шейки, сопрягаемые в процессе работы со вкладышами подшипников, цилиндрические и конические поверхности, сопрягаемые с деталями муфт, элементы уплотнений, фланцевые элементы муфт, шпоночные пазы и др.

О требуемой точности, шероховатости наружных цилиндрических торцевых и других поверхностей и их взаимного расположения дает представление конструкция РВД паровой турбины мощностью 800 МВт (рис. 95). Длина и диаметр наибольшего диска приведены на упомянутом рисунке.

Для улучшения эксплуатационных условий при обработке роторов кроме указанных должен выполняться еще ряд технических требований.

Допуск на взаимное расположение опорных поверхностей шпоночных пазов, размещаемых по окружности посадочных поверхностей под полумуфты, в целях обеспечения собираемости должен быть повышен до ± 2'', а по непараллельности опорных поверхностей к плоскостям, проходящим через ось посадочной поверхности, до 0,01 мм на длине 500 мм. "Спаривание" роторов, фланцы муфт которых выполнены непосредственно в теле ротора, может быть обеспечено соблюдением допусков на диаметр межосевых расстояний в пределах 0,01 мм, а по угловому расположению – до 2,0".

При этом общая погрешность расположения отверстий от номинального положения не должна превышать ± 0,0075 мм. Допуск на биение и неперпендикулярность торцовой поверхности фланцев муфт относительно опорных шеек задают в пределах 0,005 мм на ширине кольцевой части торца.

Центральная часть ротора чаще всего представляет сквозную полость. Встречаются и иные конструкции. В табл. 32 приведены конструкции полостей и даны их характеристики. Одно из назначений полости – выявление и устранение пороков.

Рис. 95. Размерная и точностная характеристика ротора мощной паровой турбины Характеристика полостей роторов Гладкое сквозное отверстие, образованное в цельном роторе. Параметр шероховатости поверхности – до 0,2 мм. Преимущественно применяется в роторах мощных паровых турбин Rz = 2,5 мкм, допуск на цилиндрические поверхности полости большого диаметра к опорным шейкам – 0,05-0,1 мм. Преимущественно применяется в конструкциях роторов закрытую форму. Параметр шероховатости поверхности от Rz = до 0,15 мм. Преимущественно применяется в конструкциях роторов

2. ОБРАБОТКА ВАЛОВ, ЦЕЛЬНОКОВАНЫХ И СВАРНЫХ

РОТОРОВ

В предыдущей главе были рассмотрены конструкции и условия работы роторов. 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.

Тяжелые условия работы валов и их ключевая позиция с точки зрения обеспечения надежности 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.

2.2. Виды заготовок и применяемые материалы Цельнокованые роторы и валы роторов турбин изготовляют из поковок. Поковки для валов, работающих при температуре металла не свыше 450 °C, изготовляют из углеродистых и легированных сталей шести категорий (по прочности). Рекомендуемые марки стали согласно отраслевым техническим условиям (ОТУ 24-10-004-68) указаны в табл. 33.

В паровых и газовых турбинах для валов и цельнокованых роторов, работающих при температурах свыше 500 °С, где требуется высокий уровень жаропрочных свойств материала, применяют молибденсодержащие стали, например хромомолибденовые, хромомолибденованадиевые, хромомолибденовольфрамованадиевые. При температурах свыше 700 °С применяют сплавы на никелевой основе, а также на кобальтовой, молибденовой и смешанных основах. Некоторые из марок сталей, наиболее широко применяемых для деталей роторов, работающих при температурах выше 500 °С, приведены в табл. 34.

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.

А – припуски для проб на заводе -изготовителе поковки; Б – припуски для проб на заводе-изготовителе вала; сплошными линиями Механические свойства поковок валов и цельнокованых роторов судовых и стационарных паровых турбин из некоторых марок сталей Кате- Механические свойства продольных образцов* Рекомендуемые стаУгол загиба ли** для работы при Различные механические свойства одних и тех же сталей достигаются за счет изменения режима термической обработки, который устанавливается в зависимости от химического состава, размера поковки и требуемых механических свойств материала.

Указанные марки стали применяются и для дисков турбин.

Ось поковки должна совпадать с осью слитка. Внешнее очертание поковок должно приблизительно соответствовать наружным очертаниям валов (рис. 96, а) с учетом припусков по 30-40 мм на сторону для последующей обработки. В местах сложных очертаний поковкам придают упрощенную форму, т. е. делают напуск. Тогда короткие ступени, уступы и выемки не обжимаются, а куются по диаметру ближайшей большой стороны (рис. 96, б).

Нормы припусков для поковок, указанные в некоторых стандартных справочниках, для валов турбин неприменимы. 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 выполняется удлиненной на 400 мм. От каждого конца поковки отрезают по две пробы длиной по 200 мм для испытаний. Одну пробу отрезают на заводе-изготовителе поковки после ее обдирки и термической обработки; вторую – на заводе-изготовителе вала. Вырезку проб производят на фрезерно-отрезных станках дисковыми пилами.

Механические свойства поковок валов, цельнокованых роторов Марка стали Механические свойства Термическая обра- Температуботка ра рабочей Р2МА 690-740 69-74 15-19 41-64 Двойная нормали- 535- Металлургические заводы поставляют заготовки после черновой обработки и термообработки с припусками 15-20 мм на сторону в радиальном направлении и 10 мм в осевом направлении на каждый участок вала.

Для контрольных испытаний материала на концах ротора предусмотрены припуски для вырезки продольных образцов, а на "бочке" ротора припуски для вырезки и определения остаточных напряжений. На рис. 97 приведены эскизы заготовок цельнокованого ротора высокого давления и вала низкого давления турбины К-200-130 в состоянии поставки (тонкой линией показаны чистовые контуры) с указанием припусков. После грубой механической обработки с припусками и предварительного сверления центрального канала заготовки ротора из стали 15Х12ВМФ подвергаются двойной нормализации при температуре 970-990 °С с последующим отпуском при температуре 600-700 °С. Каждая заготовка ротора или вала проходит на металлургическом заводе индивидуальный контроль на механические испытания и подвергается специальной проверке, позволяющей определить качество материала поковки. Испытания проводят после черновой обработки и термообработки дважды (на заводах поставщика и заказчика).

Одно из направлений совершенствования турбин заключается в увеличении мощности турбоагрегатов. При этом значительно возрастают габариты роторов и их массы. Так масса полностью механически обработанного РИД турбины мощностью 500 МВт и частотой вращения 1500 об/мин составляет 138 т.

Трудность получения крупногабаритных заготовок большой массы потребовала иных технических решений. Одно из них связано с созданием конструкций сварных заготовок. Сварная заготовка упомянутого выше ротора турбины 500 МВт имеет массу 160 т. Отдельные части сварной заготовки ротора (рис. 98) представляют собой поковки. Они подвергаются грубой механической обработке, а полости в центре концевых частей обрабатываются начисто. У всех составляющих заготовку сварного ротора отдельных частей со стороны присоединения друг к другу обрабатываются торцовые и сопрягаемые поверхности, а также поверхности, формирующиеся при сварке швы.

Последовательность проведения испытаний заготовок следующая.

1. Определение остаточных напряжений. Поковки валов и роторов, имеющие в средней части диаметр более 400 мм, после черновой и термообработки необходимо контролировать на наличие остаточных напряжений, которые возникают в результате горячей механической, термической и механической обработок. Определение величины остаточных напряжений осуществляется методом измерения деформации колец сечением 25 25 мм, вырезанных из припуска на "бочке" ротора или вала со стороны, соответствующей максимальному диаметру.

Расчет остаточных напряжений производится на основании замеров диаметров кольца не менее чем в шести точках до и после вырезки кольца с точностью 0,01 мм по формуле где D0 и D1 - средние наружные диаметры кольца соответственно до и после вырезки.

Замеры до и после вырезки производит один и тот же человек, одним и тем же инструментом. Остаточные напряжения для заготовок валов и роторов с диаметром "бочки" более 400 мм не должны превышать 50 Па. Валы и роторы с диаметром "бочки" менее 400 мм на остаточные напряжения можно не проверять.

1, 7 – концевые части; 2, 3, 5, 6 – диски; 4 – промежуточная часть 2. Проверка на флокены, трещины и неметаллические включения.

Выявление дефектов невооруженным глазом в виде трещин, флокенов и крупных неметаллических включений осуществляют травлением. Травление выполняется дважды: первый раз – поставщиками после черновой и термической обработки, а второй – заказчиками после механической обработки с припуском 2 мм на сторону.

Травлению подлежат торцы и шейки валов, а у цельнокованых роторов – дополнительно торцы "бочек" и галтели у перехода от "бочки" к шейке и один промежуток между дисками при наличии паза не менее мм.

Контролируемые поверхности обрабатывают с чистотой поверхности Ra = 1,25 мкм и тщательно обезжиривают ватой, смоченной в бензине. Травление осуществляют 15%-ным водным раствором персульфата аммония в течение 10-15 мин с последующим травлением 10 %-ным водным раствором азотной кислоты. Проверку невооруженным глазом производят дважды: первый раз – через 10-15 мин после травления, а второй – не менее чем через 12 ч. Кислота проникает в невидимые глазом трещиныфлокены, разъедает их кромки. Дефекты становятся хорошо видимы невооруженным глазом.

3. Проверка на равномерность распределения фосфора и серы. Она производится травлением и снятием серных отпечатков. Снятие серных отпечатков осуществляется с поверхностей шеек валов и роторов и торцов "бочки" роторов и валов на полосе шириной не менее 90 мм. Места для проверки обрабатывают и полируют до Ra = 1,25 мкм, а затем обезжиривают бензином. Засвеченную контрастную фотобумагу, смоченную в 5 %-ном водном растворе серной кислоты, накладывают светочувствительным слоем на проверяемое место и выдерживают в течение 3-5 мин.

Сернистые включения в металле вступают в реакцию с серной кислотой, и происходит выделение сероводорода, который в свою очередь вступает в реакцию с бромистым серебром фотобумаги. В местах, где скопилась сера в металле, на фотобумаге появляются темные точки бромистого серебра.

Затем фотобумагу промывают водой и помещают для фиксирования в 10 %-ный раствор гипосульфита. Отпечатки промывают в проточной воде и просушивают.

4. Ультразвуковой контроль. С его помощью можно определить внутри заготовки (детали) наличие трещин, флокенов и других неметаллических включений любых размеров. Ультразвуковые колебания, посылаемые внутрь детали с помощью пьезодатчиков, расположенных между двумя металлическими обкладками, на которые подается напряжение от генератора высокой частоты, обусловливают высокочастотные колебания пластины. При помощи щупа, перемещаемого по исследуемой поверхности, ультразвуковые импульсы распространяются в толще металла; при наличии дефектов происходит отражение колебаний от дефекта и задней стенки изделия. Отраженные импульсы возвращаются на приемную кварцевую пластину, вызывая в ней появление электрических разрядов, которые проектируются на экране осциллографа в виде всплесков. По высоте всплесков и расстоянию между ними можно судить о глубине и величине дефекта. Как правило, для контроля применяют ультразвуковой дефектоскоп УЗД-7Д с рабочей частотой 2,5 МГц. Все проверяемые поверхности обрабатывают с параметром шероховатости Ra = 1,25 мкм.

5. Перископический осмотр. Он осуществляется в каждой заготовке вала или цельнокованого ротора, где сверлится и растачивается центральное отверстие. Наличие отверстия способствует осуществлению высококачественной термической обработки (удаляют сегрегационную зону металла, несущую наибольшее число усадочных рыхлостей), позволяет вести контроль на отсутствие пороков в центральной части заготовки. Параметр шероховатости обработки не должен быть ниже чем Ra = 2,5 мкм, так как при более грубой обработке выявить имеющиеся дефекты затруднительно.

Для проведения осмотра поверхностей центрального отверстия применяют специальное оптическое устройство в виде телескопической трубы, которую устанавливают в отверстие и по мере необходимости выдвигают на требуемую длину. Перемещая трубу в осевом направлении и поворачивая ее, можно произвести осмотр всей внутренней поверхности центрального отверстия. При осуществлении такого контроля выявляют остатки усадочной рыхлости, трещины и скопления мелких неметаллических включений.

6. Тепловые испытания. Такие испытания предназначены для выявления металлургических неоднородностей материала в отношении симметричности структуры поперечного сечения вала и несовпадения оси слитка с осью поковки. Наличие такой неоднородности, как правило, приводит к прогибу ротора или вала при нагреве в период эксплуатации и вызывает сильные вибрации в турбине, недопустимые при работе.

Таким образом, тепловые испытания позволяют своевременно отбраковать валы и роторы, имеющие дефекты. Эти испытания осуществляются после обработки вала или ротора с припуском 1,5-2 мм на сторону от чистовых размеров. Вал или ротор устанавливают в горизонтальном положении на специальной установке (рис. 99), состоящей из специализированного станка и электрической печи, а также на двух роликовых люнетах, с помощью которых осуществляют выверку точности установки в горизонтальном положении. Биение по контрольным пояскам не должно превышать 0,02 мм. Роликовые люнеты расположены вне печи на направляющих станины станка. Во избежание образования прогиба от массы вал или ротор постоянно вращают с частотой 3-4 об/мин. После установки вал в холодном состоянии вращают в течение 1 ч, затем повторно производят проверку биения. Вращение от станка к валу или ротору передается при помощи поводковых пальцев с гибкой связью или посредством эластичной соединительной муфты.

Электропечь состоит из стальных щитов с изоляционным слоем и электронагревательными элементами на внутренней поверхности. Щиты образуют закрытую со всех сторон коробку с отверстиями в торцовых стенках для выхода концов вала. Коробка снабжена специальными контактными термопарами, соединенными с потенциометрами для измерения температуры металла нагреваемого ротора (снаружи и внутри центрального отверстия), а также температуры печи.

Для измерения величины биения вала в период испытаний имеется специальное приспособление, которое представляет собой корпус в виде трубки. Внутри корпуса расположен стержень, прижимаемый пружиной к измеряемой поверхности вала. На конце корпуса, выступающего из печи, укреплен индикатор. Стержень измерительного устройства расположен в горизонтальной плоскости на уровне оси вала. Корпус измерительного устройства соединен с массивной стойкой, не связанной с каркасом печи и станиной станка. Между замерами стержень измерительного устройства не соприкасается с валом.

Рис. 99. Установка для тепловых испытаний турбинных валов:

1 – электродвигатель; 2 – редуктор; 3 – гибкая связь; 4 – электропечь;

5 – ротор; 6 – индикаторное устройство; 7, 9 – термопары для определения температуры; 8, 10 – роликовые опоры (люнеты) При термоиспытаниях вал при медленном вращении постепенно нагревают (скорость нагрева не выше 50 °С в час) до температуры, превышающей рабочую на 50 °С. Вращающийся вал выдерживают при этой температуре 72 ч. Затем вал охлаждают до температуры 200 °С. Печь раскрывают, причем вал продолжает вращаться, и при температуре 50 °С вал или ротор снимают с установки. На протяжении всего режима испытания через каждые 30 мин производится запись температуры и прогибов по всем индикаторам. По величине и степени изменения прогиба определяют пригодность вала к работе. Технические условия допускают прогиб валов, испытанных при нагреве до температуры, превышающей рабочую на 50 °С, не более 0,05 мм.

Во время тепловых испытаний останов станка не допускается.

2.4. Технические требования и механической обработке К основным техническим требованиям процесса механической обработки валов и роторов относятся следующие:

– все аксиальные и диаметральные размеры необходимо выполнять по 7-му квалитету точности, а отдельные - по 6-му квалителу точности (например, размеры мест под посадку дисков);

– параметр шероховатости обработки поверхностей опорных шеек должен соответствовать Ra = 0,32 мкм; поверхности под насадку дисков Ra = 1,25 мкм; остальных участков Ra = 2,5 мкм;

– смещение оси центрального отверстия относительно опорных шеек должно быть не более 0,3 мм;

– овальность и конусность опорных шеек должны быть не более 0,015 мм, а поверхности под насадку дисков и других деталей не более 0,02 мм;

– радиальное биение опорных шеек вала относительно других посадочных поверхностей должно составлять примерно 0,02 мм для паровых и газовых турбин и 0,05 мм для осевых компрессоров;

– торцовое биение по упорному диску и присоединительному фланцу жесткой муфты не должно превышать 0,01-0,02 мм, а по остальным торцовым уступам 0,02-0,03 мм;

– перекос шпоночных пазов относительно оси вала или ротора допускается в пределах 0,015 мм;

– несимметричность расположения двух или трех пазов относительно оси вала должна быть в пределах 0,05 мм.

2.5. Типовой технологический маршрут обработки валов Технологический процесс механической обработки валов и цельнокованых роторов состоит из предварительной и окончательной обработки.

Последовательность предварительной механической обработки валов и цельнокованых роторов, независимо от их конструкции и размеров, в основном принимается одинаковой и состоит в следующем:

– зачистка торцов поковки;

– проверка поковки для определения размеров припусков на обработку и разметка центровых отверстий (гнезд или центров);

– обработка центровых отверстий;

– обдирка поковки с припуском по 15-20 мм на сторону;

– травление поверхностей вала для выявления флокенов и снятие серных отпечатков для выявления неметаллических включений и характера их распределения;

– сверление и предварительная расточка центрального отверстия с припуском 15-20 мм на диаметр;

– термическая обработка для повышения механических свойств с последующим высоким отпуском для снятия внутренних напряжений;

– отрезка проб для изготовления образцов и испытание образцов для определения механических свойств материала;

– обработка под тепловое испытание с припуском 1 мм на сторону и тепловое испытание.

Дальше следует окончательная чистовая обработка до получения необходимых размеров и качества всех элементов поверхности детали в соответствии с требованиями чертежа. Основными этапами чистовой обработки являются:

– точение с припуском 0,5-0,6 мм на диаметр;

– травление поверхностей опорных шеек и торцов для выявления флокенов и снятие серных отпечатков;

– предварительное шлифование;

– окончательное шлифование;

– обработка после шлифования;

– фрезерование шпоночных пазов;

– обработка пароразгрузочных отверстий.

2.6. Предварительная черновая обработка валов и роторов Зачистка торцов поковки. Обработку вала начинают с зачистки торцов поковки, которая облегчает ее проверку и разметку. На торцах зачищают небольшие площадки; при разметке на этих площадках наносят по две пересекающиеся линии, определяющие положение оси поковки. Зачистка выполняется путём фрезерования на горизонтальном сверлильно-фрезерном станке.

После зачистки поковку вала 1 (рис. 100) устанавливают на разметочную плиту и разбивают мелом на сечения аа, бб, вв и т. д. С обеих сторон поковки ставят угольники 2. Верхнюю поверхность поковки окрашивают меловой краской. От угольника откладывают отрезки (например, отрезок М ), равные радиусу, увеличенному на величину припуска для чистовой обработки. Расстояние К между точками в одном сечении показывает толщину слоя металла 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 АБ, которая должна проходить между намеченными точками. Струну нужно натянуть так, чтобы припуски с обеих сторон расположились по возможности одинаково. Положение струны у торцов отмечают рисками СС. По положению струны кернят точки, которые соединяют риской.

Повернув вал приблизительно на 90°, необходимо повторить разметку в другой плоскости и нанести на торцах риски ТТ. 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 поддается правке, то поковку бракуют и дальнейшая обработка не производится.

Центровка вала. У валов турбин центровые отверстия выполняют с углом зенковки 90о и добавочным предохранительным конусом, имеющим угол 120о (табл. 35). Центровку выполняют на горизонтальном сверлильнофрезерно-расточном станке с обоих концов вала.

Диаметр Масса в Обдирка поковки. Обдирку поковок турбинных валов и цельнокованых роторов крупных размеров производят на токарно-центровых станках большой мощности, с двумя или тремя суппортами для одновременной работы несколькими резцами. При обработке один конец вала крепят кулаками планшайбы, другой подпирают центром задней бабки.

При обдирке крупных и тяжелых валов необходимо работать с люнетами, применяя центры лишь в исключительных случаях или в качестве дополнительных опор; шейки под люнеты точат на центрах. Чистота обработки поверхности шеек не ниже Ra = 1.25 мкм. На шейки под люнет целесообразно насаживать шариковые подшипники, что позволит работать на увеличенных скоростях резания. При обработке коротких валов устанавливают один люнет на конце вала для разгрузки заднего центра. При обработке длинных валов ( l > 12d ) применяют два люнета.

Рис. 100. Схема разметки вала турбины:

1 – поковка вала; 2 – угольники Валы необходимо обдирать согласно обдирочному чертежу, оставляя припуски для дальнейшей обработки по 15-20 мм на сторону. Обдирочный чертеж разрабатывается также с учетом припусков, необходимых для подвешивания вала в процессе его термической обработки. Термически обрабатывают валы, подвешивая их вертикально в шахтных печах.

При обдирке валов применяют резцы из быстрорежущей стали и твердосплавные. Соответственно большим силам резания сечение резцов составляет 6090 мм. Весьма удачными для применения при обработке валов являются резцы конструкции Уралмашзавода (рис. 101). Головки этих резцов выполнены в виде клиновых вкладышей с припаянными к ним пластинками из твердого сплава Т5К10. Вкладыши в клиновом пазу стержня резца закрепляются силами резания. При такой конструкции значительно облегчается и ускоряется переточка резцов.

Для поковок цельнокованых роторов на бочке ротора дополнительно осуществляют ультразвуковой контроль до проточки пазов между дисками. Поверхность накатывают накатными роликами с параметром шероховатости Ra = 1,25 мкм.

Рис. 101. Проходной правый резец с клиновым креплением вкладыша Сверление и растачивание центральных отверстий. Центральные отверстия у валов стационарных турбин предусматриваются для контроля качества металла путем перископического осмотра, а у судовых турбин еще и для снижения веса. Большинство отверстий выполняется сквозными одного диаметра, но бывают ступенчатые и бутылочной формы. Последние встречаются у судовых турбин, где снижение веса имеет особенно большое значение. 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.

Обработку центрального отверстия осуществляют в два этапа: первый - сверление до термической обработки ротора (вала), второй - окончательная расточка после термической обработки. Двойная обработка вызвана тем, что после термообработки заготовка деформируется. Смещение оси центрального отверстия устраняется при окончательной расточке.

Сверление и растачивание отверстий производят на специальных станках для глубокого сверления типа КЖ-1920 или крупных токарных станках, снабженных специальными приспособлениями. На рис. 102 показан ротор, установленный на токарно-центровом станке для глубокого сверления. Ротор одним концом крепят кулачками планшайбы, а другим устанавливают на люнет и выверяют по ранее проточенным пояскам на концах ротора. Суппортом станка первоначально растачивают начало центрального отверстия для обеспечения правильного направления сверлильной и расточной головок. На специальной стойке 7 и задней бабке 6 устанавливают стебель (трубу) 4 с закрепленной на ней сверлильной головкой с направляющими колодками и сверлом. По шлангу от насоса 9 к борштанге подводится смазочно-охлаждающая жидкость. Задняя бабка с механической подачей 0,05-4 мм подводит сверлильную головку с борштангой в заранее подготовленное направляющее отверстие. При сверлении стебель и сверлильная головка со сверлом при помощи задней бабки перемещаются вдоль станины. При вращении детали исключается отклонение оси отверстия. Охлаждающую жидкость подает насос.

Подача смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону резания может осуществляться двумя способами. При первом способе СОЖ нагнетают через центральное отверстие сверлильной головки и вместе со стружкой выводят по кольцевому каналу, образованному между стенкой отверстия и стеблем (наружный отвод стружки). При втором способе СОЖ подается по внешнему каналу, а выходит со стружкой в отверстие сверла и борштанги (внутренний отвод стружки).

Для сверления центральных отверстий в турбинных валах применяют сверла двухстороннего резания, т. е. с двумя режущими кромками. Такое сверло диаметром 150 мм (рис. 103) состоит из центрального сверла диаметром 25 мм, двух ножей 2 и корпуса 3 с направляющими колодками 4. Сверла такой конструкции изготовляют диаметром 70-150 мм. В работе они дают хорошие результаты.

При обработке отверстий диаметром более 150 мм после сверления производят растачивание, для чего применяют специальные расточные головки (рис. 104). Охлаждающая жидкость к резцам подводится через центральное отверстие. Головкой с тремя резцами за один проход диаметр подготовленного сверлением отверстия можно увеличить на размер до мм. На рисунке показана головка с двумя резцами для последнего прохода;

второй резец - чистовой.

Перед сверлением для сверлильной головки подготовляют направление (заход). С этой целью предварительно сверлят и растачивают отверстие, по глубине и диаметру равное размерам сверлильной головки. Подготовку захода делают как для сверл, так и для расточных головок перед каждым следующим проходом. Скорость резания при глубоком сверлении и растачивании 14-16 м/мин; подача на оборот 0,2-0,25 мм.

Рис. 102. Головка для глубокого сверления роторов:

1 – ротор; 2 – сверло; 3 – направляющие; 4 – державка сверла; 5 – шланг для подачи Рис. 103. Сверлильная головка для обработки глубоких отверстий:

1 – центральное сверло; 2 – ножи; 3 – корпус; 4 – направляющие колодки Рис. 104. Расточная головка для обработки глубоких отверстий Материалом для направляющих колодок расточной и сверлильной головок служит дерево твердой породы - бакаут или самшит. В крайнем случае применяют бук, клен, ясень, дуб или березу. Для обработки колодок по диаметру направляющего отверстия поступают следующим образом. На торце вала возле отверстия, подготовленного под заход сверла или расточной головки, делают глубокие насечки зубилом. Эти насечки при вращении вала срезают припуск (1-2 мм) на колодках головки, и она входит в отверстие вала плотно, без зазора.

Поверхность отверстия под перископический осмотр должна быть выполнена не ниже Ra = 2,5 мкм. Но такую чистоту получить резцовой головкой невозможно, поэтому отверстие обычно подвергается дополнительной обработке развертыванием. Операция эта выполняется специальной плавающей разверткой (рис. 105), которую устанавливают в головку, аналогичную расточным.

Обработка полостей в роторах газовых турбин. Роторы газовых турбин выполняются барабанного типа (см. рис. 92), с внутренними полостями бутылочной формы, со сферической донной поверхностью. С ростом мощности турбин увеличиваются длины и диаметры роторов, соответственно увеличивается глубина полости, а наибольший диаметр приближается к 500 мм. В общем виде процесс обработки таких полостей включает глубокое сверление, ступенчатое растачивание под обработку сферической поверхности, обработку сферической поверхности, развертывание и отделку поверхностей с требуемой шероховатостью.

Для обработки полостей роторов на универсальных станках может быть использована борштанга, показанная на схеме (рис. 106). С помощью такой борштанги могут быть обработаны сферические поверхности как открытых, так и закрытых полостей. Крепление резцов в борштанге осуществляется силой резания. Для этого резцы устанавливаются по упорам или заметкам на борштанге.

Рис. 106. Схемы работы борштанги для сверления в валах отверстий Обработка полостей роторов газовых турбин также может выполняться на специальных расточных станках. Размеры частей станков обеспечивают необходимую жесткость конструкции. Диаметр борштанги позволяет выполнить расточку полости без прогиба на полном вылете, в том числе и при обработке образующей сферы дна пластинчатым резцом.

При небольших длинах турбинных валов и единичном производстве, когда изготовление сложной специальной борштанги является нецелесообразным, подобные отверстия растачивают при помощи особой консольной резцовой оправки и шаблона, устанавливаемого около станка возле резцовой оправки. На оправке укрепляется игла. Оперируя двумя подачами, токарь ведет иглу оправки по шаблону, а резец при этом обрабатывает отверстие, копируя движение иглы.

Обработка вала под тепловое испытание. Под тепловое испытание вал обрабатывается с припуском 2 мм на сторону. Шероховатость поверхностей средней части вала, где устанавливается индикатор для контроля биения, и двух опорных шеек должна быть не ниже Ra = 1,25 мкм, остальных поверхностей вала – приблизительно Ra = 40 мкм. Вал обрабатывают с одной установки по всей длине, за исключением левого конца, закрепленного в кулаках планшайбы, который обрабатывается со второй установки. Затем вал проходит тепловое испытание. Сборные валы судовых и газовых турбин испытывают в собранном виде.

2.7. Окончательная чистовая обработка валов и роторов Чистовое точение. Одним из основных требований к качеству окончательной обработки валов и роторов является обеспечение концентричности их центральных отверстий и наружных поверхностей. Для того 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 ротора на станках, не оснащенных ЧПУ, сложно получить осевые размеры в пределах чертежного допуска от ±0, до ±0,15 мм, которые по численным значениям совпадают с допусками 7-8-го и 9-го квалитетов точности.

Токарную обработку производят на высокоточных токарновинторезных станках моделей КЖ-1631Ф1, КЖ-Н71Ф1, КЖ-1641Ф2, оснащенных цифровой индикацией с позиционным программным управлением.

В настоящее время для чистовой обработки роторов внедрены станки с ЧПУ моделей DN-1400/25 (рис. 107), С-800, DN-2000/100, С- фирм «Вальдрих-Зиген» и «Хеш» (ФРГ).

Каждый станок оборудован числовой двухосевой системой непрерывного траекторного управления, обеспечивающей обработку наружных и внутренних цилиндрических поверхностей, торцовых конических и радиусных; снабжены десятиместным инструментальным магазином и устройством для автоматической смены инструментов.

Система управления станками обеспечивает возможность работы в трех режимах: с использованием цифровой индикации, автоматическом и смешанном. Станки с ЧПУ выполняют весь комплекс переходов токарных операций: обработка под тепловое испытание и окончательная чистовая обработка.

Внедрение программированной обработки обеспечивает создание устойчивой технологии, уменьшает, и даже почти полностью исключает, возможности субъективного влияния рабочего, обслуживающего станок с ЧПУ, на конечные результаты выполняемой операции. В результате резко сокращается непроизводительный и утомительный труд рабочего по управлению станком, например при смене специальных резцов, установке и выверке их правильного положения в резцедержателе, затем установке резцов на стружку, сопровождаемой обычно несколькими опытными проходами и измерениями. При работе по программе управление упрощается:

резцы подаются на рабочее место установленными в инструментальные блоки по точным оптическим приборам, установка режущих инструментов на стружку после опытного прохода достигается путем установки требуемого размера на пульте управления. Работа может выполняться рабочими более низких разрядов, чем это требовалось при использовании универсальных станков. Такие операции, как окончательная обработка цельнокованого ротора, при работе на универсальных станках доверялись только токарям высшей квалификации. Таких специалистов были считанные единицы. С внедрением станков с ЧПУ значительно облегчилось решение задачи подготовки кадров.

Наличие в системе управления станками возможности работы в трех режимах: с использованием цифровой индикации, автоматическом и смешанном – облегчает процесс внедрения указанных станков.

В процессе эксплуатации станки показали высокую надежность, позволяли увеличить производительность труда на 20-30 %. Повысилось качество изготовления деталей как по размерным показателям, так и по шероховатости. При этом, наряду с уменьшением трудоемкости и сокращением циклов изготовления турбин, решается задача большой социальной значимости – вытеснение тяжелого ручного труда и замена его машинным, освобождение рабочих от выполнения утомительных однообразных движений. Однако внедрение станков с ЧПУ не снимает ответственности Рис. 107. Токарный станок с числовым программным управлением оператора за качество. Так, например, при установке резца на стружку оператор обязательно должен внимательно проверить результаты первого прохода и внести коррективы в положение кромки с учетом неизбежного притупления в пределах допускаемых отклонений от чертежных размеров.

При обработке ступенчатых валов наиболее ответственным процессом является получение точных размеров длины отдельных ступеней. Допуски на размеры этих длин задаются обычно в пределах 0,02-0,1 мм, что по численным значениям совпадает с допусками примерно 7-го и 6-го квалитетов точности. Такой высокой точности обработки длин ступеней вала можно достичь несколькими способами.

Наиболее совершенный способ состоит в применении приспособления с индикатором и набором штихмасов (рис. 108). За базу при измерении положения торцов отдельных ступеней принимается вертикальная плоскость среднего цилиндрического выступа. На станине станка после обработки торца среднего выступа (например, справа), не отводя резца, необходимо установить стойку 1 с индикатором 2. Штифт индикатора подводят к упорному пальцу 3, установленному на суппорте станка, и замечают показание индикатора. Для подрезки следующих торцов суппорт переводят соответственно на величины а-д и т. д. и помещают между индикатором и упорным пальцем штихмас 4 соответствующего размера; показание индикатора при измерении положения торца каждой ступени обрабатываемого вала должно оставаться равным его показанию при первом положении суппорта. Штихмас поддерживают две стойки 5. Этот способ позволяет измерять 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.

Для того чтобы избежать применения чрезмерно больших штихмасов при обработке особо длинных валов, их разбивают на несколько участков, включающих в себя по несколько уступов. После обработки последнего уступа первого участка положение суппорта и резца не изменяют, а стойку с индикатором передвигают к суппорту. Обработку уступов второго участка производят описанным выше способом по соответствующим штихмасам. Таким же образом производят настройку положения инструментов для обработки каждого последующего участка вала.

Диаметры цельнокованых роторов достигают 1500-2000 мм. Измерения больших диаметров, имеющих допуски 2-го класса, производят специальными микрометрическими скобами. После снятия замера, для чего, как правило, требуется два человека, скобу проверяют 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.

Рис. 108. Приспособление с индикатором для обработки и измерения 1 – стойка; 2 – индикатор; 3 – палец упорный; 4 – штихмас; 5 – стойки При обработке в валах и роторах галтелей, радиусы которых обычно имеют величину 1-100 мм, применяют специальные галтельные резцы и приспособления.

В роторах цельнокованых и барабанного типа, в которых рабочие лопатки набираются в пазы, проточенные в телах дисков или барабанов, точение пазов производится методом постепенного приближения их формы и размеров к требуемым, аналогично точению пазов в дисках.

На рис. 109 показано прорезание пазов в роторе газовой турбины под торцовую заводку лопаток. Шаг пазов выдерживается с помощью делительного диска, закрепляемого на роторе, и фиксатора, устанавливаемого на столе станка.

Окончательную токарную обработку после теплового испытания вала выполняют с припуском под шлифование 0,5-0,6 мм на диаметр. Шлифуют опорные шейки и места под насадку дисков, остальные места, за исключением торцов, галтелей и конуса для получения муфты, обрабатывают окончательно. Резьбу на валу точат после шлифования. После чистовой токарной обработки производят травление для выявления флокенов на опорных шейках и торцах и для серных проб.

Рис. 109. Прорезание пазов под торцевую заводку лопаток Шлифование ведут в центрах с поддержанием вала люнетами, которые устанавливают на расстояниях друг от друга, равных 10-12 диаметрам вала. Шлифование разделяют на предварительное и чистовое. Предварительное шлифование ведется кругами зернистостью 24-36, твердостью С или СТ, глубиной 0,03-0,04 мм, при подаче, равной 2/3-3/4 ширины шлифовального круга. Под чистовое шлифование следует оставлять 0,04-0,05 мм.

Чистовое шлифование выполняется кругами зернистостью 40- средней и весьма твердой связки (С и ВТ). Глубина при чистовом шлифовании равна 0,01-0,02 мм при подаче, равной 1/3-2/3 ширины круга.

Процесс шлифования сопровождается обильным охлаждением жидкостью (15-20 л/мин). В качестве охлаждающей жидкости применяется эмульсия или содовая вода (на 100 л воды 2-4 кг кальцинированной соды).

Частоту вращения круга ограничивают максимально допустимой окружной скоростью 25-30 м/с. Окружную скорость валов для предварительного шлифования принимают равной 6-8 м/мин; для чистового 4-6 м/мин. Не снимая вал со станка, необходимо составить паспорт замеров диаметров, произвести травление на флокены и снять «серные» отпечатки.

На некоторых моделях токарных станков одна операция включает не только точение, но и шлифование, доводку особо точных поверхностей, параметры шероховатости которых достигают значения Ra = 0,63 мкм. В частности, такой обработке подвергаются поверхности опорных базовых шеек.

На рис. 110 изображена приводная шлифовальная головка, устанавливаемая в суппорт токарного станка. Крепится она на поперечных салазках 1 суппорта. Выход на стружку шлифовального круга 7 осуществляется поперечным перемещением суппорта с установленной на нем шлифовальной головкой, а перемещение вдоль оси шлифуемой детали – механизмом продольной подачи суппорта. Шлифовальный круг посажен на шпиндель 8, второй свободный конец которого соединен со шкивом 2. Шпиндель помещен в обойму 6, неподвижно связанную с корпусом головки 9. Движение от размещенного на верхней наружной поверхности корпуса головки электродвигателя 4 через шкив и приводной ремень 3 передается на шпиндель. Подача смазочно-охлаждающей жидкости в зону резания осуществляется от насосной установки через трубопровод 5.

Для полирования применяется специальная устанавливаемая на верхнем поперечном суппорте головка с приводом от электродвигателя, конструкция которой приведена на рис. 111. На рисунке указаны два положения устройства: контурными линиями – рабочее и пунктирными линиями – нерабочее. С суппортом оно связано своим основанием 1. Корпус 5 может быть повернут вокруг оси 6 в заданное положение и в нем зафиксирован распоркой 7. Движение от электродвигателя 4 передается на ведущий ролик приклона 3. Между ведущим и ведомым роликами, последний из которых является и натяжным элементом, помещена бесконечная абразивная полировальная лента 2. Усилие прижима к поверхности шейки ротора регулируется настроечным перемещением верхнего суппорта станка.

Подача вдоль оси шейки осуществляется при движении суппорта, приводимого механизмом станка. Для отсоса шлама в конструкцию введен циклон 9 со шлангом 8.

Выглаживание опорных шеек. Более совершенным процессом отделки поверхности опорных шеек роторов с доведением до требуемой шероховатости при одновременном повышении усталостной прочности и износостойкости является упрочнение поверхности выглаживанием. Сущность процесса заключается в концентрированном давлении инструмента на все точки обрабатываемой поверхности ротора отполированным алмазным зерном, рабочей поверхности которого придана сферическая форма. При этом неровности обрабатываемой поверхности, подвергаясь нагреву трением и давлению, частично разрушаются, а частично деформируются.

Совместное воздействие приводит к сглаживанию поверхностей, поверхность приобретает гладкий блестящий вид. Изменяется микроструктура и качество поверхностного слоя. Измельчаются и деформируются зерна металла. Возрастает микротвердость, которая принимает наибольшее значение у самой поверхности. Это явление способствует повышению износостойкости.

Рис. 110. Приводная шлифовальная головка к токарному станку:

1 – салазки поперечные; 2 – шкив; 3 – ремень; 4 – электродвигатель;

5 – трубопровод; 6 – обойма; 7 – шлифовальный круг; 8 – шпиндель;

Рис. 111. Полировальная головка к токарному станку:

1 – основание; 2 – абразивная лента; 3 – ролик ведущий;

4 – электродвигатель; 5 – корпус; 6 – ось; 7 – распорка; 8 – шланг;

В производственном объединении «Невский завод» освоено выглаживание шеек роторов диаметром до 300 мм из сталей 34ХНЗМ, 20ХЗМВФ и др. при непрерывной подаче алмазного инструмента. Скорость ведения процесса не имеет большого влияния на результат. Подачи должны быть ограничены пределом в 0,11 мм/об. При больших значениях подачи высота неровностей значительно возрастает.

На рис. 112 приведена конструкция обкатника. Он состоит из корпуса 1, помещаемого в резцедержатель станка. В паз корпуса на оси 4 свободно посажена державка 2, несущая наконечник 3, с закрепленным в нем алмазным зерном. Тарированное усилие на державку и в конечном счете на поверхность обкатываемой шейки сообщается подпружиненным стержнем 5.

Однако выглаживание при линейном перемещении обкатника, т. е. с непрерывной подачей, имеет тот недостаток, что след движения алмазного зерна является винтовой линией. Недостаток исключается сообщением обкатнику еще одного движения с большой частотой и амплитудой, превышающей величину подачи.

На рис. 113 изображен обкатник для вибрационного выглаживания.

Он состоит из закрепляемого в суппорт станка корпуса 1, в который на полуосях 2 помещена скалка 5, несущая наконечник 4 с алмазным зерном. В кронштейне скалки установлена опирающаяся на шарикоподшипник эксцентричная по отношению к опорной часть валика 7, вращаемого пневмоприводом 5. Суппортом станка сообщается обкатнику заданное движение подачи. Контактирующему с обкатываемой поверхностью алмазному зерну через скалку 3 сообщается качательное движение, передаваемое от пневмопривода 5 через эксцентриковое устройство. Изменением частоты вращения пневмопривода и варьированием скорости подачи суппорта достигают оптимального рисунка – следа от воздействия алмазного инструмента на поверхность.

Рис. 112. Обкатник для алмазного выглаживания:

1 – корпус; 2 – державка; 3 – наконечник; 4 – ось; 5 – стержень Рис. 113. Обкатник для алмазного вибрационного выглаживания:

1 – корпус; 2 – полуось; 3 – скалка; 4 – наконечник; 5 – пневмопривод;

Поверхности с высокими требованиями к шероховатости, предназначенные под неподвижное соединение с дисками и с другими деталями, обрабатывают шлифованием на тяжелых круглошлифовальных станках.

Окончательная обработка после шлифования включает подрезку торцов, зачистку галтелей в местах переходов, нарезание резьб, обработку конуса на конце вала под насадку полумуфты и другие операции. Обработка посадочных мест под хвостовики рабочих лопаток в дисках цельнокованых роторов вильчатой или Т-образной формы производится так же, как и для наборных дисков. Посадочные места под насадку дисков, опорные шейки – все подвергают травлению. Затем осуществляют испытания на выявление серных и фосфорных включений в металле.

Фрезерование шпоночных пазов в валах роторов и в роторах под соединения с насадными дисками, полумуфтами и другими деталями выполняется на горизонтально-расточных станках и реже на продольнофрезерных. В любых случаях, когда на цилиндрической или конической посадочной поверхности фрезеруется один или несколько пазов, ведется процесс или по разметке, или с применением делительного устройства, после фрезерования, чаще непосредственно перед сборкой, необходима не только слесарная пригонка шпонок, но и их механическая обработка по предварительным замерам размеров пазов.

Находят применение при обработке роторов специализированные, создаваемые на базе токарных, многоцелевые станки. На рис. 114 приведена компоновка станка. Помимо токарной обработки на станке можно фрезеровать шпоночные и другие пазы, шлифовать поверхности опорных шеек. Станок имеет общую длину свыше 30 м, ширину около 5 м и высоту центров 2,5 м. Несущая способность передней и задней бабок по 75 т – максимальная общая масса обрабатываемых деталей может достигать т. Мощность бесступенчато-регулируемого привода 110 кВт. У станка две независимые станины. На задней станине с двумя направляющими размещены передняя и задняя бабки, а также люнеты. На передней станине имеются две направляющие, по которым перемещаются салазки суппорта.

Непрямолинейность на всей длине станин не более 0,06 мм, непараллельность всех четырех направляющих – 0,01 мм.

Шпоночные и другого назначения пазы обрабатываются фрезерной головкой 3, устанавливаемой на салазках. Измерительное устройство регистрирует перемещение фрезерной головки с точностью до 0,01 мм. В комплекте оснастки станка поставляются угловые фрезерные головки и удлинитель фрезерного шпинделя.

Для точного позиционирования ротора при фрезеровании в шпиндельной бабке размещен двухступенчатый привод точного вращения шпинделя. Позиционирование поворота шпинделя выполняется специальной системой управления с декадными переключателями и цифровой Рис. 114. Многоцелевой станок для точения, шлифования и фрезерования роторов:

1 – резцедержатель; 2 – шлифовальная головка; 3 – фрезерная головка индикацией. По достижении заданного положения шпиндель точно фиксируется с помощью гидравлических зажимов.

Для шлифования шеек и других поверхностей вместо резцедержателя 1 устанавливают шлифовальную головку 2. Диаметр круга – 500 мм, ширина – 80 мм. Устройство для правки круга размещено на задней бабке.

Обработка отверстий. В конструкции цельнокованых роторов введены пароразгрузочные отверстия в теле дисков. Поверхности отверстий с поверхностями тела дисков по требованиям конструкции сопрягаются галтелями, имеющими плавный переход и шероховатость Ra = 2,5 мкм. Оси отверстий параллельны оси ротора, а тело дисков с обеих сторон ограничено коническими или сложной формы поверхностями. Поэтому соблюдение требования плавного сопряжения галтелями упомянутых поверхностей приводит к введению в процесс трудоемких переходов.

Операция обработки пароразгрузочных отверстий выполняется на горизонтально-расточном станке. Деталь укладывается на специальные стойки и выверяется до достижения параллельности ее оси с осью шпинделя станка. Для исключения увода отверстий, выполняемых в ряде дисков, в том числе и на значительном расстоянии от шпинделя станка, применяют кондукторы, поддерживающие инструмент между дисками ротора.

Перевод ротора из позиции в позицию и фиксация его положения осуществляются с помощью поворотного фиксирующего устройства.

На горизонтально-расточном станке обрабатываются также отверстия во фланцах муфт, соединяющих смежные роторы, для вскрытия отверстий применяются спиральные, а также кольцевые сверла. Вслед за этим переходом производится растачивание. Чаще всего из-за отсутствия необходимых для точного ведения процесса средств обработка поверхностей отверстий в данной операции не заканчивается. Она завершается совместной в двух роторах чистовой обработкой в отдельной операции.

2.8. Особенности изготовления и обработки сварных роторов Роторы сварной конструкции применяют в том случае, когда из-за большой массы и размеров их не удается изготовить цельноковаными: габариты и масса заготовки превышают возможности металлургических заводов.19 Так, например, при строительстве АЭС наряду с быстроходными турбинами с частотой вращения 3000 об/мин широкое развитие получили мощные тихоходные турбины с частотой вращения 1500 об/мин.

Характерными особенностями тихоходных турбин являются большие размеры и масса роторов. Так, например, ротор низкого давления тихоходной турбины К-1000-60/1500-2 имеет массу (без лопаток) 152,5 т, что Освоением производства тяжелых поковок занят Ижорский завод. Расчеты показывают большую экономию металла и трудозатрат при использовании сварных конструкций.

больше массы ротора низкого давления быстроходной турбины К-220-44- почти в 5 раз (табл. 36).

Сравнительные данные роторов тихоходных и быстроходных турбин Размеры, мм:

Допускаемые отклонения формы шеек (не более), мм:

Допускаемое биение, мм:

радиальное относительное шеек на всех участках под лабиринтовые Ротор турбины К-1000-60/1500-2 – сварной, двухпоточный, имеет по семь ступеней в каждом потоке, состоит из 14 кованых деталей: десяти дисков, двух средних частей и двух хвостовиков. Аналогичный ротор (в стадии обработки) турбины 1200 МВт показан на рис. 115.

Несмотря на возросшие габариты, требования к точности изготовления основных поверхностей роторов тихоходных турбин остаются достаточно жесткими (табл. 36).

Технологический маршрут изготовления сварных роторов состоит из следующих этапов: механическая обработка деталей под сварку; сборка под сварку и сварка; термическая обработка для снятия внутренних напряжений; механическая обработка сварных швов для ультразвукового контроля; ультразвуковой контроль сварных швов; чистовая механическая обработка.

Механическая обработка деталей под сварку выполняется по чертежам, в которых предусмотрены центрирующие пояски для точного фиксирования правильного взаимоположения деталей перед сваркой и припуски на обработку ротора после сварки.

Состав оборудования специализированного участка для изготовления сварных роторов мощных паровых турбин для АЭС включает:

уникальные сварочные установки, термическую печь с выкатным подом размером 414 м, комплекс специализированного оборудования, в том числе крупные токарные станки моделей IA685, КЖ698Ф1, КЖ699Ф1, роторный фрезерный станок модели КУ-384, стенды для облопачивания, спаривания роторов и установка для динамической балансировки.

Механическая обработка основных элементов сварного ротора производится аналогично обработке дисков и других частей сборных роторов с соблюдением межоперационного контроля качества металла неразрушающими методами контроля.

Сборка и сварка. В этой части техники изготовления сварных роторов произошли существенные изменения с увеличением параметров турбинных установок, особенно при переходе к изготовлению тихоходных турбин для атомной энергетики. Существовавшие способы изготовления сварных роторов к турбинам для АЭС, масса которых достигает 250 т при максимальном диаметре 2500 мм и длине 13000 мм, оказались непригодными.

До последнего времени в технике производства сварных роторов сборка под сварку, сварка и контроль их качества после сварки производились на трех стендах. Первоначально на специальном стенде ротор собирался в вертикальном положении, и после его нагрева (сварка легированных сталей производится в нагретом состоянии) осуществлялась аргонодуговая сварка корневых частей швов ротора, после чего ротор из вертикального положения устанавливался на второй (горизонтальный) стенд, где производилась автоматическая сварка под слоем флюса основной части разделки сварных швов. На третьем специально оборудованном стенде контролировалось качество сварных швов после сварки и термообработки.

Наряду с высокими требованиями к качеству сварных швов исключительно жесткие требования предъявляются к отклонению от прямолинейности оси ротора. Искривление оси ротора после сварки и термической обработки не должно превышать 0,25 мм на сторону при сварке роторов массой до 200 т и длиной 12 м.

Наиболее ненадежной частью существовавшего техпроцесса явилась переустановка предварительно сваренной заготовки из вертикального положения в горизонтальное, потому что при этом могут возникать мелкие трещины в околошовной зоне, а также искривление оси ротора.

По предложению Харьковского завода (а.с. 434697 и а.с. 434698) внедрены принципиально новая технология и оборудование, позволяющие в пределах одного стенда (вместо трех) осуществить горизонтальную сборку, сварку и контроль качества сваренной заготовки ротора.

Рис. 115. Ротор НД турбины К- Повышение точности при горизонтальной сборке ротора достигается путем систематической проверки аксиального и радиального биения собираемых элементов и с помощью оптической системы, позволяющей точно определять положение собираемых элементов относительно оси ротора.

Чистовая токарная обработка сварного ротора в части процессов резания и измерения выполняется с использованием традиционных методов. Существенно усовершенствован метод подготовки ротора под центровку. В целях устранения возможного небаланса сваренного ротора, связанного с неконцентричностью внутренних поверхностей дисков средних и концевых частей, он (для определения теоретической оси) устанавливается концевыми частями в кулаки планшайб передней и задней бабок, затем с помощью индикатора определяются величина и направление смещения каждого диска.

Полученные результаты обрабатываются на ЭВМ, которая выдает решение – расположение теоретической оси сварной заготовки. Такой метод определения оси реализован благодаря созданию серии специальных токарных станков, оснащенных двумя планшайбами с независимыми кулаками для центровки заготовок. На этих же станках выполняется окончательное точение роторов. К группе таких станков, созданных Краматорским заводом тяжелых станков имени В.Я. Чубаря, относится тяжелый токарный станок модели 1А685Ф2. Станок позволяет обрабатывать детали длиной 16,000 мм, массой до 200 т. Благодаря наличию раздельных станин для люнетов и суппортов обеспечивается широкая маневренность суппортов вдоль всей станины, поперечные направляющие суппортов позволяют обрабатывать торцовые поверхности деталей диаметром 400-5000 мм.

Станок укомплектован дополнительными навесными устройствами (в т. ч. для шлифования шеек под люнеты, сверления отверстий, фрезерования замковых пазов), позволяющими концентрировать операции при одной установке детали.

Станок оснащен системой ЧПУ, цифровой индикацией и обладает возможностью задания параметров обработки, что дает возможность значительно сократить вспомогательное время.

Обработка пазов в дисках под лопатки с грибовидным профилем осуществляется традиционным методом.

Обработка дуговых елочных пазов под лопатки в дисках последних ступеней выполняется на роторно-фрезерном станке КУ-324. Станок, изготовленный Коломенским заводом тяжелого станкостроения, имеет две фрезерные стойки на одной станине, а гидростатические люнеты и бабку для поворота на определенный угол – на второй.

Одновременная работа двух фрезерных стоек и автоматический цикл обработки позволили выполнить трудоемкие и технически сложные операции с высокой производительностью (в 2,5 раза выше, чем при обработке пазов на универсальных зубофрезерных станках).

Для обработки дуговых ёлочных пазов под лопатки в дисках последних ступеней сварного ротора, имеющего длину 10000 мм и диаметры дисков более 2500 мм, созданы специальные уникальные установки.

Более подробно ознакомиться с процессом изготовления сварных роторов можно в специальной литературе.

3. ОБРАБОТКА ДИСКОВ РОТОРОВ ПАРОВЫХ И ГАЗОВЫХ

ТУРБИН

Диски паровой или газовой турбины, соединенные либо между собой, либо с валом, образуют ротор. Для создания прочного ротора необходима особая форма дисков, которая не всегда технологична.

Диски определяют требуемое положение рабочих лопаток на роторе и в лопаточном аппарате турбины, выполняя функцию промежуточного звена между валом ротора и лопаточным аппаратом; диски непосредственно участвуют в преобразовании прямолинейного движения пара во вращательное движение турбинного ротора. По своему назначению и условиям эксплуатации диски являются наиболее напряженными и ответственными деталями ротора турбины. После сборки с лопатками диски называют также рабочими колесами.

При работе турбины насадное рабочее колесо (диск) или диск сборного ротора находится в весьма сложных температурных и напряженных условиях. На диск воздействуют силы, создаваемые давлением пара на лопатки, центробежные силы от лопаток и собственной массы, силы, вызываемые натягом от горячей посадки; силы, возникающие от разности давлений до диска и за ним, динамические нагрузки от вибрационных явлений; термические напряжения при пуске, переменных режимах работы турбины и др.

Наибольшие напряжения в материале рабочего колеса при работе турбины возникают в зоне втулочного отверстия, однако по условиям металлургического производства именно возле центра втулочного отверстия, совпадающего с центром слитка, материал поковки диска имеет более низкие механические свойства, чем в остальной части поковки. Поэтому образцы для контрольных испытаний материала поковки всегда берутся из припуска, оставляемого на поверхности втулочного отверстия.

Диск турбины является почти столь же напряженной деталью, как и рабочие лопатки. Разрушение диска представляет собой серьезнейшую аварию и связано обычно с полным разрушением турбины. Поэтому к маРудковский А.Ф., Герман С.И. Сварно-кованые роторы турбинных установок для атомных и тепловых станций //Энергомашиностроение. 1979. №10. С.22-25.

териалу дисков и качеству их обработки предъявляются очень высокие требования.

Совершенно недопустимы в дисках резкие конструктивные переходы, грубые следы резца после механической обработки и другие дефекты, которые могут вызвать местную концентрацию напряжений. Известны случаи, когда поломки дисков происходили еще в процессе сборки ротора.

При этом разрушение начиналось от угла осевого шпоночного паза. Причиной таких поломок явилось то, что величина местного напряжения от натяга при горячей посадке оказалась значительно больше допустимой.

Таким образом, в данной ситуации образовывалась концентрация напряжений, вызванная отсутствием закругления (плавного перехода) в углу шпоночного паза. В рассмотренных случаях предусмотренное чертежами закругление повреждалось напильником при слесарной доводке ширины шпоночного паза. При этом, как показала проверка, качество материала дисков было безупречным.

В большинстве конструкций дисков можно различить следующие элементы: обод (или венец диска), втулку (или ступицу) и среднюю часть (или тело диска), называемую в производственной практике «полотном».

Иногда под словом "венец" понимают профиль обода под насадку лопаток, например при грибовидном или вильчатом профилях.

В некоторых конструкциях дисков при небольшой ширине лопаток обод не отличается по толщине от примыкающего к нему полотна. Размеры обода целиком определяются размерами хвостов лопаток. Размеры втулки определяются величиной возникающих в ней напряжений, для снижения которых приходится увеличивать как длину, так и наружный диаметр втулки.

По своей форме диски представляют собой тела вращения.

На рис. 116 представлены некоторые разновидности дисков и объединенных с ними в одну группу концевых частей сборных роторов.

На рис. 116, а, б изображены насадные диски рабочих колес паровых турбин. Первый из них является диском рабочего колеса паровой турбины средней мощности, а второй – мощной паровой турбины. В газовых турбинах применяются диски без центрального сквозного отверстия. Разновидности их конструкций показаны на рис.116, в, г. Диск сборного ротора энергетической газовой турбины изображен на рис.116, д. Конструкция (рис. 116, е) представляет собой концевую часть сборного ротора ГТУ.

Специфическими элементами формы дисков, которые влияют на технологию их изготовления, являются профили тел дисков и пазы в ободах (венцах) дисков для крепления лопаток. По форме этих элементов диски можно разделить на простые и сложные.

Рис. 116. Конструкции дисков и концевых частей сборных роторов Рис. 117. Профили тел дисков Рис. 118. Диск турбины большой мощности Простое по форме тело диска (рис. 117, а), не вызывает каких-либо трудностей при его обработке. Профили дисков (рис. 117, б и рис. 118) также относительно просты, но для обработки конических поверхностей указанных дисков требуется наличие специальных приспособлений. Диски с профильными кривыми (рис. 119, а) являются более сложными; для их изготовления применяют специальные инструменты и приспособления, которые по своей конструкции являются весьма разнообразными. Технология обработки таких дисков и конструкция применяемой оснастки в значительной степени зависят от количества деталей в партии, т. е. от серийности производства дисков. Обработка дисков с пальцевыми втулками (рис.119, б) также требует разработки специальной технологии и технологической оснастки.

Существует большое количество конструкций пазов и венцов для крепления рабочих лопаток, однако по методу обработки их можно свести к сравнительно небольшому числу типов. Обработка пазов в дисках является наиболее сложной и ответственной частью работы, так как иногда даже незначительные отклонения влекут за собой брак всего диска. Для обработки пазов применяют разнообразные профильные режущие и измерительные инструменты, весьма сложные в изготовлении.

Поскольку аналогичные пазы и венцы выполняются также на дисках цельнокованых роторов или непосредственно в теле ротора барабанного типа, то технология их обработки практически совпадает с технологией обработки пазов и венцов в отдельных дисках. Поэтому описание их конструкции и методы выполнения приведены в главе 4 третьего раздела настоящей книги.

3.3. Виды заготовок и применяемые материалы Турбинные диски изготовляются из поковок углеродистой и легированной стали. Процесс изготовления поковок должен обеспечить однородную структуру и высокие механические свойства материала заготовок для дисков. Ось заготовки должна приблизительно совпадать с осью слитка.

Внешние очертания поковок приблизительно соответствуют наружным очертаниям дисков с учетом припусков и напусков на обработку. Величина припусков на поковки зависит от размеров и формы дисков (рис. 120).

В местах сложных очертаний заготовкам придают упрощенную форму, т. е. делают напуск.

Стали, применяемые для изготовления турбинных дисков, разделяются на категории, которые определяются величиной напряжения, допускаемого в материале дисков во время работы турбины, а также техническими условиями на материал для дисков (см. ОТУ.24. 10.003- и табл. 33, 34).

Технические требования к материалу дисков предусматривают высокую механическую прочность, чистоту металла и его однородность, отсутствие внутренних пороков и высокую химическую стойкость, а также хорошую обрабатываемость резанием для получения гладкой поверхности в готовом диске.

Диски сборных роторов газовых турбин можно получить литьем по выплавляемым моделям. При производстве авиационных газовых турбин в нашей стране и за рубежом переходят на изготовление дисков компрессора и турбины горячим изостатическим прессованием гранул в газостате (методом порошковой металлургии).21 Основные этапы технологического процесса - получение гранул (диаметром 5-500 мкм); очистка и сортировка гранул по размерам; горячее изостатическое прессование заготовки из гранул в газостате (температура нагрева 1200 °С, давление 200 МПа). Горячее изостатическое прессование повышает жаропрочность и пластичность материала заготовки.

Для дисков компрессора отрабатываются технология и оборудование в целях получения заготовок с регулируемой структурой методом изостатического прессования порошков с разными механическими свойствами. Перспективными являются также изотермическая штамповка и раскатка заготовок дисков компрессора и турбины в условиях сверхпластичности. Сущность этого направления состоит в следующем. Рабочие валки создают гидростатическое давление на материал заготовки, находящийся в очаге деформации. Величина гидростатического давления превышает предел текучести материала, что подавляет порообразование, исключает появление трещин и других несплошностей. Соблюдение изотермических условий в этом процессе деформирования обеспечивает мелкозернистую равноосную структуру при незначительной ориентации зерен в Белов А.Ф. Металл: улучшение качества - путь к экономии // Наука и жизнь. 1982. №2. С. 2-9.

НИЦ имени Льюиса (США).

направлении течения металла. Материал заготовок дисков имеет повышенные механические свойства с малым их разбросом.

В настоящее время разработаны технологические процессы сверхпластического раскатывания дисков из титановых и жаропрочных сплавов.

В кузнечно-прессовом цехе поковки проходят следующую обработку. Поковки отжигаются при температуре 700-750 °С и медленно охлаждаются в печи. После отжига поковки поступают в обдирочное отделение, где их сначала грубо обрабатывают, оставляя припуски по 10-12 мм на сторону, и затем полируют поверхности отверстий и торцов ступицы и обода. Полированные поверхности травят для выявления внутренних трещин типа флокенов.

При положительных результатах проверки, т.е. при отсутствии дефектов в материале заготовок, диски вновь обрабатывают резанием с припусками по 4-8 мм на сторону в зависимости от формы и размеров дисков и производят термическую обработку заготовок. В результате термической обработки дискам придают требуемые свойства и снимают в них внутренние напряжения, которые возникают в процессе ковки и последующей обдирки.

В зависимости от марок и сортов стали термическая обработка поковок проводится или нормализацией, или закалкой в масле с последующим отпуском и охлаждением на воздухе, или закалкой в масле с отпуском и охлаждением в печи. Режимы термической обработки указываются в технической документации на изделие.

Ответственное назначение и высокие требования к качеству турбинных дисков вызывают необходимость проведения следующих испытаний материала заготовок: определение величины внутренних напряжений; механических свойств металла; отсутствия флокенов, серных и фосфорных включений, внутренних трещин и других дефектов. Все эти испытания проводятся перед окончательной механической обработкой дисков.

Внутренние (тангенциальные) напряжения во многих случаях могут значительно ослабить механическую прочность турбинных дисков даже при отсутствии местной концентрации напряжений. Внутренние напряжения в поковках дисков возникают при горячей механической, термической и холодной механической обработках. В основу определения этих напряжений положена деформация образцов (колец), вырезанных из тела втулки диска.

Рис. 120. Внешние очертания заготовок для дисков:

а, б – заготовки для дисков сложных очертаний; в – заготовка для дисков простых очертаний; 1 – контур заготовки; 2 – контур готового диска Операция вырезки и измерений колец выполняется следующим образом.

1. Поверхности поковки (рис. 121) в тех местах, где будут вырезаны кольца а-г, обрабатываются и полируются до Ra =0,63 мкм. Такая обработка обеспечит точность измерений диаметра.

2. Окружность полированной поверхности колец делят на восемь равных частей, через намеченные точки в радиальном направлении проводят риски 1-8, определяющие положения четырех диаметров, которые тщательно измеряют, и записывают результаты измерения.

3. Размечают ширину и толщину колец (2525 мм).

4. Отрезают кольца с малой подачей (0,05-0,1 мм/об) и малой скоростью резания (8-10 м/мин) при обильном охлаждении. Такой режим не вызывает дополнительных напряжений при механической обработке.

Отрезанные кольца осторожно отделяют от детали и кладут на торцы с целью предупредить образование деформаций от собственного веса колец.

После охлаждения кольца до температуры окружающего воздуха производится повторный обмер тех же диаметров. Повторные обмеры должны выполняться тем же работником, который производил предварительные обмеры, одним и тем же измерительным инструментом. Допускаемая ошибка обмера не должна превышать 0,01 мм.

Рис. 121. Схема вырезки образцов (колец) для испытания материала и определения внутренних напряжений в заготовке диска Величина деформации определяется как разность диаметров колец до и после их вырезки. Величины внутренних напряжений определяются по упрощенной формуле где t – тангенциальные напряжения, Н/мм2 (кгс/мм2);

Е – модуль Юнга (Е = 2·105 Н/мм2 = 2·104 кгс/мм2);

– среднее приращение диаметра кольца, мм;

Dср – среднее значение замеров диаметров до отрезки кольца, мм.

Ниже приведен пример подсчета внутренних напряжений диска турбины мощностью 50·103 кВт. Результаты обмера кольца до и после отрезки приведены в табл.35. Имеем Dср = 580,06 мм;

Обозначение Замеры диамет- Замеры диамет- Деформация диаметров по ров до отрезки ров после отрез- кольца, мм Остаточные напряжения для дисков с наружным диаметром до 550 мм должны быть не более 30 Н/мм2 (3 кгс/мм2); для дисков диаметром 550-1000 мм – не более 40 Н/мм2 (4 кгс/мм2); для дисков больших 1000 мм - не более 50 Н/мм2 (5 кгс/мм2).

Механические свойства определяют испытанием пятикратных тангенциальных образцов. Пробы, из которых изготовляют образцы для испытания, вырезают холодным способом из термически обработанных поковок (рис. 122). Пробы 1 и 2 берут в кузнечно-прессовых цехах, а пробы 3-4 – в механических цехах для повторных испытаний перед окончательной обработкой дисков. У поковок для дисков диаметром свыше 1200 мм (рис. 122, а) пробы берут от ступицы и от обода, а у поковок для дисков диаметром до 1200 мм (рис. 122, б, в) – только от ступицы. Пробы клеймятся представителем технического контроля. Из каждой пробы изготовляют два образца на удар и по одному образцу на разрыв и изгиб. Испытание образцов производится в Центральной заводской лаборатории (ЦЗЛ).

Рис. 122. Схема разметки диска для отбора образцов:

а – диск диаметром больше 1200 мм; б, в – диски диаметром меньше 12 мм Поковки, не удовлетворяющие требованиям технических условий, подвергаются повторным испытаниям на удвоенном количестве образцов.

При этом повторяется тот вид испытания, который дал неудовлетворительные результаты. При отрицательных результатах повторных испытаний хотя бы одного образца поковки подвергаются вторичной термической обработке.

Материал диска дважды подвергается травлению: первый раз при обдирке и второй раз перед окончательной механической обработкой.

Травлением выявляются скрытые пороки металла.

Окончательно обработанные диски испытывают снятием отпечатков по методу Баумана. Испытание выявляет серные и фосфорные включения в металле. Места, с которых снимают отпечатки, предварительно шлифуют. Отпечатки снимают с поверхности отверстия и двух торцов ступицы диска. Окончательно обработанные диски испытывают также методами дефектоскопии: на магнитной машине, магнитно-керосиновой пробой, ультразвуковым и другими методами. Эти испытания должны выявить внутренние дефекты (флокены, трещины и т.п.).

3.5. Технические требования к механической обработке К механической обработке и статической уравновешенности дисков предъявляются высокие технические требования. Допуски на различные размеры установлены по 7-9-му квалитетам точности, а параметр шероховатости поверхностей не ниже Ra = 2,5-1,25 мкм.

Обработанные турбинные диски должны удовлетворять следующим требованиям:

допуски на центральное отверстие установлены в пределах +0, мм, а овальность и конусность не должны быть выше половины установленного допуска на диаметр;

неконцентричность отверстия и наружных поверхностей обода, ступицы и других цилиндрических поверхностей должна составлять не более 0,03 мм;

биение торцов ступицы и обода относительно оси центрального отверстия должно быть не более 0,03-0,1 мм;

обод диска надо обрабатывать по чертежу, соответствующему профилю хвостовика;

непараллельность осей пазов для крепления лопаток должна составлять не более 0,15 мм на 100 мм длины;

боковые поверхности осевого шпоночного паза должны быть параллельны оси расточки диска и между собой (допустимое отклонение не более 0,03 мм по всей длине).

Все острые кромки, переходы, если нет специальных указаний, следует закруглять радиусом 0,5 мм или снимать фаски 0,545°.

Совершенно недопустимо наличие рисок, уступов, грубых следов резца по любой поверхности обработанного диска. Размеры без допусков должны выполняться по 14-му квалитету точности.

3.6. Технологические процессы обработки дисков Механическую обработку можно подразделить на черновую и чистовую.

Черновая обработка дисков. Черновая обработка заключается в том, что поковку обрабатывают с припуском 5 мм на сторону от чистовых размеров. У дисков диаметром до 1200 мм в центральном отверстии предусмотрен специальный припуск для вырезки кольца сечением 25x25 мм.

Диски диаметром более 1200 мм имеют дополнительный припуск на наружном диаметре обода для взятия дополнительных проб (см. рис. 121).

После черновой обработки диски подвергают термической обработке для снятия внутренних напряжений. Подготовка поверхности к отрезке колец, используемый метод отрезки, порядок выполнения замеров и определение остаточных напряжений аналогичны операциям, выполняемым при обработке ротора.

Дальнейшая обработка дисков осуществляется только после получения положительных результатов испытаний на определение механических свойств материала. Черновую обработку выполняют на токарнокарусельных станках повышенной жесткости.

Чистовая обработка дисков. Поскольку при чистовой обработке дисков неизбежна смена баз, то за первую операцию необходимо произвести обработку наибольшего числа поверхностей для их использования в качестве базовых при дальнейшей обработке.

Основные методы обработки дисков различных конструкций мало чем отличаются друг от друга. Несколько различается обработка пазов, венцов и профильных кривых. Диски обрабатывают на токарнокарусельных, лобовых и токарно-центровых станках, а также на лобовых станках с гидро- или электрокопировальными устройствами, специально предназначенными для обработки дисков. С точки зрения повышения производительности и удобства обработки, отверстие и профильные кривые тела диска целесообразно обрабатывать на токарно-карусельных станках, а пазы или венцы для крепления лопаток – на лобовых.

Перед окончательной механической обработкой дисков поверхности отверстия и торцов ступицы и обода проверяют на отсутствие флокенов.

Перед проверкой их обрабатывают до параметров шероховатости Ra =0,32 мкм. Диск устанавливают на планшайбе карусельного станка и крепят кулаками за обод. Поверхности торцов обрабатывают резцами, оснащенными пластинками из твердого сплава марки Т15К6 (ГОСТ 3882-67) или из минералокерамических сплавов, с последующей зачисткой наждачным полотном. Отверстие диска обрабатывают расточным резцом и шлифуют при помощи шлифовального приспособления, которое устанавливают на суппорте станка вместо резцедержателя. Это дает возможность обрабатывать оба торца с одной установки. При креплении диска кулаки необходимо прижимать равномерно и с большой осторожностью, не допуская коробления диска. Рекомендуется на торец ступицы устанавливать дватри индикатора. Величина отклонения допускается не более 0,01-0,02 мм.

Такая установка и крепление жестких дисков в кулаках за обод, при соблюдении указанных условий не вызывают деформаций, влияющих на точность формы дисков.

Отверстие в диске растачивают с припуском 0,5-0,6 мм на диаметр и с одной установки окончательно обрабатывают с двух сторон торцы ступицы (рис. 123). Такой способ обработки гарантирует требуемую параллельность торцов. После этого обрабатывают торец обода и цилиндрическую наружную поверхность его до кулаков планшайбы. На торце обода для дальнейшей обработки пазов или венцов оставляют припуски 0,2-0,3 мм на сторону, а по наружному диаметру 0,5-1,0 мм на сторону. Затем специальным приспособлением шлифуют отверстие. Мощность электромотора шлифовального приспособления не должна быть ниже 4-5 кВт. Затем с этой же установки обрабатывают профильную кривую тела диска.

Рис. 123. Схемы установки диска под окончательное точение ступицы на Рис. 124. Схемы установки турбинного диска на столбики для обработки 1 - планшайба; 2 - кулачки; 3 - индикатор; 4 - диск; 5 - столбики Обработка второй стороны диска должна обеспечить равномерное распределение его массы относительно оси. Такая уравновешенность достигается строгой концентричностью отверстия и обода и параллельностью сторон диска. С этой целью для обработки второй стороны диска на карусельных станках применяется «установка на столбики», рис.124, а.

Столбики представляют собой цилиндрические детали с заточкой у основания, выполненной по размеру паза планшайбы, и центральным отверстием для их крепления. После крепления на планшайбе 1 все столбики одновременно обтачивают, чем обеспечивается абсолютное равенство их по высоте. Диск 4, установленный на столбики 5 торцом обода, проточенным при обработке первой стороны, занимает правильное положение (без биения) в осевом направлении. В радиальном направлении диск выверяется по индикатору 3 с помощью кулачков 2. Точность выверки – до 0,01 мм.

Профильные кривые на телах дисков имеют весьма разнообразные формы – от простых до сложных. На одной и той же поверхности диска профиль может состоять из нескольких участков кривых большей или меньшей протяженности (см. рис. 118 и 119).

Для обработки кривых поверхностей дисков применяют различные методы.

Галтели, находящиеся у ступиц и ободов дисков и имеющие небольшую протяженность, а также расположенные у пазов для уравновешивающих грузов, обрабатывают фасонными жесткими или пружинными резцами.

Для обработки профильных кривых дисков турбин станкоинструментальной промышленностью созданы специальные копировальные станки с электрическим, гидравлическим или пневматическим управлением. Однако применение их оказалось целесообразным только при производстве сложных профилей (см. рис. 119, а), и при крупных сериях выпускаемых турбин.

В мелкосерийном производстве более эффективной является обработка профильными резцами на обычных карусельных станках.

Суппорт для обработки конических поверхностей дисков (рис. 125) состоит из корпуса 3 с направляющими типа ласточкина хвоста и резцовой головкой. Настройка суппорта на угол производится по шаблону. Тяга одним концом шарнирно связана с резцовой головкой 1, перемещаемой по направляющим корпуса 5, а другим – с резцедержателем бокового суппорта станка. При боковой подаче горизонтального суппорта тяга тянет за собой резцовую головку с резцом по направляющей, установленной наклонно. Для устранения возможности образования продольного изгиба тяга работает на растяжение. Это приспособление дает хорошие результаты при обработке пологих конусов с длиной образующих не более 300 мм.

Рис. 125. Специальный суппорт для обработки конических поверхностей:

Приспособление для обработки криволинейных поверхностей с большими радиусами кривизны показано на рис. 126. Настройка приспособления по величине радиуса кривой производится за счет изменения вылета резца. Расстояние от режущей кромки резца до оси вращения рычага с резцом устанавливают равным радиусу обрабатываемой кривой. Принцип работы этого приспособления и его установка ясны из рисунка без дополнительных пояснений.

Последовательность обработки профиля тела диска показана на рис.127. Первоначально обрабатывают торец обода, при этом выдерживают размер а от ступицы при помощи контрольной линейки 1 и предельной пластины. Возможно применение штихмаса или мерных плиток, в зависимости от величины а. По шаблону 2 обрабатывают радиусный переход (галтель) от ступицы к телу диска, по шаблонам 3 и 4 – переходную кривую на ободе и по шаблону 5 – галтель обода.

Для предварительной обработки галтелей применяют только жесткие резцы (рис. 128, а и г), а для окончательной обработки при нежестких станках применяют резцы с пружинными оправками (рис. 128, б, в). Конические поверхности обрабатывают после галтелей. Плавность переходов от галтелей к конической поверхности обеспечивают правильной настройкой приспособления. Для дисков с конической поверхностью шаблон на полный профиль можно не изготовлять. Порядок обработки элементов кривой сложного профиля (рис. 119, а) в основном остается таким же, однако в этом случае необходимо применение шаблона на полный профиль.

Рис. 126. Приспособление для обработки криволинейных поверхностей:

1 – рычаг; 2 – боковой суппорт; 3 – вертикальный суппорт Обработка криволинейных поверхностей тела диска (рис. 129) также начинается с обработки торца обода а. При этом выдерживают заданный размер от торца б ступицы. Затем обрабатывают поверхность в и по шаблону 1 галтель бурта. Дальнейший порядок обработки соответствует номерам шаблонов 1-8. Шаблоны 1-4 одинаковы для той и другой стороны. При больших размерах дисков конусную поверхность г до сопряжения ее с поверхностью радиуса r обрабатывают при помощи суппорта станка, повернув его на соответствующий угол, а поверхность радиуса R - при помощи специального приспособления. После этого по шаблону 6 врезаются до поверхности радиуса R и фасонным резцом по шаблону 7 обрабатывают канавку д. Обработку профиля тела диска заканчивают обточкой поверхности, имеющей радиус R, при помощи описанного выше приспособления (см. рис. 126).