«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 ...»

Применение многокоординатных обрабатывающих центров с программным управлением позволяет изготавливать диски со сложными криволинейными поверхностями тела без проектирования и изготовления сложной технологической оснастки.

Рис. 128. Фасонные резцы для обработки галтелей:

Для чистовой обработки дисков применяют станки с ЧПУ с 30-позиционным инструментальным магазином (обрабатывающий центр) модели DFM30-NCC22001000 фирмы «Хайд» (Австрия) с постпроцессором для применения автоматизированной подготовки производства MINIAPT. На доводочных обработках поверхностей дисков используют карусельно-шлифовальный станок модели КОРС-125 фирмы «Бертье»

(Франция).

Рис. 129. Схема обработки криволинейных поверхностей тела диска:

а – торец обода; б – торец ступицы; в – поверхность обода;

г – конусная поверхность; д – канавка; 1-8 – шаблоны Шпоночные пазы в полостях насадных дисков обрабатывают долблением. Торцевые шпоночные пазы фрезеруют. Чаще всего обработка ведется по разметке с припуском 0,1-0,3 мм на каждую боковую сторону паза; на глубину паза припуск не оставляют.

При наличии в диске нескольких пазов обеспечить их точное расположение при обработке по разметке трудно. В этих случаях целесообразно применять специальные шаблоны. Шаблон представляет собой кольцо, выполненное с центрирующим буртом по ступице диска толщиной 12- мм и имеющее пазы, точно расположенные по окружности. Ширину паза в кольце делают на 1-2 мм больше размера паза в диске, что необходимо при настройке резца щупом. При установке шаблона на диск базой служит отверстие последнего. Точное расположение шпоночных пазов в диске после долбления достигается дополнительной слесарной обработкой.

Проверка перпендикулярности стенок пазов и торца ступицы в рабочих колесах осуществляется при помощи особого шаблона (рис. 130). Этот шаблон состоит из планки 1 с упором А равноплечего рычага 2, микронного индикатора 3 и плоской пружины 4. При помощи эталонного паза индикатор шаблона устанавливается на ноль. Для проверки рабочего паза шаблон устанавливают на торец диска и передвигают его до соприкосновения упора А с проверяемой стенкой паза. При касании упором А стенки паза рычаг 2 под действием пружины также коснется контролируемой стенки, и стрелка индикатора покажет величину отклонения перекоса паза на 100 мм его длины.

В соответствии с требованиями конструкций в некоторых дисках сверлят отверстия и нарезают резьбы.

На рис. 131 изображен многоцелевой станок для фрезерования шпоночных пазов, расположенных с торца втулки диска, а также для сверления отверстий и нарезания резьбы. Станок обеспечивает такую точность расположения отверстий и точность радиального расположения опорных поверхностей пазов, которые исключают полностью или сводят к минимуму пригонку при сборке.

Диск устанавливают в патроне 2 делительной бабки 1. Деление на заданный угол осуществляется устройством, находящимся в делительной бабке. Оно состоит из двухступенчатого привода точного вращения шпинделя. Поворот задается системой с декадными переключателями и дополнительно контролируется цифровой индикацией. Обработка производится инструментом, помещенным в шпиндельной бабке 3. Последней сообщаются настроечные перемещения и движения подачи.

Рис. 130. Схема контроля перпендикулярности стенок шпоночных пазов 1 – планка; 2 – равноплечий рычаг; 3 – микронный индикатор; 4 – плоская пружина Рис. 131. Специальный станок для обработки торцевых шпоночных 1 – делительная бабка; 2 – патрон; 3 – шпиндельная бабка; 4 – основание; 5 – сани;

При настройке должно быть изменено положение шпиндельной бабки в вертикальном и горизонтальном направлениях. Вертикальное перемещение режущего инструмента происходит при движении основания 4 шпиндельной бабки 3 по наклонным направляющим саней 5 вдоль оси шпинделя делительной бабки. Изменение положения шпиндельной бабки 3 в горизонтальном направлении достигается при движении саней 5 по направляющим станины 6. При фрезеровании торцевых пазов в диске вначале осуществляется врезание путем приближения шпиндельной бабки к обрабатываемой детали, а затем включается движение саней по направляющим станины. Обработка отверстия происходит только при движении шпиндельной бабки со скоростью рабочей подачи по горизонтально размещенным направляющим основания шпиндельной бабки.

В дисках (см. рис. 116, д) сделаны отверстия, через которые они соединяются стяжными болтами, проходящими параллельно оси ротора. При сборке отверстия под болты в собираемых дисках должны точно совпадать одно с другим независимо от поворота дисков. Когда все диски будут собраны, каждый болт должен свободно поворачиваться в полости, образованной отверстиями отдельных дисков.

Прогрессивным является процесс, при котором обработка отверстий производится двумя операциями. Первая из них выполняется на созданном для этой цели специализированном горизонтальном станке. Обрабатываемый диск базируется на приспособлении одновременно по полости и торцовой поверхности. Пространственное позиционирование осуществляется с точностью до ±6''. Обработка ведется специальными пушечными сверлами. Их режущие кромки заточены с отрицательным передним углом, что создает лучшие условия центрирования, а следовательно, и сохранения прямолинейности обработанного отверстия. Получение требуемых размеров межосевых расстояний обработанных отверстий осуществляется путем перемещения приспособления. Указанный станок работает по автоматическому циклу. Сначала выдвигаются салазки втулки и фиксируются перед торцовой поверхностью обрабатываемого диска. Затем в режиме быстрого осевого перемещения сверло подается на заранее определенное расстояние от поверхности диска. Вслед за этим происходит переключение на перемещение сверла со скоростью рабочей подачи. В это же время включается и подача смазочно-охлаждающей жидкости. Обработка ведется со скоростью подачи 28,5 мм/мин. По окончании обработки отверстия сверло быстро отводится назад, а поворотная часть приспособления поворачивается в следующую позицию. Цикл в автоматическом режиме повторяется до тех пор, пока не будут обработаны все отверстия.

Во второй операции производится чистовая обработка отверстий, выполняемая также на специализированном станке-полуавтомате. При этом происходит обкатка роликами поверхности отверстий и одновременная с двух сторон расточка фасок. Обкатывание улучшает качество обработки поверхности отверстий и удаляет следы инструмента, которые вызывают концентрацию напряжений.

Пароразгрузочные отверстия располагают на теле диска, приблизительно на его среднем диаметре. Диаметры отверстий колеблются от 30 до 80 мм и зависят от диаметра дисков. Каждое отверстие с обеих сторон диска имеет галтели с радиусом от 2 до 15 мм. Радиус галтелей по всей окружности должен быть одинаков, независимо от уклона поверхности тела диска.

При изготовлении пароразгрузочных отверстий в дисках, имеющих коническую форму полотна (рис. 119, а), возникают трудности в выдерживании радиуса галтели одинаковой величины по всей окружности отверстия. Эти затруднения возрастают с увеличением уклона полотна (рис. 117, б и 120, б). Для удобства обработки диски конической формы следует устанавливать на универсальных поворотно-угловых столах или на конусных подставках так, чтобы образующая конуса расположилась горизонтально. Обработку скруглений выполняют специальными радиусными зенковками; при небольшой конусности полотна диска с этой целью применяют оправки, в которых зенковка установлена на шарнире. Скорость резания для зенковок принимают не больше 3-4 м/мин. После зенкования поверхность скруглений полируют наждачным полотном с помощью деревянных оправок до получения параметра шероховатости Ra = 0,32 мкм.

Рабочие лопатки с вильчатыми хвостами закрепляются на ободе диска заклепками (рис. 132). В зависимости от размеров лопаток используются заклепки диаметром 4-20 мм. Предварительные отверстия под заклепки сверлят до облопачивания диска с припуском 2 мм на диаметр. Расположение отверстий по шагу и в радиальном направлении необходимо выдерживать весьма точно, для чего сверление производят по накладным кондукторам с установленными в них кондукторными втулками. Обработку ведут на радиально-сверлильных станках. При единичном характере производства дисков сверление отверстий можно производить без кондукторов с использованием универсальных делительных приспособлений.

Рис. 132. Схема закрепления лопаток с вильчатым хвостом в пазах дисков:

После окончательной механической обработки до передачи дисков на облопачивание необходимо проверить уравновешенность диска, выполнив статическую балансировку.

3.7. Автофритирование турбинных дисков При насадке дисков на вал применяются натяги, обеспечивающие плотную посадку как при нормальной, так и при разгонной частоте вращения ротора турбины, которая примерно на 10 % выше рабочей.

Обычно величина натяга выбирается такой, что освобождение диска на валу может произойти не ранее, чем при частоте вращения ротора на 12больше рабочей частоты. Для того чтобы выполнить эти условия, приходится использовать большие натяги, вызывающие значительные напряжения при посадке дисков на вал.

Например, в одном из дисков турбины, имеющем наружный диаметр диска 1000 мм при диаметре втулочного отверстия 200 мм, для освобождения диска на валу при частоте вращения 3500 об/мин (рабочая частота вращения составляет 3000 об/мин) был выбран натяг, составляющий 0,224 мм и вызывающий напряжения при посадке на втулочном отверстии, равные 22,4 кН/см2 (2240 кгс/см2).

Для снижения чрезмерно больших напряжений от посадочных натягов завод применял автофритирование турбинных дисков. Сущность этого метода заключается в следующем. Если частота вращения диска начинает превышать такую, которая вызывает напряжение на втулочном отверстии, равное пределу текучести материала, то в кольцевой части диска, примыкающей к втулочному отверстию, возникнут пластические деформации.

При дальнейшем увеличении частоты вращения область пластической деформации будет распространяться вглубь диска в радиальном направлении. Выше этой области, в направлении к периферии диска, где напряжения еще не достигнут предела текучести материала, деформации будут носить упругий характер. Если в этот момент прекратить вращение диска, т. е. снять нагрузку, то материал диска в зоне пластической деформации получит остаточную деформацию.

Кольцевая часть диска, находящаяся над зоной остаточных деформаций и имеющая при вращении диска (т. е. при нагрузке) упругую деформацию, будет сжимать внутреннюю деформированную зону и создавать в ней остаточные сжимающие напряжения. Описанный здесь процесс и называют автофритированием. Если подвергнутый автофритированию диск насадить на вал с натягом, то при вращении его с нормальной рабочей частотой возникающие напряжения будут иметь значительно меньшую величину за счет действия сжимающих напряжений, созданных при предварительном разгоне диска. При этом зона максимальных напряжений переместится вглубь диска, и влияние концентрации напряжений от осевого шпоночного паза не будет таким значительным, как в диске, не подвергнутом автофритированию и имеющем максимальные напряжения во втулочном отверстии.

Применение автофритирования позволяет снизить рабочие напряжения в дисках и, как следствие этого, использовать для дисков материал меньшей прочности, уменьшить длину ступицы, повысить посадочные натяги.

Механическая обработка автофритируемых дисков проходит в два приема: сначала диск обрабатывают под автофритирование с припусками по наружному диаметру и диаметру втулочного отверстия (1,5 мм) по толщине обода (1 мм) и по длине ступицы (0,5 мм). Т-образный паз для лопаток не точат. Затем, уже после автофритирования, все перечисленные припуски снимают, внутренний диаметр втулочного отверстия доводят до чертежного и протачивают пазы под лопатки.

Применение для автофритируемых дисков более дешевых марок сталей существенно снижает их стоимость. Каждая турбина имеет на роторе 10-15 дисков, поэтому суммарная экономия от применения для изготовления дисков более дешевых материалов достигает значительной величины.

Предельная частота вращения nавт при автофритировании дисков устанавливается по следующим данным: марке материала; пределу текучести материала, определяемому по результатам механических испытаний образцов и чертежу; формам и размерам элементов конструкции. Принятая частота вращения и режимы проведения автофритирования должны обеспечить заданную деформацию, определяемую по изменению размера диаметра полости втулки.

На рис. 133 приведен график выбора частоты nавт вращения при автофритировании дисков, обработанных по конкретным чертежам из сталей марок 40Х, 34ХМ 20ХЗМВФ. Для всех дисков расчетное значение остаточной деформации д.ост.р = 0,23 мм, а принятая фактическая допустимая остаточная деформация, определяемая изменением размеров, должна находиться при этом в пределах д.ост.ф = 0,2-0,25 мм. Автофритирование осуществляется на специальной установке, состоящей из турбины, тормозного устройства, защитного кожуха с механическим приводом, масляной системы, гидравлического регулятора безопасности и паропроводов подводящего и выхлопного пара.

На рис. 134 изображена основная часть установки - высокооборотная турбина. Проточная часть турбины выполнена в виде одного колеса скорости, размещенного консольно на валу, и вместе с валом составляет ротор.

На другом конце ротора устанавливается испытываемый диск. Ротор турбины опирается на два подшипника скольжения, смонтированных в основном корпусе, а расположенная за диском консольная часть помещена в подшипник, связанный с перемещающимся корпусом подводной опоры.

На колесе скорости помещены два ряда лопаток. На лопатки, размещенные на ободе колеса скорости, имеющего больший диаметр, через сегмент сопел подается пар для разгона диска, а на лопатки, установленные в ободе меньшего диаметра, – для торможения ротора после проведения автофритирования. Паропроводящая камера выполнена заодно с корпусом. Торможение подачей пара на лопатки производят до частоты вращения не более 1000 об/мин, после чего включается механическое тормозное устройство.

Для определения значений остаточных деформаций диаметр полости диска до испытания тщательно замеряют в нескольких сечениях, перпендикулярных оси. Частота вращения шпинделя, обеспечивающего расчетное значение деформации, для каждого из конкретных размеров дисков устанавливается по подготовленным для этой цели графикам, один из которых изображен на рис. 133.

Рис. 133. График определения частот вращения дисков Рис. 134. Специальная установка для автофритирования дисков:

1– корпус подводной опоры; 2 – вид ротора; 3 – корпус турбины; 4 – механическое тормозное устройство; 5 – сегмент сопел подачи пара при торможении; 6 – сегмент сопел подачи пара при разгоне; 7 – лопатки торможения; 8 – лопатки разгона;

Автофритирование установленного на вал ротора турбины диска после перемещения кожуха в рабочее положение и подготовки турбины выполняется в следующей последовательности. Медленным пуском пара частоту вращения ротора доводят до 500 об/мин. При перекрытии пара установку прослушивают и при отсутствии посторонних шумов пар подают вновь. По достижении частоты вращения до 1500-2000 об/мин турбина прогревается в течение 15 мин. Далее в течение 5 мин частота вращения доводится до 80 % от заданного числа оборотов, а в течение последующих 5 мин – до требуемых. Выдержка на заданных оборотах равна примерно 5-10 с. Измерение после автофритирования производится в тех же точках, что и до начала процесса.

4. ОБРАБОТКА ПАЗОВ И ВЕНЦОВ У РОТОРОВ И ДИСКОВ

4.1. Конструкция элементов, соединяющих диски и роторы Надежная и экономичная эксплуатация турбины во многом определяется состоянием лопаточного аппарата. Отклонение положения лопаток от теоретического может вызвать серьезные нарушения в работе турбины.

Правильность выполнения поверхностей пазов и венцов, сопрягаемых с поверхностями хвостов лопаток, является фактором, обеспечивающим их требуемое положение.

На рис. 135 приведены конструкции элементов отдельных дисков или цельных роторов, поверхности которых соединяют ротор с сопрягаемыми поверхностями хвостов лопаток. В роторах барабанного типа (рис. 135, л) упомянутый элемент выполняется непосредственно в теле ротора. По расположению к оси турбины элементы разделяются на две группы: кольцевой формы, размещенные перпендикулярно к оси (рис. 135, а-е, л), размещенные вдоль оси или под небольшим углом к ней пазы (рис. 135, и, к), и пересекающие обод криволинейные пазы, один из которых изображен на рис. 135, ж. Кольцевые элементы в свою очередь могут иметь форму выточек, а также форму наружных выступающих частей. Первым признаком обладают элементы с Т-образным (рис. 135, а), с вильчатым (рис. 135, г) и елочным профилем (рис. 135, е).

На рис. 135, д, л, элементам придана зубчиковая форма. Поперечные к ободу пазы – рис. 135, ж-к – имеют елочную форму.

Соединение лопаток с дисками или роторами без пригонки и сохранение установленных конструкцией допусков могут быть обеспечены лишь при соблюдении очень высоких требований к поверхностям паза в дисках или роторах.

На рис. 136 изображен елочный паз диска сборного ротора. Соблюдением при обработке заданных требований, часть которых определена Рис. 135. Конструкции элементов, соединяющих диски с хвостами а – Т-образный профиль; б, в – грибовидный профиль; г – вильчатый профиль; д, е, л – допусками на размеры, обеспечивается качество соединения. Кроме того, взаимное вертикальное смещение профилей обеих сторон паза диска допустимо в пределах 0,01 мм, перекрещивание зубцов не должно превышать 0,01 мм на ширине диска.

4.2. Обработка поверхностей пазов и венцов Конструкции элементов соединения с хвостами лопаток как цельных роторов, так и насадных дисков идентичны между собой. Это приводит к идентичности большинства основных переходов операций обработки поверхностей элементов независимо от того, расположены ли они на роторе или на отдельном диске. Аналогичны также режущие, измерительные инструменты и другая применяемая оснастка. Поэтому рассмотрение процессов обработки указанных элементов объединено в настоящем разделе.

Некоторые конструкции элементов роторов или насадных дисков, предназначенные для соединения с хвостами лопаток, представляют поверхности, которые могут быть в процессе обработки образованы только при вращении детали вокруг своей оси. Поверхности элементов других типов конструкций образуются на невращающемся роторе, поэтому технологический процесс обработки ведут по двум схемам:

– токарная обработка;

– фрезерование, протягивание, растачивание.

По первой технологической схеме обрабатываются поверхности элементов (см. рис. 135, а-д) независимо от того, являются ли они элементами насадного диска, или выполнены на неотъемном диске цельнокованой или сварной заготовки. Элемент (см. рис.135, л) является частью ротора барабанного типа, и обработка его поверхностей также производится по рассматриваемой схеме. Для любой из конструкций элементов характерен процесс обработки поверхностей резцом на токарных станках для цельных роторов и на токарно-лобовых - для отдельных дисков.

Использование токарно-лобовых станков для обработки пазов и венцов в дисках является наиболее подходящим, поскольку обслуживающему данный станок рабочему удобно не только наблюдать за обработкой паза, но и удалять стружку.

Для установки и закрепления дисков на лобовых станках применяют жесткие оправки (рис. 137). Оправка состоит из четырех кулаков 1, установленных в гнездах чугунного корпуса и закрепленных винтами 2. Для настройки оправки на разные диаметры необходимо иметь несколько комплектов кулаков разной высоты. Регулирование диаметра оправки в пределах 5-20 мм осуществляется сменными пластинами 3, которые прокладываются между основанием кулаков и корпусом оправки. В нижней части (у основания) оправка имеет цилиндрический направляющий выступ 4, который точно выполнен по центрирующей заточке планшайбы станка. К планшайбе фланец оправки крепится болтами. Шейку оправки под посадку диска точат после окончательного закрепления оправки на станке. Центрирующий выступ 4 обеспечивает концентричную установку оправки на планшайбе станка и предотвращает смещение оправки в радиальном направлении. Окончательную проверку диаметра кулаков производят проточкой их в соответствии с размером отверстия диска. Для посадки на оправку диск 7 без перекоса подвешивается на тросах подъемного крана и плавно заводится на оправку. При этом допускается некоторое смещение самой оправки. Диск окончательно крепится к оправке прижимными планками 5 и шпильками 6.

К изготовлению пазов и венцов предъявляют исключительно высокие требования. Посадочные размеры профилей выполняются с допусками 0,03-0,05 мм. Измерительными базами для обработки профилей пазов и венцов являются наружные диаметры ободов дисков. Непременным условием высокой точности выполнения операции является полное отсутствие биения наружной поверхности обода как измерительной базы.

Ввиду того что при посадке диска на оправку не удается полностью избежать биения наружной поверхности, несмотря на высокое качество подготовки оправки, диски поступают на эту операцию с припуском по наружному диаметру 1-2 мм на сторону. После установки на оправку диск протачивают по наружному диаметру таким образом, чтобы полностью избежать радиального биения наружной поверхности обода. Обработка Т-образного и вильчатого пазов показана на рис. 138 и 139.

Для каждого перехода требуется применение специального резца.

Для вильчатых венцов, изготовляемых с высокой степенью точности, допуски на размеры пазов устанавливаются в очень узких пределах. Кроме того, требуются строгая параллельность боковых поверхностей пазов и правильная прорезка глубоких пазов без увода резца.

Для чистовых переходов (рис. 139) целесообразно применять резцы из твердых сплавов марки Т15К6. Как видно из рассмотренных схем, последовательность обработки паза строится на основе постепенного приближения его профиля к заданным чертежным размерам и форме.

Последовательность обработки вильчатого паза согласуется с построением размерных цепей профиля.

На рис. 140 приведена схема инструментальной наладки токарной обработки грибовидного профиля. Обработка ведется в одиннадцать групп переходов, каждая из которых связана с формообразованием определенного участка профиля набором резцов, размещенных в одном блоке. Установка резцов в блоки осуществляется вне станка. В переходах I-III групп поверхности подготавливаются к чистовой обработке, в остальных группах переходов (IV—XI) поверхности поочередно обрабатываются начисто.

Пазы соединения с хвостами лопаток, расположенные поперечнонаклонно или по кривой к ободу, обрабатываются методом фрезерования, протягивания или растачивания.

Фрезерование пазов в дисках, выполненных заодно с валом, производится на специализированных роторофрезерных станках.

Специализированный роторофрезерный станок модели КУ-324Ф изображен на рис. 141. Станки такого типа предназначены для обработки елочных, в том числе и расположенных по радиусу, пазов (рис. 142). Станина станка имеет два ряда направляющих. В одном ряду размещены два главных люнета, подпорные люнеты и делительная бабка. Ротор укладывается опорными шейками на главные люнеты, а в средней части поддерживается подпорными люнетами. Кроме того, подпорные люнеты фиксируют положение ротора вдоль оси и предохраняют его от осевого смещения во время резания. Станок оборудован двумя силовыми стойками, размещенными на направляющих второго ряда. Это делает возможным одновременную обработку ротора с двух сторон. Радиусные пазы елочного профиля обрабатываются торцовыми резцовыми головками. Каждая шпиндельная бабка кроме главного шпинделя, оснащена быстроходным шпинделем для фрезерования Т-образных и прямых елочных пазов концевыми фрезами. Сменные планетарная и угловая фрезерные головки устанавливаются на шпиндельной бабке одной из силовых стоек.

Планетарная фрезерная головка предназначена для фрезерования радиусных и наклонных к ободу пазов концевыми фрезами. Угловую фрезерную головку применяют также для фрезерования концевыми фрезами замковых вырезов.

Поворот ротора на угол окружного шага производится путем единичного деления и осуществляется автоматическим механизмом, встроенным в делительной бабке. Для контроля положения ротора после поворота и для деления с повышенной точностью делительная бабка оснащена оптической головкой с ценой деления 5".

Станок оборудован трехкоординатной системой цифровой индикации и предварительного набора параметров обработки. Управление станком может осуществляться в наладочном, кнопочном и автоматическом режимах. Изменение всех скоростей главного привода и привода подач осуществляется бесступенчато с пультов управления. Конструкцией станка предусмотрены механизмы гидроразгрузки продольных салазок стоек ротора в главных люнетах и гидростатические подшипники главных шпинделей.

На станке также возможна и обработка одного или нескольких дисков. Для этого диск или комплект дисков устанавливают на оправку. Кроме фрезерования пазов, в которых размещаются хвостовые части лопаток, на станке возможна также обработка шпоночных пазов и пазов другого назначения.

На рис. 143 изображен специализированный комбинированный станок с ЧПУ, предназначенный для обработки пазов для хвостовой части лопаток в роторах, а также в отдельных насадных дисках.

Станина станка состоит из трех частей: двух наружных с направляющими 1 и 5; средней с направляющими 3. На направляющих средней части станины размещены делительное устройство 4 и люнеты 2 и для укладки в них обрабатываемого ротора на опорные шейки, а также основание с поворотным столом 9, предназначенным для установки диска.

Рис.137. Оправка для установки диска на станке:

1 – кулаки; 2 – винты; 3 – сменные пластины; 4 – направляющий выступ;

Рис. 138. Последовательность обработки Т-образных пазов в дисках:

1, 4, 5, 7 – предельные глубиномеры; 2, 6, 8 – предельные скобы; 3 – предельная пластина; 9 – шаблон для установки резца; 10-14 – профильные шаблоны Рис. 139. Последовательность обработки пазов вильчатого венца диска:

1, 4, 5 – предельные скобы; 2, 3, 6 – предельные пластины; 7, 11 – глубиномеры;

Рис. 140. Схема инструментальных наладок токарной обработки грибовидного профиля:

Рис. 141. Специализированный роторофрезерный станок модели КУ-324Ф1:

1 – станина; 2, 6 – силовые стойки; 3, 5 – главные люнеты; 4 – подпорный люнет; 7 – делительная бабка; 8 – главный шпиндель;

На направляющих каждой из наружных станин размещены силовые стойки, две из которых (10 и 11), установленные по обе стороны от люнетов, предназначены для обработки пазов в дисках роторов, а две (6 и 7), размещенные по обе стороны от поворотного стола, – для фрезерования пазов в отдельных дисках.

На станке такого типа возможна обработка пазов роторов и отдельных дисков, расположенных перпендикулярно, наклонно и по дуге к ободу. Шпиндели, предназначенные для работы с большой нагрузкой, установлены на вращающемся барабане. Путем его вращения достигается высокоточное выполнение пазов по дуге окружности.

Рис. 143. Специализированный комбинированный станок в ЧПУ для фрезерования пазов для хвостовой части лопаток в роторах и дисках:

1, 5 – наружные направляющие; 2, 8 – люнеты; 3 – средняя направляющая;

4 – делительное устройство; 6, 7 – силовые стойки для фрезерования пазов в отдельных дисках; 9 – поворотный стол; 10, 11 – силовые стойки для фрезерования пазов в дисках Индексирующее устройство, управляемое с помощью системы ЧПУ, предназначено для периодического поворота детали и управления циклом работы, а также переменой скоростей и подач.

Гидростатические опоры облегчают поворот при индексировании и гарантируют высокую точность позиционирования.

На станке обрабатываются роторы диаметром 710-1930 мм и диски диаметром 1220-3050 мм. Наибольшая масса обрабатываемых роторов 45 500 кг.

Обработку профиля пазов (см. рис. 142) в отдельных дисках производят на модернизированных токарно-лобовых станках.

На рис. 144, б показана установка диска на модернизированном токарно-лобовом станке. Для поворота диска под обработку каждого следующего паза на суппорте станка смонтировано делительное приспособление.

На планшайбе станка закреплена переходная втулка с фланцем для крепления сменных резцовых головок. Первой резцовой головкой производится предварительная прорезка всех пазов в виде ступенчатого профиля (рис. 144, в, позиция 1) под дальнейшую разделку на конус. Затем устанавливается вторая головка, и все пазы прорезаются на конус (рис. 144, в, позиция 2). Для окончательного профилирования пазов (рис. 144, в, позиция 3) устанавливается третья головка с профильными зубчиковыми резцами.

Обработку елочных пазов под хвостовики лопаток газовых турбин ГТ-6-750, ГТН-16 УТМЗ и ГТ-25-700 ЛМЗ выполняют на специальных горизонтально-фрезерных станках.

Фрезерование профиля паза выполняют специальными профильными фрезами, применяя поэтапную обработку с постепенным приближением к окончательному профилю хвостовика. Комплект фрез (рис. 145) включает три-четыре фрезы для черновой, предчистовой и чистовой обработки. Обработку елочных пазов можно осуществить более прогрессивным методом - методом протягивания на горизонтально-протяжных станках, набором блоков протяжек с постепенным приближением к окончательным размерам профиля паза. На рис. 146 изображена схема протягивания в дисках газовых турбин, пазов зубчикового профиля. Протягивание осуществляется блоками протяжек. На позициях I-VI обрабатывается паз, ограниченный прямолинейными участками. Дно паза начисто обрабатывается в позиции V. Фасонная часть профиля предварительно обрабатывается с припусками под чистовое протягивание так, как это показано в позиции VII. В остальных позициях (VIII-XI) чистовыми протяжками поочередно симметрично с двух сторон обрабатываются отдельные участки профильных поверхностей. Припуски под чистовое протягивание зубчиковых участков назначаются в пределах 0,1-0,3 мм.

В рассматриваемом случае блоки представляют собой корпуса коробчатой формы, в пазы которых устанавливаются и закрепляются по несколько протяжек длиной до 875 мм. Сопрягаемые с приспособлением протяжного станка поверхности блоков определяют положение протяжек в процессе обработки.

Протягивание осуществляется на модернизированном горизонтально-протяжном станке модели 7А540 (рис. 147). Сущность модернизации заключается в доукомплектовании его рядом узлов.

Диск перед протягиванием устанавливается на планшайбе 11, закрепляется зажимами 3 центрирующего устройства 7, помещенного на салазках 12. Центрирующее устройство имеет возможность перемещаться вместе с диском и планшайбой по вертикально расположенным направляющим 2. Ось поворота планшайбы наклонена соответственно углу наклона пазов в диске. Деление на заданный шаг производится делительным механизмом 6, а фиксация в позиции – фиксирующим механизмом 5. Оба механизма расположены в корпусе салазок. Вдоль станка в полости станины расположен силовой гидравлический цилиндр 14, поршень которого штоком 13 связан с ползуном 9, перемещающим протяжку 4. Последняя поддерживается опорами 10. Под протягивание первого паза диск ориентируется фиксатором 8.

Базирование осуществляется по полости во втулочной части диска и торцовой части обода. В тех случаях, когда цилиндрическая поверхность полости не задана с необходимой для базирования точностью, вводится выверка положения диска по цилиндрической поверхности обода. Допускаемое биение поверхности после выверки находится в пределах 0,02 мм.

В сборных роторах требуется строгое совмещение пазов состыкованных между собой дисков. Для обеспечения этого условия поворот диска, устанавливаемого под протягивание, ограничивается относительно приспособления станка фиксацией по поверхности одного из отверстий под стяжные болты. Это отверстие помечается и служит в дальнейшем базой при сборке.

Протягивание пазов в дисках из стали марки 15Х12ВНМФ выполняется со скоростью резания 0,9-1,1 м/мин. Эти режимы оптимальны при применении смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) следующего состава, мас. %:

Сульфофрезол

Касторовое масло

Рис.144. Схемы обработки елочного радиального паза на токарно-лобовом а – диск и профиль паза; б – установка диска на станке;

Рис. 145. Профильные фрезы для фрезерования профиля паза в дисках и роторах газовых Рис. 146. Схема протягивания пазов в дисках Кроме того, чистовую протяжку рекомендуется смазывать составом, кг:

Стеарин

Молотая сера

На шероховатость поверхности и стойкость протяжки влияет шероховатость обработки режущих кромок протяжек. Для достижения требуемой шероховатости кромки доводятся кругами из сверхтвердых синтетических материалов. При доводке передних граней используются круги Л1175 х 20 х 3 зернистостью Л5; при доводке задних граней - круги ЛЧК125 х 20 х 5 или АЧК125 х 20 х 5 зернистостью Л6-Л8. Концентрация – 100%, связка - КБ.

Дальнейшее совершенствование процессов протягивания пазов в дисках заключается в применении длинномерных (свыше 6 м) протяжек, обеспечивающих протягивание на специально созданных для этого длинноходовых горизонтально-протяжных станках за небольшое число проходов.

Рис. 147. Модернизированный горизонтально-протяжной станок для протягивания пазов в дисках:

1 – станина; 2 – направляющие; 3 – зажимы; 4 – протяжка; 5 – фиксирующий механизм; 6 – делительный механизм;

7 – центрирующее устройство; 8 – фиксатор; 9-ползун; 10 – опора; 11 – планшайба; 12 – салазки; 13 – шток;

Освоено протягивание пазов в дисках из аустенитной стали с наибольшим диаметром более 1000 мм и с массой, превышающей 800 кг. Для каждого диска предусматривается три комплекта протяжек. Один комплект предназначен для черновых проходов, второй - для чистового прохода и третий – для калибровки на размер. Скорость протягивания – от 4, м/мин (для первого чернового прохода), до 1,8 м/мин (для калибровочного прохода).

5. ОБРАБОТКА СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ МУФТ

5.1. Назначение и конструкция соединительных муфт Соединительные муфты предназначены для соединения между собой роторов, а также для передачи крутящего момента от отдельных роторов турбины к ротору машины, приводом которой они являются (ротор генератора, компрессора, гребного винта и т. п.).

По своей конструкции муфты подразделяются на жесткие, полугибкие, гибкие. Жесткие муфты по конструктивному исполнению могут изготовляться за одно целое с валом ротора в виде фланца в виде насаживаемых на концы ротора полумуфт. Жесткие муфты связаны между собой болтами и не допускают перемещения валов. Они могут применяться в турбинах как малых, так и больших мощностей.

Полугибкие муфты выполнены в виде двух насаживаемых на концы роторов полумуфт, связанных между собой промежуточной соединительной частью (одной или двумя), которая имеет гофрированную или волнистую форму. Наличие деформации соединительной части муфты, имеющей волнистую форму, обусловливает незначительное угловое смещение осей обоих валов. Полугибкие муфты применяют для соединения роторов среднего и низкого давления.

Гибкие муфты имеют разнообразную конструкцию (зубчатые, эвольвентные, пружинные, кулачковые). При их использовании возможно некоторое относительное смещение соединяемых роторов в осевом и радиальном направлениях, а также угловое смещение, т.е. неточности при центровке роторов в процессе монтажа турбины способствуют ликвидации возможной расцентровки роторов в период эксплуатации.

В стационарном турбиностроении наиболее широко применяются муфты жесткие (рис. 148, а, б), гибкие (рис. 148, в), допускающие некоторое относительное смещение соединяемых роторов в радиальном и осевом направлениях, и полугибкие (рис. 148, г). Конструктивное выполнение гибких муфт бывает самое разнообразное. Зубчатые муфты показаны на рис. 149, а, кулачковые – на рис. 149, б, пружинные – на рис. 149, в.

Рис. 148. Конструкция соединительных муфт:

1 – полумуфта; 2 – соединительная часть;

а – жесткая; б – гибкая; в – полугибкая Рис. 149. Типы соединительных муфт:

а – зубчатая; б – кулачковая; в – эвольвентное зацепление зубьев;

2 – зубчатый венец; 3 – полумуфта ротора; 4 – звездочка; 5 – муфта Муфты служат проверочными базами при центровке роторов. При эксплуатации они испытывают большие напряжения, поэтому к качеству изготовления деталей муфт предъявляются весьма высокие требования.

5.2. Виды заготовок и применяемые материалы Заготовки деталей соединительных муфт поступают обычно в виде поковок, которые затем подвергают механической обработке и тем же контрольным и термическим операциям, что и валы (травлению на флокены, взятию серных отпечатков, закалке и отпуску с проверкой механических свойств). На турбостроительные заводы заготовки поступают в неободранном состоянии. Поэтому до термической обработки заготовки начерно обрабатывают с припусками 5 мм под дальнейшую обработку. В местах заготовки, откуда будут вырезаны кольца для изготовления из них образцов, припуски составляют 45 мм и более.

На рис. 150 приведены поковочные и обдирочные эскизы деталей полугибкой муфты, соединяющей ротор среднего (РСД) и ротор низкого давления (РНД) паровой турбины К-200-130. На рис. 150, а показана заготовка полумуфты, а на рис. 150, б – соединительной части. Жирной линией очерчен контур поковки, а штриховой – контур начерно обработанной под термическую обработку заготовки. Указанные численные значения определяют размеры поковки, допуски на них и припуски под черновую обработку до термической обработки и припуски под дальнейшую обработку.

Рис. 150. Поковочные и обдирочные эскизы деталей полугибкой муфты Материалом для изготовления муфт обычно служат хромомолибденовые и хромоникелемолибденовые стали 34ХМА, 35ХМ, 34ХН1М и 34ХНЗМ.

Основными требованиями, предъявляемыми к конструкции муфт, являются следующие: торцовое биение фланцев жестких муфт, изготовленных заодно с валом, не должно быть выше 0,02 мм; радиальное биение по центрирующему выступу – не более 0,02 мм, а по наружному диаметру фланца – 0,03 мм.

Параметры шероховатости цилиндрических поверхностей фланца, центрирующего выступа (выточки), отверстий во фланце под соединительные болты должны быть Ra = 2,5 мкм; торцовой поверхности фланца – Ra = 2,5 мкм. Точность выполнения размеров наружного диаметра фланца, отверстий под соединительные болты должна соответствовать 7-му квалитету, а центрирующей выточки – 9-му квалитету.

Для жестких муфт с насадными деталями и полугибких муфт торцовое биение отдельных деталей составляет не более 0,03 мм; радиальное биение по наружному диаметру фланцевых соединений – 0,03 мм; шероховатость по наружному диаметру фланцевого соединения Ra = 1,25 мкм;

точность выполнения наружного диаметра фланцев и отверстий под соединительные болты – по 8-му квалитету; при конусной посадке полумуфты на вал ротора для конусности 0,5 % допускается отклонение по конусной части ±0,05 %, а шероховатость конусной (посадочной) части Ra = 1,25-0,63 мкм (пригонка конусной части производится по краске);

шпоночные соединения по ширине паза выполняют по 3-му квалитету точности, непараллельность граней паза между собой по отношению к оси не должна превышать 0,03-0,04 мм.

Для гибких муфт требования по торцовому радиальному биению, точности обработки, параметрам шероховатости поверхностей такие же, как и для полугибких муфт. Осуществляется тщательная пригонка полумуфт и промежуточной части по рабочим поверхностям для достижения необходимого контакта (эвольвентного зацепления по зубьям, кулачковых муфт по кулачкам). При изготовлении пружинных муфт необходимо соблюдать конструктивные требования, предъявляемые к качеству пружин и пазов под пружины.

5.4. Технологические процессы обработки муфт Рассмотрим механическую обработку полугибкой муфты, применяемую для соединения роторов цилиндров среднего (ЦСД) и цилиндров низкого (ЦНД) давления турбины К-200-130 (см. рис. 148, г).

Заготовки в виде поковки поступают на турбостроительный завод.

На заводе осуществляется проверка по размерам заготовительного чертежа для определения припусков, сверяется с паспортом клеймение марки материала и плавки.

Первой операцией механической обработки полумуфты является черновая обработка на карусельном станке кругом (припуск составляет 5 мм на сторону). Заготовка поступает на термическую обработку для снятия внутренних напряжений. После термообработки заготовка вновь возвращается в механический цех, и перед окончательной обработкой из специально оставленных припусков на карусельном станке вырезают кольца для определения остаточных напряжений и механических свойств материала поковки. При получении положительных результатов испытания полумуфту устанавливают на карусельный станок фланцем меньшего диаметра в кулачки, а фланцем большего диаметра – вверх. Наружный диаметр фланца обрабатывают за одну установку. Затем растачивают центральное отверстие на конус 1:200 (0,5 %), подрезают торец фланца до размера (50±0,2) мм. Полумуфту переустанавливают, точность ее установки проверяют по индикатору с точностью до 0,02 мм. Подрезают второй торец и обрабатывают цилиндрические поверхности по наружным диаметрам с образованием радиусных переходов по чертежу.

Соединительную часть муфты после черновой механической обработки и термообработки и получения положительных результатов по механическим свойствам материала обрабатывают на карусельном станке с припуском 3 мм на сторону от чистовых размеров чертежа. Заготовку направляют на вторичную термическую обработку для повторного снятия внутренних напряжений.

Затем соединительную часть устанавливают на карусельный станок стороной, имеющей диаметр фланца (920±0,2) мм, в кулачки, подрезают фланец до размера (56±0,2) мм, протачивают диаметр 935 мм. С помощью электрокопировального устройства станка производят обработку внутренних диаметров с образованием необходимых радиусных и наружных поверхностей соединительной части муфты. Деталь переустанавливают с проверкой биения по торцу фланца и окружности с точностью 0,03 мм.

Производят обработку оставшихся необработанных поверхностей. Отверстие диаметром (920±0,2) мм и второй торец фланца протачивают с припуском 1,5 мм (соответственно 923 0,,04 мм и (646,5±0,05) мм), которые необходимы при проточке в собранном виде на роторе.

Затем на столе радиально-сверлильного станка устанавливают соединительную часть (фланцем, имеющим припуск 1,5 мм по торцу и наружному диаметру), на нее накладывают полумуфту с центровкой по диаметру 920 0,,02 мм, наносят осевые риски и по ним устанавливают кондуктор. Через кондуктор производят сверление, зенкерование и развертывание 20 отверстий диаметром 40 Н7.

Через кондуктор осуществляют долбление двух шпоночных пазов шириной 80 Н9 с припуском 0,1-0,3 мм под слесарную подгонку по ротору.

Установив полумуфту на столе станка, необходимо тщательно проверить параллельность граней пазов к оси центрального отверстия.

Соединительную часть на столе радиально-сверлильного станка переустанавливают и по кондуктору, устанавливаемому на фланец диаметром 923 0,,01 мм, производят сверление, зенкерование и развертывание с припуском 0,15-0,25 мм 20 отверстий диаметром 40 Н7 для дальнейшего совместного развертывания их при центровке роторов ЦСД и ЦНД по полумуфтам. Фланец диаметром 923 0,,01 мм обрабатывают специально для установки кондуктора.

При изготовлении гибких муфт требуется выдержать следующее дополнительное требование. В целях обеспечения надежной передачи крутящего момента необходимо соблюсти должный контакт в зацеплении, что достигается пригонкой; при изготовлении пружинных муфт требуется тщательное соблюдение конструктивных требований к качеству самих пружин и пазов под пружины, чтобы обеспечить одновременную работу всех витков пружины и равномерное распределение между ними нагрузки от крутящего момента.

Заключительной станочной операцией при обработке зубчатых муфт является нарезание зубьев, а в пружинных муфтах – пазов под пружины. В том и другом случае заготовку укрепляют на приспособлении с центровкой по отверстию в качестве установочной базы. Измерительными базами служат наружная цилиндрическая и одна из торцовых поверхностей. Точность установки 0,015-0,02 мм. Точность шага зубьев у зубчатых муфт определяется точностью зуборезного станка. После нарезания зубьев контакт с сопрягаемой деталью проверяют на специальном приспособлении.

Прорезание пазов под пружины производят с помощью специального делительного приспособления. Для получения ромбической формы выступов (см. Р на рис.148, в) стол приспособления устанавливают наклонно. Прорезку пазов производят в два прохода: первый – справа, второй – слева.

Окончательно обработанные торцовую и внутреннюю цилиндрическую поверхности вторично подвергают травлению на флокены и с них снимают серные отпечатки; затем места заготовки, подвергавшиеся травлению, заполировывают. Заключительной операцией является слесарная обработка в целях зачистки острых кромок и заусенцев.

6. ОБРАБОТКА ЛАБИРИНТОВЫХ УПЛОТНЕНИЙ

6.1. Конструкция уплотнений, технические требования Некоторые поверхности ротора или поверхности установленных на нем деталей являются частью уплотнений. Профили уплотнений имеют валы роторов или втулки лабиринтовых уплотнений, а также набранные в диски лопатки. Виды профилей уплотнений, соединенных с лопатками бандажей, изображены на рис. 151. На рис. 151, а, изображен бандаж из специально прокатанной полосы. Бандаж, изображенный на рис. 151, б, представляет собой гладкую небольшой толщины ленту, бандаж, приведенный на рис. 151, в, имеет сложную форму и является частью сложного лабиринтового уплотнения. Бандаж также может быть образован полками головок лопаток, которые, сопрягаясь после установок лопаток в пазы ротора, образуют обод (рис. 151, г). Поверхности бандажей обрабатываются с соблюдением допусков, обеспечивающих предельные значения зазоров между ними и поверхностями деталей уплотнения статора.

На рис. 152 приведены конструкции уплотнений, полученных точением профиля непосредственно на роторе (рис. 152, а), либо образуемых завальцованными в тело ротора кольцами (рис. 152, б). Последнее получило наибольшее распространение в конструкциях РВД и РСД мощных паровых турбин.

В кольцевые выточки вала ротора устанавливаются уплотнительные кольца в виде тонких усиков толщиной 0,3 мм из стали марки 12Х18Н9Т.

Закрепляются кольца в выточках расчеканенной проволокой из стали марки 12X13 диаметром 1,6 мм.

Гребенчатые уплотнительные втулки (рис.153) являются частью концевых лабиринтовых уплотнений. Они насаживаются на вал ротора в горячем состоянии на шпонках с натягом около 0,2 мм при диаметре вала 400-600 мм. Втулки имеют на наружной поверхности гребешки разной высоты, расположенные с определенным шагом.

В новейших высокотемпературных турбинах в роторах высокого и среднего давления от применения втулок, насаженных на вал, отказались.

При такой конструкции наблюдалось ослабление посадки втулок на вал в процессе пуска из-за большой разницы температур втулки и вала, что приводило к разрушению лабиринта. Поэтому в конструкциях турбин с высокими параметрами пара выступы вытачиваются непосредственно на валу турбины. Насадные втулки применяются для турбин с невысокими параметрами пара и в роторах низкого давления современных мощных турбин. Характер конструкции уплотнений также изменился. Концевые уплотнения роторов НД состоят из наклонных усиков, выточенных на насадных втулках, и уплотнительных колец с наклонными усиками в обоймах статора.

а – втулка ротора турбины П-165; б – втулка ротора турбины АТ-25-2; в – втулка ротора турбины низкого давления; г – втулка ротора низкого давления турбины АТ-25- Такие уплотнения не уступают по экономичности лабиринтовым (требующим больших шагов) и полностью исключают возможность задевания при относительных смещениях ротора и статора.

К втулкам лабиринтовых уплотнений предъявляются следующие технические требования. Полость втулки обрабатывают с допуском на размер диаметра по 2-му классу точности, конусность и овальность полости при этом не должны превышать 0,02 мм. Толщина усиков должна быть выдержана в пределах 0,05 мм; осевое расположение усиков от торца втулки, определенного базой, должно находиться в пределах ±0,05 мм. Допуск на размер диаметра усиков соответствует 3-му классу точности, а овальность наружных поверхностей находится в пределах допуска на размер. Биение наружных поверхностей усиков относительно оси полости не должно превышать 0,08 мм. Шероховатость поверхности Ra = 2,5 мкм, а остальных поверхностей Rz = 20 мкм.

6.2. Технологический процесс обработки гребенчатой втулки Втулки лабиринтовых уплотнений изготавливаются из кованых заготовок. Наиболее сложный профиль имеют гребенчатые втулки "елочных" уплотнений. Поэтому ниже, в качестве примера, рассматривается технология обработки именно таких втулок. В качестве материала для гребенчатых втулок обычно применяется сталь 34ХМА, при температурах пара, близких 500° С – сталь 25ХМФ. Заготовки втулок подвергают тем же контрольным и термическим операциям, что и заготовки валов.

Гребенчатая втулка предварительно обрабатывается с припуском по 3 мм на сторону, а затем передается на термическую обработку для снятия напряжений. На рис. 154 показана последовательность обработки втулки.

После термической обработки втулку зажимают в кулачки патрона (рис. 154, а) и окончательно обрабатывают отверстие и один торец. Вторую торцовую плоскость со стороны кулачков подрезают на глубину 10- мм при помощи оправки с резцом (рис. 154, б). В связи с опасностью пережима втулки кулачками патрона окончательную обработку отверстия рекомендуется вести на карусельном или токарном станке с креплением не в кулачках, а на планшайбе с прижимом планками в торце втулки.

Для прорезки гребешков втулку центрируют на короткой оправке по отверстию (рис. 154, в), крепят шайбой, уложенной на передний торец, и шпилькой, ввинченной в оправку. Диаметр шайбы не должен превышать диаметр переднего торца. Сама оправка крепится в кулачках. Гребешки втулки имеют повторяющиеся впадины различных аксиальных размеров.

Прорезку впадин проводят в два прохода, при этом оставляют на последний проход припуск по 1 мм на сторону. При прорезке пазов аксиальные размеры выдерживают по упорам, ориентируясь на торцовую плоскость.

Рис. 154. Схема обработки гребенчатой втулки:

а-в – до формообразования профиля; г-к – непосредственно профиля втулки Глубину канавок устанавливают по нониусу или по упорам с проверкой шаблоном и предельной пробкой.

В некоторых втулках отдельные гребешки, имеющие максимальный размер, не повторяются, что затрудняет использование шаблона, так как нет второй опорной базы для него. В этом случае на расстоянии шага, т. е.

повторяющегося профиля, ближайший гребешок оставляют на высоте, равной высоте наибольшего гребня. Таким образом, искусственно создается вторая опора для шаблона. После окончательной обработки гребешков эту опору срезают. Диаметры впадин проверяют микрометрической скобой со специально вставленными ножками.

РАЗДЕЛ 4. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСОВ

ЦИЛИНДРОВ ТУРБИН, КОРПУСОВ НАГНЕТАТЕЛЕЙ,

КОРПУСОВ ПОДШИПНИКОВ, ВКЛАДЫШЕЙ,

ДИАФРАГМ И УПЛОТНЕНИЙ

1. НАЗНАЧЕНИЕ И УСЛОВИЯ РАБОТЫ СТАТОРА ТУРБИН

И НАГНЕТАТЕЛЕЙ ПРИРОДНОГО ГАЗА

Статором называется комплекс всех неподвижных частей турбины, состоящий из корпусов турбины и подшипников, а также неподвижных деталей проточной части: сегментов сопел, обойм, диафрагм, уплотнений, – непосредственно взаимодействующих с вращающимся ротором. Статоры играют роль базирующей детали, т. е. части турбины, на которою устанавливаются и координируются, в пределах необходимой для работы турбины точности, большинство ее узлов и деталей. Основными деталями статора являются корпуса цилиндров и подшипников с фундаментными рамами, воспринимающие все статические и динамические нагрузки работающей турбины. Корпуса цилиндров и подшипников соединены системой шпоночных связей, которая обеспечивает их надежное центрирование и свободное тепловое расширение элементов работающей турбины без нарушения центровки.

Особое внимание при изготовлении деталей статора уделяется обработке опорных плоскостей цилиндров и корпусов подшипников, а также сопряжению их с плоскостями фундаментных рам. Отклонение от правильной геометрической формы этих плоскостей приведет к расцентровке турбины при тепловом расширении в процессе ее работы.

Наиболее важными деталями статоров являются корпуса цилиндров (рис. 155). Цилиндры турбины работают в исключительно тяжелых условиях и имеют очень большие температурные перепады. Так, например, в цилиндре среднего давления турбины К-300-240 ЛМЗ разность температур в передней и задней частях цилиндра составляет до 540 оС. В современных стационарных газовых турбинах температура в передней части доходит до 800 оС и более, а в части низкого давления – лишь до 300-350 оС.

Цилиндры высокого давления некоторых турбин подвергаются действию пара, имеющего давление до 3000 Н/см2 (300 кгс/см2) и температуру 650 оС, а цилиндры низкого давления в то же время находятся под вакуумом до 0,3 Н/см2 (0,03 кгс/см2) при температуре 50-60 оС. Так как в корпусах турбин имеются горизонтальные и вертикальные разъемы, то при эксплуатации турбины необходимо обеспечить хорошую герметичность цилиндров для предотвращения "пропаривания" разъемов в зоне высоких давлений или подсоса воздуха внутрь цилиндра в зоне вакуума.

Рис. 155. Нижние половины корпусов цилиндров и подшипника Большое внимание при обработке цилиндров следует уделять качеству опорных поверхностей, к которым пар прижимает обоймы и диафрагмы внутри цилиндра. Неудовлетворительное состояние этих поверхностей приводит к внутренним неплотностям, повышению внутренних потерь, снижению КПД турбины.

Разновидность конструкций цилиндров паровых и газовых турбин, выпускаемых различными заводами, определяется в основном разным назначением турбин. Технические требования к производству и сборке цилиндров и других деталей створов турбин подробно рассматриваются ниже.

1.2. Общие сведения о корпусе нагнетателя В качестве примера выбран нагнетатель Н-16-76-146 с газотурбинным приводом мощностью 16 МВт, которые вместе составляют газоперекачивающий агрегат ГТН-16 мощностью 16 МВт (рис. 156).

Нагнетатель указанной установки представляет собой одноступенчатый центробежный компрессор, предназначенный для перекачки природного газа по магистральным газопроводам. Габариты корпуса: длина 2100, ширина 3200 и высота 2000 мм.

Конструкция корпуса нагнетателя существенно отличается от конструкции турбинных корпусов, однако в своем роде вполне технологична. У корпуса нагнетателя нет ни горизонтального, ни вертикального разъемов, что обеспечивает абсолютную герметичность камеры всасывания и нагнетания газа.

Рис. 156. Газоперекачивающий агрегат ГТН- Заготовка выполнена сварно-литой конструкции из легированной стали марки 20 ГСА. Подготовка под сварку, сварка и термическая обработка сварного корпуса выполняются литейным цехом по технологическому процессу отдела главного металлурга.

Технологический процесс механической обработки и сборки корпуса нагнетателя значительно отличается от обработки и сборки корпусов паровых и газовых турбин.

Наиболее сложная операция – расточка под установку корпуса опорноупорного подшипника – выполняется токарями высокой квалификации. Особо точно должна быть выполнена операция расточки места в картере под установку опорно-упорного подшипника.

Для обеспечения высокой точности посадки опорно-упорного подшипника в осевом и диаметральном положении посадочные размеры корпуса подшипника выполняются по фактическим замерам результатов расточки в картере.

2. КОРПУСА ЦИЛИНДРОВ ПАРОВЫХ И ГАЗОВЫХ ТУРБИН

2.1. Особенности конструкции и технологичность корпусов Характерной особенностью конструкции корпусов цилиндров и подшипников турбин является наличие у них разъемов в горизонтальной плоскости. У корпусов цилиндров турбины в части низкого давления обычно имеются разъемы также и в вертикальной плоскости. Горизонтальный разъем делит каждый корпус на верхнюю и нижнюю половины, обеспечивая, таким образом, возможность сборки корпусов подшипников с вкладышами и корпусов цилиндров с деталями проточной части (обоймами, диафрагмами, ротором).

В зависимости от назначения, мощности и параметров рабочей среды корпуса турбин могут быть различными по конструкции и форме. Мощность турбин влияет на габаритные размеры, а параметры рабочей среды - на выбор марок материалов, конструктивных форм и толщин стенок корпусов. Постоянное повышение параметров пара и газа, развитие регенерации и рост мощностей в одном агрегате сопровождаются увеличением размера цилиндров, усложнением их конструктивных форм и применением высоколегированных специальных сталей.

Вследствие сложности конструктивных форм как внутренних, так и наружных поверхностей цилиндров при наличии паровых каналов, подвергаемых механической обработке, наиболее технологичным видом заготовок для цилиндров (кроме крупных выхлопных частей) являются отливки.

При разработке конструкций турбин необходимо тщательно учитывать все особенности технологии литья и последующей механической обработки корпусов. Для применения наиболее целесообразных технологических процессов при изготовлении заготовок и их дальнейшей обработке необходимо, чтобы спроектированные корпуса при обеспечении требуемых эксплуатационных качеств были бы наиболее удобными, простыми и экономичными в производстве, т.е. удовлетворяли бы основным требованиям технологичности.

Для обеспечения качества и производительности процесса механической обработки корпуса турбин должны иметь хорошие технологические базы и места для надежного крепления их на станках. При отсутствии у корпусов конструктивных поверхностей (в виде, например, паровпускных и паровыпускных патрубков с фланцами), которые могут быть приняты за базы для установки и крепления корпусов на станках, необходимо предусматривать специальные технологические приливы или площадки. Базовые площадки, обработанные при одной установке на первой операции, обеспечивают высокую точность выполнения последующих операций, так как сохраняется единство баз и, как следствие, снижается величина ошибок, накопленных при переустановках обрабатываемых деталей на станках. Форма и расположение технологических приливов и площадок должны быть типовыми и, следовательно, обеспечивать условия для создания универсальных установочных устройств, позволяющих надежно и без деформаций крепить корпуса для их обработки и применять высокие режимы резания.

Если нельзя сделать простые формы корпусов турбин по условиям протока пара, то их целесообразно изготовлять сварными или сварно-литыми.

Такие корпуса состоят из отдельных более мелких и простых отливок или из комбинаций литых и кованых деталей, предварительно обработанных под сварку.

Для обеспечения необходимой плотности стыков фланцы горизонтального разъема корпусов должны иметь значительную толщину. Так, например, в паровой турбине CKP-IOO толщина фланцев наружного ЦВД составляет 550 мм. При этом, с точки зрения конструкции, толстые фланцы сопрягаются непосредственно с относительно тонкими стенками, что вызывает большие трудности в литейном производстве из-за образования пороков литья, обычно сосредоточенных в местах перехода от фланцев к стенкам. В эксплуатации турбин эта особенность конструкции цилиндра также вызывает затруднение, сказывающееся на замедлении процесса прогрева машины перед пуском, так как толстые фланцы прогреваются значительно медленнее тонких стенок, а разность температур отдельных участков корпуса во избежание его коробления нельзя допускать более чем до 30 °С.

Для уменьшения толщины фланцев горизонтального разъема и толщины стенок корпуса применяются двухстенные конструкции цилиндров, т.е.

создаются наружный и внутренний корпусы, что позволяет снизить разность давлений, действующих на каждый корпус, и повысить тепловую эластичность цилиндра в целом. В качестве примера можно привести цилиндр высокого давления паровой турбины К-300-240. Применение двухкорпусной конструкции дает возможность упростить форму каждого из корпусов и облегчить производство отливок.

Повышение литейной технологичности корпусов достигается также за счет установки диафрагм при помощи обойм, а не прямо в цилиндр, хотя это и ведет к некоторому увеличению трудоемкости механической обработки и сборки.

В литых корпусах, имеющих карманы или глухие камеры, как, например, в сопловых коробках турбины К-300-240, следует предусмотреть технологические отверстия для очистки внутренних поверхностей этих карманов от формовочной земли, пригаров и литейных неровностей. При химической очистке литья эти отверстия используются для контроля качества очистки.

Цилиндры среднего и низкого давления (ЦСД, ЦНД) современных мощных турбин имеют большие габаритные размеры и вес. Например, размеры только нижней половины выхлопной части ЦНД турбины К-300-240 составляют 9840 x 9000 x 2900 мм. Поэтому, несмотря на то, что действующие напряжения в выхлопных частях ЦНД и температурные условия при эксплуатации позволяют применять для таких цилиндров чугунное литье, изготовляют их все сварными из литых и листовых заготовок. Изготовление крупных корпусов сварными вместо литых объясняется нетехнологичностью их в литом исполнении. При литом исполнении пришлось бы значительно увеличивать толщину стенок и габариты. Цилиндр получился бы очень громоздким и тяжелым.

Производство больших литых чугунных цилиндров из-за дефектов литья и трудностей их исправления не представляется возможным.

2.2. Материалы для корпусов турбин и виды заготовок При работе турбины корпус испытывает высокие механические и температурные напряжения и подвергается коррозионному и эрозионному воздействию рабочей среды. Корпуса турбин изготовляются литыми, сварными, сварно-литыми и иногда коваными или штампованными, например, для газовых турбин.

Выбор марки материала для цилиндров турбин определяется температурой рабочей среды. Важным критерием выбора являются также благоприятные технологические свойства данного материала, соответствующие принятому виду заготовок. Для литых корпусов материал должен обладать хорошими литейными свойствами, т.е. хорошей жидкотекучестью, небольшой усадкой, малой склонностью к трещино- и пленообразованию и небольшой чувствительностью к различным скоростям охлаждения как после выбивки отливок из опок при повышенных температурах, так и в готовых изделиях;

материал должен также надежно сохранять определенные механические свойства как при комнатной, так и при рабочей температурах. Для сварнолитых корпусов важным критерием является свариваемость.

Материалы корпусов должны хорошо обрабатываться на металлорежущих станках.

Распространенным и дешевым материалом для отливок является серый чугун, из которого могут изготовляться корпуса турбин, работающие под умеренным давлением в зоне невысоких температур. Высшим температурным пределом, до которого может быть использован чугун повышенного качества, следует считать температуру 250 °С при давлении до 200 Н/см2 (20 кгс/см2).

Под влиянием высокой температуры происходит "рост" чугуна. Чугун постепенно изменяет структуру и увеличивает свой объем. Этот процесс идет тем быстрее, чем чаще меняется температура и чем она выше. Увеличиваясь в объеме, отливка становится "рыхлой", и прочность ее значительно уменьшается.

Для корпусов турбин применяются чугуны марок СЧ 21-40 и СЧ 28-48.

Общие требования к качеству чугунного литья состоят в обеспечении нормальной структуры материала, отсутствия раковин, шлаковых включений и неплотностей. В соответствии с температурными условиями работы турбин из чугуна можно изготовлять выхлопные части малых турбин, корпуса осевых компрессоров газовых турбин, корпуса подшипников, фундаментные рамы.

При рабочих температурах свыше 250 °С для изготовления литых корпусов применяются углеродистые и легированные стали. Марки наиболее распространенных в турбиностроении литейных сталей, их механические свойства и температуры применения указаны в табл. 38.

Характеристики некоторых марок литейных сталей, применяемых Марки стали Предел прочности Относительное Относи- Температура Для цилиндров газовых турбин, изготовляемых из аустенитных сталей, в нашей отечественной практике применяются (кроме указанных в табл. 38) стали ЛА1, 1Х18H9T и др. Стоимость стального литья для корпусных деталей турбин в значительной мере зависит от степени легирования сплава, сложности и веса отливок.

Металлургические заводы-поставщики выпускают отливки термически обработанными, с механическими свойствами, соответствующими данным маркам стали (табл. 36). Прибыли, литники, литейные ребра должны быть обрублены. В отливках не допускаются трещины, видимые невооруженным глазом, раковины, пористость, рыхлость и посторонние включения. Выявление дефектов производится методами травления, керосиновой пробы, ультразвуковым дефектоскопом, проникающим излучением. Допустимые дефекты устанавливаются при сравнении с эталонами и в соответствии с техническими условиями. Поверхности отливок должны быть счищены от формовочной земли и окалины. Исправление литейных дефектов на заводе-поставщике допускается путем заварки (после полного удаления дефектного металла) с указанием в паспорте, сопровождающем отливку, дефектных мест и их размеров.

Завод-поставщик проводит контроль механических свойств отливки. Результаты испытания также указываются в паспорте отливки. В отливках из легированных сталей радиусные переходы и места для питателей полируются и контролируются травлением.

Повторные механические испытания отливок и, кроме того, проверка твердости по Бринеллю в различных местах отливки в целях выявления разброса механических свойств по всей заготовке проводятся на турбиностроительном заводе.

Перед началом выполнения работ по механической обработке все отливки корпусов очищают, а затем их принимает представитель ОТК завода.

Качество отливки определяется на основании результатов химического анализа плавки, механических испытаний, внешнего осмотра и обмера. В необходимых случаях, где визуальный осмотр оказывается недостаточным, производят керосиновые испытания и травление отдельных мест.

Механические свойства материала отливки проверяют на образцах, изготовляемых из пробных планок, которые могут быть отлиты отдельно либо вместе с корпусом (в качестве приливов). Пробные планки для образцов должны проходить все виды операций термической обработки совместно с отливками корпусов.

Для определения механических свойств изготовляются следующие образцы: один для испытаний на растяжение, два на ударную вязкость и один для испытания на изгиб.

Испытания на растяжение производятся на круглых образцах, имеющих расчетную длину l0 = 5d 0 (где d 0 – диаметр расчетной части образца) и конусный плавный переход от головки образца к его стержню. Для определения ударной вязкости изготовляются образцы типа Менаже с размерами 10 х 10 х 55 мм. Для пробы на холодный изгиб берут образцы размером 10 х 20 х 160 мм.

При получении неудовлетворительных результатов хотя бы по одному из видов испытаний проверка по данному виду повторяется на двойном количестве образцов. При неудовлетворительных результатах повторного испытания, полученных хотя бы на одном образце, отливку корпуса подвергают повторной термической обработке вместе с пробными планками для образцов и вновь производят все установленные механические испытания.

Дефекты отливок исправляют методом заварки, которая должна быть выполнена до термической обработки отливки. Химический состав и механические свойства материала, наплавляемого при заварке, должны соответствовать нормам, установленным для материала отливки.

Необходимость повторной проверки качества материала отливок на заводе–изготовителе турбин основана на многолетнем опыте производства и большой ответственности за качество выпускаемых турбин. Затраты времени на указанный контроль учитываются в цикловых графиках.

Для обнаружения скрытых дефектов отливки подвергают гидравлическим испытаниям, которые обычно производятся после окончательной обработки. Условия проведения гидравлических испытаний и их порядок оговариваются в чертежах на отливку. Обнаруженные при гидравлических испытаниях дефекты устраняют заваркой.

На необрабатываемой наружной поверхности каждой принятой отливки зачищают шлифовальным кругом площадку (карточку) размером х 80 мм, на которой ставится клеймо ОТК о приемке отливки, и указывают номера плавки, проб и чертежа отливки. На эту же карточку в дальнейшем клеймят данные о результатах гидравлических испытаний.

Производить механическую обработку отливок до получения удовлетворительных результатов механических испытаний образцов не разрешается.

Статоры современных турбин состоят из нескольких частей, из которых основными, т. е. базирующими, деталями турбин являются корпуса подшипников и цилиндры низкого давления со встроенными в них корпусами задних подшипников. Эти детали воспринимают на себя основные статические и динамические нагрузки и определяют требуемое положение турбины относительно фундамента.

Из всех поверхностей, образующих наружный и внутренний контуры всех частей цилиндров турбины, наиболее ответственными по своему служебному назначению и требующими особо тщательного выполнения являются поверхности каналов подвода, распределения и отвода рабочей среды, а также внутренние расточки всех частей корпусов под установку вкладышей, обойм, диафрагм, уплотнений и опорные плоскости нижних половин цилиндров и корпусов подшипников. Исключение в этом случае составляют цилиндры высокого давления некоторых конструкций турбин, у которых опорные поверхности расположены на верхних половинах корпусов.

Цель технических требований к качеству механической обработки указанных поверхностей – обеспечить высокие аэродинамические показатели тракта для протекания рабочей среды, возможность свободного теплового расширения каждой части корпуса во всех направлениях без нарушения их соосности, точное выполнение мест под установку и фиксацию деталей статора и ротора, необходимую плотность горизонтальных и вертикальных разъемов цилиндра, внутреннюю плотность по горизонтальным разъемам диафрагм и обойм, а также по прилеганию диафрагм и обойм к расточкам цилиндров и др.

От характера и точности соблюдения технических требований к обработке корпусов в значительной степени зависят надежность и экономичность турбины. Содержание основных технических требований к обработке корпусов указывается ниже.

Все поверхности отливок корпусов, не подвергающиеся механической обработке на станках, должны быть очищены от окалины дробеструйным аппаратом или другими методами. Поверхности, омываемые паром или маслом, подлежат наиболее тщательной очистке от литейных неровностей и окалины до металлического блеска. Все внутренние необрабатываемые поверхности корпусов подшипников, омываемые маслом, после очистки необходимо покрывать маслостойкой краской.

Все плоскости горизонтальных и вертикальных разъемов обрабатываются шабрением, шлифованием, притиркой или любой другой финишной операцией так, чтобы при сборке, без применения каких-либо прокладок на разъемах, была обеспечена полная герметичность корпуса при номинальном давлении рабочей среды. Разъемы корпусов турбин высоких параметров пришабриваются по второму классу точности (12-17 пятен на площади 25 х 25 мм, с проверкой по слабо окрашенной плите); средних параметров – по третьему классу (7-11 пятен) и низких параметров – по четвертому классу (3-6 пятен). Проверка плоскости разъема контрольной плитой должна производиться в нижней части корпуса, так как она имеет наибольшую протяженность; верхняя часть проверяется по нижней. Meжду сопрягаемыми плоскостями при затянутых болтах щуп толщиной 0,04 мм не должен проходить. У цилиндров высокого давления, имеющих толстые фланцы, при свободном наложении одной части цилиндра на другую без затяжки болтами зазор в разъеме не должен превышать 0,05 мм. Отверстия для установочных (фиксирующих) болтов или штифтов должны быть выполнены по второму классу точности и не ниже Ra = 1,25 мкм показаний чистоты поверхности. Риски и задиры на поверхностях отверстий не допускаются. Конусность и овальность допускаются в пределах половины поля допуска на обработку по второму классу точности. Чтобы предупредить задиры, между поверхностями установочных болтов (штифтов) и отверстий предусматривается зазор 0,01-0,02 мм, который обеспечивается шлифовкой болтов по замерам с места. Эти детали должны вводиться и выводиться из соответствующих отверстий легкими ударами медного молотка.

Расточки всех соединяющихся по вертикальному разъему частей корпуса должны быть соосными, и их общая ось должна находиться в плоскости горизонтального разъема корпуса. Несовпадение общей оси расточки корпуса с плоскостью горизонтального разъема допускается разными заводами в пределах от 0,1 до 0,25 мм. Конусность и овальность всех растачиваемых поверхностей допускаются в пределах половины поля допуска на диаметр.

Отклонение от перпендикулярности торцовых плоскостей в расточенной части корпуса к оси расточки допускается не более 0,08 мм на длине торца.

Непараллельность оси расточки корпуса относительно опорных фундаментных поверхностей допускается не более 0,1 мм на длине опор. Непараллельность шпоночных пазов, расположенных на опорных фундаментных поверхностях корпусов подшипников, относительно оси расточки допускается не более 0,05 мм на длине паза.

Отверстия с резьбой, расположенные на функционально-ответственных фланцах (плоскости горизонтального и вертикального разъемов, плоскости сопряжения с паровыми коробками и пусковыми клапанами и др.), должны быть выполнены с такой точностью, чтобы шпильки завинчивались в них достаточно туго.

Существующие типы элементов конструкции корпусов турбин имеют большое разнообразие вследствие различия турбин по назначению (стационарные, судовые), виду энергоносителей (паровые, газовые), мощности и параметрам рабочей среды. Однако, несмотря на внешнее различие, общим для корпусов турбин является наличие горизонтального разъема, разделяющего корпус на верхнюю и нижнюю половины, что создает принципиальную общность технологических процессов для всех корпусов турбин. Первой основной операцией механической обработки всех корпусов является обработка горизонтальных разъемов.

У большинства корпусов, а у корпусов турбин, имеющих большие габариты обязательно, кроме горизонтального разъема имеются и вертикальные разъемы. На рис. 157 и 158 показаны две типичные конструкции корпусов паровых турбин: соответственно без вертикальных разъемов и с вертикальными разъемами. Корпус (рис. 158) разделен на три части вертикальными разъемами А и Б, что сделано в целях уменьшения веса отливок, улучшения технологии их изготовления и упрощения механической обработки. Эти части представляют собой технологические узлы. Первый узел состоит из деталей 1 и 4, второй – из деталей 10 и 16, третий – из деталей 11, 13 и 14. Обоймы также являются технологическими узлами и состоят каждая из двух частей: 2 и 3; и 20; 6 и 19; 7 и 18; 8 и 17; 9 и 15.

Корпуса, аналогичные корпусу на рис. 158, в собранном виде почти никогда не обрабатываются. Каждая из частей корпуса, т. е. соединенные детали 1 и 4; 10 и 16; 11, 13 и 14, подается на сборку корпуса после полной механической обработки, произведенной независимо от других частей корпуса. То же относится и к обоймам. Сборка деталей 12 и 13 и растачивание в них отверстий а и б также производятся отдельно от корпуса турбины. Для этого после растачивания отверстия диаметром 300 мм деталь 13 с корпуса турбины снимается. Следовательно, для сравнения технологических схем обработки рассмотренных здесь конструкций корпусов надо принимать во внимание не весь корпус, а каждую его часть (деталь в сборке 1 и 4; 10 и 16 или 11, 13 и 14), представляющую собой самостоятельные типовые технологические узлы.

Рис. 157. Цилиндр высокого давления турбины ВКТ-100 мощностью 100 МВт:

А – опорная базовая плоскость, В-Д – перпендикулярные относительно оси расточки плоскости, I-IV – расточки для установки Рис. 158. Корпус турбины АП-25-2 мощностью 25 МВт:

1-20 – детали и части цилиндра; А, Б – вертикальные разъемы;

а, б – отверстия для деталей валоповоротного устройства Рис. 159. Корпус турбины мощностью 5000-7000 кВт:

1-8 – детали корпуса; А – опорная базовая плоскость; Е, В – вертикальные разъемы Вертикальные разъемы, вызваны стремлением улучшить качество литья, облегчают и упрощают механическую обработку. Корпуса, аналогичные показанному на рис. 157, растачивают в основном на расточных станках (в собранном виде или по половинам), а показанные на рис. 158 – на карусельных. Растачивание на карусельных станках в большинстве случаев является более удобным и производительным. Вместе с тем все части корпуса, разделенные по разъемам А и Б, могут обрабатываться одновременно на нескольких станках, что значительно сокращает общий цикл обработки корпуса, а следовательно, и всей турбины. В этом одно из больших преимуществ вертикальных разъемов.

В отличие от рассмотренных выше двух типов корпусов, корпус и его элементы на рис. 159 имеют вертикальный разъем, не являющийся общим для верхней и нижней половин. При такой конструкции верхние и нижние половины частей корпуса перед чистовой обработкой горизонтальных разъемов и чистовой расточкой соединяются по вертикальным разъемам, после чего в собранном виде обрабатываются по горизонтальным разъемам.

Для обработки различных конструкций корпусов паровых турбин можно рекомендовать единый типовой технологический маршрут (т.е. перечень основных этапов процесса обработки). Работы, перечисленные в перечне как предварительной, так и окончательной обработки, названы здесь этапами, поскольку многие из них состоят из нескольких самостоятельных операций.

Например, этап "обработка плоскостей горизонтальных разъемов базовых площадок и фланцев у верхней и нижней половин по разметке" состоит из многих операций.

2.5. Особенности обработки литых заготовок Отливки частей корпуса вначале подвергаются обдирке, в которой и заключается сущность предварительной механической обработки. Для того чтобы вскрыть имеющиеся в отливке раковины и другие дефекты, при обдирке необходимо снимать как можно больший слой металла, оставляя минимальный практически допустимый припуск на окончательную обработку.

При выборе припусков на чистовую обработку нужно учитывать деформации, возникающие при термической обработке отливок после обдирки.

Опытным путем установлено, что для отливок малых размеров величины припусков могут быть равны 1-2 мм, для средних – 1-3 мм и для крупных – 2-5 мм на сторону.

На разных мелких площадках, бонках и прочих свободных функционально неответственных поверхностях припуски на чистовую обработку можно не оставлять, или, если указанные поверхности невелики, при предварительной обработке их можно не обрабатывать.

Обдирке предшествует ряд подготовительных операций: проверка отливок и разметка; обмер толщин стенок (для судовых турбин), что может выполняться с помощью ультразвуковых приборов; комплектация половин корпусов, которая заключается в подборе литых заготовок верхних и нижних половин цилиндров, наиболее подходящих друг к другу по размерам.

Очистка отливок. Отливки поставляются в механический цех без прибылей и литников, очищенными от формовочной земли, проконтролированными на отсутствие поверхностных литейных дефектов и термически обработанными. Все литейные дефекты должны быть исправлены поставщиком заваркой. Однако большая ответственность за качество поставляемых турбин заставляет турбинные заводы производить у себя дополнительную очистку отливок и повторный контроль качества. Как показывает практика, очистка, проведенная в литейных цехах, может считаться лишь предварительной. Поэтому одной из первых операций предварительной обработки чугунных и стальных отливок в механическом цехе является весьма тщательная окончательная очистка их от окалины как снаружи, так и внутри, особенно поверхностей, омываемых в работающей турбине паром или маслом. Очистка производится в дробеструйной камере с помощью дробеструйных аппаратов мелкими фракциями чугунного или стального песка. Установлено, что лучшим материалом для дробеструйной очистки является не круглая дробь, а колотые стальные или чугунные куски мелкой фракции (0,2-0,5 мм).

После дробеструйной очистки на поверхности отливки более ясно обозначаются мелкие литейные дефекты. Для более надежного выявления дефектов необходимо до дробеструйной очистки все поверхности отливки обильно смазать керосином. Керосин легко проникает в мелкие трещины и поры. Благодаря этому после обработки дробью на чистой поверхности отливки значительно облегчается выявление дефектов по керосиновым пятнам, образующимся возле дефектных мест. Целесообразно в этих же целях применять флуоресцирующие составы, легко проникающие в поры лопаток.

В местах, не доступных для шлангов дробеструйного аппарата, например в паровых и масляных каналах, очистка должна выполняться с особой тщательностью. В таких случаях применяются пневматические машинки, снабженные гибким валом с абразивным кругом, или пневматические зубила разных форм и длины. Обследование плохо доступных мест производится с помощью металлического зеркала, закрепленного на длинной рукоятке.

Особый контроль отливок из жаропрочных материалов. В связи с применением в турбиностроении высоких параметров пара и газа возникла необходимость широкого использования жаропрочных сталей и сплавов, способных длительно работать при высоких температурах. Поэтому в производстве корпусов турбин возникли новые задачи, вызванные появлением в жаропрочном литье дефектов, которых не было в отливках из углеродистых сталей.

Наиболее опасными из выявленных дефектов жаропрочных отливок корпусов явились рыхлость и внутренние раковины, расположенные на различной глубине отливки и не обнаруживаемые при механической обработке.

Оставаясь необнаруженными, эти дефекты существенно снижают надежность корпуса в процессе эксплуатации турбины. Характерными дефектами таких отливок являются также мелкие трещины, находящиеся на любой глубине залегания и на поверхностях отливок у радиусных переходов. Кроме того, в отливках из жаропрочных сталей наблюдается разброс твердости в различных местах заготовок. Наличие существенных дефектов в жаропрочных отливках поставило турбинные заводы перед необходимостью резко повысить требования к контролю их качества в целях повышения надежности турбин.

В технологию предварительной механической обработки корпусов внесено много дополнительных контрольных и механических операций, связанных с различными способами обнаружения и удаления дефектов литья. Основными способами повышенного контроля являются:

- визуальный осмотр после дробеструйной обработки поверхности отливок;

- травление радиусных переходов, мест подвода питателей, плоскостей разъема и мест приварки сопловых и паровых коробок; радиусные переходы, подлежащие травлению, указываются на эскизе отливки, составленном заказчиком и согласованном с поставщиком; перед травлением места контроля шлифуются до Ra = 1,25 мм (шероховатости);

- ультразвуковая дефектоскопия (УЗД) плоскостей разъема и стенки цилиндра (на спинке) на полосе шириной 0,5 м; чистота обработки плоскостей разъема под УЗД должна устанавливаться практически сообразно применяемым приборам;

- керосиновая проба по всем поверхностям, за исключением камер отбора пара; керосиновая проба и травление производятся до выполнения сварки корпуса и последующей термической обработки, а также вторично после отпуска для снятия сварочных напряжений;

- рентгенографирование корпусов цилиндров, которое выполняется в необходимых случаях по требованию ОТК.

Нормы на приемку по каждому из видов испытаний устанавливаются техническими условиями и эталонами. Объем и методы повышенного контроля качества отливок могут уточняться по мере накопления опыта в производстве и эксплуатации.

Устранение дефектов стальных отливок производится так, как описано выше, т.е. заваркой с последующими термической обработкой и контролем.

сварно-литых заготовок корпусов цилиндров Для изготовления сварно-литых корпусов (рис. 160) конструкторским бюро завода выпускаются сборочный чертеж и комплект детальных чертежей. По детальным чертежам производятся отливка и механическая обработка деталей под сварку, по сборочному чертежу – сборка, сварка и окончательная механическая обработка корпуса. Размеры в детальных чертежах указываются с учетом припусков на окончательную механическую обработку, выполняемую уже после сварки.

Предварительная механическая обработка верхней и нижней половин цилиндра под сварку ведется в соответствии с рассмотренным выше технологическим маршрутом.

Рис. 160. Верхняя половина сварно-литого корпуса с приваренными сопловыми и паровыми коробками:

1 – верхняя половина корпуса; 2 – сопловые коробки; 3 – фланцы;

Перед сваркой с корпусом паровые и сопловые коробки подвергают гидравлическому испытанию, что позволяет своевременно выявить и устранить литейные дефекты, так как осмотр и исправление сопловых коробок после сварки их с цилиндром весьма затруднительно или даже вообще невозможно выполнить.

До сборки под сварку отливки корпуса тщательно осматривают. Все дефектные места (трещины, раковины и т. п.) отмечают мелом, вырубают или высверливают до полного удаления пороков и травят. Если травление показывает удовлетворительное состояние поверхности разделки дефектного места, то его заваривают.

После исправления отливок заваркой обязательна термическая обработка для снятия внутренних напряжений. Во избежание повторения дорогого и довольно длительного процесса термической обработки его обычно выполняют уже после сварки корпуса с сопловыми и паровыми коробками. Если дефекты обнаруживаются при окончательной механической обработке, а их заварка и последующая термическая обработка могут вызвать изменение размеров корпусов, вопрос о целесообразности заварки и вторичной термической обработки решается в каждом отдельном случае главным металлургом завода.

Для правильной сборки деталей под сварку изготовляются и применяются специальные сборочные приспособления, представляющие собой устройства для взаимного фиксирования и закрепления свариваемых деталей в том положении, которое они должны занимать в готовой детали. Приспособления должны быть наиболее простыми. Для примера на рис. 161 показано приспособление для сборки под сварку внутреннего цилиндра турбины Рс сопловыми коробками, выполненное в виде отдельных блоков. Благодаря такому простому устройству устанавливается правильное положение сопловых коробок относительно корпуса.

Корпуса турбин с высокими параметрами пара изготовляются из жаропрочных хромомолибденовых сталей. Сварку таких сталей производят с нагревом при строгом соблюдении теплового режима, поскольку они при сварке в холодном состоянии могут давать трещины. Район сварки нагревают до температуры не ниже 250-300 °С, которая должна сохраняться в течение всего процесса сварки. Для предохранения от остывания деталь укутывают асбестовым полотном, а места сварки оставляют открытыми. Если температура становится ниже 250°, производят вторичный подогрев. После сварки корпус полностью укутывают асбестовым полотном для медленного охлаждения в течение 12 ч.

Очистку сварных швов от брызг и шлака и контроль проводят после охлаждения. Контроль обычно производят наружным осмотром, однако по требованию ОТК выполняют местное сверление, вырубку зубилом и просвечивание рентгеном. Вырубленные места заполировывают и травят. Их заварка производится электродами определенных марок, чтобы состав материала шва был аналогичным основному металлу отливок.

Для сварки и заварки дефектов деталей из сталей перлитного класса ЦНИИТМашем разработан ряд специальных марок электродов. Например, для сварки и заварки дефектов деталей из стали 20ХМФЛ разработаны электроды марки ЦЛ-20, для деталей из стали 15Х1М1Ф – электроды марки ЦЛ-27, для сталей 15ХМФКР, 15Х2М2ФБС – электроды марки ЦЛ-26М.

Окончательная механическая обработка после сварки и термической обработки сварно-литых корпусов ведется в соответствии с приведенными выше технологическими маршрутами.

Рис. 161. Приспособление для сборки под сварку внутреннего цилиндра турбины Р-100/130 с сопловыми коробками:

1 – внутренний цилиндр; 2 – сопловая коробка; 3 – болт; 4 – блок фиксирующий Оба корпуса двухстенной конструкции, внутренний и наружный (рис. 162), обрабатываются предварительно и окончательно в соответствии с типовыми маршрутами, рассмотренными выше. Исключение составляют патрубки подвода пара к внутреннему корпусу через наружный, которые обрабатываются после окончательной сборки внутреннего и наружного корпусов под растачивание.

После окончательной сборки корпусов, как показано на рис. 162, б, но до приварки патрубков 4, через наружный корпус производят обработку отверстий в сопловых коробках внутреннего корпуса. Такая обработка может быть ограничена только первым проходом резца (т.е. снятием первой стружки), чтобы получить базу, обеспечивающую возможность окончательной раздельной обработки отверстий после разборки корпусов, в более удобных условиях. При большой серийности для такой обработки целесообразно применять специальные кондукторы.

2.8. Особенности обработки сварных корпусов цилиндров Выхлопные части цилиндров паровых и газовых турбин большой мощности имеют значительный вес и габаритные размеры. Так, например, размеры выхлопной части турбины K-200-130 составляют по длине около 3000 мм, по ширине 9000 мм и по высоте около 6000 мм (рис. 163). Изготовляемые из стальных листов, эти части не являются достаточно жесткими и могут деформироваться как под влиянием собственного веса, так и от действия внешних сил, например при закреплении на стайках под обработку. Упругие деформации, допущенные при установке, вызывают искривление общей линии оси расточки после открепления детали и снятия ее с расточного станка. Это искривление обнаруживается при сборке в виде несоосности внутренних расточек под вкладыши, обоймы, уплотнения и другие элементы корпуса турбин.

Растачивание выхлопных частей производят как на расточных, так и на карусельных станках любым из описанных выше методов. Однако, как показывает опыт, наиболее целесообразным методом обработки (и особенно внутреннего растачивания) таких нечетких конструкций является растачивание их на цилиндрорасточных станках с установкой на конструкторские базы, т.е. на те поверхности, которые служат опорами детали в работающей турбине. При этом установку следует производить на динамометрах, добиваясь равенства реакций на симметричных опорах, как это делается при монтаже турбин на заводском стенде или на электростанциях. Такой метод позволяет исключить ошибки от упругих деформаций из-за различных способов установок деталей на станках и при монтаже турбин.

Корпуса газовых турбин и осевых компрессоров, также свариваемые из листовой стали, представляют собой еще менее жесткие детали (рис. 164).

Для их обработки приходится изготовлять особые приспособления или применять специальные, жесткие каркасы-спутники. Будучи закрепленной в таком спутнике, деталь проходит все виды обработки и освобождается из него только после полного окончания всех процессов обработки.

Рис. 162. Схема сборки внутреннего и наружного корпусов турбины К-300-240:

а — вид на разъем; б — сечение по паропроводящим патрубкам; 1 — наружный цилиндр; 2 — внутренний цилиндр; 3 — сопловая коробка (приваривается к внутреннему цилиндру); 4 — патрубок паровпуска;

5 — сегмент стопорный; 6 — кольцо поршневое; 7 — втулка; 8 — кольцо центровочное; А—А — узел центрирующей задней шпонки; Б—Б — узел центрирующей передней шпонки; В—В — разрез по опорным Рис. 163. Конструкция сварных корпусных деталей ЦНД Рис. 164. Конструкции сварной корпусной детали цилиндра ГТУ При механической обработке корпусов одной из наиболее ответственных задач является правильное базирование корпуса на станке или в приспособлении. Во многих случаях точность обработки и величина вспомогательного времени зависят от того, каким образом осуществляется базирование и закрепление детали на станке или в приспособлении.

Технологические базы нужно выбирать еще в процессе конструирования корпуса. Дня простоты установки и надежного крепления детали в процессе обработки в конструкции корпусов должны предусматриваться специальные приливы и площадки (рис. 165). Особое внимание следует уделять выбору установочных баз для нежестких деталей, деформирующихся под действием даже относительно небольших усилий.