拉桿式燃氣輪機轉(zhuǎn)子彎曲度修正技術(shù)研究

朱永祥，冷進明，唐仕東

（東方汽輪機有限公司，四川德陽618000）

某拉桿式燃氣輪機（簡稱燃機）轉(zhuǎn)子是由兩個軸頭與若干個輪盤疊裝而成，通過拉桿壓緊。由于每個零部件都存在形位誤差，在裝配后轉(zhuǎn)子可能會存在一定的彎曲度，必須采取措施進行修正。由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的特殊性，在轉(zhuǎn)子接配完成后，轉(zhuǎn)子各輪盤、中間軸及接配環(huán)外圓均不能夠采用外圓車削的方法消除跳動。如果轉(zhuǎn)子彎曲不太嚴重，可以對轉(zhuǎn)子兩端軸頭的外圓進行借偏心加工，達到轉(zhuǎn)子彎曲度修正的目的；如果轉(zhuǎn)子出現(xiàn)較為嚴重的彎曲，則必須將轉(zhuǎn)子解體，對輪盤的接配端面進行車削，通過改變輪盤端面的平行度來達到修正轉(zhuǎn)子彎曲度的目的。筆者對上述兩種方案進行了詳細的分析，并提出了具體的實施措施，解決了轉(zhuǎn)子彎曲度修正難題。

1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

該燃機轉(zhuǎn)子為拉桿式結(jié)構(gòu)，主要由壓氣機軸頭、壓氣機輪盤、中間軸、接配環(huán)、空氣分離器、透平輪盤等幾大部分組成（見圖1）。壓氣機部分在接配時主要靠止口定位、拉桿壓緊的方式進行連接。中間軸與接配環(huán)通過止口定位、拉桿壓緊，將轉(zhuǎn)子的壓氣機部分與透平部分連接到一起；透平輪盤的連接采用了端面齒定位、拉桿螺栓壓緊的連接方式［1］。

圖1 燃機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

該轉(zhuǎn)子裝配后總長為12 000mm，總質(zhì)量約80t，轉(zhuǎn)子最大直徑（無葉片）為2 200mm。轉(zhuǎn)子裝配完成后要求中間軸外圓跳動不大于0.05mm，壓氣機及透平部分跳動不大于0.08 mm，見圖2。

圖2 燃機轉(zhuǎn)子跳動要求（單位：mm）

2 轉(zhuǎn)子接配及解決思路

子的彎曲度值，而且可能會使轉(zhuǎn)子的彎曲度增大。

由于拉桿式燃機轉(zhuǎn)子是由若干個輪盤及其他裝配件疊加組成的，每一個輪盤都存在形位誤差，在組裝后要達到要求的精度非常困難，因此時常會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子彎曲的情況；同時由于該轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特殊，在轉(zhuǎn)子接配完成后，轉(zhuǎn)子各輪盤、中間軸及接配環(huán)外圓均不允許采用車削外圓的方法消除跳動。

轉(zhuǎn)子接配后可能產(chǎn)生如下情況：

（1）轉(zhuǎn)子接配后，整根轉(zhuǎn)子的跳動值均滿足要求，這時可以直接進行兩端軸頭補充加工。

（2）轉(zhuǎn)子接配后，轉(zhuǎn)子體部分位置跳動數(shù)據(jù)超差。如超差量不大，可以采取借偏心的方法加工透平軸頭外圓或者壓氣機軸頭外圓來修正轉(zhuǎn)子的跳動；如超差量較大，必須將轉(zhuǎn)子解體。對輪盤的接配端面進行加工，改變輪盤兩端接配面的平行度，然后再重新接配轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的跳動滿足要求或者達到可以通過借偏心修正轉(zhuǎn)子跳動的水平。這種情況又可以細分為：①轉(zhuǎn)子各截面跳動偏差的方位一致，轉(zhuǎn)子的中心彎曲狀態(tài)呈香蕉形；②轉(zhuǎn)子各截面跳動偏差的方位各不相同，轉(zhuǎn)子中心彎曲呈麻花形。

對于轉(zhuǎn)子是否需要采用解體，通過修配接配面的方法來修正轉(zhuǎn)子彎曲度，很難用特定的數(shù)據(jù)進行界定，必須對所有輪盤的跳動值進行綜合計算分析，選取最佳的方案。

在對轉(zhuǎn)子進行解體修正輪盤接配面的時候，必須準確計算出轉(zhuǎn)子需要解體的位置、輪盤接配面修正的方位及修正量；否則，不僅不能減小轉(zhuǎn)

3 轉(zhuǎn)子跳動檢測及數(shù)據(jù)處理

檢測轉(zhuǎn)子各截面、各方位的跳動值，計算出轉(zhuǎn)子的彎曲度，從而進行轉(zhuǎn)子彎曲修正方案的制定。

燃機轉(zhuǎn)子上車床后，夾透平側(cè)軸端外圓，中心架托壓氣機側(cè)軸頸，按兩軸頸找正，允差0.005mm。在轉(zhuǎn)子圓周方向以a標記為起始位置，均勻分8個測量點，并按順時針方向在機床卡盤上作好標記（a～g）。將轉(zhuǎn)子在低速（2～10r／min）下旋轉(zhuǎn)至少4h后，開始對數(shù)據(jù)進行測量（見圖3）。

圖3 轉(zhuǎn)子跳動測量示意圖

測量時，采用電子百分表，通過數(shù)據(jù)采集器與筆記本電腦進行連接，通過數(shù)據(jù)采集器采集同一輪盤上a～g點的跳動值，并將這些跳動值記錄到Excel表格中（見表1）。將基準點（a點）的數(shù)據(jù)進行置零，通過計算將其他各點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相對于基準點的跳動值。計算出轉(zhuǎn)子軸心在各方位上的偏差值，例如：軸心在a-e方向上的偏差值為：（a點的跳動值-e點的跳動值）／2。

表1 跳動數(shù)據(jù)記錄表

表1 （續(xù)）

將轉(zhuǎn)子各截面處軸心在4個方位上的偏差值繪制成曲線圖（見圖4），便可得出轉(zhuǎn)子在4個方位上的軸心曲線，從而直觀地看出轉(zhuǎn)子的彎曲狀態(tài)。

圖4 轉(zhuǎn)子軸心曲線圖

4 轉(zhuǎn)子修正方法判定

如果表1中的數(shù)據(jù)均能滿足產(chǎn)品設計要求，可以直接進行兩端軸頭的補充加工；對于不能進行直接按正常工序車削的情況，采用以下的方法進行分析計算：

（1）按照1∶1的比例將轉(zhuǎn)子軸心線的公差帶畫出，見圖5。

圖5 軸線曲線公差圖（單位：mm）

（2）將轉(zhuǎn)子各方位的軸心連線放置到公差圖中，同時轉(zhuǎn)子各部位必須與公差帶的位置相對應，超出公差圖的部分就是轉(zhuǎn)子彎曲超差的位置（見圖6）。

圖6 實際軸心線超差示意圖

（3）以軸心線相對平滑的附近的軸頸作為軸心，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子軸心線，調(diào)整轉(zhuǎn)子軸心線的位置（見圖7），繞壓氣機側(cè)的軸頸進行旋轉(zhuǎn)。在調(diào)整的過程中，如果軸心線的壓氣機部分、中間軸部分及透平部分部位均能同時放入公差帶中，則轉(zhuǎn)子可以通過借偏心的方法進行跳動修正。調(diào)整后，另一軸頸必然偏離理論中心線，偏離的距離H值即為偏心加工的加工量。如果采用該方法不能將壓氣機部分、中間軸部分及透平部分同時放入公差帶中，則該轉(zhuǎn)子必須進行解體修正。

圖7 轉(zhuǎn)子借偏心調(diào)整示意圖

5 借偏心修正的加工方法

根據(jù)上述的計算，車床中心架托在作為旋轉(zhuǎn)支點的軸頸處，車床卡爪夾持轉(zhuǎn)子另一軸端，調(diào)整卡爪的位置使轉(zhuǎn)子處于偏心狀態(tài)，偏心的方位與偏心量與上述計算（H值）一致，將轉(zhuǎn)子夾緊，復查各外圓跳動，同時檢查轉(zhuǎn)子兩端加工余量是否足夠。

將轉(zhuǎn)子找正以后，采用最少的切削量將轉(zhuǎn)子夾持端軸頸光出，并修正圓柱度，再次復查轉(zhuǎn)子各外圓跳動。轉(zhuǎn)子軸頸借正完成后，采用雙托加工方案，床頭端的中心架托在修正好的軸頸外圓處，進入正常的轉(zhuǎn)子補充車削加工。

6 轉(zhuǎn)子解體修復方法

6.1 解體修正的原理

將轉(zhuǎn)子簡化成簡單的圓柱體，選取軸心線偏差最大的位置作為轉(zhuǎn)子的彎曲點，其他位置暫時忽略不計，這時便可將形狀復雜的轉(zhuǎn)子簡化成了一根折彎的簡單圓柱體，見圖8。

圖8 彎曲的轉(zhuǎn)子

從折彎處將圓柱體切開，將對接的平面修成平行的兩個面，為了減少加工的工作量，可以將需要加工的量放在其中的一個平面上（見圖9）；加工完成后，再將兩段重新接到一起，彎曲的轉(zhuǎn)子就變直了（見圖10）。

圖9 對轉(zhuǎn)子進行解體修正

圖10 重新接配轉(zhuǎn)子

6.2 確定修正位置

一般情況下，根據(jù)轉(zhuǎn)子軸心曲線圖，選擇曲線彎曲最大的位置作為修正目標，對距離軸心線彎曲最大處的輪盤接配面處進行修正。將該接配面的圓心在4個方位上的偏差進行向量求和，得出該接配面的圓心實際偏差的方位與大小。這個方位就是接配面需要進行修正加工的方位。

作兩條直線，分別連接兩軸頸與上述接配面的圓心，作為簡化后的轉(zhuǎn)子實際軸心線（見圖11）。由于透平部分的接配是依靠端面齒進行嚙合定位，對端面齒進行修正加工非常困難，因此，如果轉(zhuǎn)子軸心線的最大彎曲點在轉(zhuǎn)子的透平部分，一般將輪盤修正的位置選擇在接配環(huán)端面處。

圖11 接配面修正位置圖

6.3 修正量計算

圖12為修正量計算示意圖。

圖12 修正量計算示意圖

為了加工方便，一般把加工量放在同一工件上。為了減少轉(zhuǎn)子解體的工作量，對接配環(huán)的端面進行修正，修正量S＝Sc＋St，其中Sc＝D×Sinθc，tanθc＝r／lc；St＝D×Sinθt，tanθt＝r／lt。

在實際生產(chǎn)中，考慮到機床的加工精度，需要對計算的修正量按經(jīng)驗進行修正：對于大型轉(zhuǎn)子，修正量L＝S×（70%～85%）；對于小型轉(zhuǎn)子，修正量L＝S×（80%～90%）。

6.4 修正加工方法

對轉(zhuǎn)子進行解體，將接配環(huán)上立車，需要修正的接配面向上，找正外圓跳動，允差0.005mm。調(diào)整支承墊鐵的高度，使接配環(huán)接配面需要修正的方位上靠外圓的點比對面的高出L，夾緊（見圖13）。

圖13 接配面修正加工示意圖

復查接配環(huán)的外圓跳動，允差0.01mm。在接配面的最高點對刀，采用最小的車削量將接配面全部光出，并保證接配面的平面度不大于0.005mm，完成對接配面的修正加工。

6.5 轉(zhuǎn)子復裝

在接配環(huán)修正加工后，重新將轉(zhuǎn)子進行接配組裝，并重新上車床進行跳動檢測。如果跳動值滿足設計要求，便可按正常工序?qū)D(zhuǎn)子進行補充加工；否則，將再次按上述方法對轉(zhuǎn)子進行借偏心加工或者解體修復（見圖14）。

圖14 轉(zhuǎn)子修正加工前后軸心線對照圖

對于個別轉(zhuǎn)子在裝配后，其軸心曲線不是一條簡單的香蕉形曲線，有可能呈麻花形，在修正的時候，不可能在一個單一的接配面進行修正，必須在兩個或兩個以上的接配面進行。這種情況很難準確地計算出其修正方位及修正量，因此需要依次對軸心線的每一個拐點進行修正，先將其修正成簡單的香蕉形，然后再將其修正成直線。在修正加工的過程中必須進行多次的解體及接配面車削。

8 結(jié)語

該燃機轉(zhuǎn)子修正技術(shù)已經(jīng)通過試驗論證，并在生產(chǎn)實踐中實施運用，取得了良好的效果，有效地解決了拉桿式燃機轉(zhuǎn)子彎曲度修正的難題。

［1］朱永祥，冷進明，唐仕東.壓氣機轉(zhuǎn)子拉桿裝配技術(shù)探討［J］.發(fā)電設備，2011，25（1）：60-62.