摘要：某大功率汽轮机低压内缸由上下半共计6段组成，厂内总装时要求上下半开档错位在0.10以内。由于6段分别加工，且加工时的支撑状态与装配时不同，加之气缸尺寸较大，该错位值不易保证。本文通过对该型汽缸结构、加工流程的分析研究，找到了导致开档错位的主要因素，并制定了相应对策，取得了良好的效果。
关键词：大功率；汽轮机；内缸；开档错位
引言
大型火电站和压水堆核电站汽轮机的主要区别在于：前者的工质为过热蒸汽，参数高，有效焓降大，后者的工质为饱和蒸汽，参数低，有效焓降低。理想循环核电汽轮机组工质的有效焓降约为再热循环火电汽轮机组工质有效焓降的一半，因此，同等功率条件下，大大功率汽轮机组的蒸汽流量为大型火电汽轮机组蒸汽流量的2倍，这导致核电汽轮机组在尺度上明显偏大，部件增多，从而加大了制造难度和投资成本[1]。此外，核电站建设在安全方面要求也比电站高许多，汽轮机组的制造过程需要严格按照规定的流程、体系进行控制，这些都给制造厂家提出了很高的要求[2]。
我公司生产的某大功率汽轮机为1000MW等级半转速机组，由1个高中压模块、3个低压模块组成，每个低压模块包含低压转子、低压隔板、低压内缸、低压排汽缸等主要部件，其中低压内缸尺寸大、精度高、结构复杂，是整个机组中加工难度较大的部件之一。
1 内缸简介
该低压内缸为焊接结构件，由中部筒体及两端的排汽锥体组成，中间进汽，两侧分流，呈对称结构。中部筒体分上下两半，由缸壁、隔板定位环、进抽汽管等组成。上下半通过中分面螺栓连接，形成一个筒体，外径约6.4m，长约4.2m，重约80t。
两端排汽锥体通过垂直法兰与中部筒体连接，由导流环、轴承箱、台板等组成，外径7.4m，长3.3m，重90t。
2 问题概述
某大功率汽轮机低压内缸共有6级隔板定位面，俗称“开档”。汽缸整体上立车加工完开档后，上下半无错位现象。汽缸上下半拆开之后转总装，下半按工艺要求调整好水平再扣合上半，两半开档就不可避免地出现错位现象。根据总装工艺要求，该错位量小于0.10即为合格，大于0.10即为超差。
从数十个模块的制造经验来看，低压内缸开档错位量这一质量特性不够稳定，超差现象时有发生，处理起来比较棘手。
3 问题分析
此种大功率汽轮机低压内缸隔板定位环全部位于中部筒体内， 正反各3级共6个开档面。由于当前采用的工艺为上下半合并状态下立车整圈加工定位环，加工后上下半开档理论上处于一个平面内，错位值为零。
立车加工完隔板定位环及两端垂直法兰后，中部筒体上下半拆开，分别上镗床加工垂直法兰螺孔等部位，钳工清理、涂覆合格后上下半分别转总装。在这期间，各级定位环未发生实体增减，开档尺寸应保持不变。总装再次扣合上下半后，开档发生错位现象，表明上下半开档尺寸发生了变化。从这个角度来看，导致开档错位的直接原因，应该是气缸变形所致。
由材料力学弯曲变形理论可知，在重力作用下，构件的变形情况与支座形式及位置密切相关，构件尺寸越大、刚性越差，这种相关性的体现越明显。
对于中部筒体而言， 加工与总装的支撑方式明显不同。龙门铣加工中分面时，支点位于水平法兰背部，而总装则支撑垂直法兰下方小平台（图1）。支撑方式不同，直接导致中分面变形，平面度超差。
图1 总装支撑部位（示意图）
由于气缸结构复杂，形状极不规则，对其进行挠曲变形理论计算难度较大，故本文采取试验方式对两种支撑状态下汽缸中分面平面度的变化情况进行比较。试验过程如下：
⑴ 按照原有加工方式（支水平法兰背部）在龙门铣精铣中分面，用百分表检查平面度；
⑵ 将支点移至垂直法兰下方小平台；
⑶ 用百分表复查中分面平面度。
试验所得数据如下：
(1)精铣后中分面平面度小于0.02；
⑵支点转以后，中分面发生明显变形，平面度达到了0.08，靠近垂直接配面处的一小段区域内（长度约400mm），高低差就达到了0.04～0.05。
由试验结果可以看出，中部筒体下半在总装支撑状态下，中分面发生了翘曲变形，当两端排汽锥体与之接配后，接配面处水平中分面将存在交叉现象，俗称“剪刀差”。而根据工艺要求，接配后三段缸体中分面高低差应小于0.02。为了消除“剪刀差”，保证三段缸体中分面的一致性和连续性，总装车间采用了一种“强制变形”的调整手段，具体操作方案如下：
⑴ 中部筒体下半、两端排汽锥体下半分别吊上台位，建立钢丝基准，用水连通找水平；
⑵ 将钢丝绳、HSZ-CA型手拉葫芦锁链分别系在筒体下半两侧拉筋上，拉紧葫芦使汽缸向内收缩，同时在接配面处中分面上用百分表检查筒体、锥体中分面平行度，逐步调整直至“剪刀差”消失；
⑶ 调整各段汽缸水平，找正两端排汽锥体左右中心；
⑷ 把紧下半垂直法兰螺栓后，扣合上半，把紧中分面螺栓，检查间隙合格；
⑸ 把紧上半垂直法兰螺栓后，将磁力钻吸附在固定板上，钻、铰垂直接配面Φ50锥销孔后，装入定位锥销。
经过数十个模块装配实践，上述方案可以有效消除因筒体中部中分面变形造成的接配面“剪刀差”现象，最终满足工艺中关于中分面平面度及间隙的要求。但是这种“强制变形”的手段在矫正中分面的同时，也导致了内腔各级隔板定位环的变形。
根据胡克定律，在弹性变形范围内，构件在一个方向承受拉伸应力而产生正应变的同时，与之垂直的方向将产生负应变，反之，当构件在压应力作用下沿作用线收缩的同时，在与之垂直的方向上将产生正应变。根据这一理论，当手拉葫芦沿径向拉紧中部筒体下半使之收缩时，将使其沿轴向产生一定的正应变，即轴向尺寸变大。从实际装配经验来看，使用葫芦拉紧后的筒体下半，开档尺寸均大于上半，且差值（即错位量）从中心向两端呈递增趋势，与上述分析结果一致。
由上文分析可以得出如下结论：
⑴ 用手拉葫芦调整中部筒体下半平面度是导致开档错位的直接原因；
⑵ 龙门铣与总装支撑状态不一致是开档错位的根部原因之一。
4 解决方案及效果
要消除开档错位现象，就要消除变形。从实际来看，虽然本文所述低压内缸设计了多种结构措施来增加汽缸刚性，但由于其外形尺寸较大，宏观变形量始终处于一个不可忽略的数量级，只能采取措施进行控制而不能消除。
由于工艺要求将开档错位量控制在0.10以内，而实际情况是超差现象时有发生，故本文的目标是通过一定的技术改进，保证总装开档错位值小于0.10这一质量特性稳定、可靠。
根据上文所得出的结论，将龙门铣的支撑方式与总装进行统一，应该是一个行之有效的措施。改进后的加工方案如下：
⑴ 镗床：加工筒体下半垂直法兰支撑平台；
⑵ 龙门铣：加工水平中分面时，按图16所示支撑方式固定工件，即在垂直法兰小平台下设主支撑，在水平法兰背部设辅助支撑，精铣时松开辅助支撑；
⑶ 钻床：合并上下半合铰中分面销孔时，同样采用图16所示支撑方式；
⑷ 总装：汽缸下半接配时，尽量不使用手拉葫芦，在自由状态下接配。
到目前为止，该方案已经实施了6个模块，效果如下：
⑴ 总装接配汽缸下半时，自由状态下“剪刀差”明显好转，但仍然存在，需要使用手拉葫芦进行微调；
⑵ 合并上下半后，开档错位稳定地控制在0.10以内，无一超差。
5 总结
本文经过对某大功率低压内缸开档错位超差现象进行深入细致的分析，找到了一种行之有效的措施，通过实践检验，取得了良好的效果。
参考文献
[1]庞丽君,尚晓峰.金属切削原理.国防工业出版社.2009.
[2]刘晋春等.特种加工.机械工业出版社.2010.
论文作者:吴攀
论文发表刊物:《基层建设》2019年第21期
论文发表时间:2019/10/14
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