Справочник по гидротурбинам - Технология изготовления основных деталей направляющего аппарата гидротурбины

 К числу главных деталей направляющего аппарата относятся лопатки, верхнее и нижнее кольца, крышка турбины и регулирующее кольцо.

Рис. XI. 13. Основные варианты сварного исполнения лопаток: а — с коваными цапфами; б — с литой верхней и кованой нижней цапфами

Лопатки направляющего аппарата, если по условиям прочности перо должно быть сплошным, выполняют литыми из углеродистой стали 25Л, низколегированной стали 20ГСЛ и коррозионно-стойкой стали 10Х12НДЛ (химический состав и механические свойства см. в табл. XI.2 и ΧΙ.3). В тех случаях, когда по условиям прочности перо лопатки может быть полым, целесообразнее выполнять ее в виде сварной конструкции, основные варианты которой показаны на рис. XI.13. Перо лопатки выполняют из двух листов 3 и 6, согнутых в универсальном штампе под прессом, и плоского листа 7, образующего ее выходную кромку. Цапфы 7 и 4 выполняют коваными. Менее эффективно выполнение верхней цапфы в виде отливки, включающей в себя часть пера 8.
К качеству изготовления сварных лопаток предъявляют следующие требования: 1) отклонения от чертежного контура не должны превышать +3 мм; 2) отклонения образующих пера от прямолинейности не более 4 мм при длине пера 3500 мм; 3) смещение осей цапф лопатки не более 2—3 мм; 4) качество сварных швов 2 и 5 (рис. XI. 13) должно соответствовать нормам контроля (РТМ 108.020—77) неразрушающими методами при выборочной проверке от 10 до 25 % их протяженности.
Кольцевые детали выполняют сварными из листового проката углеродистой стали ВСт3 и БСт2 по ГОСТ 380—71*. При толщине листов до 30 мм применяют сталь группы В полуспокойной плавки марок ВСт4пс4 или ВСт3Гпс4, при толщине листов 32—60 мм — сталь марки ВСт3сп3 спокойной плавки, при толщине листов более 60 мм — сталь марки БСт3сп2 с гарантией по свариваемости. Для деталей, складируемых и монтируемых при температурах до —60 °C, при толщине листа до 30 мм применяют сталь марки ВСтЗпс4, а при толщине листа 32—60 мм — низколегированную сталь марки 09Г2С-9 по ГОСТ 19282—73. Ручная дуговая сварка конструкций осуществляется электродами марки УОНИ-13/45, а полуавтоматическая сварка в среде углекислого газа — сварочной проволокой марки Св-08Г2С по ГОСТ 2246—70*.
К конструкции сварных кольцевых деталей предъявляют следующие основные требования: 1) доступность для выполнения сварочных работ и работ по удалению корня швов; 2) применение сварных швов с конструктивным непроваром не менее 10 мм; 3) доступность для проверки качества сварных швов неразрушающими методами; 4) удельная масса наплавленного металла не должна превышать 2,5—3 % от массы детали для поворотно-лопастных и 5% для высоконапорных крупных радиально-осевых гидротурбин.
Изготовление заготовок. Технологический процесс изготовления сварной лопатки с коваными цапфами состоит из следующих операций: 1) кованые заготовки цапф предварительно обрабатывают на токарно-центровых станках; 2) обрабатывают галтельный переход на заготовках цапф на горизонтально-расточных или карусельных станках; 3) листы 3 и 6 (см. рис. XI. 13, а) после вырезки по контуру подвергают гибке в штампе без подогрева; 4) проверяют гнутые листы на разметочной плите и наносят линии обработки кромок под. сварку между собой и с листом 7; 5) выполняют сборку и сварку в приспособлении (сварку в среде углекислого газа осуществляют в двух положениях с кантовкой заготовки в процессе работ на 180°); 6) лопатки подвергают термообработке: отпуску для снятия напряжений от температуры (630±10) °C; 7) производят контрольную проверку формы и размеров лопатки.
Формовку и отливку лопаток выполняют в специальных опоках. Ручная формовка производится по целой модели, а машинная ·— по моделям половин лопатки, закрепляемым на подмодельных досках.
Технология изготовления сварных кольцевых деталей должна обеспечивать: 1) высокую точность диаметральных и высотных размеров; 2) минимальный винтовой перекос; 3) минимальное отклонение по шагу и радиусу положения элементов, связанных с установкой подшипников лопаток. Указанные погрешности определяют припуски на механическую обработку и толщину отдельных элементов сварной конструкции. Выполнение этих требований обеспечивается вырезкой заготовок на газорезательных машинах с программным управлением и применением технологии, обеспечивающей минимальные деформации при сварке.
При сварке секторов крышек турбин следует придерживаться задаваемой определенной последовательности наложения швов. В целях уменьшения деформаций секторы нижнего и верхнего колец перед сваркой соединяют попарно и скрепляют жесткими связями и прихватками.
В табл. XI.9 приведена технологическая последовательность сборки под сварку секторов нижнего кольца. Соединенные секторы сваривают попеременно, кантуя узел и накладывая швы в обратно-ступенчатом порядке, придерживаясь общего направления от середины к краям детали. В основном применяют полуавтоматическую сварку в углекислом газе. После сварки спаренные секторы (без разделения на части) подвергают термообработке — отпуску.
Механическая обработка деталей. Технологический процесс механической обработки кольцевой детали должен обеспечить выполнение следующих основных требований: 1) в стыках секторов не допускаются сквозные клиновые зазоры; допускаются местные зазоры до 0,05—0,2 мм протяженностью не более 50—150 мм; 2) непараллельность плоских поверхностей, обрабатываемых с двух перестановок, не должна быть более 0,1—0,2 мм; 3) несовпадение осей отверстий под крепежные детали в стыках вертикальных разъемов детали и в горизонтальных фланцевых соединениях сопрягаемых деталей не должно превышать соответственно 0,6 и 0,75 от значения диаметрального зазора, допускаемого по действующим нормам грубой сборки; 4) допускаемая несоосность отверстий под подшипники цапф лопаток направляющего аппарата не более 0,1—0,3 мм в зависимости от его высоты.
Технологический процесс механической обработки кольцевых деталей изложен применительно к верхнему кольцу, состоящему из четырех частей. В этот процесс входят следующие основные операции.
Таблица XI.9. Схема процесса сборки под сварку секторов нижнего кольца

Рис. XI.12. Схемы установки корпуса рабочего колеса диагональной турбины для сборки с лопастями

1. Разметка секторов верхнего кольца.
2. Обработка плоскостей торцов стыковых фланцев секторов [2] на горизонтально-расточных станках. Сначала обрабатывают сопрягаемые стыки смежных секторов. Правильность положения сектора в вертикальной плоскости проверяют по рискам, нанесенным на цилиндрической поверхности внутреннего фланца. Установку сектора в плане выверяют по круговой риске радиуса R по схеме, показанной на рис. XI. 14, с помощью специального установочного центра, закрепляемого в шпинделе станка, и штангенциркуля.
3. Разметка отверстий под болты и штифты в стыковых плоскостях по зеркальному шаблону, без снятия детали со станка. При этом шаблон выполненными на нем вырезами совмещают с нанесенными установочными рисками.
4. Сборка секторов в полукольца, скрепление болтами и развертывание отверстий под штифты.
5. Фрезерование плоскости разъема на обоих стыковых фланцах на горизонтально-расточном станке, имеющем постель протяженностью 15—20 м.
6. Сборка кольца из половин (осуществляется аналогично сборке полуколец).
7. Обработка верхнего кольца на токарно-карусельном станке в рабочем и перевернутом положениях детали. Во втором положении кольцо устанавливают на подставки, предварительно проточенные в один размер по высоте.
8. Обработка отверстий под подшипники лопаток на горизонтально-расточном станке (в половинах кольца или отдельных секторах). Точность установки детали проверяют индикатором, закрепленным в шпинделе станка.
9. Сверление отверстий во фланцах на радиально-сверлильных станках по разметке, с помощью шаговых зеркальных шаблонов или кондукторов.

Рис. XI. 14. Схема установки сектора кольцевой детали для обработки плоскости стыка на горизонтально-расточном станке

При механической обработке нижнего кольца должно быть учтено требование соосности отверстий для подшипников цапф лопаток с соответствующими отверстиями в верхнем кольце. На рис. XI. 15 показана разработанная в ПО ЛМЗ схема перевода отверстий на нижнее кольцо с помощью установочных колец. Верхнее кольцо 1 после расточки отверстий устанавливают на нижнее кольцо 3 и центрируют с ним в радиальном направлении (по размеру а и рискам осей х и у в плане). В обработанные отверстия верхнего кольца 1 устанавливают кольца 2. Диаметральный зазор между отверстиями и кольцами определяется посадкой H8/g6. Установочные кольца 2 в трех точках прихватывают (со стороны внутреннего диаметра) электросваркой к нижнему кольцу 5, после чего верхнее кольцо снимают. Далее отверстия в секторах нижнего кольца обрабатывают, выверяя шпиндель станка по установочным кольцам с помощью индикатора с точностью до 0,03 мм. Соосность отверстий в обеих деталях проверяют в сборе с помощью четырех пробок фиксаторов и калибра [2].
Технологический процесс механической обработки лопаток направляющего аппарата должен обеспечить выполнение следующих основных требований: 1) смещение оси цапф лопатки по отношению к профилю пера не должно быть более 0,5—1 мм; 2) несоосность нижней и средней шеек цапф лопатки не более 0,1 мм, а нижней и верхней — не более 0,25 мм; 3) неперпендикулярность торцов пера к оси шеек цапф не более 0,2 мм; 4) непараллельность кромок касания оси шеек цапф не более 0,15 мм; 5) кромки касания лопатки должны быть параллельны друг другу и оси цапф; 6) должно быть строго выдержано фиксируемое цилиндрической шпонкой положение рычага направляющего аппарата по отношению к кромкам касания; 7) разброс отклонений должен быть меньше допускаемых значений, что требует применения методов и оснастки, обеспечивающих стабильность процесса.
Технологический процесс механической обработки лопатки состоит из следующих основных операций:

1. Лопатку 4 (рис. XI.16), пользуясь тремя домкратами 5, размечают с помощью двух угольников 1, линейки 2 и двух идентичных профильных шаблонов 5, контур которых повторяет профиль пера.
2. Предварительную токарную обработку торцов пера и цапф-лопаток с высотой пера больше 1100 мм производят с припуском 5 мм на специализированном двустороннем обточном станке ЛР-61 [2]. Лопатку на станке закрепляют неподвижно с помощью зажимных стоек. При высоте пера меньше 1100 мм лопатки обрабатывают на токарно-центровых станках, так как размеры зажимных стоек не позволяют закрепить детали.
3. Предварительную обработку кромок касания с припуском 5 мм производят на продольно-строгальном станке (рис. XI. 17). Обе призмы 3, на которых установлена лопатка 2, выверяют на столе по базовой плоскости Т, чтобы обеспечить совпадение оси детали с направлением строгания. Затем лопатку поворачивают вокруг оси до положения, при котором размеры S и k будут соответствовать заданным. 

Рис. XI.15. Схема перевода отверстий под подшипники цапф лопаток на нижнее кольцо с помощью установочных колец

Рис. XI. 16. Схема разметки заготовки лопатки (х—х, у — у — оси пера лопатки)

 Положение лопаток фиксируется зажимами цапф и домкратами 1. Обработка обеих кромок касания с одной установки определяет их параллельность между собой в осевом направлении. При выполнении операции проверяют стабильность процесса.

Рис. XI. 17. Схема установки лопатки при обработке кромок касания на продольно-строгальном станке

1. Окончательную токарную обработку лопатки выполняют после разметки и разделки новых центровых отверстий на специализированных станках ЛР-61 и ЛР-242. Лопатку на станке ЛР-61 устанавливают с учетом: а) прогиба лопатки под действием массы длинной цапфы, расположенной консольно по отношению к опорам на зажимных стойках; б) деформации лопатки, а следовательно, перемещения конца длинной цапфы при закреплении зажимными стойками за перо. Для измерений служат два индикатора, расположенных в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Точность установки 0,05—0,1 мм.
2. Окончательную обработку кромок касания производят аналогично предварительной. Для повышения точности цапфы лопатки опирают на каленые полукольца, установленные на призмах.

Рис. XI. 18. Схема установки лопатки с рычагом и накладкой для совместной обработки отверстий под шпонку

1. На горизонтально-расточном станке (рис. XI. 18) обрабатывают отверстия под цилиндрическую разрезную шпонку в лопатке 5, собранной с рычагом 4 и накладкой 3. Положение лопатки фиксируется упором 1. Положение рычага с накладкой определяется пальцем 2, опирающимся на подставку на заданной высоте Н.