Справочник по гидротурбинам - Особенности изготовления валов и подшипников вертикальных гидротурбин

Изготовление валов.

Валы могут иметь размеры: диаметр 600—2500 мм; длина 4000—10 000 мм; толщина стенки до 300 мм. Наибольший диаметр фланца не должен превышать 3180 мм, что определяется производственными возможностями отрасли.
Масса вала может достигать 120 т. Валы массой до 40 т могут быть изготовлены цельноковаными из углеродистой стали марки 40. Валы, имеющие нижний развитый фланец (объединенный в одно целое с крышкой рабочего колеса) или масса которых более 30 т, выполняют сварными из хорошо сваривающейся стали 20ГС или 25ГС. Части вала соединяют электрошлаковой сваркой (ЭШС).
На рис. ΧΙ.20 показаны заготовки цельнокованого и сварного валов, а в табл.XI. 10 приведены требования к механическим свойствам материала кованых и литых заготовок, сварного шва и сварного соединения.
В технические условия на изготовление заготовок цельнокованых и кованых частей сварных валов входят также следующие требования.

1. Сталь должна выплавляться в мартеновских печах с обработкой на установках внепечного рафинирования и вакуумирования.
2. Уков на фланце должен быть не менее 1,5.
3. Термообработка состоит из отжига после ковки и из нормализации и высокого отпуска после предварительной обработки наружных поверхностей и окончательной обработки центрального отверстия.
4. Уровень загрязненности металла при снятии серных отпечатков с торцов колец от прибыльных частей поковок не должен превышать третьего балла по четырехбалльной шкале Ново-Краматорского машиностроительного завода.
5. При проверке макроструктуры на протравленных темплетах не должно быть усадочной рыхлости, трещин, флокенов и неметаллических включений протяженностью более 6 мм.

Рис. XI.20. Заготовки валов: а — цельнокованый; б — сварной;
1 — кольцевые пробы; 2 — кольцевые припуски; 3 — кольца для измерения остаточных напряжений; 4 — кованый фланец; 5 — кованая труба; 6 — сварные швы; 7 — литой развитый фланец; 8 — цилиндрические пояски; 9 — сварной стык-свидетель

1. При визуальном осмотре внутреннего отверстия не должны обнаруживаться дефекты типа трещин, остатков осевой рыхлости и крупных скоплений неметаллических включений.

Таблица XI.10. Механические свойства заготовок валов, не менее

7. Остаточные напряжения, определяемые по средним деформациям колец сечением 40 X 40 мм [2], не должны превышать 39 МПа. Остаточные напряжения определяют по формуле аσост= (∆ср/Dср)Е, где Е — модуль упругости при растяжении, МПа; ∆ср — среднее изменение диаметра кольца, мм; Dср — среднее значение диаметра кольца до его отрезки, мм.

8. Кованые заготовки сварного вала должны быть подвергнуты контролю УЗД на участке длиной 150 мм от торца свариваемой кромки в целях выявления дефектов, недопустимых в сварном шве. После предварительной механической обработки фланец проверяют также на отсутствие трещин в зоне радиусных переходов.

Для улучшения качества сварных швов должны выполняться следующие основные требования:

1. Кованые заготовки вала следует сваривать по торцам, соответствующим прибыльным частям слитков. Кольцевая проба должна свариваться соответственно по торцам, на которых производился контроль макроструктуры.
2. Сварная заготовка вала и сварная кольцевая проба должны пройти весь цикл основной термообработки совместно, после чего следует определить их механические свойства и остаточные напряжения.
3. Сварные соединения заготовки вала подвергают контролю УЗД в объеме 100 % протяженности шва. Протяженные дефекты (отношение длины к ширине более трех) и цепочки дефектов (не менее пяти дефектов, расположенных на одной прямой при расстоянии между ними менее 15 мм) не допускаются.

К точности механической обработки валов предъявляют следующие основные требования; 1) отклонения диаметров посадочного буртика фланца должны соответствовать полю допусков Н7, а выточек — Н6; 2) выпуклость сопрягаемых плоскостей фланцев не допускается, вогнутость допустима не более 0,03 мм; 3) шероховатость основных поверхностей должна быть не хуже Ra=1,25 мкм, поверхности шейки под подшипник — Ra=0,63 мкм; 4) радиальное биение не должно превышать: 0,02 мм для шейки вала, базовых поясков на наружной поверхности фланцев или тела вала и для посадочного буртика (выточки) на фланце со стороны генератора; 0,03—0,04 мм для посадочного буртика на фланце, сопрягаемом с рабочим колесом; 5) торцовое биение плоскости фланца со стороны генератора — не более 0,02 мм для фланцев диаметром до 2000 мм и не более 0,03 мм для более крупных валов; со стороны рабочего колеса — соответственно 0,03 и 0,04 мм.
Основные технологические операции изготовления цельнокованой заготовки вала  приведены в табл. XI. 11. Ковка производится в интервале температур 1250—800 °C на ковочных прессах усилием 100—120 МН. После биллетирования от слитка отрезают донную и прибыльную части, масса которых составляет соответственно 5 и 25 % от полной массы слитка. Прошивкой отверстия после осадки слитка удаляют его центральную часть (5—7 %), пораженную осевой рыхлостью. С наружной стороны фланцев оттягиваются кольцевые припуски 2 (см. рис. XI.20, а) длиной не менее 500 мм для вырезки проб, определения механических свойств (кольца 1) и остаточных напряжений (кольца 3) заготовок.
Технологией изготовления сварной заготовки вала (см. рис. XI.20, б) предусмотрены следующие основные операции; 1) изготовление кованой трубы 5 (в последовательности, аналогичной описанной выше); 2) термообработка поковки трубы; 3) предварительная механическая обработка трубы; 4) испытание качества металла трубы; 5) изготовление литых 7 и кованых 4 заготовок фланцев; 6) предварительная механическая обработка фланцев; 7) проверка УЗД зон 8 свариваемых кромок; 8) сборка и электрошлаковая сварка (швы 6) фланцев с трубой и сварных стыков- свидетелей 9; 9) совместная термообработка сваренной заготовки вала и стыков- свидетелей; нормализация от температуры 910—920 °C и высокотемпературный отпуск; 10) испытания механических свойств металла отдельных элементов заготовки, сварных швов и сварных соединений и определение остаточных напряжений [2]; проверка качества швов неразрушающими методами.

В технологический процесс механической обработки вала входят следующие основные операции.

1. Установка и выверка заготовок вала на станке. Базами для установки служат обработанные в окончательные размеры центральное отверстие и расположенная у одного из фланцев шейка под люнет, которая использовалась при обработке заготовки на заводе-изготовителе. 

Таблица XI.11. Схема изготовления поковки вала

Последовательность работ;
а)   заготовку опирают оставленной поставщиком шейкой на люнет токарноцентрового станка; второй конец заготовки закрепляют в кулачках планшайбы передней бабки станка за кольцевой припуск;
б)   перемещая кулачки, центрируют вал по внутреннему отверстию со стороны фланца, закрепленного на планшайбе;
в)   регулировкой люнета по высоте добиваются минимального биения торца фланца относительно плоскости планшайбы;
г)   на поверхности вала у фланца, обращенного к планшайбе, протачивают новую шейку под люнет, а на наружном торце свободного фланца — контрольный кольцевой поясок;
д)   измеряют величину и направление биения внутреннего отверстия у второго фланца;
е)   заготовку кантуют на 180° и закрепляют по внутренней поверхности («на разжим») в кулачках планшайбы фланцем с отрезанной кольцевой пробой; противоположный конец заготовки опирают на люнет новой шейкой;
ж)   выверяют вал во втором положении (так же, как при первой установке);
з)    протачивают новую шейку под люнет вблизи планшайбы станка, а на наружном торце и на свободном фланце (на большом диаметре) — кольцевой и цилиндрический контрольные пояски;
и)   вал вновь кантуют на 180° и выверяют с помощью индикатора и штихмасса по контрольным заточкам на фланце вблизи планшайбы описанным ранее способом. Если радиальное биение вала у планшайбы не превышает 0,02 мм и разность замеров штихмассом при четырех положениях планшайбы не более 0,02 мм, вал считается выверенным.

2. Чистовая обработка вала, выполняемая в следующем порядке:
а)    обрабатывают с припуском 2—3 мм все поверхности со стороны фланца, сопрягаемого с валом генератора. Все свободные поверхности вала от люнета до турбинного фланца, который закреплен в кулачках планшайбы станка, обрабатывают окончательно. На наружных поверхностях обоих фланцев протачивают контрольные пояски;
б)    вал снимают со станка. Используя специальный кольцевой шаблон, сверлят кольцевыми сверлами и предварительно растачивают с припуском 5 мм отверстия под болты в обоих фланцах. Эту операцию производят на специализированном координатно-расточном станке ЛР-60;
в)    надевают и приваривают рубашку из коррозионно-стойкой стали в зоне шейки под подшипник;
г)     вал закрепляют «на разжим» турбинным концом в кулачках планшайбы токарно-центрового станка и выверяют по контрольным базам. С одной установки окончательно протачивают шейку под подшипник на рубашке, торец фланца и выточку (буртик) генераторного конца вала, а также все контрольные пояски и другие поверхности, от которых требуется максимальная соосность. Большие диаметры посадочных поверхностей вала измеряют штихмассами и специальными скобами с микрометрическими головками. Снятые скобой размеры проверяют штихмассом. Окончательные замеры производят после того, как вал примет температуру окружающего воздуха. Фактическое биение ответственных поверхностей измеряют индикатором не менее чем в четырех точках по окружности. Начальная точка замера биений должна быть единой для всех поверхностей;
д)    вал кантуют на 180°, закрепляют генераторным концом в кулачках планшайбы и с помощью индикаторов центрируют. Начисто протачивают торец турбинного фланца и посадочный буртик;
е)    чистовую обработку отверстий под припасованные болты во фланцах можно выполнять совместной! расточкой спаренных деталей, что обеспечивает соосность отверстий и наименьший зазор в этом сопряжении (посадка H7/g6). Собранные на роликовых опорах детали скрепляют четырьмя временными болтами (равномерная затяжка 20 МПа) и проверяют на соосность. Обработка производится с помощью переносного специализированного горизонтально-расточного станка ЛР-2 — сначала резцами, а затем шариковой раскаткой.

В настоящее время внедряют независимую обработку отверстий по кондукторам, без спаривания и проверки по струне ротора гидроагрегата. При этом исключается перевозка деталей генератора на турбостроительный завод. Идентичности- кондукторов достигают их совместной обработкой. Собираемость ротора обеспечивается увеличением диаметрального зазора на 0,05—0,08 мм. Применяют также совместную обработку отверстий при монтаже на ГЭС с помощью расточного приспособления.

При спаривании деталей ротора гидроагрегата необходимо свести к минимуму линейный и угловой эксцентриситеты осей валов. Линейные радиальные смещения устраняют путем центрирования соединяемых деталей по зазорам между буртиком и выточкой с точностью до 0,02 мм.
Уменьшения углового излома осей добиваются разворотом сопрягаемых деталей в соответствии с результатами проверки торцового биения их фланцев при обработке. Оставшийся излом осей проверяют на специальном стенде по струнам [2]. Стенд (рис. XI.21) имеет две неподвижные опоры, регулируемые только по высоте, на которые устанавливают вал турбины, и одну роликовую подвижную в горизонтальной плоскости опору, на которую опирают свободный конец вала генератора. Такая схема стенда обеспечивает возможность регулировки трехопорной системы по высоте и исключает влияние третьей опоры на излом в горизонтальной плоскости.
Горизонтальное положение валов проверяют с помощью ватерпаса и двух струн, натянутых в горизонтальной плоскости параллельно оси валов. Положение струн регулируют, базируясь от вала турбины, до тех пор, пока не будет с точностью до 0,01 мм выполняться равенство
h1—h'1=h2—h'2 (см. рис. XI.21). Точность измерения обеспечивается применением штихмасса 6, замыкающего на струне 3 электрическую цепь с чувствительным гальванометром.
Угловой эксцентриситет на конце вала генератора определяют по формуле

Суммарный излом в горизонтальной плоскости
измеренный линейный эксцентриситет.
После поворота валов на 90о аналогично определяют суммарный излом в перпендикулярной плоскости ∆у.
Максимальный суммарный излом:
(ΧΙ.2)
Излом не должен превышать 0,02 мм на 1 м длины вала генератора.

Рис. ΧI.21. Схема проверки оси валов по струнам: а — вид установки в плане; б — вид со стороны вала генератора;

1 — стойка; 2 — вал турбины; 3 — струны; 4 — ротор генератора; 5 — подвижная опора; 6 — штихмасc; 7 — наездник; 8 — каток; 9 — призма; 10 — плита подвижной опоры; 11 — ролики; 12 — электрическая цепь

Изготовление подшипников.

Основная особенность технологии изготовления резинометаллических вкладышей подшипников валов, работающих на водяной смазке, заключается в процессе их обрезинивания. Предварительно обработанный и латунированный по внутренней поверхности металлический сектор с приклеенной лейконатом резиной устанавливают в пресс-форме (рис. XI.22). Пресс- форма для вулканизации состоит из нижней и верхней частей, хромированных по внутренним поверхностям. Взаимное расположение частей фиксируется штифтами. Процесс вулканизации осуществляется под прессом и протекает в течение 2—5 ч при температуре 150 °C. Обрезиненные вкладыши кольцевого подшипника после вулканизации собирают в кольцо на приспособлении, имитирующем корпус, и обрабатывают по поверхности резины на карусельном станке с помощью специальных остро заточенных резцов. Вкладыши сегментных подшипников по поверхности резинового слоя не обрабатывают.


Рис. ΧI.22. Пресс-форма для вулканизации сектора:
1 — нижняя полуформа; 2 — фиксирующая втулка; 3 — формирующая планка; 4 — центрирующий штырь; 5 — верхняя полуформа

В технологическом процессе изготовления сегментов баббитового подшипника на жидкой масляной смазке предусмотрены следующие основные операции.

1. Полная механическая обработка изготовленного из стали БСт3сп2 сегмента, включая проточку на токарно-карусельном станке канавок трапецеидальной формы.
2. Подготовка поверхностей под заливку баббитом: а) обезжиривание в течение 10—15 мин растворов едкого натра при температуре не ниже 80 °C; б) промывка горячей водой до полной смачиваемости поверхностей; в) удаление следов ржавчины травлением концентрированной соляной кислотой в течение 5—10 мин; г) нанесение флюса (раствор металлического цинка в соляной кислоте с добавкой хлористого аммония); д) лужение поверхностей оловом или баббитом Б83.
3. Монтаж литейной формы и заливка расплавленным баббитом Б83 по ГОСТ 1320—74*. Форма должна быть подогрета до 200—220 °C. Температура расплавленного баббита 380—440 °C.
4. Контроль качества визуальным осмотром и цветной дефектоскопией по кромкам сегмента.
5. Обработка сегмента в окончательные размеры. Правильность формы поверхности баббитового слоя проверяют методом краски по направляющему поясу вала. Критерий приемлемости — два-три пятна контакта на 1 см² поверхности.