刍议大型轴流式水轮机转轮加工工艺

摘要：随着水力发电技术的迅速发展和西部大开发，我国各地的水电站也迅速建设起来。目前水电站建设是以中小型机组为主，其中轴流、贯流机组在中小型水电站建设中应用最为广泛。由于轴流和贯流机组的转轮结构大致相同，下面以大型轴流式水轮机转轮的加工工艺作为研究，其他小型机组将以其作为参考，触类旁通。

关键词：水轮机制造加工方案

中图分类号：TQ330.4文献标识码:A

1 前言

自然界有多种能源，目前已被利用的能源主要有热能、水能、风能和核能。水能是一种最经济的一次能源，也是一种用远消耗不尽的能源。我们以某个电站水轮机发电机组为原型，研究一下大型轴流式水轮机转轮体的加工工艺。

2 基本参数

转轮体直径：Φ2850mm

转轮体高度：2080mm

叶片轴孔直径：Φ1250mm

叶片数量：4片

转轮体重量：30吨

3 主要研究内容

研究内容及方法主要包括二个方面：转轮体外球面加工工艺研究;转轮叶片轴孔加工工艺研究

4. 主要研究内容

4.1转轮体外球面的加工

根据现有厂家的设备情况，转轮体外球面的加工可选用2种机床，一种是带数控功能的新型立车，一种是普通立车，不带数控功能。在历史比较悠久的水电制造厂家，由于起步比较早，如果设备更新比较缓慢或设备投资比较少，那么现在使用的机床就比较老，普遍不带数控功能。对于没有数控功能的立车，我们只能采用传统的靠模加工方法，这就需要制造一套靠模和靠模刀架，加工时靠模刀架走靠模加工球面；而具有数控功能的立车可直接编程走程序加工。

4.2转轮体外球面的靠模加工工艺

利用靠模的加工方法如图1所示，具体加工工艺：转轮体反放在立车卡盘上，找正；.装靠模和靠模刀架；.靠模按转轮体找正相对一致；.靠模刀架走靠模加工球面。

方案分析：此方案必须制作一套靠模及靠模刀架。对于一个直径3M的转轮来说，假设转轮高2M，则根据理论计算，靠模的大小在2400mm×700mm，而且这么大的靠模必须增加支撑以防止其变形，而且对于这个靠模来说，其他机组的转轮尺寸也很难与其相吻合，也就是说，靠模无法再使用。这样就决定了靠模加工的工装制造费用将是很大的。在加工过程中，为了不使立车刀架碰到转轮体，靠模刀架上的滑动刀杆至少为（2×球面高度+刀架宽度），对于直径3M的转轮来说，刀杆长度为1500mm左右。在加工过程中由于刀杆较长滑动会产生不水平而产生变形，靠模也因受力产生变形，这就使转轮球面加工精度变低。由上分析可以看出，靠模加工转轮体外圆的加工方案并不是一个很理想的加工方案。其成本将是很高而精度却较低。

4.3转轮体外球面的数控加工工艺

转轮体外球面利用数控立车加工，具体加工工艺：转轮体倒放在数控立车卡盘上，找正；按程序加工球面。

方案分析：此方案不用制作任何工装，完全能使用机床现有的刀架对球面进行加工。而且数控程序为转轮体中心截面，即为加工圆弧的程序，数控编程也比较简单。从加工刀具上来说，也可以省去一套特制的靠模刀架，从而使用立车自带的刀架，仅需再使用一个长度足够的普通小刀架即可，保证加工到转轮最低点时立车刀架不会碰到转轮上。

4.4加工方案对比

对于以上2种方案，我们可以做一下比较：

方案一（靠模加工） 方案二（数控加工）

优点 1.机床小时费用较低；

2.操作比较方便。 1.数控加工的精度较高；

2.操作方便；

3.不需任何工装，省掉工装费用。

缺点 1. 需要制造一套较大的工装，工装通用性低；

2. 加工精度较低；

3. 加工效率较低。 1. 机床小时费用较高；

2. 设备成本高。

3. 一般加工效率比靠模低。

从以上比较我们可以得出结论：靠模方法加工转轮体外球面的方法是一种比较原始的加工方法，虽然操作比较简便，加工效率较高，但由于需要制作较大的工装，所以其成本远比利用数控加工的方法高，而且他的加工精度也比较低。所以对于有数控机床的生产厂家来说，还是安排在数控立车上加工更好。对于有大型不带数控功能的立车，我们建议对立车进行数控功能改造，使其更适合国内及国际水电加工也的发展要求，而且其长远的经济效益也是可观的。

4.5转轮体叶片轴孔加工工艺研究

对于水轮机实际运行要求来说，转轮体叶片轴孔的尺寸直接影响到整个转轮的受力和出力，这就提出了转轮叶片的尺寸轴孔加工的重点：a.每个叶片轴孔中心线必须水平一致，这样能保证叶片的受力大小一致；b. 叶片轴孔中心线应与转轮体球面最高点截面水平一致，这样能保证叶片与转轮体的间隙一致，在叶片全关时叶片肩部不会碰到转轮体上研伤转轮体。

加工工艺分析：

叶片轴孔的加工我们采用立车加工时，直接在转轮体上刻转轮体球面最高点的水平线，精车完毕后划线加工的方法。

转轮体经过粗车平面及球面、粗镗叶片轴孔后进入半精车序。在半精车完毕后，我们通过数控找球面最高点，在转轮体上用尖刀刻出转轮体球面最高点的水平线（普通靠模加工的立车，以靠模上刻的水平中心线对刀，在转轮体上刻出最高点的水平线），此水平线就是叶片轴孔中心的节圆线。在划转轮叶片轴孔加工线时，以此水平线为基准线。半精镗叶片轴孔完毕后，将球面上的叶片轴孔中心线引至叶片轴孔内，防止在精车时，中心线被车掉。

在精车时，仍以所刻水平中心线为基准找水平（普通靠模加工的立车，也应将靠模上所刻的水平中心线以此线找水平）。或将转轮直接放在已经车好的等高垫筒上，以此水平中心线找数控程序的零点（球面最高点），其他高度方向上的尺寸也以此线为基准进行精车。精车完毕尖刀重新补刻出水平中心线与原线一致。

精车完毕，仍以所刻水平中心线为基准，划线，精镗叶片轴孔。

这里有一点要提到的是，精镗叶片轴孔时，也可选用普通镗床和数控镗床，对于直径Φ1250mm叶片轴孔来说，需要配备有效长度700mm左右的滑枕，而滑枕较长对镗出的叶片轴孔的圆度也有较大影响，其加工效率也比较低。

5．工艺及经济效益分析

随着水力发电技术的迅速发展和全球性的水利大开发，水电制造业成为一种蒸蒸日上的行业。水电制造业作为一种精细的机械制造行业，其制造工艺技术必然走在各种机械制造业的最前端。引进新技术、新工艺、新设备，提高效率、降低成本对于老、中青企业是发展的必然之路。

参考文献

[1]《水力机械》水利电力出版社 作者：青长庚 佟文敏 陈主谋等编1983年 书号15143.5111

[2] 《水轮机》上、下册 水利电力出版社 武汉水利电力学院主编 1980年

[3] 《水轮机》第三版中国水利水电出版社 河海大学刘大恺主编1997 书