立式水轮发电机转轴结构型式与加工工艺特点

宋 佳 音

（哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040）

转轴是水轮发电机转动部分的重要组成部件。其受力情况比较复杂，主要用于传递扭矩，承受机组部分的重量和水推力产生的轴向力，以及定、转子气隙不均匀引起的单边磁拉力和转子机械不平衡力等，并且还要承受事故状态下的非正常力矩。因此水轮发电机转轴除了具有一定的强度和刚度外还具有很高的尺寸和形位公差要求，加工难度大。本文综合哈电公司（哈尔滨电机厂有限责任公司）多年来所生产加工的立式水轮发电机转轴实例，通过比较、分析，对立式水轮发电机转轴的加工工艺进行深入的研究。

从机组结构尺寸、机械强度和刚度的要求以及加工制造、安装运输等多方面因素的综合考虑，转轴采用的结构型式也不同，近年来随着机组容量的不断增加，转轴的结构型式也随之改变，以满足不同工况下的运行要求。其结构型式主要有一根轴结构和分段轴结构。

1 一根轴结构

1.1 结构说明

一根轴结构是指发电机端从上到下转轴不分段，其径向尺寸相对较小，属于细长轴结构，极容易产生挠度，再加上与之配合的部件较多，配合面形位公差要求高，因此加工工艺复杂。一根轴结构适用于中、小容量水轮发电机和大容量悬式水轮发电机，机组整体性好，轴线易调整。在这种结构中，发电机的扭力矩是通过轴与轮毂之间的键或轴与轮毂的过盈配合传递的。中、小容量水轮发电机的力矩较小，加工键槽较方便，故常用键结构传递力矩；而大容量水轮发电机多采用转轴与轮毂热套结构，借助配合紧量传递力矩。

1.2 加工工艺特点

转轴为一根轴结构时，配车尺寸多，加工找正精度及形位公差要求高，由于转轴轴身细长，在加工过程中轴身挠度难以控制，这就需要确定出轴身上正确的装夹位置。

当转轴与转子支架（或磁轭）、导轴承滑转子为热套结构（如图1）时，通过对内孔的找正来确定转轴两端的中心架子口，每次调换装夹方向后需重新修复转轴两端的架子口以消除架子口的误差，以架子口为找正基准对上导滑转子外圆，转子支架配合段，下导滑转子外圆及主轴法兰等在一次装卡下加工完成，保证发电机端各转动部件配合面同轴，实现机组安装摆度最小。

当转子支架（或磁轭）与主轴锻成一体（如图2）时，此时磁轭圈的外缘设有鸽尾形槽（或T尾形槽），用以安装磁极，这种结构的转轴由于重量集中在中间段，很容易产生较大挠度，所以在加工、装配上要采取特殊工艺满足图纸要求。为减少挠度给加工带来的影响，需计算并确定出正确支撑位置，并且车序加工尽量在单件中完成。在加工磁轭圈上鸽尾槽（或T尾槽）时应注意保证鸽尾槽（T尾槽）平行度、圆周分布及槽型尺寸。除了根据槽型及设备情况提制相应参数的成形铣刀外还要制作特殊样板，保证加工后能够一次性达到图纸要求。对于磁轭圈外圆的多边形则利用数控镗床尾座的分度盘进行正确划分。同一根轴上各外圆表面的跳动度需控制在 0.03mm以内，以保证整根轴的同轴度。

图1 大发水轮发电机机组转轴

图2 金汉拉扎水轮发电机机组转轴

1.3 一根轴结构统计

根据对典型水轮发电机一根轴结构的设计数据的统计分析，我们可以总结出一根轴的径向与轴向尺寸比例大，使轴身形位公差控制难度加大，为下一步制定出合理的加工工艺方法提供参考，见表1。

表1 转轴结构

2 分段轴结构

2.1 结构说明

分段轴结构是指在转子支架中心体的上部装有上端轴(一般又称顶轴)，在转子中心体的下部装有下端轴（一般又称主轴）。由于中间一段是转子支架的中心体，没有轴，所以又被称为“无轴结构”。根据厂房高度情况和机组整体布置需要有的机组还将发电机的下端轴与水轮机轴合为一根轴，可降低机组高度，又可保证轴的加工同轴度，减少轴线摆度，从而提高安装和运行质量。这种结构还具有转轴便于锻造、运输，以及不需热套轮毂的优点。中、低速大容量伞式水轮发电机广泛采用分段轴结构。

2.2 加工工艺特点

顶轴与主轴外圆表面加工常采用“一夹一顶”的方式，通过配车轴堵确定轴身架子口位置，保证轴身的同轴度。当顶轴具有引线槽时，轴身外圆无法车架子口，为便于加工需要提制特殊工具，满足支撑需要。思林机组的顶轴（如图3）在卧车上全部粗加工，滑转子配合面加工到要求后包绕预防轴电流绝缘，固化后加工绝缘部分，然后热套滑转子，最后在卧车上精加工配合面。为保证集电环配合段及滑转子外圆与法兰止口同心，这些部位必须在一次装卡下完成。顶轴与转子支架上圆板靠止口定位，不需同铰联轴螺栓孔。而三峡机组的顶轴（如图4）则在立车上加工，顶轴单独精车后在其端部粘贴绝缘环并保证绝缘环安装的位置度和平面度达到图纸要求，然后热套滑转子，最后以法兰端外圆为基准精加工出滑转子外圆。

图3 思林机组的顶轴

图4 三峡机组的顶轴

主轴在卧车上加工时，为保证主要配合段同心，发电机端法兰止口与水轮机端法兰止口必须在一次装卡下加工完成。另外，分段轴结构中顶轴与主轴分别用螺栓与转子支架中心体连接，而主轴与转子中心体之间多采用销钉或键来传递扭矩。若采用销钉结构，主轴（如图5、图6）与转子支架中心体连成一体，在轴线调整合格后同钻、铰孔。若采用键结构，通过研配键和键槽达到设计要求。

发电机轴加工后和水轮机轴组合为一体，在卧车上检查摆度合格后，同铰水轮机端联轴螺栓孔（若水轮机和发电机主轴为异地加工，则利用镗模进行螺栓孔的加工）。

2.3 典型分段式转轴统计

根据对典型水轮发电机分段式转轴结构的设计数据的统计分析，我们可以总结出分段轴由于本身重量较大，给起吊、调换方向、轴端法兰孔位置度找正及孔的同钻铰带来一定的难度，为此，在制定合理的加工工艺方法中应尽量综合考虑加工过程中出现的各种因素，为后期机组总装打下良好的质量基础，见表2。

图5 小湾机组主轴

图6 思林机组主轴

表2

3 结论

实践证明，立式水轮发电机转轴的制造工艺过程已基本成熟，各项数据均能达到设计要求。但随着单机容量的增大，一台转轴生产工期也相应增加，如何缩短加工周期，提高加工精度，制造精品尚待研究解决。我们应该抓住有利的契机，通过科研攻关改进加工工艺，努力打造精美产品。

[1]白延年. 水轮发电机设计与计算[M]. 北京: 机械工业出版社, 1990.

[2]余维坤, 汤正义. 水轮发电机检修技术问答[M].中国电力出版社, 2005.