汽轮机转子红套用转台研制

骆占山

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150046）

1 引言

汽轮机转子常用的结构为整体锻造转子、套装转子两类，各类汽轮机转子多采用整体锻造转子。套装转子一般应用在主轴细小、叶轮直径较大的转子上或者超大型汽轮机产品上。红套工艺方法有水平装配与垂直装配两种方法，汽轮机转子一般采用垂直状态装配，目前较常用的方法是将转子翻转成垂直状态，固定在固定的工作台上，逐一进行叶轮等部件的装配工作，该方法存在一个较大的缺点是：转子无法进行旋转，需要人工调整热状态的叶轮，装配效率及安全性大大降低。本文论述了一种转台设备，可以完成转子垂直状态夹持和平稳回转。

2 总体要求

转台所夹持转子长度一般在4000～7500mm 之间，转子重量一般为30t 左右，因此转台承载能力最大定为45t。转盘安装在井式平台内，因此空间狭小，其卡盘的卡紧应能够实现自动卡紧，我们选用三爪卡盘。一般转子主轴竖起后进入红套状态，其垂直度要求为0.03mm/1000mm，因此转子装卡部位必须足够长，选取800mm 作为夹持长度，以确保其平稳。转台回转速度要求为2r/min，确保转台运转过程中平稳牢固。本文中的转台由两部分组成，一部分是实现转台转动的回转系统，另一部分是实现自动定心装卡的三爪卡盘及其实现系统。两部分集成安装在底座箱体中。

图1 结构简图

图2 夹紧力受力简图

3 转台结构设计

3.1 回转系统设计

转台回转系统实现转子夹持后转动功能，以适应不同的装配状态，回转系统由高速级齿轮减速、蜗轮蜗杆减速、低速级齿轮减速3 级组成。高速级直齿圆柱大小齿轮均选用45 钢，采用软齿面，小齿轮调质处理，齿面硬度217～255HBS，平均硬度236HBS。大齿轮正火处理选用8 级精度。齿面硬度162～217HBS，平均硬度190HBS。大小齿轮齿面平均硬度差46HBS，在30～50HBS 之间，选用8 级精度。将蜗轮蜗杆传动置于中间级，可以减小结构尺寸。因蜗杆传动功率不大，速度不高，蜗杆选用45 钢，调制处理，齿面硬度220～250HBS。蜗杆轮缘选用铝铁青铜。箱体散热面积足够。因为是一般传动，且蜗轮圆周速度不高，所以选用8 级精度。根据结构尺寸要求，低速级大齿轮尺寸直径应大于1200mm。因为低速级传递转矩较大，故大小齿轮均选用40Cr，表面淬火，齿面硬度为48～50HRC，选用7 级精度。

3.2 夹持系统设计

夹持系统采用三爪夹盘，自动夹紧。传动方案为电机带动蜗轮蜗杆减速器，使用一个双联齿轮实现三个卡爪的同步运动，通过安全离合器设定所需的夹紧力大小。为实现三个卡爪的联动功能，采用一个双联齿轮结构，空套在系统主轴上，形成类似滑动轴承的结构。为减小齿轮与轴的摩擦力，齿轮内圈镶铜，并要求齿轮内圈和相配合的轴径加工精度高。

3.3 传动系统设计

夹持系统共分为5 级传动。第一级采用蜗轮蜗杆传动，蜗杆选用45 钢调制处理，齿面硬度220～250HBS。蜗杆轮缘选用铸锡磷青铜。第二、三、四级直齿圆柱齿轮齿轮为一般传动。故大小齿轮均选用45 钢采用软齿面，小齿轮调质处理，齿面硬度217～255HBS，平均硬度236HBS。大齿轮正火处理选用8 级精度。齿面硬度162～217HBS，平均硬度190HBS。大小齿轮齿面平均硬度差46HBS，在30～50HBS 之间，选用8 级精度。第五级圆锥齿轮传动大小齿轮均选用45 钢，小齿轮调质处理，齿面硬度217～255HBS，平均硬度236HBS。大齿轮正火处理选用8 级精度。齿面硬度162～217HBS，平均硬度190HBS。大小齿轮齿面平均硬度差46HBS，在30～50HBS之间，选用8 级精度。

4 系统分析

图3 主轴底座的有限元网格

图4 静力分析图

转台主要是实现转子的垂直装卡，并实现转动，因此三爪卡盘的夹紧力需要进行计算分析；为保证转台的运行平稳，需要对底座箱体进行受力分析。

4.1 夹紧力计算

夹紧力能否满足要求，是夹持系统设计的关键，已知参数：主轴长7500mm，端部直径D=750mm，重G=4.5×105N。吊车放置主轴允许与竖直方向成7°偏角，靠三爪夹盘的夹紧力矫正，夹紧位置距主轴轴端距离860mm。受力见图2 所示。夹紧力F×860≥G×64.8,因此F≥G×84.8/860=44372N，按夹紧力最大值取F=5×105N 进行设计。

4.2 支撑部件有限元分析

转台的大部分零部件需要安装在底座箱体上，必须保证各传动部件的安装尺寸精度，承受主轴的全部重量，并起到保护零部件的作用。本设计的箱体结构比较复杂，尺寸大。安装的零部件多，因此选择材料为流动性好、体收缩和线收缩小的灰铸铁，用熔模铸造的方法制造。

对底座箱体在重力作用下的变形，在外加轴向和径向载荷作用下的各阶模态进行了基于ANSYS的有限元分析。通过建立有限元理论模型，重点对转台重要支撑件进行模态分析，判别了底座的薄弱环节，为结构的优化设计提供可靠的依据。

5 结语

本文仅对汽轮机红套用转台进行了较为宏观的介绍，传动比的计算、轴承强度校核、齿轮的结构尺寸计算、电机功率计算等内容涉及方面较多，本文未进行讨论，大家可参照对应资料进行计算。