核电低压转子轮盘及联轴器热压配合工艺技术

王俊爵

(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)



核电低压转子轮盘及联轴器热压配合工艺技术

王俊爵

(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaoTong

University,Shanghai200240

大型低压热压配合转子技术是低参数大型化核电汽轮机开发的技术关键之一。本文着重介绍了西门子结构核电低压转子的轮盘热压配合技术的过程。文章从设备，工艺，质量控制等几个方面介绍了热压配合的一些技术参数和控制要求，目的是保证工艺的的安全可靠。

[Abstract]The techniques of turbine rotor, type L shrunk is one of critical points for low parameter of turbine D&R. An introduction is being presented to the process that Siemens’ techniques of disk and coupling shrinking for nuclear low pressure rotor. This article introduces some technical data and requirement from equipment, process and QC etc. in order to assure security of shrinking process.

核电汽轮机热压配合转子

0　前言

在全球对低碳能源呼声越来越高的今天，核能作为矿石能源的替代作用正越来越显现。正式在国家大力发展新型清洁能源的当下，中国各家装配制造企业在引进吸收世界先进技术的同时，走出了一条自己的技术之路。

汽轮机转子按加工、装配方式可以分为整锻转子、焊接转子和套装转子，这三种结果型式在我国百万千瓦级核电机组均有应用。哈汽核电机组的高压和低压转子均为整锻结构，由整根锻件加工而成，在安全性、抗应力腐蚀方面有一定的优势。东汽的核电低压转子为焊接型式，焊接转子的选材容易，合格率高，转子本身还具有质量轻，应力低等优点，但对设计方法、焊接工艺、质量控制等都提出更高的要求。上汽百万等级核电机组的高压部分采用整锻转子，低压部分为套装叶轮结构。套装叶轮是西门子核电机组特有的结构型式，具有交货周期缩短、材料性能均匀等优点。通过在轮盘锻件上采用专门的热处理和表面处理工艺，使轮盘整个表面区域一定深度范围内产生压应力，来解决核电机组的应力腐蚀问题。西门子该型式的核电低压转子累计运行时间超过2.75×106h，从未由于应力问题而更换转子或叶轮[1]。

核电低压转子分为三个部分，联轴器、轮盘和中心轴，见图1。中心轴总长超过11米，对称布置共8个轮盘，其中最大轮盘重量超过25T，采用水平热压配合工艺将联轴器和轮盘分别从中心轴两端靠向对应的台阶，待冷却后轮盘与中心轴将产生3.3～4.0 mm的过盈量，紧紧抱住中心轴；而联轴器直径虽小，但也需要约1.5 mm过盈量。

由于核电汽轮机有着工作参数低、蒸汽流量大、设计单一性、应力水平低、尺寸大型化等几个特点[2]。基于百万核电核电汽轮机这些特点，就决定了大型铸锻件将是核电机组生产的关键零部件。我国汽轮机转子生产能力远达不到市场需求，不得不从法国、德国、意大利、和韩国进口。而国外关键大型铸锻件价格高、交货周期长、供货困难，关键时刻又可能出于战略考虑进行技术保密甚至限制出口[3]。为此核电转子的国产化，是摆在我厂整个核电机组国产化前的最大障碍。

图1　HN1000-6.43机型低压转子热压配合图Fig.1　HN1000-6.43 model low pressure rotor hot press fit

1　热压配合理论基础

1.1配合面间所需的径向压力p

F——联接传递轴向力，N；

T——联接传递转矩T，N·M；

d——配合的公称直径，mm；

l——配合的接触面长度，mm；

f——摩擦系数；

此式为径向压力大于联接传递轴向力和联接传递转矩之和，即

当联接传递轴向力F时(图2)，应保证联接在此载荷作用下，不产生轴向滑动。亦即当径向压力为P时，在外载荷F的作用下，配合面上所能产生的轴向摩擦阻力F，应大于或等于外载荷F。

当联接传递转矩T时，则应保证在此转矩作用下不产生周向滑移。亦即当径向压力为P时，在转矩T的作用下，配合面间所能产生的摩擦阻力矩Mf应大于或等于转矩T。

1.2过盈联接的最小有效过盈量δmin

过盈配合分为胀缩法装配和压平配合两种。其中本文的热压配合工艺属于涨缩法，即不考虑表面微观不平度的峰尖的形变，其最小有效过盈量δmin=Δmin；但当采用压入法装配时，配合表面的微观峰尖将被擦去或压平一部分(图3)，此时δmin=Δmin+2μ，即Δmin值应再增加被擦去部分2μ。

图2　变轴向力的过盈联接和受转矩的过盈联接

图3　压入法装配时配合表面擦去部分示意图Fig.3　The schematic diagram of the fitting surface to wipe off the assembly with the pressing in method

Δmin——根据材料力学有关厚壁圆筒的计算理论，在径向压力为P时的过盈联接传递载荷所需的最小过盈量；

RZ1、RZ2——分别为被包容件及包容件配合表面上微观不平度的十点高度，其值随表面粗糙度而异，μm；

p——配合面间的径向压力，MPa；

d——配合的公称直径，mm；

E1、E2——分别为被包容件与包容件材料的弹性模量，MPa；

C1——被包容件的刚性系数

C2——包容件的刚性系数

d1、d2——分别为被包容件的内径和包容件的外径，mm；

μ1、μ2——分别为被包容件与包容件材料的泊松比。对于钢，μ=0.3；对于铸铁，μ=0.25。

1.3过盈联接的强度计算pmax

过盈联接的强度包括两个方面，即联接的强度及联接零件本身的强度。由于按照上述方法选出的标准过盈配合已能产生所采的径向压力，即已能保证联接的强度，所以这里只讨论联接零件本身的强度问题。

过盈联接零件本身的强度，可按材料力学中阐明的厚壁圆筒强度计算方法进行校核。首先根据求得的最小有效过盈量δmin，从国家标准中选出一个标准过盈配合，这个标准过盈配合的最小过盈量应略大于或等于δmin，按所选的标准过盈配合种类查算出最大过盈量δmax。再求出最大径向压力pmax。

2　核电低压转子热压配合装配技术

2.1设备介绍

热压配合专用的滚轮支架：支撑转子的滚轮支架，所携带的马达可控制转子做正反转和启停。

轮盘专用加热炉：加热炉为罩式电控炉。加热炉直径应该允许轮盘或是联轴器平卧在炉内，加热前轮盘或是联轴器内外圆分别接上热电偶，然后盖上炉罩，缓缓将炉温与零件温度共同提高到经验公式要求的温度和时间。加热炉为自动控制炉温保持恒定。

Y型压轮：由于轮盘冷却后轴向与中心轴台阶有一定的间隙要求，所以在热态下，设计了一个Y型架，两头各有一个滚轮，在热压配合后，保证轮盘轴向能够紧紧靠近中心轴台阶。冷却后轮盘与中心轴将自然形成一定的热胀间隙。保证转子在运行时，此处间隙闭合，避免中心轴台阶根部遭遇湿蒸汽，产生应力腐蚀。

夹具：目前我厂的低压转子共有4种尺寸的轮盘，对应需要4种规格的轮盘夹具。夹具的作用主要是几点，轮盘在加热炉内翻身作用，轮盘热压配合时起吊作用和最后调整热态套装的位置。

2.2热压配合安装工艺

为了减小转子由于末叶片对于整圈叶片的重量不平衡，在设计时所有各级转子的末叶片和轮盘末叶窗口都是周向均布。为了能在轮盘热压配合时，不至于将轮盘的周向位置弄错。就必须事先根据转子端面上的钢印，在合适的外圆上用漆笔画出钟点位置(周向均分12个区)。

同时设计的时候就考虑到轮盘热压配合时，是两侧轮流套入轮盘，所以中间轴的中心就不能落在总长的中间，而是要根据一级轮盘的重量，向一侧偏移。而在热压配合时第一个轮盘会先从重心离端面较短的一端开始，然后两端轮流热压配合。

2.2.1第一级轮盘装夹具准备过程

轮盘夹具分两端，翻身端和起吊端。每级轮盘叶根槽都有且仅有一个标示钢印，最终每一个叶轮，将此标记对齐在同一直线上(主要靠目测)，在叶轮加热前，夹具分别放在3点和9点位置，将叶轮出汽边放在上面，将标示钢印处留在12点位置(热压配合后与转子上的12点位置一致)，用双头螺柱和碟形垫片将凹字形夹具紧固。

起吊端夹具是可以轴向调整吊钩和轮盘起吊位置的，使起吊时吊钩位置能垂直投射在轮盘的重心上，在热压配合时保证轮盘内圆中心线和转子中心线尽量平行，防止吊入轮盘和转子热压配合时发生咬死。

轮盘平面上放上金属薄圆环。在热压配合后，Y型滚轮通过液压力，轴向压紧在金属薄圆环上，保证轮盘靠紧转子凸肩。金属薄圆环由四个搭子固定。在轮盘内圆上涂上防咬剂。该过程需注意与轮盘夹具接触的加热炉内的翻身用垫铁工装，也需要涂防咬剂，作用是加热前平卧轮盘和加热后立起轮盘时润滑。

2.2.2热压配合第一级轮盘准备过程

首先要调整用于热压配合后压紧轮盘的Y型压轮。调整Y型压轮的轮盘间距尺寸(保证上下两个轮盘落在金属薄圆环上)，并且保证对于转子中心的对称。滚轮的轴向径向位置也要粗调水平和垂直，以保证在轮盘热压配合后，压轮的压力可以均匀作用在轮盘上，而不产生使轮盘侧偏或是卡阻的力。然后移开Y型压轮，顶起转子中间，一人在转子下面观察，等到需要撤掉支架的一端稍稍腾起，停止顶起。移开一侧的滚轮支架。

2.2.3整个热压配合过程

整个热压配合过程可以分为以下五步：(1)打开加热炉，行车竖起轮盘。(2)吊出，放在平台上，先卸掉翻身端夹具。(3)擦净内圆，检查膨胀量合格后，方可继续。(4)将轮盘吊到中心轴悬臂端。2个人分居轮盘左右用铁棍串在轮盘上夹套中调整水平，1个人在转子侧面看轮盘水平情况，1个人拿手电筒看径向方向上轮盘和转子是否对中。另一个人负责将滚轮支架跟着轮盘平移。直至轮盘靠紧中心轴台阶。(5)随后迅速将轴向Y型压轮工具，压紧轮盘。并拆除起吊端夹具。

由于轮盘即使加热后，内径膨胀量也不是很大，与中心轴外径大约只有1 mm直径的间隙，而轮盘与中心轴的对中则完全依赖行车。一旦热压配合失败，超过3 mm的过盈量，将使得轮盘将永远无法再次进行任何调整。所以热压配合过程中，对于人员个人注意力和人员和行车之间的配合要求极高。而且为了保持轮盘在炉中取出以后，温度下降尽可能地慢，四周尽量不能有空气流通。由于操作热压配合轮盘时，有大量需要接近零件的工作，所以热压配合人员被要求穿上隔热服。加热后取出轮盘，一般应在20分钟内结束热压配合的整个过程，否则可能导致热涨间隙不够。

2.2.4第一级轮盘打轴向销介绍

具体步骤：(1)行磨销孔，记录(记录值精度0.005 mm)；(2)滚压销孔，分三次记录；(3)行磨销孔，记录。销与孔间隙，0.03 mm；(4)在销子表面涂上防咬剂，放入锥销；(5)锥销要检查接触长度和面积；(6)测试接触面积的时候，沿联轴器端面在销子上划一根线，锯去多余长度，装进去时敲紧销子，低于平面联轴器端面2 mm。一级轮盘和二级轮盘由于质量较大，所以都需要加工骑缝销。而为了防止蒸汽腐蚀骑缝销，在骑缝销的外面会加一个挡销环，挡销环会被前一级轮盘箍紧。

图4　轮盘轴向销的剖视图

2.2.5联轴器热压配合

最后按图纸将两端的联轴器热压配合到中心轴上，由于联轴器直径和质量都比较小，所以热压配合本身难度不大。但是由于本身滚轮支架的支撑的中心轴外圆，现在需要热压配合联轴器，所以热压配合联轴器是将热压配合轮盘后的转子固定在木头上，二头轴颈腾空，在热压配合后通过调整垫片抬高联轴器下方的滚轮支架，托起间隙配合热态的联轴器，直到转子外圆上的联轴器内圆间隙轴向均匀。在冷紧过程中，要经常检查间隙是否均匀，以保证联轴器内圆与中心轴外圆的各个方向均匀过盈，以避免热压配合带来的重力弯曲。热压配合另一端的联轴器，步骤同前。

2.2.6热压配合结束工作

热压配合结束吊出转子。为了保证联轴器上锥销孔及其他法兰孔的安装精度，在热压配合结束后，还有这部分的机加工工作。

3　热压配合装配的工艺特点及质量控制

西门子公司典型核电汽轮机采用热压配合低压转子设计，由于热压配合本身就有很高的预应力，而低压汽轮机尺寸很庞大，即使采用半速设计也具有很高的离心应力，为了降低部件的设计工作应力，采用了表面特殊热处理、高拉应力，从而降低部件的实际工作应力水平，达到材料表面工作应力与材料屈服强度的的设计目标比值。从最早的德国KONVOI核电站到最新的EPR核电站设计，采用此设计手段的汽轮机从未发生过应力腐蚀裂纹现象[4]。此种结构的轮盘在热压配合前进行特殊的喷丸处理，以保证一定的表面压应力。而中心轴相关外圆表面都需要做滚压(Rolling)，其目的也是一样的。

对于图纸上要求的，热压配合后轮盘的轴向尺寸、轮盘和转子端面冷却后留有的1 mm间隙及轮盘对于转子的垂直度，无法在轮盘热压配合时调整，需要通过以下五个方面进行事先控制，如果热压配合失败，目前还没有将轮盘取下的经验，只有联轴器可以取下。

3.1加工前，机床保证转子和轮盘的形位公差；

3.2加热过程中，轮盘内外壁的最终温度的监测和控制，为了保证检测温度的可靠性，每根转子热压配合结束都要更换新的热电偶线；

3.3在热压配合前调节压紧Y形压轮的水平，以保证热压配合后，第一时间给予轮盘的压紧力是平行于中心轴中心线的；

3.4冷却中，通过对于校调数据的判断，对转子绕度进行调整。热压配合校调记录(Radial Run-Out Inspection of shrinking)内容从热压配合轮盘被Y型压轮轴向推紧后开始，直到整个轮盘冷却。在热态下，校调转子，使得转子不至于因为局部受热而产生过大的挠度和局部膨胀。这是整个热压配合过程中最影响转子热压配合重力弯曲的一步；

3.5轮盘的骑缝销加工需要注意一下几点，①加工前保证万向钻钻头与被加工部位的形位尺寸②钻头不能碰伤槽底③定位销的尺寸和粗糙度都会直接影响定位销的疲劳寿命，所以相关数据必须记录。④加工后清洁槽底。

对于①点，应该这样控制，先用水平仪保证转子和钻头水平位置一致，然后用标准块测试多个位置钻头外圆到转子外圆的距离，保证销孔到中心轴的中心距离和钻头和转子中心线平行，精度可以达到0.05 mm，这二步校调分别保证了销孔两个方向上的垂直度和销孔的径向位置。对于④点，要求是这样的，磨准销孔后，依次从每个销孔中灌入清洁剂，通过转子的旋转将清洁剂从旁边一个孔中流出，带出残留在轮盘和转子之间的铁屑，最后吹干孔底液体。

4　总结

目前，上海汽轮机厂已采用此工艺方法对多根HN1000-6.43型低压转子完成热压配合安装。各项圆跳动数据均达到国外先进水平。该工艺方法对其他套装转子也有参考和指导作用。

[1]黄瓯, 余炎. 我国百万千瓦以上核电汽轮机组现状及发展[J]. 发电设备, 2010, 5:309-314.

[2]何阿平, 阳虹, 彭泽瑛.大型核电机组半速汽轮机长叶片系列的研发[J].电力设备, 2008, 9(7): 9-12.

[3]刘鑫, 钟约先, 马庆贤,等.核电汽轮机低压转子技术的发展[J].锻压装备与制造技术,2009, 3: 13-18.

[4]蒋浦宁. 核电汽轮机防应力腐蚀裂纹技术[J]. 热力透平, 2010, 39(2):89-96.

Process Technology of Disk and Coupling Shrinking for Nuclear Low Pressure Rotor

WangJunjue

NuclearSteam turbineshrinking fitRotor

1006-8244(2016)02-029-05