1、水轮发电机轴结构与加工挠度控制摘要：立式水轮发电机的普遍应用，使得当前水电站的发电效率和质量都得到了大幅度提升，立式水轮发电机转轴结构的机械加工能力、水平，也因为结合了当前一些国外的先进技术而得到了空前的发展。本文通过对立式水轮发电机各种轴结构工件加工工艺的研究、总结，初步形成了独特的、具有自主创新的加工工艺，为水轮发电机的加工、制造提供一定的技术参考。 关键词： 水轮发电机 主轴结构 加工工艺 挠度控制 水力发电是我国当前最主要的发电方式，立式水轮发电机是当前发电站中一种常见的发电机，它不仅提高继承了传统水轮机的所有优点， 而且还使的其发电效率和质量都有了大幅度提升。 一般立式水轮发电机的主
2、轴是发电设备的关键组成部件，它上联发电机转子和顶轴、下接水轮机。水轮机、主轴、发电机转子、顶轴自下而上通过螺栓顺序联接起来，构成了发电机的转动部分。由于其结构、具体受力情况比较复杂，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，水轮发电机的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。 所以在立式水轮发电机轴结构的加工过程中，加工难度非常大，只有严格按照设计要求和其他相关标准进行加工，才能确保立式水轮发电机轴结构加工的质量。 一、水轮发电机轴的一般加工 1、主轴材质及
3、质量 主轴机械加工前需要对主轴材质进行化学成分和机械性能复验，作超声波无损探伤检查，在卧式车床上，先粗车全轴，表面粗糙度 Ra3.2，然后再对主轴进行超声波无损探伤检查。 2、主轴机械加工步骤与流程 镗加工 实测主轴内圆止口尺寸 车加工 划滑转子上孔线 镗加工 车加工 装焊 车加工镗加工 焊缝煤油渗漏试验 修磨焊缝。 一根主轴加工成品要经过 30 多个工位、近百道工序才能完成，机组型号、容量、结构不同，主轴结构也会不同，其加工工艺也不同，但大致如上述加工过程。 3、加工的关键点： 文件见证与现场见证的监造。 关键尺寸、关键部位粗糙度、全部形位公差都是监造要点。 主轴加工成品，工位、工序很多，要
4、用几种机床加工，加工时间较长，关键部位的粗糙度、形位公差不是一次完成的，每完成一处或几处，就需要进行质量检查。 二、轴的加工难度原因及解决 1. 困难原因：一是由于主轴的形位公差过小，二是由于它本身的结构特殊，从结构上看，主轴毛坯是锻造实心轴，而且水导轴承档内腔要进行端面槽加工，难度大，轴承档外圆孔势必造成加工过程中的断续切削力，并影响工件的表面质量，从材料上看，试棒实测力学性能硬度偏高。 2. 解决方案： 加工基本条件：尽量消除机床本身的误差（如机床振动，尾部顶尖误差） 刀具选择：刀具选择抗冲击，耐磨性好。在加工过程中刀子伸出较长，刚性差，且平面槽又不利于排屑的顺畅，需要把白钢刀磨成左，中，
5、右三把切槽刀镶焊在刀杆上，轮流车削，顺利完成轴承档端面槽的加工。 切削参数选择恰当，避开形成切屑瘤的切削速度，最后一刀的切速，切深，进刀量二者匹配关系。 工艺的合理性：劈两端中心孔及半精车内止口后，再精车转轮端法兰外舌平面及止口，然后校正主轴转轮端法兰，外圆及平面，控制跳动在 0.01mm 以内，再精车内止口及轴身各档尺寸。 三、主轴加工分类 转轴因为机组结构尺寸、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，其采用的结构型式也不同，主要有两种：一根轴和分段轴。 1. 一根轴结构 . 结构说明 一根轴结构是指发电机端从上到下转轴不分段，即发电机转子与水轮机两轴直接联接的结构形式。其径
6、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，因为结构简单、减小了整机高度，机组更加紧密，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。 . 一根轴加工工艺特点 由于立式水轮发电机转轴结构比较复杂，因此，在立式水轮发电机转轴结构的加工过程中，必须严格按照设计要求和其他相关标
7、准进行加工，从而才能够确保立式水轮发电机转轴结构加工的质量。在立式水轮发电机转轴结构的加工过程中，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。特别是加工过程中轴身的挠度难以控制：。 由于转轴轴身细长，轴身的挠度难以控制。 在加工过程中需要确定出轴身上正确的装夹位置。当转轴与转子支架、导轴承滑转子为热套结构时，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。 由
8、于转轴的重量集中在中间段，轴身的重量不均衡，造成轴身的挠度难以控制。 当转子支架（或磁轭）与主轴锻成一体时，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。这种结构造成了转轴中间段重量过于集中。 为减少挠度给加工带来的影响，加工时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.
9、03mm 以内，以保证整根轴的同轴度。 （水轮发电机转轴加工现场示意图） . 一根轴结构统计 我们在一组典型水轮发电机一根轴结构的设计数据中，对其统计分析后发现，一根轴的径向与轴向尺寸比例大，轴身形位公差在机床加工过程中，其控制难度十分大。如表 1 2 分段轴结构 . 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
10、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。 . 加工工艺特点 主轴加工时，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。 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
11、子口，为便于加工需要提供特殊工具，满足支撑需要。思林机组的顶轴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。三峡机组的顶轴。 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，
12、为后期机组总装打下良好的质量基础。 四、结束语 主轴是水轮发电机的的关键组成部件，无论是一根轴还是分段轴结构型式，因其机组结构尺寸、机械强度和刚度的要求，其加工难度大、误差率及尺寸精度历来是水轮机加工中一个难题。如何让立式水轮发电机转轴的制造工艺更加成熟，加工稳定达到设计数据要求，加工工期缩短等需要进一步解决。 参考文献： 【1】 李梁.大型水轮发电机定子机座加工及铁心叠片工艺探讨J.东方电机 【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. 【3】 刘占军.水轮发电机定子机座结构与加工J.上海大中型电机，2009. 【4】 陈爽 三峡右岸哈电水轮发电机定子机座的设计J.科技创新导报，2008. 【5】 陈俊，王立堂，黄学刚.1000MW 超超临界汽轮发电机超大型定子机座加工工艺J.2008.
