Изготовление валов

Конструкция вала и требования, предъявляемые к материалу и механической обработке

Вал гидротурбины является одним из наиболее ответственных элементов ротора гидроагрегата. Одним фланцем он жестко крепится к рабочему колесу, другим — соединен с валом или ступицей ротора генератора. Через вал турбины крутящий момент, соответствующий мощности гидроагрегата, передается от рабочего колеса к ротору генератора. Конструктивно вал 1 турбины представляет собой полый цилиндр (тело вала) с двумя фланцами (рис. 7.1). В зоне расположения направляющего подшипника на теле вала имеется направляющий пояс 5 или облицовка 4 из нержавеющей стали (рубашка). Центровка вала турбины с рабочим колесом и ротором генератора 2 осуществляется посредством буртика D1 и выточки D2, сопрягаемым, как правило, по посадке скольжения. Жесткость соединения деталей, а также передачу осевого усилия и крутящего момента обеспечивают болты 3, центральная часть которых диаметром d припасована в отверстиях с минимальным зазором, соответствующим посадке движения. В соответствии с принятой номенклатурой и ОСТ 24.2Э4.01—74 гидротурбинные валы могут быть диаметром 600—2500 мм массой до 120 т; длина вала 4000—10 000 мм.


Рис. 7.1. Вал турбины и фланцевое соединение.

В настоящее время заготовки валов гидротурбин выполняют либо в виде цельной поковки, либо сварными, состоящими из фланцев и полого тела (трубы), соединенных сваркой (рис. 7.2).


Рис. 7.2. Заготовка цельнокованого (а) и сварного (б) вала.
1 — кольцевые пробы; 2 — кольцевые припуски; 3 — кольца для измерения остаточных напряжений; 4 — литой развитый фланец; 5 — сварные швы; 6 — кованая труба; 7 — кованый фланец; 8 — цилиндрические пояски; 9 — сварной стык-свидетель.

В зависимости от способа получения заготовки выбирают марку стали. Цельнокованые заготовки, как правило, изготавливают из углеродистой стали марки 40. Элементы сварной заготовки выполняют из хорошо сваривающейся низколегированной стали марки 20ГС или 25ГС.
Проверка качества изготовления цельнокованого вала и кованых частей сварного вала изложена в разделе 3.4. Литые
развитые фланцы сварных валов дополнительно к обычному контролю отливок (см. раздел 3.2) после предварительной механической обработки подвергают проверке магнитнопорошковой дефектоскопией и травлению галтельных переходов. Зону сварного соединения с трубчатой частью вала на длине 150 мм от торца подвергают контролю ультразвуковой дефектоскопией. Эти меры необходимы для выявления и устранения поверхностных и внутренних дефектов типа трещин, крупных раковин и скоплений неметаллических включений.
Для испытания механических свойств сварных швов изготавливаются специальные контрольные сварные стыки-свидетели (рис. 7.2). Для их сварки служат кольца, отрезаемые от каждого конца трубы и от примыкающих к сварным швам концов фланцев. Кольца имеют те же размеры в сечении, что и сварной вал в зоне сварных швов. На каждый сварной шов вала изготавливается один стык-свидетель. При сварке свидетелей устанавливаются те же режимы сварки и сварочные материалы, которые применяются при сварке стыков заготовки вала.
Испытания на разрыв металла шва производятся на пятикратных образцах (тип II по ГОСТ 6996—66) вдоль оси шва, а сварного соединения — на десятикратных образцах (тип III по ГОСТ 1497—61) поперек шва. Испытания на ударную вязкость проводятся на образцах (тип VI по ГОСТ 6996—66) с надрезом по оси шва и в зоне сплавления. Минимальный уровень механических свойств сварных швов и соединений приведен в табл. 7.1. Сплошность сварных швов контролируется ультразвуковой дефектоскопией и травлением в объеме 100% их протяженности. Нормы допустимых дефектов устанавливаются техническими условиями. Определение уровня остаточных напряжений в сварных валах аналогично проводимому для цельнокованых. Цель контроля — проверка качества термической обработки после сварки.

Таблица 7.1. Механические свойства (не менее) сварных соединений заготовок валов
Испытуемый материал Предел текучести (условный) σ0,2, кгс/мм2 Временное сопротивление разрыву σв, кгс/мм2 Относительное удлинение δ5, % Относительное сужение ψ, % Ударная вязкость αн, кгс·м/см*
Металл сварного шва
Сварное соединение
26
50
50
16
30
4
4

Для спокойной работы агрегата при вращении ротора необходимо, чтобы между сопрягаемыми деталями ротора отсутствовали линейные и угловые эксцентриситеты. На линейный эксцентриситет влияют: радиальное смещение сопрягаемых деталей в пределах зазоров между ними и несоосность посадочных поверхностей турбинного вала относительно поверхности направляющего пояса. На угловой эксцентриситет влияет неперпендикулярность сопрягаемых торцевых плоскостей фланцев относительно оси, а также отклонение их от плоскостности.
Такое большое количество погрешностей требует максимального ужесточения каждой из них. Особое внимание уделяется ужесточению неперпендикулярности сопрягаемых плоскостей (торцевого биения), так как вызываемый этой погрешностью угловой эксцентриситет возрастает пропорционально длине вала.
Основные технические требования к точности обработки валов указываются в чертежах: 1) диаметральные размеры посадочного буртика фланца выполняются по 2-му классу точности, а выточки — с предельными отклонениями 1-го класса; 2) сопрягаемые поверхности фланцев должны быть плоскими; выпуклость их не допускается, а вогнутость допустима не более 0,03 мм; 3) шероховатость основных поверхностей должна быть не более 1,25 мкм, а поверхности шейки под подшипник — 0,63 мкм; 4) радиальное биение не должно превышать 0,03 мм для шейки вала, базовых поясков на наружной поверхности фланцев или тела вала и для посадочного буртика (выточки) на фланце со стороны генератора; 0,04 мм для посадочного буртика на фланце, сопрягаемом с рабочим колесом; 5) торцевое биение плоскости фланца со стороны генератора, замеренное на периферийном диаметре, — не более 0,03; со стороны рабочего колеса — не более 0,04 мм.
Для обеспечения столь жестких требований даже при использовании уникальных токарно-центровых станков высокой точности технологический процесс должен быть построен таким образом, чтобы все поверхности вала, от которых требуется получить минимальный торцевой и радиальный бой, протачивались с одной установки. Поскольку это требование технологически невыполнимо, то поверхности фланца, сопрягаемого с рабочим колесом, вынужденно обрабатываются с другой установки вала на станке, так как повышенные погрешности обработки этого фланца не сказываются на изломе оси агрегата. Эксцентриситет шейки вала турбины в зоне подшипника

где Δ — суммарный; Δугл — угловой; Δлин — линейный эксцентриситет; ε1, ε2 — торцевые биения сопрягаемых плоскостей фланцев валов турбины и генератора; ε3 — радиальное биение шейки вала турбины; ε4 — радиальное биение буртика (выточки) фланца турбинного вала со стороны генератора; ε5 — радиальное биение выточки (буртика) фланца вала генератора, сопрягаемого с фланцем турбинного вала; δ — максимальное смещение в сопряжении буртик—выточка фланцевого соединения валов; DФ — наружный диаметр сопрягаемых фланцев; L — расстояние от плоскости сопряжения фланцев до шейки турбинного вала.
Если не принять специальных мер, то суммарный эксцентриситет А может оказаться очень большим, что приведет к нестабильной работе агрегата, преждевременному выходу из строя вкладышей турбинного подшипника. Устранение чрезмерно большого излома оси вала агрегата достигается при сборке и рас-центровке валов — операции спаривания.


Гидротурбостроение