热能与动力机械制造工艺学 陶正良 张华第二篇 汽轮机制造工艺 第7章 汽缸的制造工艺新

1、第7章 汽缸的制造工艺8/15/20221本章讲述以下几个问题： 7.1 汽缸的分类及主要结构型式7.2 不同类型汽缸的机械加工7.3 汽缸机械加工中的典型工序7.4 典型汽轮机汽缸的加工工艺7.5 300MW汽轮机汽缸的加工工艺 8/15/20222汽缸的作用就是把进入汽缸的蒸汽与外界隔绝开，形成一个蒸汽做功的封闭空间，保证蒸汽在汽轮机内完成能量转换过程。汽缸重量大，形状复杂，汽缸内部装有喷嘴室、喷嘴、隔板、隔板套和汽封等部件；汽缸外部装有调节汽阀、进、排汽管和抽汽管等。由于汽轮机汽缸内工作蒸汽的压力和温度很高，因此要求汽缸有足够的汽缸壁厚度和螺栓的拉紧力，以保证必需的强度。汽缸所用材料主要

2、决定于蒸汽的温度。汽缸壁的厚度及汽缸螺栓的直径取决于汽缸内蒸汽的压力。8/15/202237.1 汽缸的分类及主要结构型式7.1.1 汽轮机汽缸的分类7.1.2 汽缸的典型结构型式7.1.3 汽缸的主要制造工艺7.1.4 汽缸的铸造8/15/202247.1.1 汽轮机汽缸分类1)按材料分类：铸钢、铸铁、钢板焊接及铸焊汽缸。2) 按工作压力分类：高压缸、中压缸及低压缸汽缸。3) 按结构分类：单层缸、双层缸、连体缸及分缸汽缸。4)按汽流流向分类：单流和双流汽缸。5)按支撑分类：上缸支撑和下缸支撑汽缸。 8/15/202257.1.2 汽缸的典型结构型式 1. 单层结构汽缸 (1) 一侧进汽、另一

3、侧排汽结构 8/15/20226(2) 中间进汽、单层分流式结构汽缸 8/15/20227900MW核电汽轮机单层、中间进气分流式结构的高压汽缸机构 8/15/202282. 双层或多层结构汽缸 (1)一侧进汽、另一侧排汽的双层缸结构 8/15/20229(2) 中间进汽回流式双层缸结构 8/15/202210(3) 中间进汽分流式双层或多层缸结构 8/15/202211大功率汽轮机低压缸采用分流多层缸结构的设计原因低压缸的排汽体积较大，需要有较大的排汽容积，因此排汽缸尺寸庞大，而进入低压缸的汽温与排汽温度相差大致在200左右，为了改善低压缸的膨胀，采用内、外缸或内1、内2、外缸双层或多层缸结

4、构。将通流部分设在内缸中，承受温度变化；庞大的排汽外缸则处于排汽低温状态，其膨胀较小。 8/15/2022123. 高中压合缸 图7-7 高中压合缸双层缸结构 8/15/2022134. 筒形汽缸(1) 中分面无法兰和连接螺栓的筒形内缸 8/15/202214筒形汽缸的优点：内缸尺寸小，接合面无法兰，有利于缩小外缸尺寸；内缸形状简单，质量轻，整体对称性好，热应力小；无应力集中，对汽轮机启停和变负荷运行的适应性好；内缸无法兰，可简化制造加工工艺和工作量，有利于提高产品质量；汽轮机检修时间间隔长，可用率高。 8/15/202215(2) 无水平中分面的筒形外缸 无水平中分面的筒形高压外缸 8/15

5、/202216这种汽缸结构优点：外缸形状简单，质量轻，缩小外形尺寸；无水平中分面，不存在汽缸热变形和法兰翘曲、漏汽等问题。缺点：装配时检验较困难；检修困难，拆卸和安装内缸不方便。 8/15/2022177.1.3 汽缸的主要制造工艺1) 毛坯制造：铸铁、铸钢、焊接等。2) 热处理：改善材料内部组织，消除毛坯制造、焊补及机械加工后所产生的内应力。3) 机械加工：常分粗加工和精加工二个阶段。4) 水压试验：检查材料质量和接合面的加工质量。在这些制造过程中都有检验工序，包括X光探伤，焊缝超声波探伤等。 8/15/2022187.1.4 汽缸的铸造汽缸是汽轮机中最大的铸件，一般为砂型铸造，单件生产。由

6、于汽缸较大，铁(钢)水对砂型的压力和浮力可达几十吨，因此要求砂型有较高的强度，砂箱有较好的刚性。为提高砂型的强度，都采用烘模浇注。汽缸形状复杂、有较多的大泥芯，在制造泥芯时，泥芯骨近铸壁处须用软钢扎成外壳，使泥芯表面层的型砂浇注后容易压溃，以便于铸件收缩。泥芯内部可透空，填焦碳等，改善通气性。 8/15/2022197.2 不同类型汽缸的机械加工汽缸加工的特点是零件体积大，重量重，形状复杂，加工面多，尺寸精度、位置精度、表面光洁度要求较高。 7.2.1 铸钢汽缸的主要工序7.2.2 铸铁汽缸7.2.3 焊接汽缸8/15/2022207.2.1 铸钢汽缸一般铸钢汽缸的主要加工过程：划线粗加工水平

7、中分面超声波探伤粗车汽缸内腔二道砂焊各抽汽管、保温螺母等热处理（除应力）喷丸非加工表面磁粉探伤精加工划线精加工水平中分面钻水平中分面各孔拼缸钻、铰定位销精车各平面、隔板槽及汽封槽等划各加工工艺凸台面线、压板槽线及键槽线等镗床加工工艺凸台面、压板槽及键槽等泵水总装。8/15/2022217.2.2 铸铁汽缸铸铁汽缸主要用于50MW以下汽轮机的后汽缸，根据工艺路线粗、精加工在同一工序中完成，中间没有热处理，所以相对一般铸钢汽缸省略了粗加工、装焊和热处理。其余加工工序与铸钢汽缸相似。 8/15/2022227.2.3 焊接汽缸焊接汽缸主要用于低压外缸，其绝大部分加工都在数控镗铣床上加工，主要是水平中

8、分面加工，水平中分面各孔的加工，下半座架面加工，垂直中分面加工，垂直中分面上孔的加工和轴承挡、油封挡等部位的加工。 8/15/2022237.3 汽缸机械加工中的典型工序7.3.1 划线7.3.2 水平中分面的加工7.3.3 水平中分面上连接孔和螺孔的加工7.3.4 水平中分面上疏水槽、卸荷槽的加工7.3.5 汽缸内腔加工7.3.6 汽缸的水压试验7.3.7 汽缸加工的设备及工装8/15/202224汽缸机械加工通常分为粗加工和精加工两个阶段：粗加工目的是去除多余金属，尽早发现铸造缺陷，进行补焊，粗加工需放精加工余量，通常单面放3mm5mm余量，粗加工后需除应力处理。精加工是将工件加工到最终尺

9、寸，并达到光洁度，形位公差等要求。精加工应注意正确的安装和夹紧，防止产生弹性变形，尽量减少拆装次数，避免汽缸起吊，翻身引起变形。 8/15/2022257.3.1 划线汽缸划线目的是检查毛坯形状及各加工表面余量分配是否正确。并确定切削加工的尺寸界限。粗加工划线以非加工表面作为基准，保证汽缸壁厚，汽缸法兰厚度及加工余量的均匀，还可以纠正上、下半汽缸毛坯偏差。确定水平中分面，汽缸轴向中心线，进汽管口中心线，根据这三条基准线再划出各加工面的尺寸界限。精加工划线以已加工的水平中分面作为基准，划出水平中分面，划出汽缸轴向中心线，进汽口中心线，再划出垂直中分面线，各加工部位尺寸界限。 8/15/20222

10、6汽缸水平中分面精加工后，划上半汽缸水平中分面上各孔线，为保证上、下半汽缸水平中分面上各孔位置正确同轴，先加工上半汽缸上各孔，根据上半汽缸孔划出下半汽缸上的各孔线。上半汽缸水平中分面孔线，可直接划出，或者使用专用划线样板来划，可提高效率并不易出错。数控设备加工时，一般使用预先编制好的点孔程序直接进行点孔标记。 8/15/2022277.3.2 水平中分面的加工汽轮机在工作时，要求汽缸中分面在蒸汽冲击下必须紧密贴合，不允许漏汽。因此，对汽缸中分面的要求非常高，表面粗糙度，自由合拢时，不允许塞进塞尺。1）粗加工：水平中分面粗加工，一般放在龙门刨、镗床或龙门铣上加工。也可以放在大型立式车床上加工，放

11、在大型立式车床上加工效率高。 8/15/2022282）精加工：通常单缸汽轮机汽缸，水平中分面精加工可放在龙门刨，镗床或龙门铣上加工，高中压外缸(连体缸)放在数控龙门铣上加工。数控龙门铣精度高，光洁度好，而且与汽缸内腔一起加工，能保证水平中分面与汽缸内腔的平面、腰带、汽封挡等部位的不垂直度。精加工装夹时要注意汽缸不发生弹性变形。否则要影响加工精度。 8/15/2022297.3.3 水平中分面上连接孔和螺孔的加工单缸汽轮机汽缸水平中分面连接孔（螺孔）上半汽缸按划线找正钻孔，为提高效率，可设计划线样板划线，不但提高效率，且可避免差错。通孔在钻床上加工。下半汽缸水平中分面连接孔，螺孔按上半汽缸的孔

12、划线。然后再钻孔，攻螺纹。高中压外缸，低压缸等汽缸的水平中分面连接孔，通常由数控机床定位（定位置和预钻深50mm-100mm的孔，作为大型钻床钻孔的基准），这种加工工艺可省略划线样板，和保证大型钻床钻孔的不垂直度，提高产品质量。 8/15/2022307.3.4 水平中分面上疏水槽、卸荷槽的加工汽缸水平中分面上设计有疏水槽、卸荷槽，一般深度为5mm，但其穿通所有的水平中分面上的孔，而且形状五花八门，由多种圆弧、直线、斜线组成。以前没有数控机床时，疏水槽，卸荷槽只能设计成简单的直线和斜线相连接。即使这样，在镗床加工斜线部分时，只能用手一点点刮出来，加工质量很差，达不到图纸要求。现在，疏水槽、卸荷

13、槽都放在数控机床上编程加工，能满足任意圆弧和斜线，直线连接的形状，加工质量很好。 8/15/2022317.3.5 汽缸内腔加工汽缸内腔加工，主要是内圆，平面，腰带，汽封槽，开档等尺寸，是汽缸的主要加工部位，精度和光洁度等要求都很高。单缸汽轮机汽缸，或有垂直中分面的汽缸，内腔粗、精加工都可在大型立式车床上加工。粗加工时水平中分面上尚未钻孔，上、下半汽缸按拼缸线（平线，圆线）对正，然后在上、下半汽缸法兰处焊上四块钢板将上、下半汽缸连成一体，上立式车床进行粗加工。 8/15/202232精加工在大型立式车床上加工。精加工在立式车床上安装校调是一个关键工步。由于汽缸是两半零件，所以立式车床上需校正中

14、心和垂直，要求：中心偏差0.1mm,不垂直度。校正后才能开始精加工内腔各尺寸及装喷嘴组的槽子。在立式车床上校正中心和垂直通常有以下三种工艺方法： 校中心：1）利用校中心工具来校正汽缸的中心 2）加工等高面来校正汽缸的中心。 3）在汽缸内圆处加工等高圆弧面来校正中心 8/15/202233 校垂直：1）在上（下）半汽缸的左、右；上、下有四块校调工艺凸台（上面两块可利用校中心工艺凸台），在汽缸基本校平、校圆的基准上，利用刀架上、下行程，用千分表读出上、下两数值，然后将工作台连同汽缸一起旋转180，同样用千分表读出上、下两数值，不断的校正，使左面上、下两数值，与右面上、下两数值刚好相反，说明垂直已经

15、校好。上、下数值差反映了立式车床刀架向后倾斜数值，由于左、右两面是相差180后测得的，所以立式车床刀架向后倾斜数值方向正好相反。8/15/2022342）在汽缸精加工水平中分面后，以水平中分面为基准，光一刀垂直中分面（上、下半汽缸仅加工任一片都可以）这时的水平中分面与垂直接合面的垂直精度由加工设备来保证，上立式车床校调时只要将垂直接合面校正，汽缸垂直即校正。3）在汽缸上、下二内圆处铣等高圆弧面，要将等高圆弧面的实际数值记下来。在立式车床校垂直时可用二只千分表同时校等高圆弧面，根据实际差值校正，这样中心和垂直一次校正。如遇汽缸很高，又要翻身加工的可在两端各铣二圆弧等高面，作为翻身加工的校调基准，

16、同样方法可校正中心和垂直。 8/15/2022352. 高中压外缸一般无垂直接合面，两端汽封挡内圆尺寸小，内腔尺寸大，不能在立式车床上加工，通常放在数控龙门铣上加工。 3. 低压外缸通常是冷焊件，不分粗、精加工。一般放在数控镗铣床上加工。水平中分面、座架面、水平中分面上各孔定位加工，各螺孔加工，都在数控镗铣床上编程加工。上、下半汽缸拼合后仍在数控镗铣床上加工，镗准各平面、轴承挡内圆等尺寸。 8/15/2022367.3.6 汽缸的水压试验汽缸水压试验（俗称泵水）是汽轮机制造过程中一道很重要的工艺工序，它是对精加工（或半精加工）后的各种内、外汽缸进行的气密性试验。 通过水压试验可以检测汽缸的加工

17、质量和汽缸材质内部是否存在裂纹、粘砂、缩孔等缺陷。 比用其它方法(x光检查、超声波检查)既经济又方便，特别是对于大型汽缸的设计刚性和8/15/202237铸造缺陷等也只能用水压试验的方法来进行检查，该工作是否准确无误是汽轮机制造质量及安全运行可靠的重要保证之一。水压试验的密封方法和密封结构形式等要根据汽缸的压力大小来确定。通过水压试验可以检测汽缸的加工质量和汽缸材质内部是否存在裂纹、粘砂、缩孔等缺陷。 8/15/2022387.3.7 汽缸加工的典型设备及工装 序号加工内容加工设备工装、刀、量具备 注1划线划线台，划针盘，千斤顶，重锤等划线样板上、下半汽缸互划及下半汽缸孔线2水平中分面加工大型

18、立式车床，镗床，刨创，数控龙门铣，数控镗铣床磨头，粗、精铣刀用0.05mm塞尺检测上、下半汽缸合缸间隙3水平中分面孔、螺孔加工大型钻床，卧式钻床，数控龙门铣，数控镗铣床钻头，扩孔钻，括排，铰刀，丝锥，螺纹样柱，三轴联动用铣刀杆，对刀块螺纹样柱检查螺孔4内腔加工大型立式车床，镗床，数控龙门铣，数控镗铣床内径千分尺，深度千分尺，槽卡板，样板，三面刃铣刀，玉米铣刀，花盘，镗排等用卡板，样板检测槽子等5卸荷槽加工镗床，卧式钻床，数控龙门铣，数控镗铣床端面铣刀6水压试验水压试验台力矩扳手，加热棒，伸长测量仪，水泵，压力表，管道等达到压力10分钟不渗漏8/15/2022397.4 典型汽轮机汽缸的加工工艺

19、7.4.1 铸钢汽缸的加工工艺7.4.2 铸铁汽缸的加工工艺7.4.3 钢板焊接汽缸的加工工艺8/15/2022407.4.1 铸钢汽缸的加工工艺一般汽轮机的前汽缸，中汽缸都是铸钢件，前汽缸为合金钢或碳钢；中汽缸为碳钢。后汽缸为铸铁件或冷焊组合件。 8/15/2022411. 铸钢汽缸的粗加工要求 水平中分面粗加工时放1mm余量。 装喷嘴室槽要按图做准，其余尺寸可放35mm余量。 装喷嘴室槽加工后的划线道序，都要以此为基准划线。 第一次划线时，应将上、下半汽缸并列互划，以便于借正毛坯偏差。铸钢汽缸粗加工的主要工序见表7-2。 8/15/2022422. 铸钢汽缸的精加工汽缸除应力，喷丸后，回金

20、工车间进入精加工。铸钢汽缸精加工的主要工序见表7-3。铸钢汽缸的精加工要求：精加工划线以进汽口中心为基准。水平中分面各孔，螺孔加工，上半按划线加工，下半以上半汽缸号划加工。定位锥销孔，定位孔等都需预钻。大立车精车校中心，校垂直应确定一种方法。加工工艺道序应适合所选之校中心、校垂直方法。磨水平中分面，如尺寸允许，前、中汽缸可在拼缸后一起上大刨磨。 8/15/2022437.4.2 铸铁汽缸的加工工艺铸铁汽缸，加工道序不分粗，精加工。铸铁汽缸加工的主要工序见表7-11。 8/15/2022447.4.3 钢板焊接汽缸的加工工艺钢板焊接汽缸(如图7-12所示)由冷焊车间焊接，除应力后进入金工车间加工。不分粗、精加