第51卷增刊（2）2020
年12月
人民长江Yangtze Ｒiver Vol．51，
Supplement （Ⅱ）Dec．，2020
收稿日期：2020－09－12作者简介：朱
新，男，高级工程师，主要从事机电监理工作。E －mail ：493582243@qq．com
文章编号：1001－4179（2020）S2－0234－04
朱
新，董
彬，李
晃
（长江三峡技术经济发展有限公司，北京100038）
摘要：白鹤滩水电站是我国在建的最大水电站，首次使用100万kW 水轮发电机组，机组座环的加工质量直接关系到发电机组的正常安装运行。在详细分析影响座环加工质量的主要因素后，
系统介绍了座环加工质量控制的主要措施，包括座环安装质量控制、机组测定质量检测、加工电源布置、加工设备选用与安装调整等。加工完成后检测结果显示，各项指标均达到优良标准，为后续机组座环加工质量控制提供了宝贵经验。关
键
词：水轮发电机组；座环；质量控制；白鹤滩水电站
中图法分类号：TM312
文献标志码：A
DOI ：10．16232/j．cnki．1001－4179．2020．S2．061毛刷制作
1工程概况
白鹤滩水电站左岸100万kW 机组为混流式水轮
发电机组，
座环分4瓣在厂内制造，在工地安装间组焊后整体吊入机坑与基础环焊接成一体， 进行混凝土浇筑。座环焊接总重549780kg ，
外径14160mm ，整体高度4604mm ，
其中固定导叶高度1468mm 。为保证水轮机导水机构顶盖、底环、副底环、导叶等重要部件的安装质量，
待混凝土浇筑养护达到要求后需进行各工作平面及镗口加工。座环的中心、
高程等是水轮发电机组安装的基准，因此，座环加工的精度直接影响到机组安装的质量［1］
。大型座环的加工可以消除浇筑和安装焊接变形，
从而提高整机的安装精度，
保证机组较好运行。座环现场加工部位包括：底环与座环把合法兰面；副底环与座环
上把合法兰面；副底环与座环下把合法兰面；座环与
顶盖把合法兰面；座环下镗口内圆柱面、座环上镗口内圆柱面，
如图1所示。2影响座环加工质量的主要因素
在座环安装前，对可能影响座环加工质量的主要
因素进行了分析，
并制定了详细的施工工艺及质量保证措施，
并在实施过程中进行了严格的控制。主要影响因素可分为座环安装质量、机坑测定、环境因素、测
量工具、
加工机床、加工电源、座环材料七大因素。图1
座环加工面示意
2．1座环安装质量的影响
座环在安装间组装、焊接、吊入机坑后调整和混凝
土浇筑过程，
对座环环板的圆度、水平、同心度等质量影响较大。严格遵守施工工艺要求从而保证座环安装
质量，
是座环加工的前提条件。2．2机坑测定的影响
机坑测定是在水轮机座环、蜗壳、机坑里衬等埋入
部分及发电机下机架、
定子基础、上机架等基础混凝土已浇筑完成、
强度已满足要求，混凝土浇筑用的支撑、
增刊（Ⅱ）朱新，等：白鹤滩水电站水轮发电机组座环加工质量控制
模板拆除完成后，利用检验合格的全站仪、水准仪、内径千分尺等量具和耳机、重锤、油桶、钢琴线、求心器等工具对机坑方位、高程、水平、间距、圆度、同轴度、绝对半径值等进行测量，为后续座环加工及机组安装提供数据参考。机坑测定所得数据是座环加工的主要依据，其准确性直接影响座环加工控制尺寸。 2．3环境因素的影响
座环安装后金属结构件存在尚未消失的焊接残余应力作用，混凝土对座环结构件压力，环境温度的变化等因素会使座环结构尺寸发生微观变化，周边开挖放炮、地震等因素引发的震动波对加工机床的冲击较大。因此，座环加工过程中应充分考虑环境因素，减少和避免有害因素的影响，以提高座环加工质量。
2．4测量工具的影响
白鹤滩水电站100万kW机组座环加工面质量要求较高，各法兰面周向水平要求在0．25mm之内，径向水平在0．15mm之内，上、下镗口同轴度在0．5mm 之内，各加工面之间开档值偏差不超过0．2mm。要想精确检测这些数据，必须采用高精度校验合格的测量仪器和熟练的测量工，应用多种测量方法反复校验测量结果，保证座环加工质量。
2．5加工机床的影响
白鹤滩水电站100万kW机组座环对加工面的平面波浪度、镗口立面圆柱度等质量指标要求较高，并且分布在上、下高差3874mm，直径11690mm的空间范围内，加工难度较大。因此，座环加工机床的强度、刚性、韧性、精度等必须满足要求，此外机床主轴高度和刀臂摆动幅度也应满足座环加工要求。
2．6加工电源的影响
带通滤波器
座环加工机床的电源必须稳定可靠，如果在加工过程中突然断电，机床的自动控制系统完全停摆，刀臂、刀盘等旋转系统由于惯性作用由高速向低速继续进行，直至停止作业，这种非正常状态下运行易造成刀盘位置的变化进而对加工面造成破坏性影响。
2．7座环材料的影响
座环上下环板平面、立面加工材料为抗层状撕裂钢板SXQ500D－Z35，具有强度高、韧性好等特点，其余均为低合金Q345钢板，两种钢材均具有良好的机械加工性能，但在座环焊接和灌浆孔封堵焊接时，焊缝部位由于焊接热循环影响易产生淬硬组织，座环正常加工时遇到焊缝淬硬组织，刀具受力突然改变，易造成机床的振动或发生跳刀事故，对座环加工质量造成影响。3座环加工质量控制的主要措施
3．1座环安装质量控制
座环4瓣在安装间组圆后安排8名电焊工严格按照工艺要求由上至下对称施焊，焊前预热，焊后消氢处理，避免或减少焊缝及其热影响区出现淬硬组织，在焊接过程保持座环环板圆度和水平的监测，如发现变形不一致，立刻分析原因，依据分析结果合理调节焊接顺序和焊接参数，再进行后面的焊接，直至焊接完成。座环吊入机坑调整合格后进行基础环和座环组合环缝的焊接，焊接过程采取上述同样方法严格检测。
蜗壳挂装、焊接前制定了挂装、焊接顺序，施工过程严格按顺序进行，并对座环环板圆度、高程、水平进行检测，防止由于座环局部受力过大引发变形。
座环、蜗壳混凝土浇筑过程中进行座环抬动、变形监测。在座环底环把合面、上环法兰面的+Y、+X、－Y、－X方向4个测量位置各布置1个径向测点和高程测点，架设百分表进行读数监测（共8个测点）。混凝土浇筑时当座环上抬0．1mm，向现场相关人员提示；当座环上抬0．2mm，向现场相关人员报警，暂停座环混凝土浇筑。座环上抬不超过0．1mm时，每30min 监测一次；座环上抬超过0．2mm时，每10min监测一次，同时降低混凝土浇筑速度。
因为座环安装过程中严格按照工艺文件要求控制质量，所以座环各项控制指标均符合质量标准要求，为座环加工提供了有利条件。
3．2机坑测定质量控制
机坑测定所用的全站仪、水准仪、内径千分尺等测量工具均在检验合格期内，中心测量所用的重锤与钢琴线粗细匹配，并做好蜗壳、尾水管的防风措施，避免形成穿堂风影响测量精度。
利用全站仪测量基础环与底环把合螺孔与X、Y 坐标轴的位置关系（角度及弦长）是否与图纸一致。若不一致则以基础环法兰面上的底环把合螺孔为基准，按图重新刻划基础环的坐标轴X、Y，以座环下镗口上X、Y坐标为基准，测量基础环相对于座环的X、Y坐标的方位偏差。
利用水准仪测量23个固定导叶的中心高程，根据测量结果计算出固定导叶中心高程的平均值，并根据该平均值确定一个与该平均值最为接近的固定导叶中心高程，以该固定导叶中心高程作为座环加工时的高程基准（570．0m）。基于确定的基准高程，利用水准仪测量基础环与副底环把合法兰面、基础环与底环把合法兰面、座环与顶盖把合法兰面的水平、高程，以及
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人民长江2020年
座环上、下法兰面之间的间距（开档值）。
在发电机定子基础层架设支墩、横梁、求心器，使钢琴线铅垂至锥管内部支撑平台上，以座环下镗口内圆柱面为基准，配合千分尺测量调整钢琴线与下镗口中心偏差不大于0．05mm。
采用电测法测量座环上镗口、基础环与底环及副底环把合法兰内圆的圆度及与座环上、下镗口的同轴度，并记录所测法兰内圆的绝对半径。
依据机坑测定所记录的圆度、半径、水平、间距等数据计算座环各加工面的加工量，作为座环加工的主要依据。
3．3加工电源布置
座环加工电源需满足加工设备的主轴及刀臂的旋转，刀具的切削和设备控制系统运行等负荷，总负荷30kW，并且要求电源供电稳定。从左岸厂房新增变电所（2000kVA/10/0．4kV）直接引线向座环加工部位直接供电，按照三级配电、两级保护要求布置。为避免白天用电高峰造成突然断电，座环每个面最后一遍精细加工安排在午夜用电低峰时段进行。
3．4加工设备选用与安装调整
白鹤滩水电站左岸座环加工采用Φ13m座环加工设备，整机具有足够的刚度及强度，能承受较大切削负荷。设备基础要求根据机组的结构进行相应的布置，避开一些坑道、管路、管口等无法埋设基础锚钩的设施，一般安装在机坑里衬和尾水锥管或基础环的内壁上［2］。该机床通过上、下轴承固定，上、下轴承的支撑工装分别安装固定在机坑里衬上和尾水锥管上。设备利用伺服电机驱动主轴做回转运动，然后带动固定在主轴上的刀臂刀架做回转运动，刀臂刀架利用刀具最终完成加工切削。设备加工时的径向进给和轴向进给则是通过伺服电机、减速电机直接驱动滚珠丝杆进行控制。机床利用伺服电机为主旋转运动和进给运动提供动力，在调速范围内实现恒扭矩旋转和无级调速。
座环加工设备安装前，依据机坑测定位置在机坑里衬和尾水锥管上安装焊接16个基础座，然后配合吊车依次将下支撑工装、安装平面托和下轴承支撑座、刀臂夹紧座、上支撑工装、主轴、上轴承支撑座、刀臂和配重臂、配电设备等部件组装就位，接着利用框式水准仪调整机床水平，利用百分表以座环下镗口为中心调整机床中心。
睡眠袜
在所有安装工作完成后，检查所有联接螺栓是否紧固。检查无异常后接通线路，启动机床空转30min，检查机床空转情况是否正常；检查主轴及刀臂旋转在4个90ʎ位置均为一致状态，检查转臂的水平度应不大于0．02mm/m；检查座环加工机床的回转中心应与座环下镗口同心，偏差应小于0．05mm。
3．5座环加工
依据机坑测定数据计算结果，依次开展底环与座环把合面、副底环与座环上把合面、副底环与座环下把合面、座环下镗口内圆柱面、座环上镗口内圆柱面的加工，最后进行顶盖与座环把合面加工。每加工完成一个面，都必须复测机床中心及水平，保证机床加工精度不受影响。加工过程中若出现座环材料淬硬等现象发生跳刀时，及时调节进刀量，并对该部分加工面提前人工修磨。座环各平面加工周向水平在0．25mm之内，径向水平在0．15mm之内，表面粗糙度Ｒa为3．2μm。座环上、下镗口立面圆度在0．5mm之内，同轴度在0．1mm之内。法兰加工设备
机器人拳击（1）底环与座环把合面为3条环形闭合条带，加工以固定导叶中心确定水轮机中心高程为基准，确定座环与底环把合法兰面加工高程，同时考虑底环实际厚度，计算保证座环过流面与底环过流面高差符合设计要求。
（2）副底环与座环把合上法兰面为一条环形闭合条带，该法兰面加工以加工完成的底环与座环把合面
为基准，以副底环上法兰实际厚度确定该面到底环把合法兰的实际间距值。
（3）副底环与座环把合下法兰面为两条环形闭合条带，该法兰面加工以副底环把合下法兰为基准，以副底环实际高度确定该面到副底环把合法兰的实际间距值，到上法兰的间距按负公差考虑以保证后续副底环安装时下法兰可靠接触。
（4）根据机坑测定的座环下镗口圆度、绝对半径值以及确定的机组中心，确定座环下镗口内圆柱面加工量，加工后座环下镗口绝对直径应满足图纸 11100ʃ1mm要求。
（5）以座环下镗口为基准进行座环上镗口内圆柱面的加工。座环上镗口内圆柱面加工后，其内径应满足图纸 11120ʃ1mm要求，同时保证圆柱面的圆度以及与座环下镗口内圆柱面的同轴度符合标准要求。
（6）座环与顶盖把合法兰面的加工量根据该面到座环与底环把合法兰面的间距来确定。此外还应考虑顶盖法兰到抗磨板的实际高度、导叶瓣体实际高度、底环实际厚度、导叶端面间隙以及顶盖估计下沉量（0．37mm）对加工量的影响。
导水机构设备测量计算的开档值列于表1。
导叶开档值初步计算结果为2342．16 2343．94 mm，依据加工机床精度和其它电站座环加工经验，为提高白鹤滩水电站100万kW机组座环加工控制效果，实际加工时对最小值有所提高，确定导叶开档
值为
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增刊（Ⅱ）朱新，等：白鹤滩水电站水轮发电机组座环加工质量控制
2342．70 2343．05mm作为控制目标，以此计算顶盖
把合面加工量。
表1导叶开档值mm
项目底环
厚度
顶盖
厚度
导叶
长度
导叶端
面间隙
（最大）
导叶端
面间隙
（最小）
顶盖
下沉量
底环把合面
到顶盖
把合面距离
设计尺寸650．0236．001456．001．50．80．37－
实测最大尺寸650．0235．981455．31－0．80．372342．16实测最小尺寸649．9235．961455．321．5－0．372343．05
3．6加工过程测量控制
座环加工所用的测量工具均在质量检验合格期内，在加工过程中全程跟踪测量检查，并用两种测量方式互相校验。测量人员必须是培训合格的持证人员。
平面测量主要采用DNA03电子水准仪，测量精度达到0．01mm，满足现场测量精度要求，同时采用精度0．02mm/m的框式水准仪进行校核。
间距开档值测量主要采用DNA03电子水准仪，用平尺配合内径千分尺测量校核。
半径、圆度及同轴度测量以机床主轴为中心，用内径千分尺测量，待加工完成机床拆除后利用电测法校验。
4质量验收
1号机座环从安装到加工全过程严格按照施工工艺执行，过程质量受控，最终验收主要测量数据如下。
（1）底环把合面加工完成后周向水平要求在0．25 mm之内，径向水平在0．15mm之内，加工完成后实际测量检验数据列于表2。
表2底环把合面检测数据mm
点号外环中环内环点号外环中环内环11377．741377．731377．73131377．701377．701377．71 21377．731377．741377．74141377．681377．681377．70 31377．741377．741377．76151377．701377．671377．70 41377．721377．721377．77161377．741377．751377．74 51377．741377．741377．77171377．721377．731377．73 61377．801377．791377．79181377．751377．761377．75 71377．751377．721377．74191377．701377．731377．73 81377．711377．721377．74201377．681377．721377．74 91377．701377．721377．76211377．711377．731377．74 101377．731377．731377．73221377．771377．731377．79 111377．691377．711377．72231377．721377．731377．73 121377．701377．741377．74241377．741377．731377．76
注：底环把合面周向水平0．12mm，径向水平0．06mm，符合标准要求。
（2）座环下镗口半径加工后设计值为5550mm ʃ0．5mm，圆度小于0．2mm，测量检验数据如表3所列。
表3座环下镗口半径mm
点号半径点号半径
15550．4495550．46
25550．40105550．43
35550．38115550．41
45550．37125550．40
55550．36135550．38
65550．38145550．40
75550．42155550．40
85550．44165550．41注：座环下镗口半径为5550．36 5550．46mm，圆度为0．10mm，满足质量标准要求。
（3）底环把合面至顶盖把合面间距开档值要求为2342．70 2343．05mm，测量检验数据列于表4。
表4底环把合面至顶盖把合面开档值检测数据mm
点号开档值点号开档值点号开档值
12342．9392342．90172342．89
22342．95102342．90182342．87
32342．87112342．95192342．88
42342．90122342．97202342．86
52342．90132342．96212342．89
62342．87142342．96222342．93
72342．85152342．95232342．92
多功能烧烤车82342．87162342．94242342．92
5结语
通过对白鹤滩水电站左岸100万kW机组座环加工质量影响的主要因素进行分析，出了加工的难点和可能遇到的问题，在座环组装到加工完成全过程中采取了针对性的质量控制措施，加工完成后各项检测指标均达到优良标准要求，为后续机组座环加工质量控制提供了宝贵的经验。
参考文献：
［1］肖汉，徐大桥，何念民．三峡左岸电站VGS水轮机基础环/座环现
场加工［J］．水电站机电技术，2004（2）：5－8，113．
［2］齐桂华，姜国华，黄海玉．座环工地加工设备安装及调整工艺性分
析［J］．大电机技术，2013，228（3）：48－50，53．
（编辑：胡旭东）
引用本文：朱新，董彬，李晃．白鹤滩水电站水轮发电机组座环加工质量控制［J］．人民长江，202
0，51（增2）：234－237．
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