燃机产品外协加工的质量控制论文.docx

燃机产品外协加工的质量控制论文.docx

《燃机产品外协加工的质量控制论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《燃机产品外协加工的质量控制论文.docx（43页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

燃机产品外协加工的质量控制论文

目录

中文摘要1

英文摘要2

1引言3

1.1课题背景3

1.2现状分析4

1.2.1国外燃气轮机技术发展状况4

1.2.2国内燃气轮机技术发展状况4

1.3研究的目的及意义5

2燃气轮机概述6

2.1燃气轮机6

2.1.1燃气轮机的工作原理6

2.1.2燃气轮机的特点和用途7

2.1.3燃气轮机与汽轮机的比较8

2.2燃气轮机压气机9

2.2.1燃气轮机压气机工作原理9

3静叶环的加工难点及解决方案设计11

3.1燃气轮机压气机静叶环11

3.2内外环加工变形及其解决方案12

3.2.1加工难点分析12

3.2.2加工方案设计13

3.3静叶槽加工精度要求高14

3.3.1加工难点分析14

3.3.2加工方案设计15

3.4静叶槽加工对刀及测量难度大17

3.4.1加工难点分析17

3.5叶片T型叶根加工21

3.5.1加工难点分析21

3.5.2加工方案设计21

4静叶环加工工艺设计23

4.1外环加工：

23

4.2内环Ⅰ加工：

24

4.3内环Ⅱ加工：

25

4.4静叶环加工：

25

5关键尺寸测量结果与分析29

5.1外环加工质量检测29

5.1.1外环尺寸数据统计29

5.1.2数据处理与分析29

5.2外环静叶槽加工质量检测30

5.2.1外环静叶槽数据统计30

5.2.2数据的处理与分析32

结论35

谢词36

[参考文献]37

燃机产品外协加工的质量控制

摘要：

随着科技的发展和工业的进步，燃气轮机在发电、航空等领域的重要性日益明显。

本文着重介绍了燃气轮机压气机静叶环的相关知识，通过对静叶环的结构特点进行分析，找出了静叶环的加工难点，如外环加工易变性、叶根槽加工精度要求高、T-型槽加工等，利用现有加工设备重新设计静叶环的加工工艺方案。

并且，本课题还在此基础上研究了静叶环国产化加工中的质量检验方法。

通过对静叶环内外环加工、叶根槽加工、叶片装配后车削加工的尺寸测量方法进行研究，包括内径千分尺、游标卡尺、三坐标测量仪等量具的使用，并对其数据进行分析处理，设计出了一套适合燃气轮机静叶环的质量检验方法，实现静叶环国产化加工过程中的质量控制，提高装配的合格率，减少了返工返修带来的损失。

关键词：

燃气轮机，压气机静叶环，内环，外环，静叶槽

QualitycontrolofgasturbineproductsIntheexternalprocessing

Abstract：

Withthedevelopmentoftechnologyandtheprogressofindustry,theimportanceofgasturbineisincreasinglyevidentinthefieldsofpowergeneration,aviationandothers.Thispaperintroducestherelevantknowledgeofgasturbinecompressorcarrierring,andfindsoutthemachiningdifficultiesbyanalyzingthestructuralcharacteristicsofthecarrierring,suchasthemachiningdeformationoftheouterring,thehighmachiningprecisionrequirementsofthebladerootgrooveandtheprocessingoftheT-shapedgroove,redesignstheprocessschemeofthecompressorcarrierringusingexsitingprocessingequipment.And,onthisbasis,thistopicalsostudiedthelocalizationprocessingqualityinspectionmethodsofthecarrierrings.Throughstudingthesizemeasurementmethodsoftheinnerandouterringmachining,thebladerootgrooveprocessingandtheturningafterthebladeassembly,includingtheuseofmeasuringtoolslikeaninsidemicrometer,verniercaliperandcoordinatemeasuringinstrument,processingandanalyzingthesedata,thispaperdesignedasetofsuitablegasturbinecarrierringqualityinspectionmethods.Thus,thequalitycontrolofthelocalizedmachiningofthecarrierringcanbeachievedsuccessfully,improvedtheassemblypassrate,reducingreworklosses.

Keywords：

Gasturbine,compressorcarrierring,innerring,outerring,bladerootgroove

1引言

1.1课题背景

我国的煤炭大部分用于火力发电和供热，其消耗量大约占到全国煤炭产量的50%左右。

而我国供电的煤耗高达379g/kWh,与发达国家相比平均高出了50~60g/kWh，造成我国发电每年由于煤耗高而需要多消耗1.5亿吨煤

。

作为世界人口大国，我国要保持国民经济的持续稳定发展，则必须要改变能源利用率低的状况，而我国能源利用率水平低下与以煤炭为主的能源结构有着密不可分的联系。

以煤作为燃料还存在严重的污染问题，由燃煤发电产生的灰渣占到全国灰渣排放量的70%；烟尘排放占工业排放量的33%；SO2排放量占工业排放量的56%，用水量也占工业用水的40%。

因此，过分依赖火力发电也大大增加了我国的环境质量问题。

通过上述分析不难得出，能源的低利用率以及燃煤发电对环境的污染不仅会阻碍我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，也会造成不可再生资源的严重浪费。

为了改变这一现状，我们迫切需要发展清洁能源，提高能源利用效率。

燃气轮机正好符合这一要求，尤其是将燃气轮机和蒸汽轮机组合形成的燃气-蒸汽联合循环机组，利用燃气轮机的排气通到余热锅炉中，加热锅炉中的水产生蒸汽，再去驱动汽轮机做功，不仅循环热效率高，而且污染排放低、建设周期短

。

联合循环机组的效率是目前各种热力机械中所能达到的最高效率值，因此，在世界各国诸类电站中所占的比例不断增大。

如美国早在20世纪80年代后期，燃气轮机年生产容量就已超过汽轮机。

近年来，发达国家的新增发电量已经基本上由燃煤的火力发电转变为高效的天然气联合循环发电,2004年，美国的新增发电机装机容量为26000MW，其中天然气发电占到95.3%，为24733.20MW；另外，英国的全国电力供应40%为燃气发电，到2020年预计增长到60%

。

目前，在全世界发电设备年订购量中，燃气轮机与联合循环之和大体与汽轮机相当。

而在美国、德国等一些工业发达国家，燃气轮机和联合循环之和已经超过汽轮机。

燃气轮机和联合循环发电，已经在世界范围内成为电力工业中的主力军。

1.2现状分析

1.2.1国外燃气轮机技术发展状况

由于全球天然气资源储备充足、价格低廉，燃气轮机及其联合循环又具有低污染、效率高、负荷调峰范围宽等优势，其技术水平的高低已经成为一个国家科技水平和军事力量的重要标志之一，因此，许多国家都将发展先进的燃气轮机技术作为本国科技优先发展和关键技术研究的重点

。

近年来，由于高温材料、冷却手段以及绝热涂层技术的不断进步，使得燃气轮机的制造水平也随之不断提高。

燃气-蒸汽联合循环在热力学上可以实现布雷顿循环和朗肯循环的联合，机组的整体循环热效率可以达到55%~60%，远远高于蒸汽轮机发电的效率（40%~45%），这一优势使得其在全球发电领域的到广泛的应用，同时也进一步带动了燃气轮机技术的发展

。

由于燃气-蒸汽联合循环属于当今电力技术中发展较为迅速，科技含量非常高的学科，发达国家都试图在这一行业实现垄断，一方面对技术进行严格控制、保密，另一方面又积极投入资金和人力，竭力提高这一技术水平。

例如，美国从1991年开始的先进透平系统（ATS）计划，投资7亿美元，目标就是提高燃气轮机效率，降低成本和污染，并且研究煤制气燃料等。

在此计划期间，美国的GE公司在20世纪末21世纪初成功推出了蒸汽冷却技术的MS9001H联合循环发电机组，循环热效率接近60%,ATS项目完成之后，美国能源部又提出简单循环效率至少达到47%，联合循环效率达到70%的下一代燃气轮机计划和Vision21规划

。

1.2.2国内燃气轮机技术发展状况

我国的燃气轮机技术起步较早，在理论研究和工业实践方面都有着一定的经验积累，但由于受到我国目前的技术水平、能源政策等条件的限制，对于这种高难度的大型设备的研发和制造一直进展缓慢。

“十五”规划期间，国家发改委明确“组织国内市场资源，集中招标，引进技术，促进国内燃气轮机产业发展和制造水平提高”的战略目标

。

在此期间，通过3次捆绑招标，共引进包括美国通用、日本三菱及德国西门子三家公司的F级燃气轮机54套。

同时，由于国家大力开发天然气资源，西气东输工程以及近海天然气开发工程的开展，也为燃气轮机技术的发展提供了基础。

我国的三大动力集团——哈尔滨动力集团、东方电气集团和上海电气集团在9F系列的燃气轮机国产化研究方面都做出了巨大的贡献，分别与上述三家外国公司联合生产109FA机型、M701机型以及V94.3A机型。

与此同时，我国还建成了大型燃气轮机的组装、试车中心，一大批国内著名大学纷纷成立了燃气轮机的研发中心，使得我国燃气轮机的自主研发能力和制造水平有了显著地提高。

主机的国产化同时带动了以燃气轮机为核心的产业链的形成。

与捆绑招标同时进行的的国家“863”大型燃机技术攻关项目，也在组织样机研制、核心技术消化、自主创新及设计制造方面取得了丰厚的成果。

1.3研究的目的及意义

我国的燃气轮机虽然已经经过了50多年的发展，但是至今在大型燃机产品的整套设计、制造方面与国外的先进技术存在很大的差距。

在燃气轮机的国产化加工过程中，我们仍然面临着许多技术难关和加工难点尚待解决，其中，压气机静叶环的国产化加工也是一大难题。

由于静叶环的结构特殊，加工精度要求非常高，对加工刀具、夹具、机床以及加工工艺等条件都提出了十分高的要求。

目前，静叶环加工过程中仍然存在一些加工难点和尚需解决的问题，如静叶环属于大尺寸、薄壁零件，加工易变性，缺少加工刀具，目前没有一套完整的针对静叶环加工的质量控制方法等问题，产品加工完成后装配时经常出现不合格情况，返工返修造成巨大的人力、物力、财力损失，因此迫切需要一套与静叶环加工相对应的质量控制方法。

而质量控制无非在零件加工过程中的质量控制工艺措施和加工内容完成之后的质量检测两个部分，本文就将结合静叶环加工过程中的这两个方面进行研究。

2燃气轮机概述

2.1燃气轮机

燃气轮机（GasTurbine）的定义：

由压气机、加热工质的设备（如燃烧室）、透平、控制系统和辅助设备组成，将气体压缩、加热后送入透平中膨胀做功，把一部分热能转变为机械能的旋转原动机，属于内燃式涡轮机。

图2.1燃气轮机实物图

2.1.1燃气轮机的工作原理

燃机的工作原理是先通过压气机将空气压缩，使之升温升压，压缩的空气被压送到燃烧室内与喷入的燃料（天然气或重油等）混合燃烧，生成高温高压的燃气，最后进入透平中膨胀做功，通过透平部分的动叶推动转子转动向外输出功率。

燃气轮机的循环是一个等流量，热量持续增加的循环，通常称之为布雷登循环。

如图2.2所示，为用温熵坐标系表示的布雷顿循环。

其中等压线随温度值和熵值的增大而上升,等压线的上升使简单循环的燃气轮机做功得以实现,等压线低压端代表大气压力,而其高压端代表压缩后的空气压力,空气在轴流压气机中从状态1被压缩到状态2；然后在燃烧室中吸收了热量，便从状态2到状态3；高温燃气膨胀做功时，从状态3到状态4；由于从状态3到状态4所做的功大于把空气从状态1压缩到状态2所需要的功，于是就产生了有效功，来驱动发电机载荷

。

燃烧温度越高，压缩比越高，则出力越大，燃料越省。

图2.2燃气轮机循环做功原理图

早期的燃气轮机进气口温度仅仅600~700℃，随着新材料和新技术的运用，目前一般都超过1100℃，高的甚至已经超过1500℃。

同时，由于燃气轮机初始温度的提高，其简单循环热效率也由早期的16%~25%升高到目前的40%左右。

燃气轮机初始温度的提高主要依赖于涡轮、透平静叶、动叶等高温部件的材料性能，早期使用的一般为GJ450、V500、In738等合金材料，目前已经发展到使用同向结晶或定向结晶的GTD111、DSGTD111等合金金相结构控制的材料，最新的机组已经使用单晶工艺；同时，由于涂层技术的应用，大大降低了透平高温部件的腐蚀和氧化，从早期的铂铝涂层发展到等离子保护GT-29及GT-29IN-PLUSTM等，再到如今的陶瓷绝热涂层，使得燃气轮机的进气口温度大幅度提升，使用寿命增长了数十倍

。

表2.1世界主流F级燃气轮机技术参数

制造厂家

西门子

美国通用

三菱重工

阿尔斯通

燃气轮机型号

SGT5-4000F

V94.3A

PG9351

9FA

M701F

GT26

推出时间

1995

1996

1992

1994

压比

17.9

17

17

33.4

排气流量kg/s

689

640

649.5

635

排气温度℃

557

602

591

615

燃机毛功率MW

燃机毛效率%

287

39.5

255.6

36.9

278.3

38.7

289

39.1

2.1.2燃气轮机的特点和用途

在空气和燃气的主要流程中，只有压气机（Compressor）、燃烧室（Combustor）和燃气透平（Turbine）这三大部件组成的燃气轮机循环，通称为简单循环

。

大多数燃气轮机均采用简单循环方案。

因为它的结构最简单，而且最能体现出燃气轮机所特有的体积小、重量轻、起动快、少用或不用冷却水等一系列优点。

由于空气的压缩耗功量大，因而一般压气机的压缩功大约占透平输出功的1/2到2/3，其余的1/3左右的机械功用来驱动发电机或动力设备，这也是燃气轮机的一大特点

。

在燃气轮机启动时，首先需要通过外界动力，一般是起动机来带动压气机，直到燃气透平产生的机械功大于压气机消耗的机械功之后，外界起动机脱扣，燃气轮机才能独立工作。

相对柴油机等内燃机，由于燃气轮机的单位功率/质量比值较大，相同输出功率条件下机器质量、体积远小于柴油机等机器，且其转速—扭矩特性相对柴油机平缓得多等优点，因此燃气轮机被大量应用在航空动力，大型军舰的加速动力等设备上。

而与常规汽轮机使用的燃煤动力循环相比较，燃气轮机由于使用的天然气、重油等洁净能源，其排放的污染物远低于使用燃煤动力循环；同时由于燃气轮机的进口温度高，因而其简单热循环效率目前已达到40%，而加上后置蒸汽动力循环的联合循环热效率目前已经接近60%，远高于常规燃煤动力循环的40~50%，同时负荷调节的灵活性更好；且结合近年来的整体煤气化联合循环（IGCC）等洁净燃煤动力循环的开发，再加上燃气轮机电站自身占地面积小，建设周期短等优点，因而在许多发达国家燃气轮机发电正在得到迅速发展

。

2.1.3燃气轮机与汽轮机的比较

汽轮机的定义：

将蒸汽的热能转换为机械能的叶轮式旋转原动机，又称蒸汽透平。

汽轮机是目前我国电力工业应用最广泛的动力设备，它属于一种外燃式涡轮机。

其基本原理为利用锅炉对蒸汽定压加热后输入汽轮机，利用蒸汽在蒸汽轮机内的叶片内绝热膨胀，然后通过动叶片推动转子转动从而对外输出动力

。

燃气轮机和汽轮机的异同：

一、燃气轮机工质为高温燃气，属于内燃机；汽轮机工质为蒸汽，属于外燃机；二、燃气轮机一般不能使用固态化石燃料，因为会在燃烧室内形成固态残渣，不利于工作循环的进行，一般使用液态或气态的燃料，当然也有可以燃烧固态煤的燃气轮机。

总的来看，燃气轮机对于燃料要求不高，可以燃烧重油等劣质燃料；汽轮机可以使用各种燃料，包括一些固态的化石燃料；三、汽轮机需要大量的辅助设备，诸如锅炉等来产生工质蒸汽，但是燃气轮机作为内燃机并不需要，与此同时，汽轮机体积和质量都十分巨大，超过燃气轮机；四、燃气轮机的热效率和经济性较汽轮机好，汽轮机的功率大且制造工艺较燃气轮机简单。

五、汽轮机大量运用于工业发电，而燃气轮机在发电方面的应用目前还不如汽轮机，一般只用在用电高峰期用于调峰；汽轮机用于船舶主机，但是体积、质量太大，启动过慢，近年来逐渐被柴油机和燃气轮机所取代；燃气轮机还用于航空工业，诸如涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机等都是燃气轮机中的一种。

2.2燃气轮机压气机

燃气轮机的压气机在工作过程中主要负责从周围的大气中吸入空气，将其增压后供给燃烧室，按照工作原理来分，主要有轴流式压气机和离心式压气机。

离心式压气机的工作原理与离心式鼓风机相同，但其在燃气轮机中应用较少

。

轴流式压气机的空气流量可以做的很大，而且多级轴流式压气机的效率又比较高，因此，在近代大功率的燃气轮机中都采用轴流式压气机作为空气压缩设备，本文介绍的SGT5-4000F燃气轮机就是采用轴流式压气机。

2.2.1燃气轮机压气机工作原理

轴流式压气机主要由转子和静叶环组成，它的工作原理类似电风扇的叶片，电风扇叶片旋转时拨动空气产生风，压气机的叶轮旋转把空气推进气缸进行压缩。

因为轴流式压气机的单级压缩比较小，一级压缩比一般只有1.15到1.35，因此为了生成高压空气，压气机在主轴轴向装有多级叶轮，若干级叶轮固定在压气机主轴上形成压气机转子，转子上的叶片与主轴一起旋转，称为动叶。

但是，光有动叶并不能有效地进行压缩空气。

通俗地说，空气经过动叶后运动方向不仅仅是轴向前进，还沿着旋转的方向运动，这会使得下级动叶的压缩比大大降低。

如果这样一级级进行下去，压气机内的空气就成了跟着转子旋转的气团，无法实现压气的目的。

因此，在我们在每一级的动叶后面都插入一级静叶片，用来改变这种状况。

图2.3压气机工作原理图

上图2.3是动叶和静叶的相对位置以及空气在其中的流动示意图（图中绿色叶片代表动叶，蓝色叶片代表静叶，红色箭头表示气流走向）。

转子旋转时，空气沿轴向进入，经过一级动叶后空气的运动方向转向右下方，如果空气按这个方向进入下级动叶，压缩效果会大大降低。

但通过静叶片整流之后，空气的运动方向重新转回轴向，再进入下级动叶，压缩效果就得到了极大的改善。

与此同时，静叶还有使气流减速以达到增压的作用。

每一个工作叶轮与其后的静叶环一起，组合成一个压气机的级，它是压气机与外界交换机械轴功，并实现增压的基本单位。

图2.4静叶环与持环装配

压气机的主要参数是压缩比，即压气机出口空气压力与进口空气压力之比，理论上燃气轮机压气机的压缩比当然是越高越好，但实际上综合各种因素，一般为12至20，西门子公司SGT5-4000F燃气轮机压缩比为17。

3静叶环的加工难点及解决方案设计

3.1燃气轮机压气机静叶环

图3.1燃气轮机压气机静叶环

本文以西门子公司SGT5-4000F，即以前的V94.3A燃气轮机为例进行研究。

燃气轮机的压气机静叶环与汽轮机中的各种类型的隔板在原理上有相似之处，但是在结构上存在一定的差异。

它是将压气机中的静叶通过内、外环装配在一起形成静叶环，再将静叶环装配到静叶持环中，其中，静叶环的内环由内环Ⅰ、内环Ⅱ焊接组成。

燃汽轮机压气机静叶环共有16级，其中1~9级安装在#1静叶持环中，10~15级安装在#2静叶持环中，第16级的出口静叶环直接安装于#2静叶持环外侧端面上，另外第0级进气口导叶环安装于#1静叶持环内。

静叶环由外环、内环Ⅰ、内环Ⅱ、叶片四部分组成，其加工过程如下（图3.2）：

图3.2静叶环加工流程示意图

3.2内外环加工变形及其解决方案

3.2.1加工难点分析

压气机静叶环的各级外环中外圆直径最大的有Φ2549mm，内外圆的壁厚最薄的地方只有56.88mm，同时，各级内环中外圆直径最大为Φ1858．45mm，内外圆最薄的地方只有6.08mm。

所以，结合静叶环的加工图纸，我们可以得出以下结论：

压气机静叶环的内环和外环具有数量多、直径尺寸大、壁厚较薄、刚性非常差、易产生变形等特点，属于薄壁类零件，它在加工时的难点主要体现在装夹难度比较大，而且其在加工时易产生变形，影响加工质量，特别是静叶槽的质量。

图3.3静叶环外环内外圆直径变换趋势图

3.2.2加工方案设计

为了解决此问题，笔者认为，应该根据静叶环本身的特点，选择合适的装夹方式，并设计出外环加工和内环加工专用的工装夹具，从而保证工件加工过程中的定位精度，减少因加工变形引起的质量问题。

图3.4外环专用夹具

（#1底盘#2滑轨#3、#4螺栓#5滑块#6V形块#7方头撑钉#8压板#9螺母#10撑柱#11螺栓#12T形块#13螺栓）

如图3.4所示外环专用夹具是利用杠杆原理制成的，工作时，多个夹具按环形均匀布置，将外环水平放在夹具滑块上，拧动螺栓将压板一端抬高，撑柱上的螺母作为支点，压板另一端将被压下，工件被压紧，反向拧动螺栓，工件被松开。

外环专用夹具可用来夹持工件直径范围为1500～2900mm，此夹具共有32个压板，铜V形块和方头撑钉是用来径向夹紧配合，以减少加工变形。

此夹具适用所有级数内外环的加工，它们不但具有广泛的通用性，而且操作使用方便，具有良好的装夹性。

采用此夹具之后，静叶环内外环因为加工过程中工件变形引起的质量问题得到很大的改善，产品质量进一步提高。

3.3静叶槽加工精度要求高

3.3.1加工难点分析

静叶环的外环静叶槽以斜槽的方式分布在外环的内腔

，其型线规格有多种，V94.3A的压气机静叶环外环静叶槽规格有SN7、SN8、SN8-WIDE、SN9、SN10、SN11-WIDE六种（型线图见图3.5），其中，1~2级型线为SN11-WIDE，3级型线为SN10，4级型线为SN9,5级型线为SN8-WIDE，6~14级型线为SN8，15~16级型线为SN7。

图3.5外环静叶槽型线图

由于：

一、静叶槽型线的加工精度要求高，一般要求平面度小于0．02mm，两直线段对称度小于0．1mm，尺寸公差要求非常高，SN7、SN8规格的型线精度一般要求控制在+0．036mm以内，SN9、SN10、SN11-WIDE规格的型线精度一般要求控制在+0．043mm以内；二、缺少专门的加工刀具，加工周期长，刀具磨损严重，加工出来的工件精度难以保证，并且频繁地更换刀具不仅占去了大量装夹和校准时间，且换刀后加工的首件又必须重新进行首件鉴定，这样一来就造成生产效率低、质量不稳定、刀具成本过高；三、外环上的静叶