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年我國機床裝備行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析據了解:核電站的裝備主要包括三部分:核島(一回路)、常規(guī)島(二回路)、幫助裝備。
核島部分主要由反應堆堆芯、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器和主泵組成,其中反應堆堆芯包括壓力容器、核燃料棒束、驅動機構等部件。常規(guī)島由水泵、汽水分別器、蒸汽輪機、發(fā)電機、蒸汽凝聚器等組成。此外,有支持系統(tǒng)正常運行和保證反應堆平安的幫助設備。這些是核電站設備的主要組成部分。
這些設備主要部件的制造可分為以下幾種類型,需要不同機床設備進行加工?,F(xiàn)對2022年我國機床裝備行業(yè)進展現(xiàn)狀進行分析。
壓力容器殼體、蒸汽發(fā)生器殼體、穩(wěn)壓器殼體等大型圓桶類部件,基本上屬于兩端帶有封頭的圓桶形部件,但直徑和高度有所不同。壓力容器和蒸汽發(fā)生器的直徑取決于核電站發(fā)電機組的大小。
目前,主要生產百萬千瓦級核電設備,壓力容器的直徑5~8m或更大,長度約20m,分為4~5節(jié),焊接而成,材料為特種鋼。毛坯為圓柱形鍛件,需要萬噸壓力機鍛壓成型。后續(xù)切削加工需要超重型數(shù)控立式車床、超重型數(shù)控臥式車床、大鏜桿多軸聯(lián)動數(shù)控鏜銑床、數(shù)控龍門鏜銑床、五軸聯(lián)動車銑中心等。這些設備規(guī)格大,對于加工精度、主軸轉速和快速移動等參數(shù)并沒有特殊要求,但是由于這些工件的價格昂貴,而且沒有備件,要求成品率必需100%,因此對機床的牢靠性和穩(wěn)定性有很高的要求。
一座核電站需要10多種200多臺各種類型的泵,這些泵都屬于離心泵。其中主泵(1級泵)是位于核島心臟部位的關鍵部件,是核電運轉掌握水循環(huán)的關鍵,屬于核電站的一級設備,每個蒸汽發(fā)生器有一個主泵。
核島中主泵的結構并不比其他泵簡單,但是要求極高,要求具有肯定的牢靠性,是核反應堆中惟一國內目前做不了的設備,完全依靠進口,主要是由于主泵要求連續(xù)運行至少30年不準消失任何問題。主泵直徑約2m,高5~6m,其主要部件分為兩類:承壓部件(包括泵體、泵蓋、主螺栓、主螺母等)和功能部件(包括葉輪、葉軸、密封件等)。目前,沈鼓正在與美國西屋公司進行聯(lián)合研制,總體新設計還沒有完成。除了1級主泵外,還有多種2級、3級泵,各種泵的名稱和功能不一樣,但是原理基本一樣。如平安殼噴淋泵,該泵平常不用,只有發(fā)生故障時使用,要求在6秒鐘內啟動,起到降溫的作用。這些泵的加工基本上包括了車、銑、鏜、鉆、攻絲等工序。
承壓部件的泵體和泵蓋加工需要的設備主要有大型數(shù)控立式車床、數(shù)控落地銑鏜床、龍門加工中心等設備。主螺栓、主螺母等加工比一般螺栓和螺母要求高,但是主要是材料和刀具選擇問題。
功能部件中葉輪和葉輪軸加工需要的設備主要有五軸聯(lián)動加工中心、數(shù)控車床、大型數(shù)控臥式車床等。
常規(guī)島部分主要由蒸汽輪機組、發(fā)電機組、水泵、汽水分別器等組成。核電蒸汽輪機的原理和結構都與火電(燃煤)蒸汽輪機相同,不同之處在于同等發(fā)電容量的蒸汽輪機組,核電蒸汽輪機的直徑比火電蒸汽輪機要大一些,使用的材料也有部分不同,制造要求更高。主要加工零件有葉片、定子、轉子等。主要加工機床有用于加工葉片的不同型號(最大葉片長度超過1600mm)4~5軸聯(lián)動加工中心,用于加工轉子的數(shù)控重型臥式車床、數(shù)控葉根槽銑床,用于加工定子的數(shù)控大型落地銑鏜床、數(shù)控龍門鏜銑床、大型定子專用機床等。
如加工一個重達200多噸的60萬千瓦汽輪機轉子,需要回轉直徑3.5~5.0m、長15~20m的重型臥車,加工渦輪葉片需要五軸聯(lián)動加工中心,加工中壓缸、高壓缸需要寬7.5~8m、長22m的數(shù)控龍門鏜銑床和重型數(shù)控立式車床以及鏜桿直徑200~260mm的數(shù)控落地銑鏜床等。一般狀況下,能滿意火電蒸汽輪機加工需要的機床,基本上也能滿意核電蒸汽輪機加工的要求。在這些機床設備中,大部分中小型葉片加工用4~5軸聯(lián)動加工中心和轉子主軸加工用數(shù)控臥式車床等,國內基本可以滿意要求。但是,大型葉片加工用加工中心和數(shù)控葉根槽銑床等數(shù)控機床主要依靠進口。
此外,核電發(fā)電機與火電發(fā)電機基本相同,兩者的加工設備也沒有什么不同。在一般狀況下,能滿意火電發(fā)電機加工需要的機床,基本上也能滿意核電發(fā)電機加工的要求。主要加工機床有用于加工轉子的數(shù)控重型臥式車床、數(shù)控轉子槽銑床,用于加工定子的數(shù)控大型落地銑鏜床、大型定子專用機床等。目前,在這些需要的高檔數(shù)控機床中,部分機床國內可以滿意需要,但是部分機床設備如數(shù)控轉子槽銑床等仍舊依靠進口。
機床精度制約風電設備進展
風力發(fā)電站裝備主要包括以下幾部分:變速箱(升速箱)、發(fā)電機組、葉片、塔基和變電站等。目前,風力發(fā)電漸漸向大功率機組進展,要求高牢靠性、壽命周期長,因此零部件的精度、功能要求很高。
隨著風力發(fā)電技術的進展,風電機組的原理和結構也在發(fā)生變化,將來的風電機組在向結構簡潔化、體積減小的方向進展。目前,我國正在開發(fā)無齒輪箱風力發(fā)電機組。如哈爾濱發(fā)電設備集團的發(fā)電設備工程討論中心開發(fā)了無齒輪箱變速變槳永磁風力發(fā)電機組,正在研制“變速恒頻風力發(fā)電機組”和“直驅型變速風力發(fā)電機組”等,可代替帶齒輪箱傳動的異步發(fā)電機組,具有制造成本低、運行牢靠、修理簡便等優(yōu)點,并具有自主學問產權。
目前,生產最多的是有齒輪箱風力發(fā)電機組,由于結構比較簡單,完成其各種部件的制造需要不同機床設備進行加工。
風機的變速箱主要由箱體、行星輪系和變速機構等組成。風機變速箱體屬于大型箱體,依據發(fā)電量的不同,直徑約2~3m,大部分為分體結構。加工需要鏜桿直徑約160-250mm的數(shù)控落地銑鏜床和大型臥式加工中心、龍門加工中心等,加工精度要求較高,目前主要使用的是進口設備。
變速箱內的齒輪加工量很大,需要對大型內齒圈、圓柱直齒輪和斜齒輪等進行成批生產。主要加工設備為大型數(shù)控立式滾齒機、數(shù)控插齒機、數(shù)控磨齒機等。這些齒輪加工機床中,大規(guī)格數(shù)控齒輪機床普遍要求具有高效、重載、重切、剛性好的特點,主要依靠進口,中小型采納國產設備。其中大規(guī)格、大模數(shù)齒輪和齒圈采納數(shù)控成型銑齒機和數(shù)控成型磨齒機,數(shù)控成型銑齒機要求大切深、大進給、滾速高。數(shù)控成型磨齒機要求精度達到5級以上,自動化程度高、自動調心、自動測量、自動修形、穩(wěn)定性高。目前,國內制造風電用變速箱的企業(yè)主要有南京高精齒輪有限公司。該廠生產任務特別忙,長期三班倒,還是不能完全滿意市場需求,因此要求加工設備穩(wěn)定、牢靠,目前該廠使用的齒輪加工機床基本上是進口設備。
風電用發(fā)電機的原理和結構與火電等其他發(fā)電機基本一樣。風電大都使用千瓦級發(fā)電機,比較火電使用的萬千瓦級發(fā)電機,屬于不同級別的機組。從制造角度上看沒有太大難度,能制造火電發(fā)電機組的企業(yè),一般都能滿意制造風電發(fā)電機組的要求。但是,風電發(fā)電機要求使用壽命達到20年以上,對其穩(wěn)定性和牢靠性要求更高。
風機的葉片大多采納環(huán)氧玻璃纖維或碳纖維等復合材料制作。葉片設計主要采納全三維氣動仿真和結構有限元仿真,使用真空灌注工藝進行葉片生產。機械加工較少,部分需要沖切成型。
葉片的變槳機構主要有變槳電機、減速器和變槳掌握器等。對制造設備沒有特別要求,國內機床可以滿意需求。
偏航機構主要部件是帶內外齒的大型軸承和4個小齒輪及變速裝置等。該種大型軸承目前國內還不能制造,主要依靠進口。國內天馬股份將進行偏航機構用的大型軸承開發(fā)制造。其加工設備主要是一些要求較高的專用機床裝備,如CCMT2022展覽會上,齊重數(shù)控裝備股份有限公司展出的3臺大型數(shù)控專用機床,就是為加工制造
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