新能源要求機床裝備大規格高可靠性

可靠性是核電加工設備的命脈

　　核電站的裝備主要包括三部分：核島（一回路）、常規島（二回路）、輔助裝備。

　　核島部分主要由反應堆堆芯、蒸汽發生器、穩壓器和主泵組成，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。常規島由水泵、汽水分離器、蒸汽輪機、發電機、蒸汽凝結器等組成。此外，有支持系統正常運行和保證反應堆安全的輔助設備。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。

　　壓力容器殼體、蒸汽發生器殼體、穩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。壓力容器和蒸汽發生器的直徑取決于核電站發電機組的大小。

　　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，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。后續切削加工需要超重型數控立式車床、超重型數控臥式車床、大鏜桿多軸聯動數控鏜銑床、數控龍門鏜銑床、五軸聯動車銑中心等。這些設備規格大，對于加工精度、主軸轉速和快速移動等參數并沒有特別要求，但是由于這些工件的價格昂貴，而且沒有備件，要求成品率必須100%，因此對機床的可靠性和穩定性有很高的要求。

　　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，是核電運轉控制水循環的關鍵，屬于核電站的一級設備，每個蒸汽發生器有一個主泵。

　　核島中主泵的結構并不比其他泵復雜，但是要求極高，要求具有絕對的可靠性，是核反應堆中惟一國內目前做不了的設備，完全依賴進口，主要是因為主泵要求連續運行至少30年不準出現任何問題。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。如安全殼噴淋泵，該泵平時不用，只有發生故障時使用，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控立式車床、數控落地銑鏜床、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動加工中心、數控車床、大型數控臥式車床等。

　　常規島部分主要由蒸汽輪機組、發電機組、水泵、汽水分離器等組成。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軸聯動加工中心，用于加工轉子的數控重型臥式車床、數控葉根槽銑床，用于加工定子的數控大型落地銑鏜床、數控龍門鏜銑床、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動加工中心，加工中壓缸、高壓缸需要寬7.5～8m、長22m的數控龍門鏜銑床和重型數控立式車床以及鏜桿直徑200～260mm的數控落地銑鏜床等。一般情況下，能滿足火電蒸汽輪機加工需要的機床，基本上也能滿足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軸聯動加工中心和轉子主軸加工用數控臥式車床等，國內基本可以滿足要求。但是，大型葉片加工用加工中心和數控葉根槽銑床等數控機床主要依靠進口。

　　此外，核電發電機與火電發電機基本相同，兩者的加工設備也沒有什么不同。在一般情況下，能滿足火電發電機加工需要的機床，基本上也能滿足核電發電機加工的要求。主要加工機床有用于加工轉子的數控重型臥式車床、數控轉子槽銑床，用于加工定子的數控大型落地銑鏜床、大型定子專用機床等。目前，在這些需要的高檔數控機床中，部分機床國內可以滿足需要，但是部分機床設備如數控轉子槽銑床等仍然依靠進口。

　　機床精度制約風電設備發展

　　風力發電站裝備主要包括以下幾部分：變速箱（升速箱）、發電機組、葉片、塔基和變電站等。目前，風力發電逐漸向大功率機組發展，要求高可靠性、壽命周期長，因此零部件的精度、功能要求很高。

　　隨著風力發電技術的發展，風電機組的原理和結構也在發生變化，未來的風電機組在向結構簡單化、體積減小的方向發展。目前，我國正在開發無齒輪箱風力發電機組。如哈爾濱發電設備集團的發電設備工程研究中心開發了無齒輪箱變速變槳永磁風力發電機組，正在研制“變速恒頻風力發電機組”和“直驅型變速風力發電機組”等，可代替帶齒輪箱傳動的異步發電機組，具有制造成本低、運行可靠、維修簡便等優點，并具有自主知識產權。

　　目前，生產最多的是有齒輪箱風力發電機組，由于結構比較復雜，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，根據發電量的不同，直徑約2～3m，大部分為分體結構。加工需要鏜桿直徑約160250mm的數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控立式滾齒機、數控插齒機、數控磨齒機等。這些齒輪加工機床中，大規格數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，中小型采用國產設備。其中大規格、大模數齒輪和齒圈采用數控成型銑齒機和數控成型磨齒機，數控成型銑齒機要求大切深、大進給、滾速高。數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、穩定性高。目前，國內制造風電用變速箱的企業主要有南京高精齒輪有限公司。該廠生產任務非常忙，長期三班倒，還是不能完全滿足市場需求，因此要求加工設備穩定、可靠，目前該廠使用的齒輪加工機床基本上是進口設備。

　　風電用發電機的原理和結構與火電等其他發電機基本一樣。風電大都使用千瓦級發電機，比較火電使用的萬千瓦級發電機，屬于不同級別的機組。從制造角度上看沒有太大難度，能制造火電發電機組的企業，一般都能滿足制造風電發電機組的要求。但是，風電發電機要求使用壽命達到20年以上，對其穩定性和可靠性要求更高。

　　風機的葉片大多采用環氧玻璃纖維或碳纖維等復合材料制作。葉片設計主要采用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、減速器和變槳控制器等。對制造設備沒有特殊要求，國內機床可以滿足需求。

　　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制造。其加工設備主要是一些要求較高的專用機床裝備。