汽輪機葉片加工方法

1、汽輪機葉片的加工方法一、汽輪機葉片的介紹汽輪機是以高溫、高壓的水蒸汽作為工作介質(zhì)的流體機械，其最基本的做功單元是由噴嘴 葉片（靜葉片）和轉(zhuǎn)子葉片（動葉片）組成。通常將這基本的做功單元稱之為汽輪機的級。葉片是 汽輪機關(guān)鍵零件之一，工作于高溫、高壓、易腐蝕的環(huán)境，特別是動葉片還要承受離心力、蒸 汽彎曲應(yīng)力以及復(fù)雜的振動應(yīng)力。因此，葉片多采用lCr13、2Crl3、1 Cr ll MoV及l(fā) Crl 2wMoV 等不銹鋼材料，其強度高、韌性大、熱硬性好，但機械加工困難。典型的汽輪機葉片如圖1-1所 示。葉片的種類較多，根據(jù)功能作用和結(jié)構(gòu)形狀的不同，按葉片的功能作用分，可以將葉片分 為動葉片和靜葉片：

2、所謂動葉片是安裝在汽輪機的轉(zhuǎn)子，隨轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，將蒸汽流的動 能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的機械能。而靜葉片則安裝在汽輪機的殼體上，處于靜止?fàn)顟B(tài)，主要起著改變汽 流方向的作用，動葉片和靜葉片一般都是成對作用的，也就是一級動葉片對應(yīng)于一級靜葉 片，動葉片的結(jié)構(gòu)要比靜葉片復(fù)雜得多。就汽輪機的動葉片而言，也有各種不同的結(jié)構(gòu)形式，但就其整體結(jié)構(gòu)可將之分為葉身、 葉頂和葉根三個組成部分：1）葉身是汽輪機葉片的工作部分。葉身型面是根據(jù)空氣動力學(xué)方法所設(shè)計的復(fù)雜自由 曲面，從葉身某個截面輪廓可見，葉身型面是由進汽邊、出汽邊、盆孤和背孤幾個部分組 成，如2）葉根葉根是葉片與葉輪相連接的部分。葉根結(jié)構(gòu)要求在任何運行條件下都要保

3、證葉 片牢牢地固定在葉輪上，同時力求結(jié)構(gòu)簡單，便于制造和裝配。葉根的結(jié)構(gòu)有多種，常見 的有直叉型、階梯叉型、T型、菌型、榫齒型、縱樹型等3）葉頂是葉身以上的葉片結(jié)構(gòu)，又叫葉冠。葉項也有不同的結(jié)構(gòu)，有的葉片在葉頂部 分裝有圍帶，以增強葉片剛度，調(diào)整葉片的自震頻率，此外還有防止漏汽的作用。圖1-1典型的汽輪機葉片二、精鍛的優(yōu)點鍛造是葉片制造的主要成形加工工藝，汽輪機中相當(dāng)一部分葉片幾乎全部采用鍛造方法生 產(chǎn)。精密模鍛是在一般模鍛基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來的一種少無切削加工新工藝，與一般模鍛相比， 它能獲得表面質(zhì)量好，機械加工余量少和尺寸精度高的鍛件，取消或部分取消了切削加工工序，從而提高材料利用率?？梢允?/p>

4、金屬流線沿零件輪廓合理分布提高零件的承載能力，降低零件生 產(chǎn)成本，葉片鍛造工藝有精鍛、半精鍛和模鍛三種方式。在現(xiàn)行葉片生產(chǎn)中目前尚無嚴(yán)格區(qū)分 精鍛和模鍛的標(biāo)準(zhǔn)。一般而言，所謂精鍛是指鍛件葉身部分余量小少于0.3 mm，公差小約為1/3 模鍛公差，葉身表面不再需要切削加工，而只需要進行精拋光或化學(xué)銑削。而葉片模鍛則鍛件 具有較大的加工余量兩者相比，精鍛有如下優(yōu)點：可以提高葉片的性能和使用壽命，葉片精鍛由于采用了合理的模具設(shè)計和先進工藝技 術(shù)，能夠保證金屬具有良好的成形條件和合適的變形程度，獲得沿葉身形狀分布的流線和均勻 細(xì)小的晶粒，增加了強度。同時由于金屬沿著模具的形狀流動葉身型面和緣板內(nèi)側(cè)面及

5、其與型 面轉(zhuǎn)接部分不需要機械加工，使外露出來的端向晶粒最少流線不被破壞，減少了應(yīng)力腐蝕和裂 紋，提高了疲勞強度沖擊強度和抗腐蝕性能力。與普通模鍛葉片相比，可以節(jié)省20% 25%左右的金屬材料，在各種類型的葉片生產(chǎn) 中，由于葉片形狀復(fù)雜，材料的利用率都比較低，用方鋼銑削汽輪機葉片材料利用率只有7 % 15%，普通模鍛葉片材料利用率只有25% 40%，這些葉片的材料除了鍛造過程中較大的毛 邊消耗外，大量消耗于為機械加工所留的余量，精鍛葉片的材料利用率可以達到50%以上。簡化機械加工過程，精鍛葉片型面和緣板內(nèi)側(cè)不需要機械加工，可以減少大量金屬切削 機床和機械加工工時，縮短機械加工過程。解決了難加工材

6、料和型面薄的葉片機械加工的困難，汽輪機葉片材料一般為不銹鋼甚至 鈦合金材料。加工性能差，葉片型面薄而復(fù)雜，加工極易變形，采用精鍛可以解決這些問題。葉片制造的總成本大大降低，采用葉片精鍛技術(shù)其所用的模具費用和鍛造費用較普通鍛 造提高約5倍左右，增加了鍛件的成本但是對整個制造過程而言由于節(jié)省了材料，縮短了生產(chǎn) 周期，大大減少了機械加工費用。而且精鍛葉片的使用壽命長。所以其總成本比普通的大余量 鍛造要低的多。三、葉片精鍛件設(shè)計及工藝參數(shù)計算1、葉片鍛造平衡角的確定工藝分析中，葉片鍛造轉(zhuǎn)角又稱平衡角的確定是葉片鍛造成形的關(guān)鍵，也是鍛造模具型腔 設(shè)計時首先考慮的問題。扭角是葉身各型面弦長線與發(fā)電機轉(zhuǎn)子中

7、心線的夾角如圖2-1所示J 7.鍛造丸向Y1 理墮的截面葉身中鞘面 建近葉根的曲而水平方向圖2-1葉片鍛造轉(zhuǎn)角的確定汽輪機上絕大多數(shù)葉片都具有變化的曲面，其各截面的扭角大小不同，靠近葉冠部分的扭角最 大，靠近葉根部位的扭角最小，甚至是負(fù)值。扭角大的葉片會給鍛造帶來如變形、水平錯移力 大、尺寸精度不穩(wěn)定等各種困難。如果把發(fā)電機中心線平面當(dāng)作分模面必然導(dǎo)致模鍛過程中產(chǎn) 生較大的單向水平推力，使壓力機滑塊導(dǎo)軌和模具導(dǎo)柱急劇磨損并造成模具錯移。在進行葉片 鍛件設(shè)計時為了克服這一水平力，應(yīng)將葉片設(shè)計基準(zhǔn)沿發(fā)電機中心線旋轉(zhuǎn)一定合適的角度，放置于鍛模上。鍛件圖上所示的狀態(tài)也就是葉片在鍛模上放置的狀態(tài)。葉片所

8、需旋轉(zhuǎn)的角度稱為 平衡角。確定鍛造轉(zhuǎn)角應(yīng)遵循如下準(zhǔn)則：力求使葉身型面平坦。葉身平坦可以減小鍛造載荷和側(cè)向力，防止過大的側(cè)向力產(chǎn)生錯 模現(xiàn)象。有利于葉片鍛件各部位的充足成形。葉身不同的部位成形難度各不相同，必須全局考慮 成形的過程以做到完好充模。配合鍛坯形狀的確定和鍛坯在模具型腔中定位的考慮。確定平衡角有計算法和作圖法兩 種，兩種方法各有特點。以下介紹計算法計算法確定平衡角計算法分三種分別如下：將靠近葉根的截面和靠近葉冠的截面的夾角相加求其平均值|0_% + 氣_2將靠近葉根的截面和靠近葉冠的截面以及葉身中部的夾角相加求其平均值 必+%+%將葉身各個截面的扭角相加求其平均值尸叫+仁+幺工程上一般

9、采用第2種方法它具有簡捷明了的特點，而且考慮到靠近葉冠的截面出氣邊最薄， 一般加上一個驗證過程即圖2-1中角度a要求:48 & 52以保證出氣邊能夠充滿。2、葉身型面余量的加放葉片的余量與材料性質(zhì)尺寸大小、加熱方法、鍛造設(shè)備加工方法有關(guān)。精鍛葉片葉身雖然無機 械加工余量，但考慮到金屬在加熱過程中存在表面氧化脫碳污染和元素?zé)龘p現(xiàn)象，還得留出適 當(dāng)?shù)幕娏炕驋伖饬?。生產(chǎn)實踐表明無論是鋼或耐熱合金，當(dāng)加熱沒有采取防護措施時在鍛件 表面不可避免的產(chǎn)生缺陷層，有時厚度可能達到1 mm以上若采取了防護措施可減少缺陷層的 厚度，但缺陷層總是不可避免的，葉片毛坯終鍛變形時，葉身型面可能出現(xiàn)壓坑劃傷等缺陷。 如

10、工序周轉(zhuǎn)過程中難免有碰傷，因此必須留有余量。常用加放余量的方法有兩種：加鍛造方向余量，在葉身型面曲率半徑較大，扭角較小的情況下葉身余量可以用模鍛時的欠 壓量來保證，即加放y向余量，在給定的坐標(biāo)點y，坐標(biāo)上加放余量，其公式為：y =、+ 1(A為欠壓量)但當(dāng)曲率半徑較小，扭角較大時將會出現(xiàn)不均勻的余量。當(dāng)彌=0.25 mm ,型 面的彎曲角度a 36時，才能直接向y向加余量，另外，葉盆和葉背的y向余量不盡相同，因此 葉盆和葉背應(yīng)分別加余量。加法向余量，為了得到均勻的余量，可以沿法向加放余量，但葉片的型面特征用離散點表示， 各坐標(biāo)點之間沒有固定的數(shù)學(xué)描述，為了加放法向余量，可以采用直接作圖法，也可

11、以找出型 面曲線的數(shù)學(xué)描述，在型面點的法向加放余量，然后確定加放余量后的新坐標(biāo)如圖2-3所示的 解析法加放余量中，在葉片某一型面上一系列點中取一點m。(x ,y )。在m。的法線方向N N 上加余量A得到m( x,y)由圖2-3中幾何關(guān)系可知1（上型面取負(fù)號，下型idi取正號） 【上型面取正號.下型面取負(fù)號）圖2-3余量加放（包絡(luò)）示意圖3、葉身型線的修整由于葉片葉身形狀的扭曲，用普通的畫法幾何方法不能很好的表達葉片的特征，所以通常葉 片的產(chǎn)品圖是通過給出葉身一系列截面的離散坐標(biāo)點來精確的表示葉身而葉根葉冠則用普通 的幾何方法表示。無論是精鍛葉片還是普通模鍛葉片葉身部分的進出氣邊都很薄，鍛后要

12、向外 形成飛邊，在這些部位容易出現(xiàn)充不滿折疊以及劃痕裂紋等各種缺陷。因此要做一定的延伸和 加厚修整，以使可能的缺陷產(chǎn)生在葉身之外。另外，由于葉片鍛造時的水平力使鍛件產(chǎn)生水平 錯移會導(dǎo)致進氣邊的背弧減薄，所以設(shè)計汽輪機葉片鍛件時，一定要首先對葉身進出氣邊進行 修整。精鍛葉片的型線修整方法，通過對葉片廠工程技術(shù)人員長期經(jīng)驗積累總結(jié)有以下四種葉 身型線修整方法：（1）靠近葉根型面進氣邊型線修整方法圖2-4為靠近葉根型面進氣邊型線修整方法示意 圖?？拷~根部分，由于葉片扭曲翹起很高，為了防止出現(xiàn)倒勾影響出模，必須設(shè)置一定的拔 模斜度一般取為7 ,具體修整過程如下：（1）作背弧13的偏移（offset

13、）線1,距離dl =1.5 3 mm（2）作進氣邊小圓12的（offset）線2，距離d2= 25 30 mm（3）作進氣邊小圓12的（offset ）線3，距離d3= 5 8 mm作內(nèi)弧偏移線的進氣邊的延伸線4 ；與線3相交；過線3和線4的交點作水平線5作5 線的(offset )線6 ,距離d4 =2 5 mm作線1的7的相切線與線6相交于b點(背弧端點)，過b點作垂線與線5相交于a (內(nèi)弧端點)作背弧的45切線8以45。切線的切點為起始點，以7線與線1的切點為終點作線性包絡(luò)線9(10)作線4、5的轉(zhuǎn)接R3 R5(2)葉身中部型面進氣邊型線修整方法圖2-5為葉身中部型面進氣邊型線的修整示意

14、圖， 葉片葉身中部隨著扭曲逐漸變得較為平坦，這個時候一般不需要考慮拔模的問題，修整過程也 相應(yīng)變得略為簡單，但是要考慮葉身最大厚度在這個過程中的影響，當(dāng)葉身最大厚度處于修整 范圍以內(nèi)時，要考慮從最大厚度處進行修整，當(dāng)最大厚度處于這個范圍以外則忽略它的影響， 具體修整過程如下：作背弧13的偏移(offset )線1距離d1= 1.5 -3 mm作內(nèi)弧偏移線的進氣邊的延伸線4與線3相交過線3和線4的交點作水平線5作5 線的offset 線6 ,距離d4 =2 5 mm作進氣邊小圓12的offset線2 ,距離d2 =25 30 mm作進氣邊小圓12的offset線3 ,距離d3 =5 8 mm圖2

15、-6靠近葉冠進氣邊的修整方法圖2-7型線出氣邊的修整方法(7)線3與線6的交點，在a點的里端(即坐標(biāo)x值較小)時，過1點作鉛垂線與6線交于b點， 該b點為背弧端點(8)過進氣邊小圓的外切點作線1的垂線得到e點作(8)垂線的距離為3 4 mm的平行線與線1相交得到交點f型線的最大厚度處在修整圓2范圍內(nèi)時，背弧修整線起始點在最大厚度處，作線性偏移線9，連接e點和f點(3)型面出氣邊的型線修整方法圖2-7為型線出氣邊的修整方法示意圖具體修整過程如下：作出氣邊小圓的offset線2，距離d1 =25 30 mm截得尺寸S(2)作出氣邊小圓的外切線11，并與背弧型線垂直，截得尺寸丁得到交點e作背弧的of

16、fset線1作進氣邊小圓的offset線3，距離d2 5 8 mm作內(nèi)弧的進氣邊的延伸線5作過線4和線3的交點的水平線5作線5的offset線6，偏移d3= 2 5 mm，與線3相交得交點b過b點作垂線與線5，相交于a點作線4和線5的圓角，圓角半徑R =35 mm(10)以c點為起點，以e點為終點，作線性包絡(luò)線94、葉根實體的設(shè)計計算設(shè)計葉片鍛件圖時，把葉根與葉身分開處理，因為葉根需進行機械加工，葉身在精鍛情況下， 除進排氣邊緣外，不需機械加工，所以對設(shè)計的要求有所區(qū)別，葉根的安裝及簡化圖如圖2-9和 圖2-10所示圖2-9葉片安裝示意圖圖2-10葉根簡化示意圖葉根機械加工比較方便，沒有必要進

17、行精鍛，但是葉根內(nèi)側(cè)面和葉身緊密相連機械加工比較困 難，而且由于和葉身加工方法不同，容易造成表面質(zhì)量下降，所以鍛件的葉根內(nèi)側(cè)面應(yīng)采用精 鍛成形，葉根內(nèi)側(cè)面余量的大小和精鍛葉片葉身型面余量的去除方法有關(guān)，當(dāng)采用化銑時內(nèi)側(cè) 面余量，等于葉身型面的余量，如果用手工拋光內(nèi)側(cè)面，可加余量1.01.5 mm。鍛件的葉根其 它側(cè)面余量大小仍采用普通鍛造的余量設(shè)計，葉根的機械加工余量主要取決于尺寸和材料，葉 片尺寸越大材料愈難加工，則要求的余量愈大。為了防止內(nèi)側(cè)面在邊緣轉(zhuǎn)角處充不滿，與內(nèi)側(cè) 面相鄰的面取余量2.5 3 mm，其余的面可取余量2 2.5 mm。葉片產(chǎn)品圖和鍛件圖的尺寸標(biāo) 準(zhǔn)方向是有區(qū)別的。鍛件圖

18、上要給出葉根中心線方向和其垂直方向的。葉根尺寸葉片葉根中心 線往往與葉輪中心線有個夾角。產(chǎn)品圖上標(biāo)注的葉根尺寸要按圖樣上的投影關(guān)系換算成鍛件圖 所需要的葉根尺寸。即在加余量之前必須先推算出葉根的長寬高的尺寸。根據(jù)這些尺寸加放相 應(yīng)的余量。即為鍛件葉根尺寸。這里以常用的燕尾型為例，介紹葉根的設(shè)計計算(1)葉根厚度尺寸計算，轉(zhuǎn)子葉片在輪盤上安裝位置如圖2-9所示，葉根簡化形狀如圖2-10， 葉根厚度尺寸關(guān)系見圖2-11關(guān)系式為：B = b + 2(h - h ) - tgv 1 2圖2-11葉根的F向視圖(2)葉根長度尺寸計算長度L應(yīng)當(dāng)從葉片零件圖上的俯視圖有關(guān)尺 寸進行推算如圖2-12及圖2-13所示血/3即當(dāng)葉片有斜角時葉根的長度應(yīng)按下式計算IF項）/8或葉根高度尺寸計算，從圖2-12可看出對于普通葉片模鍛高