汽輪機葉片的結(jié)構(gòu)特點與數(shù)控加工技術(shù)

劉 博，王威彪

(哈爾濱電氣股份有限公司，哈爾濱 150028)

汽輪機葉片的結(jié)構(gòu)特點與數(shù)控加工技術(shù)

劉 博，王威彪

(哈爾濱電氣股份有限公司，哈爾濱 150028)

從汽輪機葉片的結(jié)構(gòu)特點入手展開探討，并就CAD/CAM技術(shù)在汽輪機葉片制造中的工藝流程加以分析，提出汽輪機葉片數(shù)控加工工藝，以期能夠促進汽輪機葉片數(shù)控加工技術(shù)的高效發(fā)展。

汽輪機；葉片；結(jié)構(gòu)特點；數(shù)控加工技術(shù)

隨著汽輪機葉片形狀越來越復(fù)雜，對汽輪機葉片性能的要求越來越高，給汽輪機葉片制造技術(shù)帶來了更為巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的汽輪機葉片加工方式早已無法滿足汽輪機葉片的實際技術(shù)需求，因此，如何促進汽輪機葉片數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，進一步提高汽輪機葉片的加工精確度與加工質(zhì)量已成為汽輪機葉片制造企業(yè)所關(guān)注的重要問題。

1 對汽輪機葉片結(jié)構(gòu)特點的分析

第一，汽輪機葉片構(gòu)造機裝配。按照汽輪機葉片的不同功能，可以將其劃分為靜葉片與動葉片兩種。靜葉片主要與汽輪機的靜子連接，處于一個相對靜止的狀態(tài)下，可以改變氣流方向，促使蒸汽進入下一個葉片內(nèi)。動葉片則主要被安裝于轉(zhuǎn)子葉輪或轉(zhuǎn)鼓上，受到噴嘴葉柵噴出氣流的作用，使蒸汽能量轉(zhuǎn)換為機械能量。葉身、葉根、葉冠構(gòu)成了動葉片，其中葉身作為扭轉(zhuǎn)的曲面是葉片最基礎(chǔ)的組成部分。通常情況下葉片都是較為復(fù)雜的曲面，因此對其加工精確度提出了較高要求，如若使用傳統(tǒng)的加工工藝勢必?zé)o法滿足葉片加工需求，所以如何塑面則成為加工工藝的關(guān)鍵所在。葉根則是將葉片固定在葉輪上，以確保葉片的牢固性，葉根還可以讓處于巨大離心力作用下的葉片不會從輪槽中拔出來。因此，葉根必須具有足夠的強度，能夠應(yīng)力集中。葉冠作為葉片外端的固定，通常有圍帶存在，以便將多個葉片連接起來。同時，圍帶也進一步提高了葉片本身的剛性，提高了葉片的抗振性能，極大地避免了葉片發(fā)生共振問題，形成了相對密閉的槽道，避免了氣流發(fā)生泄漏。

第二，汽輪機葉輪的裝配。汽輪機的葉輪往往是由輪殼、輪緣、輪面共同組合而成的。其中輪殼主要是為了配合葉輪主軸被安裝在主軸上，以此提高輪殼的強度。輪緣則可以對葉片進行固定，并根據(jù)其實際受力情況設(shè)計葉片結(jié)構(gòu)。輪體則位于葉輪的中間，負責(zé)輪緣與輪殼的連接。

2 CAD/CAM技術(shù)在汽輪機葉片制造中的工藝流程

近年來，隨著我國科學(xué)技術(shù)、機械制造技術(shù)的不斷發(fā)展，在機械制造過程中CAD/CAM技術(shù)得到了大量應(yīng)用。而Pro/E、UG等軟件技術(shù)的出現(xiàn)，更是大大改變了傳統(tǒng)的手工制圖模式?？梢哉f專業(yè)軟件的出現(xiàn)與利用，不僅使結(jié)構(gòu)受力分析變得更加快捷，也大大縮短了汽輪機葉片的實際設(shè)計周期，避免了以往在實際設(shè)計過程中所出現(xiàn)的常規(guī)問題。同時，CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用使得計算機模擬仿真更加方便，通過設(shè)置刀具加工路徑、刀具補償參數(shù)可編制相應(yīng)的程序，對葉片實施加工。在這個過程中，建立良好的三維模塑則成為數(shù)控加工程序的關(guān)鍵工藝。在汽輪機葉片的設(shè)計加工過程中，主要是按照以下順序進行的，首先進行葉身造型，其次進行葉根和葉冠造型，然后再將三者進行布爾運算相加到一起，最后進行附加結(jié)構(gòu)的設(shè)計，這樣便可形成一個完整的葉片。

3 對汽輪機葉片的加工工藝分析

第一，對汽輪機葉片的數(shù)控加工工藝。近年來，隨著數(shù)控加工技術(shù)的快速發(fā)展，在加工汽輪機葉片時主要采用的是數(shù)控機床加工技術(shù)，即進行CAD建模后再利用機床實施加工。在汽輪機葉片的加工過程中其最大的難點在于對葉片材料的加工，這是由于葉片的材料硬度較大且極易發(fā)生變形。因此，在切削葉片的過程中，如若使用較大的切削力那么就會嚴重磨損刀片。同時，由于葉片本身結(jié)構(gòu)也十分復(fù)雜，要求較高的精確度。所以，在汽輪機葉片數(shù)控加工過程中就必須要使用多軸聯(lián)動數(shù)控機床實施加工。在葉片加工前，可事先將其分為四部分，即基準(zhǔn)面加工區(qū)、汽道塑面加工區(qū)、葉根加工區(qū)、葉冠加工區(qū)，并使用CAD/CAM技術(shù)編程，選擇適合的塑曲面加工方案，進行仿真模擬試驗，從而最大限度地降低在數(shù)控加工過程中可能會出現(xiàn)的不必要損失。

第二，對汽輪機葉片的數(shù)控加工編程步驟。在汽輪機葉片加工過程中運用計算機專業(yè)軟件，不僅能有效改變傳統(tǒng)的工作方式，還能大大提高汽輪機葉片的加工效率。尤其是CAD/CAM技術(shù)在汽輪機葉片制造加工上的應(yīng)用，更是將零件的幾何信息進行了有效轉(zhuǎn)換，使其成為計算機程序，有助于數(shù)控機床實施高精度的加工。對汽輪機葉片進行編程時主要包括以下內(nèi)容：其一，確定葉片的三維造型，選擇適合的加工方案，確定刀具、機床、夾具。其二，模擬刀具的運行軌跡，生成刀位源文件。其三，將刀具源文件處理轉(zhuǎn)化為數(shù)控機床能夠識別的代碼。葉片加工時，應(yīng)始終遵循統(tǒng)一基準(zhǔn)，盡可能減少走刀的次數(shù)。隨著葉片結(jié)構(gòu)的越發(fā)復(fù)雜多變，葉片葉身塑面的設(shè)計難度也越來越大，在設(shè)計加工過程中所面臨的錯誤風(fēng)險也越來越多，主要表現(xiàn)在：其一，加工方案存在不合理性，實際工作效率低下。其二，刀具的相關(guān)參數(shù)不夠合理，加工零件往往會出現(xiàn)殘痕。其三，刀具的實際走刀較小，切削效率被大大降低。其四，走刀的痕跡不正確，使加工后的零件尺寸也存在錯誤。其五，零點不合理導(dǎo)致刀點出現(xiàn)錯誤。此時，需要進行重新編程，對加工后的零件實施再加工并進行返修，從而嚴重影響到企業(yè)的實際加工進度，大大增加了企業(yè)的加工成本。因此，為了能夠高效實施數(shù)據(jù)加工制造，就必須要運用加工軟件進行模擬仿真，進一步減少可能出現(xiàn)的故障，提高實際的加工效率。

4 結(jié)語

汽輪機已經(jīng)在社會各行業(yè)中得到了快速的發(fā)展，而汽輪機葉片作為汽輪機最為關(guān)鍵的組成部分，也成為了確保汽輪機安全可靠運行的關(guān)鍵所在。尤其是近年來汽輪機葉片形狀越來越復(fù)雜，給汽輪機葉片的制造技術(shù)帶來了諸多挑戰(zhàn)。而一些特殊的汽輪機葉片更是對加工精確度提出了更高的要求，因此傳統(tǒng)的加工技術(shù)難以滿足實際的技術(shù)需求。運用數(shù)控加工技術(shù)進行編程加工，不僅能夠?qū)ζ啓C葉片實施精確加工，還能夠進一步提高汽輪機葉片加工質(zhì)量，極大地開拓汽輪機葉片加工的思路，使汽輪機葉片加工走向更加規(guī)范、科學(xué)的連續(xù)加工道路，有效地提升了汽輪機葉片的加工性能。可見，做好汽輪機葉片數(shù)控加工技術(shù)的推廣與應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實意義。因此，在今后的工作中更應(yīng)該加強對數(shù)控加工技術(shù)的研究，不斷研發(fā)全新的汽輪機葉片加工技術(shù)，進一步提高我國汽輪機葉片技術(shù)的國際競爭力。

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Structural characteristics and numerical control machining technology of turbine blades

LIU Bo, WANG Wei-biao

(Harbin Electric Co., Ltd., Harbin 150028, China)

Based on the structural characteristics of steam turbine blades, the process of CAD/CAM technology in steam turbine blade manufacturing is analyzed, and the numerical control machining process of turbine blade is put forward to promote the efficient development of turbine blade CNC machining technology.

Steam turbine; Blade; Structural characteristics; CNC machining technology

2017-04-12

劉博(1982-)，男，本科，工程師。

TK263.3

B

1674-8646(2017)12-0154-02