汽輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)

韓興東

摘 要：葉片廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)、燃汽輪機(jī)和壓縮機(jī)等，起能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵作用， 本文研究精密鍛造和普通模鍛葉片型線修整的規(guī)律，得出了型線修整的通用方法，規(guī)范了型線修整的過(guò)程。汽輪機(jī)的主要用途是在熱力發(fā)電廠中做驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)。葉片把汽輪機(jī)中的蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，葉片主要應(yīng)用于汽輪機(jī)、燃汽輪機(jī)和壓縮機(jī)等，是汽輪機(jī)的心臟，葉片制造的工時(shí)約占汽輪機(jī)整機(jī)的 1/3，成本是整機(jī)的20%左右。葉片事故時(shí)有發(fā)生。葉片損傷是汽輪機(jī)發(fā)生故障的主要原因，由于葉片的品種多，高質(zhì)量的要求以及加工難度，設(shè)計(jì)水平也是決定汽輪機(jī)組性能的重要因素。葉片的成型技術(shù)，提高葉片抵抗振動(dòng)疲勞的能力是我們重點(diǎn)研究對(duì)象。葉片的曲面型面是比較復(fù)雜的，所用的材料為不銹鋼，韌性大，強(qiáng)度高。葉片三維參數(shù)化設(shè)計(jì)主要以UG，PROE等平臺(tái)，開(kāi)發(fā)葉片修正GRIP程序。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)葉；設(shè)計(jì)；修正

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.221

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

汽輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)時(shí)的最重要參數(shù)是強(qiáng)度和振動(dòng)特性，采用二叉樹(shù)法，計(jì)算時(shí)采用的有限元分析，早期采用的是能量法和矩陣法來(lái)計(jì)算葉片的振動(dòng)頻率，葉片參數(shù)化造型程序開(kāi)發(fā)可以采用UG、PROE等軟件。德國(guó)寶馬發(fā)動(dòng)機(jī)公司和 Attech Gmbh engineering software technology 開(kāi)發(fā)的基于ACIS 的參數(shù)化葉片設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)。美國(guó)NASA和依阿華州立大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)葉片造型CAD系統(tǒng)，在ANSYS的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的汽輪機(jī)葉片壽命分析軟件BLADE，采用了三維8節(jié)點(diǎn)等參實(shí)體單元模化葉片。

國(guó)內(nèi)目前很少有自己開(kāi)發(fā)出的造型系統(tǒng)，大多是基于商用CAD軟件二次開(kāi)發(fā)，如同哈工大和沈陽(yáng)黎明發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司的基于AUTOCAD二次開(kāi)發(fā)的葉片葉身表面造型系統(tǒng)，采用8節(jié)點(diǎn)非協(xié)調(diào)元。

2 二 葉片參數(shù)化設(shè)計(jì)理論

葉片由葉型、葉根、和葉頂三部分組成。每一個(gè)橫截面邊緣叫型線，斷面型線及其葉高等參數(shù)要符合氣體動(dòng)力學(xué)要求，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和加工工藝的要求。受載荷而成為多軸應(yīng)力狀態(tài)，須采用三維實(shí)體單元來(lái)?；Ｈ~身造型，葉根和葉冠造型，然后將三者進(jìn)行布爾運(yùn)算相加葉片三維模型建立的好壞，直接影響到數(shù)控加工程序的編制。等截面直葉片的斷面型線和面積沿葉高是相同的，使葉片構(gòu)成封閉槽道。減少葉片頂部的漏汽，，截面扭曲葉片的截面型線，具有較好的氣動(dòng)性，但制造工藝較復(fù)雜，主要用于長(zhǎng)葉片。葉片三維模型建立的好壞，直接影響到數(shù)控加工程序的編制。截面的最小慣性決定葉片外形，葉片的氣動(dòng)參數(shù)對(duì)強(qiáng)度振動(dòng)性能的影響，其結(jié)構(gòu)取決于葉輪在主軸上的套裝方式。葉型幾何進(jìn)口角，出口角，等一系列的參數(shù)。

3 葉片型線設(shè)計(jì)

先設(shè)計(jì)出三個(gè)最關(guān)鍵的基本特征截面葉型：根部、頂部和平均截面的葉型。

截面是葉片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，計(jì)算葉型厚度，葉片的彎扭、禍合、剪切變形、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和葉根柔度。找出葉型的重心，通過(guò)重心畫(huà)出X、Y軸，以其為基準(zhǔn)在0.9mm圓內(nèi)，完成根部型設(shè)計(jì)。 葉型頂部截面的葉柵特點(diǎn)是出口大，柵距大，轉(zhuǎn)折角小，葉冠及葉身與葉根、葉冠的交接面葉型細(xì)長(zhǎng)，厚度不要小于5mm。相鄰葉片在任何高度都應(yīng)有進(jìn)出邊的重疊，葉型無(wú)擴(kuò)張，損失減小，注意強(qiáng)度和啟動(dòng)的設(shè)計(jì)。計(jì)算頂部葉型的幾何特性，找出它的重心，并把頂部和根部X、Y軸重合起來(lái)。

4 葉身型線修正

葉片鍛模的設(shè)計(jì)根據(jù)產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)圖來(lái)設(shè)計(jì)鍛件，設(shè)計(jì)過(guò)程以模具設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)， 產(chǎn)品的工藝圖一般包括葉片截面，型線的離散點(diǎn)坐標(biāo)、公差。建立葉片的零件實(shí)體模型，變?nèi)~片的自振頻率，從而避開(kāi)共振，葉身部分的進(jìn)出氣邊很薄，所以鍛后外形有飛邊，極易出現(xiàn)劃痕、折疊、裂紋等現(xiàn)象。如果做了延伸和加厚的技術(shù)修正，可以防止缺陷。葉片型面在輻射方向上的曲率半徑要遠(yuǎn)大于截面方向，刀軌采用較大的步長(zhǎng)，就不會(huì)出現(xiàn)過(guò)切現(xiàn)象 ，鋼和耐熱合金在加熱的時(shí)候需要防護(hù)措施， 這樣可以減少缺陷層的厚度。 葉片回轉(zhuǎn)加工刀具沿著葉片截面型線方向加工，可以增加余量?？衫肬G或Pro/E軟件加工仿真功能，證葉片型線更接近理論葉型。葉片的型面和線用離散點(diǎn)表示，葉身型線修整方法，包括，葉根型面進(jìn)氣邊型修正法；葉身中部型面進(jìn)氣邊型線修整法；葉冠型面進(jìn)氣邊型修整法。設(shè)計(jì)嚴(yán)密可靠的測(cè)量方法，才能加工出合格的葉片。將機(jī)床的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)改為雙軸同步驅(qū)動(dòng)，給葉片預(yù)加拉力，與精鍛型面加放余量 1 mm 左右相比，模鍛葉片一般要加 3 mm 以上的余量。在鍛造過(guò)程中還可能會(huì)存在一定的欠壓量。采用五坐標(biāo)加工中心加工汽道型面，保證一定的弦向的延伸量保證圓角使模具無(wú)尖角。

綜上，本文系統(tǒng)介紹了汽輪機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)，分析了葉片毛坯鍛件制造方法和影響葉片工作質(zhì)量的因素，并分析了葉片參數(shù)化設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)外研究狀況及對(duì)其研究的重要意義。汽輪機(jī)葉片動(dòng)態(tài)性能及疲勞損壞形式等的CAE分析， 輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)原理和參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)，以UG軟件為平臺(tái)，進(jìn)行了葉片三維參數(shù)化設(shè)計(jì)。以及討論了如何加放葉片鍛件余量，型線修正根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)總結(jié)精密鍛造和普通模鍛兩種型線的修正規(guī)律，確定合理的工藝流程和加工方法，研究設(shè)計(jì)嚴(yán)密可靠的測(cè)量方法，為加工汽輪機(jī)葉片開(kāi)創(chuàng)新的工藝思路，為葉片的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。