劉 博，王威彪

(哈爾濱電氣股份有限公司，哈爾濱 150028)

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

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

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

1 對(duì)汽輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析

第一，汽輪機(jī)葉片構(gòu)造機(jī)裝配。按照汽輪機(jī)葉片的不同功能，可以將其劃分為靜葉片與動(dòng)葉片兩種。靜葉片主要與汽輪機(jī)的靜子連接，處于一個(gè)相對(duì)靜止的狀態(tài)下，可以改變氣流方向，促使蒸汽進(jìn)入下一個(gè)葉片內(nèi)。動(dòng)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(jī)械能量。葉身、葉根、葉冠構(gòu)成了動(dòng)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(duì)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(shì)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(huì)從輪槽中拔出來(lái)。因此，葉根必須具有足夠的強(qiáng)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(gè)葉片連接起來(lái)。同時(shí)，圍帶也進(jìn)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(wèn)題，形成了相對(duì)密閉的槽道，避免了氣流發(fā)生泄漏。

第二，汽輪機(jī)葉輪的裝配。汽輪機(jī)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(qiáng)度。輪緣則可以對(duì)葉片進(jìn)行固定，并根據(jù)其實(shí)際受力情況設(shè)計(jì)葉片結(jié)構(gòu)。輪體則位于葉輪的中間，負(fù)責(zé)輪緣與輪殼的連接。

2 CAD/CAM技術(shù)在汽輪機(jī)葉片制造中的工藝流程

近年來(lái)，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)的不斷發(fā)展，在機(jī)械制造過(guò)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。可以說(shuō)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(jī)葉片的實(shí)際設(shè)計(jì)周期，避免了以往在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中所出現(xiàn)的常規(guī)問(wèn)題。同時(shí)，CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用使得計(jì)算機(jī)模擬仿真更加方便，通過(guò)設(shè)置刀具加工路徑、刀具補(bǔ)償參數(shù)可編制相應(yīng)的程序，對(duì)葉片實(shí)施加工。在這個(gè)過(guò)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(jī)葉片的設(shè)計(jì)加工過(guò)程中，主要是按照以下順序進(jìn)行的，首先進(jìn)行葉身造型，其次進(jìn)行葉根和葉冠造型，然后再將三者進(jìn)行布爾運(yùn)算相加到一起，最后進(jìn)行附加結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這樣便可形成一個(gè)完整的葉片。

3 對(duì)汽輪機(jī)葉片的加工工藝分析

第一，對(duì)汽輪機(jī)葉片的數(shù)控加工工藝。近年來(lái)，隨著數(shù)控加工技術(shù)的快速發(fā)展，在加工汽輪機(jī)葉片時(shí)主要采用的是數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)，即進(jìn)行CAD建模后再利用機(jī)床實(shí)施加工。在汽輪機(jī)葉片的加工過(guò)程中其最大的難點(diǎn)在于對(duì)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(guò)程中，如若使用較大的切削力那么就會(huì)嚴(yán)重磨損刀片。同時(shí)，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(jī)葉片數(shù)控加工過(guò)程中就必須要使用多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床實(shí)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(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)，從而最大限度地降低在數(shù)控加工過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的不必要損失。

第二，對(duì)汽輪機(jī)葉片的數(shù)控加工編程步驟。在汽輪機(jī)葉片加工過(guò)程中運(yùn)用計(jì)算機(jī)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(jī)葉片的加工效率。尤其是CAD/CAM技術(shù)在汽輪機(jī)葉片制造加工上的應(yīng)用，更是將零件的幾何信息進(jìn)行了有效轉(zhuǎn)換，使其成為計(jì)算機(jī)程序，有助于數(shù)控機(jī)床實(shí)施高精度的加工。對(duì)汽輪機(jī)葉片進(jìn)行編程時(shí)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(jī)床、夾具。其二，模擬刀具的運(yùn)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(jī)床能夠識(shí)別的代碼。葉片加工時(shí)，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(jì)難度也越來(lái)越大，在設(shè)計(jì)加工過(guò)程中所面臨的錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)也越來(lái)越多，主要表現(xiàn)在：其一，加工方案存在不合理性，實(shí)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(huì)出現(xiàn)殘痕。其三，刀具的實(shí)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(cuò)誤。其五，零點(diǎn)不合理導(dǎo)致刀點(diǎn)出現(xiàn)錯(cuò)誤。此時(shí)，需要進(jìn)行重新編程，對(duì)加工后的零件實(shí)施再加工并進(jìn)行返修，從而嚴(yán)重影響到企業(yè)的實(shí)際加工進(jìn)度，大大增加了企業(yè)的加工成本。因此，為了能夠高效實(shí)施數(shù)據(jù)加工制造，就必須要運(yùn)用加工軟件進(jìn)行模擬仿真，進(jìn)一步減少可能出現(xiàn)的故障，提高實(shí)際的加工效率。

4 結(jié)語(yǔ)

汽輪機(jī)已經(jīng)在社會(huì)各行業(yè)中得到了快速的發(fā)展，而汽輪機(jī)葉片作為汽輪機(jī)最為關(guān)鍵的組成部分，也成為了確保汽輪機(jī)安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵所在。尤其是近年來(lái)汽輪機(jī)葉片形狀越來(lái)越復(fù)雜，給汽輪機(jī)葉片的制造技術(shù)帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。而一些特殊的汽輪機(jī)葉片更是對(duì)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(shí)際的技術(shù)需求。運(yùn)用數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)行編程加工，不僅能夠?qū)ζ啓C(jī)葉片實(shí)施精確加工，還能夠進(jìn)一步提高汽輪機(jī)葉片加工質(zhì)量，極大地開拓汽輪機(jī)葉片加工的思路，使汽輪機(jī)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(jī)葉片的加工性能?？梢姡龊闷啓C(jī)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(shí)意義。因此，在今后的工作中更應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)數(shù)控加工技術(shù)的研究，不斷研發(fā)全新的汽輪機(jī)葉片加工技術(shù)，進(jìn)一步提高我國(guó)汽輪機(jī)葉片技術(shù)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

[1] 陳光明，張旭陽(yáng).汽輪機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與數(shù)控加工技術(shù)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2011，(17)：93-98.

[2] 于嘉琳.汽輪機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與數(shù)控加工技術(shù)分析[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017，(03)：158-159.

[3] 季源源.基于UG的汽輪機(jī)葉片CAD/CAM系統(tǒng)開發(fā)研究[J].揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，36(12)：40-43.

[4] 姚建華，葉鐘，沈紅衛(wèi).激光加工技術(shù)在汽輪機(jī)葉片制造中的應(yīng)用[C]//2009年中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì)透平專業(yè)委員會(huì)研討會(huì).2009.

[5] 金秀杰，馬艷玲，高見.壓氣機(jī)葉片型面精密數(shù)控加工技術(shù)[C]//第十五屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)第13分會(huì)場(chǎng)：航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用技術(shù)研討會(huì).2013.

[6] 陳立明，秦飛.汽輪機(jī)葉片—輪盤系統(tǒng)耦合振動(dòng)分析[C]//第14屆全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議.2005.

[7] 曹赟，羅喜勝.具有速度滑移的伴隨相變可壓縮流動(dòng)的數(shù)值研究[C]//第八屆全國(guó)流體力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議.2014.

[8] 謝永慧，馬丹丹，張荻，等.基于三維接觸有限元方法的透平葉片樅樹型葉根輪緣優(yōu)化研究[C]//中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì)透平專業(yè)委員會(huì)2011年學(xué)術(shù)研討會(huì).2011.

[9] 姚建華，葉鐘，沈紅衛(wèi).激光加工技術(shù)在汽輪機(jī)葉片制造中的應(yīng)用[C]//2009年中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì)透平專業(yè)委員會(huì)研討會(huì).2009.

[10] 王恭義，程凱，顧璐寅，等.大型CAE工具在高參數(shù)汽輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)分析中的應(yīng)用[C]//第九屆中國(guó)CAE工程分析技術(shù)年會(huì).2013.

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