汽轮机叶片加工方法

汽轮机叶片的加工方法汽轮机叶片的加工方法 一、汽轮机叶片的介绍一、汽轮机叶片的介绍 汽轮机是以高温、高压的水蒸汽作为工作介质的流体机械，其最基本的做功单元是由喷嘴 叶片(静叶片)和转子叶片(动叶片)组成。通常将这基本的做功单元称之为汽轮机的级。叶片是 汽轮机关键零件之一，工作于高温、高压、易腐蚀的环境，特别是动叶片还要承受离心力、蒸 汽弯曲应力以及复杂的振动应力。 因此，叶片多采用lCr 1 3、2Cr l 3、1 Cr ll MoV及l Crl 2wMoV 等不锈钢材料， 其强度高、 韧性大、热硬性好， 但机械加工困难。 典型的汽轮机叶片如图1-1 所 示。 叶片的种类较多，根据功能作用和结构形状的不同，按叶片的功能作用分，可以将叶片分 为动叶片和静叶片：所谓动叶片是安装在汽轮机的转子，随转子一同旋转，将蒸汽流的动 能转化为转子的机械能。而静叶片则安装在汽轮机的壳体上，处于静止状态，主要起着改变汽 流方向的作用 ，动叶片和静叶片一般都是成对作用的，也就是一级动叶片对应于一级静叶 片，动叶片的结构要比静叶片复杂得多。 就汽轮机的动叶片而言，也有各种不同的结构形式，但就其整体结构可将之分为叶身、 叶顶和叶根三个组成部分 ： 1)叶身是汽轮机叶片的工作部分。叶身型面是根据空气动力学方法所设计的复杂自由 曲面，从叶身某个截面轮廓可见，叶身型面是由进汽边、出汽边、盆弧和背弧几个部分组 成，如 2)叶根叶根是叶片与叶轮相连接的部分。叶根结构要求在任何运行条件下都要保证叶 片牢牢地固定在叶轮上，同时力求结构简单，便于制造和装配。叶根的结构有多种，常见 的有直叉型、阶梯叉型、T型、菌型、榫齿型、纵树型等 3)叶顶是叶身以上的叶片结构，又叫叶冠。叶项也有不同的结构，有的叶片在叶顶部 分装有围带，以增强叶片刚度，调整叶片的自震频率，此外还有防止漏汽的作用。 图图1-11-1 典型的汽轮机叶片典型的汽轮机叶片 二、精锻的优点二、精锻的优点 锻造是叶片制造的主要成形加工工艺，汽轮机中相当一部分叶片几乎全部采用锻造方法生 产。精密模锻是在一般模锻基础上逐步发展起来的一种少无切削加工新工艺， 与一般模锻相比， 它能获得表面质量好， 机械加工余量少和尺寸精度高的锻件， 取消或部分取消了切削加工工序， 1 从而提高材料利用率。可以使金属流线沿零件轮廓合理分布提高零件的承载能力，降低零件生 产成本，叶片锻造工艺有精锻、半精锻和模锻三种方式。在现行叶片生产中目前尚无严格区分 精锻和模锻的标准。 一般而言， 所谓精锻是指锻件叶身部分余量小少于0.3 mm， 公差小约为1/3 模锻公差，叶身表面不再需要切削加工，而只需要进行精抛光或化学铣削。而叶片模锻则锻件 具有较大的加工余量两者相比，精锻有如下优点： (1)可以提高叶片的性能和使用寿命，叶片精锻由于采用了合理的模具设计和先进工艺技 术，能够保证金属具有良好的成形条件和合适的变形程度，获得沿叶身形状分布的流线和均匀 细小的晶粒，增加了强度。同时由于金属沿着模具的形状流动叶身型面和缘板内侧面及其与型 面转接部分不需要机械加工，使外露出来的端向晶粒最少流线不被破坏，减少了应力腐蚀和裂 纹，提高了疲劳强度冲击强度和抗腐蚀性能力。 (2)与普通模锻叶片相比，可以节省20％— 25％ 左右的金属材料，在各种类型的叶片生产 中，由于叶片形状复杂，材料的利用率都比较低，用方钢铣削汽轮机叶片材料利用率只有7 ％ —15％，普通模锻叶片材料利用率只有25％— 40％，这些叶片的材料除了锻造过程中较大的毛 边消耗外，大量消耗于为机械加工所留的余量，精锻叶片的材料利用率可以达到50％ 以上。 (3)简化机械加工过程，精锻叶片型面和缘板内侧不需要机械加工，可以减少大量金属切削 机床和机械加工工时，缩短机械加工过程。 (4)解决了难加工材料和型面薄的叶片机械加工的困难，汽轮机叶片材料一般为不锈钢甚至 钛合金材料。加工性能差，叶片型面薄而复杂，加工极易变形，采用精锻可以解决这些问题。 (5)叶片制造的总成本大大降低，采用叶片精锻技术其所用的模具费用和锻造费用较普通锻 造提高约5 倍左右，增加了锻件的成本但是对整个制造过程而言由于节省了材料，缩短了生产 周期，大大减少了机械加工费用。而且精锻叶片的使用寿命长。所以其总成本比普通的大余量 锻造要低的多。 三、叶片精锻件设计及工艺参数计算三、叶片精锻件设计及工艺参数计算 1 1、叶片锻造平衡角的确定、叶片锻造平衡角的确定 工艺分析中，叶片锻造转角又称平衡角的确定是叶片锻造成形的关键，也是锻造模具型腔 设计时首先考虑的问题。扭角是叶身各型面弦长线与发电机转子中心线的夹角如图2-1 所示 图图2-12-1 叶片锻造转角的确定叶片锻造转角的确定 汽轮机上绝大多数叶片都具有变化的曲面，其各截面的扭角大小不同，靠近叶冠部分的扭角最 大，靠近叶根部位的扭角最小，甚至是负值。扭角大的叶片会给锻造带来如变形、水平错移力 大、尺寸精度不稳定等各种困难。如果把发电机中心线平面当作分模面必然导致模锻过程中产 生较大的单向水平推力，使压力机滑块导轨和模具导柱急剧磨损并造成模具错移。在进行叶片 锻件设计时为了克服这一水平力，应将叶片设计基准沿发电机中心线旋转一定合适的角度，放 2 置于锻模上。锻件图上所示的状态也就是叶片在锻模上放置的状态。叶片所需旋转的角度称为 平衡角。确定锻造转角应遵循如下准则： (1)力求使叶身型面平坦。叶身平坦可以减小锻造载荷和侧向力，防止过大的侧向力产生错 模现象。 (2)有利于叶片锻件各部位的充足成形。叶身不同的部位成形难度各不相同，必须全局考虑 成形的过程以做到完好充模。 (3)配合锻坯形状的确定和锻坯在模具型腔中定位的考虑。确定平衡角有计算法和作图法两 种，两种方法各有特点。以下介绍计算法 计算法确定平衡角计算法确定平衡角 计算法分三种分别如下： (1) 将靠近叶根的截面和靠近叶冠的截面的夹角相加求其平均值 (2)将靠近叶根的截面和靠近叶冠的截面以及叶身中部的夹角相加求其平均值 (3)将叶身各个截面的扭角相加求其平均值 工程上一般采用第2 种方法它具有简捷明了的特点，而且考虑到靠近叶冠的截面出气边最薄， 一般加上一个验证过程即图2-1中角度α要求:48º a  52º 以保证出气边能够充满。 2 2、、叶身型面余量的加放叶身型面余量的加放 叶片的余量与材料性质尺寸大小、加热方法、锻造设备加工方法有关。精锻叶片叶身虽然无机 械加工余量，但考虑到金属在加热过程中存在表面氧化脱碳污染和元素烧损现象，还得留出适 当的化铣量或抛光量。生产实践表明无论是钢或耐热合金，当加热没有采取防护措施时在锻件 表面不可避免的产生缺陷层，有时厚度可能达到1 mm 以上若采取了防护措施可减少缺陷层的 厚度，但缺陷层总是不可避免的，叶片毛坯终锻变形时，叶身型面可能出现压坑划伤等缺陷。 如工序周转过程中难免有碰伤，因此必须留有余量。常用加放余量的方法有两种： (1)加锻造方向余量，在叶身型面曲率半径较大，扭角较小的情况下叶身余量可以用模锻时的欠 压量来保证，即加放y 向余量，在给定的坐标点y，坐标上加放余量 ，其公式为：y  y  1 （  为欠压量）但当曲率半径较小，