热能与动力机械制造工艺学 陶正良 张华第二篇 汽轮机制造工艺 第5章 汽轮机叶片制造工艺新

第二篇汽轮机制造工艺2018/1/1011汽轮机制造工艺汽轮机是将蒸汽的能量转换为机械功的旋转式动力机械，是蒸汽动力装置的主要设备之一。汽轮机是一种透平机械，又称蒸汽透平。汽轮机的制造中应用多种工艺方法（锻、铸、冲压、热轧、冷作、焊接、机床、钳工等）和检验方法（原材料、毛坯、工序间、成品、装配、特殊检验等）。2018/1/102汽轮机装置在电厂中的应用锅炉汽轮机发电机蒸汽化学能燃料热能机械能电能POWERPLANT2018/1/1032汽轮机加工工艺的特点单件生产除叶片为小批生产外生产周期长材料品种多，材料性能要求高零件种类多加工精度高设备要求高，工人操作技能要求高机械加工工种齐全涉及冷、热工艺且面广检测手段齐备，要求高计量设备，测量工具齐全而且要求高采用专用工装多2018/1/1043汽轮机制造常用加工设备为满足汽轮机品种多，机组功率范围大的特点，所配备的冷加工机床种类繁多，几乎包括所有的冷加工传统机床，机床规格从小到大，应有尽有。传统机床车、磨、刨、铣、镗、钻等机床专用机床设备1电脉冲汽道加工机2专用转子叶根槽铣槽机大型数控机床2018/1/1054汽轮机加工工艺的发展方向1进一步开发利用计算机技术，充分发挥计算机在工艺工作中的作用计算机技术的快速发展及广泛应用为企业提高工作效率及质量、缩短整个生产周期提供了可靠的保证。2完善工艺文件标准化、规范化工作跟踪国内外先进的工艺技术，进行原有工艺的持续改进。为新产品的开发制造提供新工艺、新装备。2018/1/106第5章汽轮机叶片制造工艺2018/1/107本章讲述以下几个问题51叶片的结构和分类52叶片的工作条件及材料要求53叶片的毛坯制造54叶片汽道型面的加工工艺55叶根的机械加工工艺56叶片叶型测量2018/1/10851叶片的结构和分类汽轮机的级是汽轮机作功的最基本的单元，在级中蒸汽的热能转换为转子旋转的动能。它由喷嘴和叶片组成，可分为纯冲动级、带反动度的冲动级和反动级。蒸汽在喷嘴中膨胀加速，压力、温度降低，把热能转换为动能，然后蒸汽进入叶片之间的流道中冲动叶片（纯冲动级）或在叶片之间的流道中继续膨胀（带反动度的级），使叶片带动叶轮、转子转动。2018/1/109汽轮机叶片作用叶片是汽轮机的心脏，直接将蒸汽或燃气的热能转换为机械能的作用，即在动叶组成的通道中将喷嘴来的高速气流的动能转换成叶轮旋转的机械功。叶片的形状对汽轮机的效率有直接影响；叶片工作环境恶劣；数量多；要求叶片具有良好的流动性、足够的强度、合理的结构和良好的工艺性能。2018/1/1010511叶片的分类叶片按用途可分为动叶片（又称工作叶片，简称动叶）和静叶片（又称喷嘴叶片、导向叶片，简称静叶或导叶）两种。叶片的组成2018/1/1011A、按用途分电站汽轮机叶片、工业汽轮机叶片、燃气轮机叶片、烟气轮机叶片、鼓风机叶片、大电机风扇叶片、水轮机叶片和其它（如各类增压器叶片、压缩机叶片、给水泵叶片等）B、按叶根形式分枞树型（含圆弧、直线）叶片、叉型叶片（含直叉、台肩叉等）、T型（外包T型、双T型）叶片、菌型叶片和其它叶片。C、按叶顶形式分自由叶片、减薄叶片和带冠（含围带、铆钉头等）叶片。D、按工作状态分动叶片、静叶片（含喷嘴和导叶）。2018/1/1012E、按工作原理冲动式和反动式；F、按叶片截面形状等截面和变截面（扭曲）叶片；G、按制造工艺铣制、轧制、模锻及精密铸造等类型。2018/1/1013512叶片的结构常用动叶片结构形式2018/1/1014常用静叶片隔板结构形式2018/1/10151叶根A六叉形；B菌形；C、D、ET型；F枞树形；E两排T型；H三叉形2018/1/10162工作部分（或称叶身、叶型部分）叶型部分是叶片的基本部分，它构成汽流通道。叶型部分的横截面形状称为叶型，其周线称为型线。2018/1/10173叶顶叶顶的结构有铆钉头、围带，叶片一体及叶顶减薄三种形式。1铆钉头结构形式。2018/1/10182围带与叶片一体结构形式。3叶顶减薄结构形式2018/1/10194动叶片连接方式动叶片采用围带或拉筋连接可增加动叶片刚性和抗振性能，降低动叶片的弯应力，调整动叶片频率。汽轮机同一级中，用围带、拉筋连在一起的数个动叶片称之为成组叶片（动叶片组）；用围带、拉筋将全部动叶片连结在一起的，则称之为整圈连接叶片；不用围带、拉金连结的动叶片叫作单个动叶片或自由动叶片（一般只用于末几级长叶片）。2018/1/102052叶片的工作条件及材料要求521叶片的工作条件522叶片材料的要求523汽轮机叶片常用材料2018/1/1021521叶片的工作条件叶片的工作条件很复杂，除因高速旋转和汽流作用而承受较高的静应力和动应力外，还因其分别处在过热蒸汽区、两相过渡区（指从过热蒸汽区过渡到湿蒸汽区）和湿蒸汽区段内工作而承受高温高压、腐蚀和冲蚀作用。因此它的结构、材料和加工、装配质量对汽轮机的安全经济运行有极大的影响；所以在设计，制造叶片时，要考虑到叶片既有足够的强度。又有良好的型线，以提高汽轮机的效率。2018/1/1022522叶片材料的要求良好的常温和高温机械性能良好的抗蚀性良好的减振性一定的耐磨性良好的冷、热加工工艺性能2018/1/1023523汽轮机叶片常用材料1叶片常用材料1铬不锈钢2强化型铬不锈钢3低合金珠光体耐热钢4铝合金和钛合金2叶片连接件材料1拉筋材料2围带材料3末叶片和叉形叶根的销钉材料2018/1/102453叶片的毛坯制造叶片的毛坯制造方法对于叶片加工工艺路线及叶片本身的质量影响很大，采用先进的少、无切削的精化毛坯工艺，不仅大大地缩减了机械加工工时，更重要的是材料利用系数显著提高，能够节约大量价格昂贵的不锈钢材和高温合金。2018/1/1025531叶片常用的毛坯形式方钢（扁钢）、异型钢毛坯。沙型铸造、精密铸造（失蜡铸造、熔模铸造）毛坯。模锻、半精锻、精锻、高速锻、滚锻毛坯。轧制、钢板冷作成形毛坯。爆炸成型毛坯。2018/1/10261静叶片方钢毛坯2动叶片方钢毛坯2018/1/1027532毛坯形式选用原则1T型外包叶根的等截面直叶片，汽道长度100MM。生产批量不大时，选用方钢毛坯；生产批量大时，选用高速锻毛坯。2T型外包叶根的变截面动叶片，其汽道长度大于100MM，小于200MM。生产批量不大时，选用方钢毛坯；生产批量大时，选用半精锻毛坯。3等截面焊接隔板静叶片，铸造隔板静叶片生产批量不大时，选用方钢毛坯；生产批量大时，选用模锻毛坯。2018/1/10284配装式隔板静叶片，棱形头式静叶片选用方钢毛坯。如果材料利用率低于15时，选用精密铸造毛坯。5马刀形静叶片选用精密铸造毛坯。6直接焊在隔板内外环上的锥形，香蕉形大静叶片，选用精密铸造毛坯。7汽道长度在200MM450MM之间的动叶片选用模锻毛坯。8汽道长度超过450MM以上的动叶片选用精锻毛坯。9叶型简单，弦宽小于80MM的静叶片，生产批量特别大时，选用轧制毛坯。10空心结构的末级静叶片选用辊压成型或爆炸成型。2018/1/102954叶片汽道型面的加工工艺541叶片型面的加工方法542叶片常用的汽道成型规律543等截面直叶片加工544有成型规律叶片汽道加工545自由成型叶片加工546三联叶片的加工工艺547整体喷嘴加工工艺548叶片汽道加工实例2018/1/1030541叶片型面的加工方法1叶片型面的加工方法成型铣削。仿型加工，分机械仿型和液压仿型。数控加工。电火花加工2018/1/1031在叶片加工中应用的特种加工技术主要有1）电解加工；2）电火花成型加工；3）高频感应焊接；4）激光强化；5）电火花强化；6）喷砂；7）液力喷丸；8）磨粒流；9）微球抛光；10）激光刻字。2叶片型面加工的技术要求1保证型面本身的型线精度及各截面相对位置的精度。2保证型面与叶根相对位置的精度。2018/1/1032542叶片常用的汽道成型规律1汽道的结构线和坐标系2018/1/10332汽道的主要成形规律1等截面直叶片；2斜铣叶片；3扭曲成型；4斜铣加靠模；5斜铣加扭曲；6斜铣扭曲加靠模；7锥形叶片；8直叶片斜置。由于数控型面铣床的出现，自由成型叶片应用的越来越多，主要有1）无规律自由成型叶片；2）弯扭结合叶片；3）马刀形叶片；4）手风琴压缩式。2018/1/10341反动式铆接动叶543等截面直叶片加工2018/1/1035T型铆接动叶加工的工艺1基准面加工2叶根加工4中间体加工5型面加工普通机床四轴铣加工中心型面机床3铆钉头加工数控立铣2018/1/1036汽道高度较短时，一般采用方钢毛坯，型面加工时主要以出汽边定位。通常先加工内弧，用控制弧深的方法来保证汽道与叶根的相对位置，加工背弧时，再以内弧型线定位，保证型面的最大厚度。内背弧加工分粗、精铣工序，粗铣后为精铣均匀留05毫米左右的加工余量。2018/1/1037当内弧是由圆弧R组成的型线，采用卧刀法。此时铣刀半径等于内弧半径，其切削长度大于叶片汽道长度，铣刀圆角R即为内弧圆角处半径，加工可用铣床加圆柱铣刀来完成。2018/1/1038当内弧型线由几个圆弧组成时，采用仿型加工，铣刀半径小于型面最小曲率半径。背弧加工与内弧相类似，也由成型铣刀加工或采用仿型加工。但背弧仿型铣时，铣刀直径不受型面曲率半径的限制，加工情况比内弧好。当汽道高度较长时，可采用锥形成型铣刀加工以提高加工精度、光洁度及刀具寿命。锥形成型铣刀设计成1100倒锥，刀头直线部分为68MM。2静叶片冲孔围带静叶片与浇铸孔静叶片可采用同一种方法加工汽道。毛坏形式生产批量大用模锻毛坏、生产批量小用扁钢。多件合并下料可提高生产效率、降低成本。用成型铣刀加工内弧和背弧。机床为卧铣床，叶片内弦线应水平与机床工作台平行，使得切削加工及铣刀设计最佳。2018/1/10392反动式整体围带动叶ISB2018/1/10401基准面加工2叶根加工3中间体加工4型面加工反动式整体围带动叶ISB加工工艺流程普通机床强力磨加工中心型面机床2018/1/10413自锁动叶1毛坯精锻2浇低熔点方箱3型面铣4铣准长度5抛光6喷丸7测频8完工检验2018/1/1042关键设备11200吨螺旋压力机ELB强力磨加工中心喷丸机测频仪2018/1/1043544有成型规律叶片汽道加工斜铣叶片加工斜铣加靠模叶片加工扭曲叶片2018/1/1044545自由成型叶片加工1普通立式数控机床夹具设计时保证叶片XOZ平面水平，且Z轴指向机床纵向进给方向。加上内弧Y轴指向上作台面，背弧Y轴指向工作台上方。刀具球头铣刀优选镶硬质合金刀片的刀具。加工方式横向扫描和纵向扫描。抛光量003004MM波谷处。2018/1/10452普通卧式数控铣床夹具使叶片XOZ平面与机床工作台平行，且Z轴指向上作台纵向。X轴指向工作台面。铣刀普通2030直径圆柱立铣刀。加工方法拉铣与横向扫描相结合。3五联动加工中心五联动加工中心是目前最为先进的叶片汽道加工专用设备。由于全部采用硬质合金刀具，高速切削（700010000转/MIN），而且该机床设计性能允许大余量切削即粗加工去余量，所以工效可成倍提高。2018/1/1046546三联叶片的加工工艺2018/1/1047三联叶片TRIPINS工艺简介电火花汽道加工示意图基准面加工加工六面体作为基准面叶根加工由数控平铣加工出叉型叶根中间体加工由卧式数控加工中心加工斜面及各个倒角汽道加工由数控电火花机床加工汽道，用铜制电极成型汽道型线，然后修抛表面变质层2018/1/1048547整体喷嘴加工工艺2018/1/1049汽道加工示意图整体喷嘴（NOZZLEBLOCK）工艺简介原理其运用工具电极与工件之间瞬时火花放电所产生的高温去蚀除金属材料，形成与工具电极型状相似的型腔，然后修抛电火花形成的表面变质层形成喷嘴汽道2018/1/1050548叶片汽道型面加工实例据统计，叶片的制造工时约占汽轮机整机的1/3，其工装量约占整机的1/2左右。末级叶片所发功率约占整机的1015。改造1台老机组的末级叶片往往可提高整机效率的115；次末级和末级两级动叶片的产值约占整机的36。所以，大叶片占有汽轮机心脏的核心地位。2018/1/1051动叶片总长10948MM，汽道型面长909MM，型线是由坐标点组成的扭曲叶片，七叉叶根。2018/1/10523机械加工的主要内容及方法这种扭曲长动叶片的工艺流程可分七个方面1铣叶片基准面；2铣叶根型线；3铣叶片汽道型面；4热加工及校型；5精铣装配面及钻叶根三销孔；6喷丸强化；7完工检查。采用先进的四座标卧式数控机床和浇注低熔点合金块定位工艺。此工艺只需一次装夹即可加工出叶根、叶顶所有的基准面，工序集中加工流程短专用工装少，加工质量稳定，精度高。低熔点合金块定位加工基准面。2018/1/1053低熔点合金块定位2018/1/10544动叶片加工典型生产工艺流程2018/1/10552018/1/105655叶根的机械加工工艺551叶根的结构形式1T型叶根2018/1/1057菌形叶根叉形叶根枞树形叶根其它形式还有1齿型叶根；2）R型叶根；3）P型叶根；4）J型叶根；5）圆销型叶根；6）燕尾型叶根等等。2018/1/1058552叶根加工方法根据叶片与轮盘槽的装配方法可分为配横槽与配纵槽二大类。常用的叶根加工方法主要有成型铣削法适用于T型叶根，双T型叶根，枞树型叶根。成型磨削法适用于枞树型叶根。盘状铣刀（包括盘状组合铣刀）铣削法适用叉型叶根。2018/1/10591T形及外包T形叶根的加工对于T形及外包T形叶根，为了保证叶片两肩能与轮槽圆周面紧密贴合，要求两肩按轮槽圆弧R加工，并保证两肩高低误差又称对称性误差不大于002毫米。叶根加工工艺过程。外包T型叶根结构工艺性分析2018/1/1060加工设备为用双轴凹槽专用铣床，使用专用凹槽铣刀，两把刀同时加工可保证T,T尺寸叶根加工工艺过程2018/1/10611精铣叶根及铣叶根圆弧尺寸的分析2018/1/1062叶根加工增加一道工序后，工艺过程如下2018/1/10632