（材料加工工程专业论文）水轮机转轮叶片预成形设计与有限元分析.pdf

p h d d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt os h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y p r e f o r md e s i g na n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s o f t u r b i n eb l a d eh o tf o r g i n gp r o c e s s b y d o n g w a n p e n g a d v i s o r p r o f c h e nj u n d e p a r t m e n to fp l a s t i c i t yt e c h n o l o g y s h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y d e c ，2 0 0 9 上海交通大学 学位论文原创性声明 洲r i l li rll l i ii i ji iiliij y 18 0 7 7 8 9 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：船 日期：沙癣乡月砂日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于一 不保密曰。 学位论文作者签彬 日期：多叫夕年多月日 躲彬 日期：2 0 口年夕月五日 上海交通大学博士学位论文答辩决议书 所在 姓 名 董万鹏学号 0 0 3 2 9 1 9 0 0 6 材料加工工程 学科 指导教师 陈军 答辩 2 0 0 9 12 2 9 答辩 模具所会议室 日期地点 论文题目 水轮机转轮叶片预成形设计与有限元分析 ，一一 投票表决结果：托彳( 同意票数实到委员数应到委员数)答辩结沦：母通过口未通，过 一 l l 评语和决i 义： 。 董万鹏同学的博士学位论文“水轮机转轮叶片预成形设计与有限元分 析”是先进制造领域的前沿课题，取得了如下研究成果： l 、结合基于理想成形理论的 步模拟法和基于相似原理的类等势场 法，提出了一种预成形设计的新方法。给出了x 型叶片不等厚度变截面坯 料的展开模型。 2 、采用影响系数法和a r r h e n i u s 方程，通过热模拟压缩试验，构建了 0 c r l 3 n i 5 m o 低碳马氏体不锈钢高温流动应力方程。 3 、建立了转轮叶片热模压过程的有限元分析模型，提出通过节点力求 解动态压力中心的算法，为压力中心的优化设计和减轻偏载对成形性能的 影响提供了基础。对成形载荷、能耗及生产效率进行了多目标优化设计， 取得了较为明显的优化效果。 4 、采用修正的a r c h a r d 模型，考虑温度对磨损模型中参数的影响，分 析了热模压模具的磨损情况，预测结果与工程实际吻合。 本篇论文条理清楚，论据充分，结论正确，表明董万鹏同学已经掌握了 本专业宽广深厚的基础理论和系统深入的专门知识，具有较强的独立从事 科学研究工作的能力。作者在答辩中讲解清楚，回答问题正确。经答辩委 员会讨论，一致通过董万鹏同学博士学位论文答辩，并建议授予其工学博 士学位。+ 一一 w 年f 月2 尸日 职务 姓名职称单位 签名 上席 董湘怀 教授上海交通大学 秀妒 答 携肜孑 辩 委员赵震教授上海交通大学 委 委员 崔振山教授上海交通大学 纵， u 贝 7 删 会委员周雄辉 教授 上海交通大学 成 文糕 员 委员 彭雄奇教授 西北工业大学 签 委员 计伟志教授上海工程技术大学 髓缸 名 委员 陈军教授。上海交通大学钾 秘书 吴瑜工程师上海交通大学秀出 水轮机转轮叶片预成形设计与有限元分析 摘要 转轮叶片是水力发电机组中的核心部件，形状复杂，尺寸厚薄不均，制造难度大。从产 品设计、工艺规划到生产试制等多个环节中都存在着技术瓶颈，传统的工艺设计方法具有盲 目性和试验周期长等缺点。本文基于数值模拟的方法，系统研究了转轮叶片热模压成形过程， 提出了新的设计思路和方法，完成了水轮机转轮叶片的预成形工艺设计，建立了成形过程的 有限元分析模型与多目标优化模型，并将计算结果、优化结果与工厂试制结果进行了对比分 析与验证。 本文取得的主要研究成果如下： 针对x 型转轮叶片的参数化c a d 模型，基于合模状态下的共同坐标，提出了新的水平 基准的定位方式：以叶片工作面的进水边与下环交点为原点，出水边与上冠交点为x 轴线 点作为参考定位。针对热模压模具，建立了模具向冷却水传递热流的数学模型，求解了冷却 水流速度。为使整个成形过程中的模具温度不低于3 0 0 ，冷却水流速应不低于9 7 0m m s 。 将基于理想变形理论的一步模拟法和基于相似原理的类等势场法相结合，提出了一种复 合的预成形设计新方法。以一步模拟法反向计算外形轮廓尺寸，以类等势场法正向计算特征 截面厚度分布，建立了不等厚度变截面的叶片展开坯料模型。中面模型展开计算采用可以表 征弯曲作用的薄膜板壳混合单元，摒弃了传统木模图中关于特征截面的展开计算方法，提 高了叶片预成形设计的精度与效率。 为确保实际生产中压力中心的波动始终处于设定的公差范围之内，提出了一种基丁刚塑 性有限元法，通过计算实时节点力获取不等厚度板坯模压成形过程中动态压力中心的新算 法。在d e f o r m3 d 软件上二次开发实现了该算法，给出了用户坐标系下压力中心的变化 规律，为压力中心的优化提供了必要的信息。 基丁金属材料热压缩试验结果，以分段函数的形式，建立了0 c r l 3 n i 5 m o 材料的高温流 动应力模型。针对流动应力一应变曲线上升阶段和稳态阶段，分别采用了影响系数法和 a r r h e n i u s 方程建立了应力关于变形温度、应变和应变速率的数学表达式。利用统计学的方 法分析并验证了新材料模型的可靠性。 考虑温度对磨损模型中参数的影响，采用修正的a r c h a r d 模型，分析了0 c r l 3 n i 5 m o 材 料热模压模具的磨损情况，发现模具磨损最严重处都位于模具同叶片出水边与下环相交的端 部对应处。分析发现：成形温度对模具磨损的影响最为显著。 为了降低成形抗力与能耗成本，建立了叶片热塑性加工多目标优化问题的数学模型，选 取了变形温度、应变速率以及摩擦因子作为优化变量，构建了新的成形载荷子函数、能耗子 1 函数、生产效率子函数。针对成形载荷子函数，设计了析因试验，采用回归分析等统计学方 法，拟合其为包含交互效应的完全二次多项式。针对能耗子函数与生产效率子函数，通过分 析其计算方法，将能耗函数、效率函数分别归纳为各自对应分量的和函数。利用线性加权和 法，建立了评价函数，将多目标优化问题转化为单目标非线性规划问题。优化后的最大成形 载荷为6 2 1m n ，小于设备额定载荷1 0m n ；成形能耗值由原设计的2 3m j 降为1 8 6 3m j ， 降幅达1 9 ；生产效率为3 9 6 7m i n 件，较原工艺提高了1 7 。将工艺优化前、后的转轮叶 片与初始设计原型在各测量点的厚度值进行了对比分析，工艺优化后的叶片厚度的相对误差 由优化前的2 5 降至了1 5 ，充分表明优化技术对现有工艺的改进作用。 关键词：转轮叶片，热模压，预成形，有限元，析因试验，多目标优化 i i p r e f o r md e s i g na n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s o f t u r b i n eb l a d eh o tf o r g i n gp r o c e s s a b s t r a c t f r a n c i st u r b i n eb l a d ei so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t so fh y d r a u l i cg e n e r a t o r , a n di th a s c o m p l i c a t e dc o n f i g u r a t i o n sa n dv a r i e dt h i c k n e s s i ti sad i f f i c u l ta n dt i m e c o n s u m i n gt a s kt o m a n u f a c t u r es u c hp r o d u c t s ，t h e r ea r ea l s ol o t so f t e c h n i c a lb o t t l e n e c k si nt h ew h o l em a n u f a c t u r i n g p r o c e s s t r a d i t i o n a ld e s i g n , s oc a l l e d t r i a l - a n d - e r r o rm e t h o d ，i n h e r i t sd i s a d v a n t a g e ss u c ha s i m m a t u r ep r o c e s sp l a n ，h i g hi n v e s t m e n tr i s ka n dr e p e a t e dt r i a l s i nt h ed i s s e r t a t i o n , t h er e s e a r c h w a sc a r r i e do u ta b o u tt h eb l a d eh o tf o r g i n gp r o c e s sb a s e do nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a n dn e w i d e a ss u c ha sh y b r i dm e t h o do fb l a d ep r e f o r md e s i g nw e r eb r o u g h tf o r w a r d p r o c e s sd e s i g na n d m u l t i p l e - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nw e r ea l s os t u d i e d , t h er e s u l t sb yt h e o r ya n a l y s i s ，o p t i m i z a t i o n c a l c u l a t i n ga n dt r i a lm a n u f a c t u r ew e r ec o m p a r e da n dv e d f i e d t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa l i s t e da sf o l l o w s ： u s i n gt h ec a dm o d e lo fxs h a p ef r a n c i st u r b i n eb l a d e ，an e wh o r i z o n t a lp o s i t i o n i n g m e t h o dw a sp u tf o r w a r du n d e rt h ec o m m o nc o o r d i n a t eo ft h eu p p e rd i ec l o s u r e t h en e wo r i g i n a l p o i n tw a st h ei n t e r s e c t i o np o i n tb e t w e e nt h ei n l e te d g ea n dt h el o w e rr i n g , a n dt h exa n c h o rp o i n t a sr e f e r e n c ep o s i t i o n i n gp o i n tw a st h ei n t e r s e c t i o np o i n tb e t w e e nt h eo u t l e te d g ea n dt h eu p p e r r i n g i no r d e rt oe n s u r ee f f e c t i v ec o o l i n ge f f e c t s ，am a t h e m a t i c a lm o d e lo fh e a tt r a n s f e rf r o md i et o w a t e rw a ss e tu p c a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ef l o wv e l o c i t ys h o u l db el a r g e rt h a n9 7 0m r n s s o t ok e e pt h ed i et e m p e r a t u r ea r o u n d3 0 0 d u r i n gf o r m i n gp r o c e s s ah y b r i dm e t h o df o rt u r b i n eb l a d ep e r f o r md e s i g ni n t e g r a t i n go n e - s t e pf e aa n d e q u i - p o t e n t i a ll i n e sm e t h o dw a sp r o p o s e d ，w h i l eo n e - s t e pf e aw a su s e dt op r e d i c tt h ep r o f i l eo f t h eu n f o l db i l l e ta n de q u i p o t e n t i a ll i n e sm e t h o dp r o v i d e dt h et h i c k n e s sd i s t r i b u t i o no ff e a t u r e d s e c t i o n s t h eh y b r i dm e m b r a n e s h e ue l e m e n tw a su s e db yi n t e g r a t i n gc s t 3a n dd k t 6e l e m e n t s t oc o n s i d e rb e n d i n ge f f e c t c o n f i g u r a t i o nc a l c u l a t i o n so ft h eu n f o l db l a d eb i l l e tw e r ei m p r o v e d w i t hah i g h e r d e s i g ne f f i c i e n c y t ok e e pt h ev a r i a t i o no ff o r m i n gl o a dc e n t e rw i t h i np r e d e f i n e dt o l e r a n c es c o p ed u r i n gt h e w h o l ef o r g i n gp r o c e s s ，an e wa l g o r i t h mt od y n a m i c a l l yc a l c u l a t et h ef o r m i n gl o a dc e n t e rf o rt h e w h o l ep r o c e s so fn o n - u n i f o r mt h i c k n e s sm e t a lt h e r m a lf o r m i n gw a sp u tf o r w a r db a s e do nr i g i d p l a s t i cf e as i m u l a t i o n ，t h ef o r m u l a t i o n s w e r ed e v e l o p e da n dc o d e di n t oau s e rr o u t i n eo n s o f t w a r ed e f o r m3 dv6 1 t h eh i s t o r yo ff o r m i n gl o a dc e n t e rc o u l db ec a l c u l a t e d w h i c hi s h e l p f u lf o rt h eu n b a l a n c e dl o a dc o n t r o la n do p t i m i z a t i o n b a s e do nt h e r m a lc o m p r e s s i o nt e s t , an e wt w o - s e g m e n tf u n c t i o nw a sp u tf o r w a r dt o c h a r a c t e r i z et h ef l o ws t r e s sb e h a v i o r o f0 c r l3 n i 5 m od u r i n ga s c e n da n ds t e a d y s t a g e a s u b - - f u n c t i o nu t i l i z e dt h ei n f l u e n c ec o e f f i c i e n tm e t h o da n dt h eo t h e rs u b - f u n c t i o na d o p t e dt h e i l i a r r h e n i u se q u a t i o n ，s t a t i s t i ca n a l y s i sp r o v e st h er e l i a b i l i t yo ft h en e wm o d e lc l e a r l y t h em o d i f i e da r c h a r dm o d e lw a si n t r o d u c e dt oe v a l u a t et h ee f f e c t so fp r o c e s sp a r a m e t e r s o i ld i ew e a r , t h ee f f e c to ft e m p e r a t u r et ot h ep a r a m e t e r si na r c h a r dm o d e lw a sc o n s i d e r e d i t c o n c l u d e dt h a tt h em o s ts e v e r ed i ew e a ri sl o c a t e da tt h ec o r r e s p o n d i n ga r e aw h e r et h eo u t l e ta n d l o w e rr i n gi n t e r s e c t , a n dt h ef o r m i n gt e m p e r a t u r eh a sm o s ts e n s i t i v ee f f e c tt ot h ed i ew e a r t om i n i m i z ef o r m i n gl o a da n de n e r g yc o n s u m p t i o n , m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nm e t h o dw a s p r o p o s e d , a n dn e ws u b f u n c t i o n sw e r ee s t a b l i s h e dw i t h c o n s t r a i n t c o n d i t i o n s b yl i n e a r w e i g h i n g - s u mm e t h o d ，t h em u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nw a sc o n v e r t e di n t oa l i n e a rp r o g r a m m i n g p r o b l e mw i t ht h ee v a l u a t i o ne q u a t i o n p r o c e s sp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e dw i t hs q pa l g o r i t h m t h eo p t i m i z e d1 0 a dw a s6 21m n ，m u c hi o w e rt h a nt h el i m i tv a l u eo ft h ep r e s s ( 1om n ) ；t h e o p t i m i z e de n e r g yc o n s u m p t i o nw a s 18 6 3m j ，r e d u c e d b y19 c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a lo n e ( 2 3 m j ) ；a n dt h eo p t i m i z e dp r o d u c te f f i c i e n c yw a s3 9 6 7m i np e rp i e c e ，i n c r e a s e db y17 t h e o p t i m i z a t i o nd e s i g nw a se v a l u a t e db yc o m p a r i n gt h et h i c k n e s sd i s t r i b u t i o ne r r o rb e t w e e nt h e o p t i m i z e dr e s u l ta n do r i g i n a ld e s i g nw i t ht h a tb e t w e e np l a n tt r y - o u tr e s u l ta n do r i g i n a ld e s i g n ，a n d t h er e l a t i v et h i c k n e s se r r o rw a sr e d u c e dd o w nt o15 f r o m2 5 ，w h i c hd e m o n s t r a t e dt h ee f f e c t i v e o p t i m i z a t i o na d v a n t a g e k e y w o r d s ：t u r b i n eb l a d e ，h o tf o r g i n g ，p e r f o r md e s i g n ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f a c t o r i a le x p e r i m e n t d e s i g n ，m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n i v - 摘要 目录 a b s t r a c t 第一章绪论 i i i i l 1 1 弓i 言1 1 2 水轮机转轮叶片概述2 1 2 1 水轮机转轮叶片的设计2 1 2 2 水轮机转轮叶片的成形工艺3 1 2 3 转轮叶片成形过程有限元分析4 1 3 金属预成形设计国内外研究现状6 1 3 1 预成形设计6 1 3 2 基于有限元的预成形设计6 1 3 3 基于优化理论的预成形设计8 1 3 4 其它预成形设计方法8 1 4 本文研究内容9 1 4 1 研究意义9 1 4 2 主要内容9 第二章转轮叶片热模压成形理论与方法 1 1 2 1 引言1 1 2 2 塑性成形工艺1 l 2 2 1 工艺方案1l 2 2 2 工艺设计一14 2 3 有限单元法l7 2 3 1 基本假设1 7 2 3 2 控制方程。l8 2 3 3 变分原理1 9 2 3 4 有限元列式1 9 2 3 5 热力耦合分析2 0 2 4 实验研究2 2 2 4 1 实验设备与参数2 2 2 4 2 实验数据测量。2 2 v 2 5 本章小结2 3 第三章转轮叶片热模压成形预成形设计。2 4 3 1 引言2 4 3 2 预成形设计2 5 3 2 1 预成形设计的定义。2 5 3 2 2 预成形设计的方法2 5 3 3 设计原则与流程一2 6 3 4 转轮叶片设计。2 7 3 4 1x 型叶片2 7 3 4 2 坯料选用2 9 3 4 3 锻件图设计。2 9 3 5 基于理想变形的预成形设计。3 0 3 5 1 混合单元3l 3 5 2 计算实例一3 2 3 6 基于类等势场的预成形设计3 3 3 6 1 相似性的理论证明3 4 3 6 2 类等势场法的理论依据一3 5 3 6 3 类等势场法的工程应用3 6 3 7 转轮叶片展开坯料。3 8 3 7 1 几何展开法3 8 3 7 2 正向模拟法。3 9 3 7 3 复合设计法。4 0 3 7 4 展开轮廓。4 0 3 8 成形载荷及压力中心的计算。4l 3 8 1 成形载荷4 l 3 8 2 压力中心一4 2 3 9 本章小结。4 7 第四章o c r l 3 n 1 5 m o 材料模型研究 4 1 问题的提出。4 8 4 2 流动应力模型同顾。4 9 4 3 参数识别5 2 4 4 实验方法与结果。5 7 4 5 新的流动应力模型一6 0 v i 4 5 1 上升阶段6 0 4 5 2 稳态阶段6 2 4 5 3 回归分析。6 5 4 5 4 残差分析。6 6 4 6 韧性断裂准则。6 7 4 7 本章小结7l 第五章转轮叶片热模压成形有限元分析 5 1 问题的提出7 2 5 2 有限元模型。7 2 5 2 1 成形过程假设。7 2 5 2 2 工件离散模型7 3 5 。2 3 成形设备模型7 4 5 2 4 接触边界条件7 6 5 2 5 热边界条件 7 7 5 2 6 模拟参数7 7 5 3 析因试验设计7 8 5 4 结果与分析一7 9 5 4 1 叶片坯料金属流动7 9 5 4 2 叶片坯料v o nm i s e s 应变8l 5 4 3 叶片坯料等效应力矗8 3 5 4 4 叶片坯料温度分布8 4 5 4 5 叶片坯料韧性损伤8 6 5 4 6 模具温度分析。8 6 5 4 7 模具冷却计算8 8 5 4 8 模具受力分析一8 9 5 4 9 模具磨损分析。9 0 5 5 试制验证9 2 5 6 变形规律研究9 6 5 6 1 成形力学分析9 6 5 6 2 工艺参数对模具磨损的影响9 7 5 7 本章小结1 0 0 第六章转轮叶片热模压成形多目标优化 6 1 问题的提出1 0 1 - v l i 6 2 优化建模1 0 1 6 2 1 目标函数1 0 2 6 2 2 设计变量及约束条件1 0 3 6 3 函数拟合10 3 6 3 1 方案及结果1 0 3 6 3 2 统计模型。1 0 4 6 3 3 方差分析1 0 4 6 3 4 回归分析1 0 8 6 4 优化方法1 1l 6 5 计算流程l l3 6 6 优化结果1 1 4 6 7 本章小结1 l5 第七章结论1 1 6 7 1 结论11 6 7 2j 琵望117 参考文献 攻读博士学位期间完成的学术论文 致谢 - v i i i 1 1 8 1 2 5 1 2 6 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 水电作为一种可再生的清洁能源，运行费用低廉，便于进行电力调峰，进而提高整个国 家的资源利用率和经济社会综合效益。同时，开发水电也有利于防止工业污染、保护地球自 然环境。在人类社会的工业化道路中，传统能源如煤、石油日益枯竭，世界各国都在探索开 发新能源的同时优先开发水电，大力利用水能资源。例如美国西北能源与生态保护委员会 ( n o a h w e s tp o w e ra n dc o n s e r v a t i o nc o u n c i l ) 在其2 0 0 6 年度的报告中就指出在太平洋西北 地区水电就占有能源总供给的6 3 3 t 1 1 ，如0 所示。相比而言，我国的能源结构中水电仅占 总装机容量的2 2 9 1 2 1 。 h y d r o p o w e r 6 3 6 美国太平洋西北地域能源供给百分图f 1 1 f i g 1 lp e r c e n t a g eo f t o t a ls u p p l yc a p a c i t yo f u s a n o r t h w e s tp a c i f i c 我国的水能资源丰富，理论蕴藏量为6 7 6 亿千瓦，技术可开发容量为4 9 3 亿千瓦，经 济可开发容量达剑3 7 8 亿千瓦。不论是水能资源蕴藏量，还是可开发的水能资源容量，我 国都居世界第一位。但是，与发达国家相比，我国的水力资源开发利用的程度并不高。截至 2 0 0 4 年9 月，我国水电装机容量突破了1 亿千瓦大关，但是开发率仅为2 4 ，大大低于发 达国家5 0 7 0 的平均开发水平。因此，在一个相当长的时期内，我国的水力资源开发潜 力巨大p j 。文献【3 】还揭示2 0 0 6 年l 1 2 月我国水电发电量累计为3 7 ，8 3 1 ，8 2 0 6 8 万千瓦时， 比上年同期增长了3 5 ；2 0 0 6 年全国用电量达到2 7 5 0 0 亿千瓦时，同比增k 了1 1 8 。我 国正日益成为一个令世界瞩目的能源消耗大国，而水电资源的丰富空间又使我国有能力也有 必要以发展水电来缓解能源压力。今后几年，无论是水电行业还是与之相关的设备生产企业 1 上海交通人学博十学位论文 在这种市场需求的刺激下，都将会迎来一个快速发展的高峰期，这也必将成为我国二十一世 纪前二十年的发展热点。 自1 9 9 9 年美国g e 能源公司为混流式水轮机研发x 型叶片以来，这一专利技术己在全 球范围内得到了广泛应用，其最新实例是美国华盛顿州刘易斯县考利茨河上塔科马电力公司 的m o s s y r o c k 水电站【4 】。该工程预期2 0 0 9 年完工，改进后的m o s s y r o c k 机组预期将有独特 的性能曲线，能够扩大其稳定运行的范围，使得机组在整个运行期间效率更高，增加塔科马 电力公司的发电量。与之相适应的是同时代发展起来的转轮叶片热模压成形技术，模压生产 水轮机转轮叶片有许多优点，但由于中、高比转速水轮机转轮叶片为不等厚度变截面的不可 展构件，外形曲率变化大、截面复杂，因而这一新技术仍有许多关键的瓶颈技术问题有待解 决，叶片预成形设计就是其中之一。当前，直接以金属塑性成形理论为基础，生产出少后续 加工的水轮机转轮叶片的整套成形技术正处于进一步的深入研究中，这些研究工作必将促进 和提升水轮机转轮叶片整体的设计水平与制造能力。 1 2 水轮机转轮叶片概述 1 2 1 水轮机转轮叶片的设计 水轮机转轮( r u n n e ro f w a t e rt u r b i n e ) 是将水能转换为机械能的关键性部件，其叶片型 线的准确与否是影响水轮机效率、出力、空蚀和运行寿命的重要因素，是衡量水轮机制造水 平的重要标志p j 。 水轮机转轮叶片一般都根据水力学而设计成三维扭曲曲面体，截面形状十分复杂，进水 边与出水边的厚度悬殊大 6 1 。文献 7 】中所描述的某型叶片的进水边厚度为2 3 0m m ，出水边 厚度却仅为1 6t o n i ，两者之间的数值相差尽然达到了1 4 多倍。一百多年米，针对水轮机转 轮叶片的研究，基本上都采取了经验设计和模型试验相结合的方法，在多种设计方案的基础 上，通过物理模型试验，不断地重复筛选与修改，最后获得一个可接受的方案。这种模式下 的设计具有随意性、投资风险高、试验周期长、重复劳动等缺点，世界上著名的水轮机厂商， 往往都是通过数干个模型转轮的试验才形成了自有的水轮机转轮系列 g l 。 传统的叶片设计与制作及放样主要依据叶片的木模图米实现，即用保角变换法【9 j 对各计 算流面进行叶片绘形，并绘制叶片的正面轴面截线，然后通过某种方法进行叶片加厚并绘制 出叶片背面轴面截线，最后通过一组水平的辅助截线求出其与正、背面轴面截线的交点，从 而得到叶片木模图。这种制作方法在手工绘形设计时代是极其简便合适的，而现代的设计理 念则是用分布在翼形骨线上的奇点( 源点、汇点和涡点) 来替代转轮栅中的翼形，以无扰动 来流与奇点系列诱导相叠加的流场来替代流体绕叶栅的实际流场，同时，保证翼形围线为叠 加流场中的一条封闭流线，应用势流叠加原理设计出转轮叶片，至于叶片的制作及放样工作 大都则是通过计算机辅助绘图软件来实现的。 2 第一章绪论 1 2 2 水轮机转轮叶片的成形工艺 水轮机转轮叶片的制造过程复杂，工序繁多。虽然生产的工艺方案干差万别，但大体上 都包括材料制备、毛坯制造、成形、热处理等几十道工序。因此转轮叶片的制造技术常被作 为反映水轮机设备制造商竞争力的标志性指标，深受世界各国水电行业的重视1 5 1 。总结起来， 水轮机转轮叶片的成形加工方法主要有单独铸造法、数控加工法和模压成形法三种。 单独铸造法一直都是制造叶片的传统工艺。目前，国内大型叶片的铸造方案有两种，一 种是水平浇注，另一种是垂直浇注。由于水轮机叶片的截面厚度和曲率变化大，没有明显的 凝固顺序，所以其补缩性差。铸造叶片普遍存在着缺陷多，修补工作量大，尺寸精度和叶型 误差难以控制等诸多问题i s l 。 二十世纪九十年代以前，水轮机转轮叶片的生产方法主要为砂轮铲磨加工。工艺方案多 为“砂型铸造一打磨一立体样板检查”。此类工艺方案不仅生产效率低下，而且叶片型面的 误差较大，工作环境恶劣1 1o 】。f l - 十世纪八十年代后期，以加拿大g e 、德国v o i t h 为代表 的水轮机制造商研制开发出了针对大型水轮机转轮叶片的三轴联动数控加工技术l l l l ，这种 生产方式才得以改善。早期的数控加工技术由于不够成熟与完善，加工效率低下、转轮叶片 的表面质量较差【1 2 l 。随着数控加： 技术的发展，由三轴联动改进成为五轴联动后，在上述 的两个方面都得到了改善，成为当前大型叶片制造工艺方案中最为推崇的一种成形工艺。同 时，过高的生产成本以及较长的制造周期却限制了这项新技术的推广与应用l l 引。 同于二十世纪末期发展起来的模压成形法【1 4 1 ，其成形的水轮机转轮叶片质量明显优于 其它方法所获得的水轮机转轮叶片，原因就在于经过高温塑性变形后，转轮叶片在金属微观 组织质量方面获得了较大的提高，耐磨损、