汽轮机叶片设计

1、    汽轮机叶片设计    韩兴东摘 要：叶片广泛应用于航空发动机、汽轮机、燃汽轮机和压缩机等，起能量转换的关键作用， 本文研究精密锻造和普通模锻叶片型线修整的规律，得出了型线修整的通用方法，规范了型线修整的过程。汽轮机的主要用途是在热力发电厂中做驱动发电机的原动机。叶片把汽轮机中的蒸汽热能转化为机械能，叶片主要应用于汽轮机、燃汽轮机和压缩机等，是汽轮机的心脏，叶片制造的工时约占汽轮机整机的 1/3，成本是整机的20%左右。叶片事故时有发生。叶片损伤是汽轮机发生故障的主要原因，由于叶片的品种多，高质量的要求以及加工难度，设计水平也是决定汽轮机组性能的重

2、要因素。叶片的成型技术，提高叶片抵抗振动疲劳的能力是我们重点研究对象。叶片的曲面型面是比较复杂的，所用的材料为不锈钢，韧性大，强度高。叶片三维参数化设计主要以ug，proe等平台，开发叶片修正grip程序。关键词：汽轮机叶；设计；修正doi：10.16640/ki.37-1222/t.2017.05.2211 國内外研究现状汽轮机叶片设计时的最重要参数是强度和振动特性，采用二叉树法，计算时采用的有限元分析，早期采用的是能量法和矩阵法来计算叶片的振动频率，叶片参数化造型程序开发可以采用ug、proe等软件。德国宝马发动机公司和 attech gmbh engineering software t

3、echnology 开发的基于acis 的参数化叶片设计cad系统。美国nasa和依阿华州立大学联合开发叶片造型cad系统，在ansys的基础上开发的汽轮机叶片寿命分析软件blade，采用了三维8节点等参实体单元模化叶片。国内目前很少有自己开发出的造型系统，大多是基于商用cad软件二次开发，如同哈工大和沈阳黎明发动机制造公司的基于autocad二次开发的叶片叶身表面造型系统，采用8节点非协调元。2 二 叶片参数化设计理论叶片由叶型、叶根、和叶顶三部分组成。每一个横截面边缘叫型线，断面型线及其叶高等参数要符合气体动力学要求，满足结构强度和加工工艺的要求。受载荷而成为多轴应力状态，须采用三维实体单

4、元来模化。叶身造型，叶根和叶冠造型，然后将三者进行布尔运算相加叶片三维模型建立的好坏，直接影响到数控加工程序的编制。等截面直叶片的断面型线和面积沿叶高是相同的，使叶片构成封闭槽道。减少叶片顶部的漏汽，截面扭曲叶片的截面型线，具有较好的气动性，但制造工艺较复杂，主要用于长叶片。叶片三维模型建立的好坏，直接影响到数控加工程序的编制。截面的最小惯性决定叶片外形，叶片的气动参数对强度振动性能的影响，其结构取决于叶轮在主轴上的套装方式。叶型几何进口角，出口角，等一系列的参数。3 叶片型线设计先设计出三个最关键的基本特征截面叶型：根部、顶部和平均截面的叶型。截面是叶片设计的关键，计算叶型厚度，叶片的弯扭、

5、祸合、剪切变形、转动惯量和叶根柔度。找出叶型的重心，通过重心画出x、y轴，以其为基准在0.9mm圆内，完成根部型设计。 叶型顶部截面的叶栅特点是出口大，栅距大，转折角小，叶冠及叶身与叶根、叶冠的交接面叶型细长，厚度不要小于5mm。相邻叶片在任何高度都应有进出边的重叠，叶型无扩张，损失减小，注意强度和启动的设计。计算顶部叶型的几何特性，找出它的重心，并把顶部和根部x、y轴重合起来。4 叶身型线修正叶片锻模的设计根据产品工艺设计图来设计锻件，设计过程以模具设计为基础， 产品的工艺图一般包括叶片截面，型线的离散点坐标、公差。建立叶片的零件实体模型，变叶片的自振频率，从而避开共振，叶身部分的进出气边很

6、薄，所以锻后外形有飞边，极易出现划痕、折叠、裂纹等现象。如果做了延伸和加厚的技术修正，可以防止缺陷。叶片型面在辐射方向上的曲率半径要远大于截面方向，刀轨采用较大的步长，就不会出现过切现象 ，钢和耐热合金在加热的时候需要防护措施， 这样可以减少缺陷层的厚度。 叶片回转加工刀具沿着叶片截面型线方向加工，可以增加余量。可利用ug或pro/e软件加工仿真功能，证叶片型线更接近理论叶型。叶片的型面和线用离散点表示，叶身型线修整方法，包括，叶根型面进气边型修正法；叶身中部型面进气边型线修整法；叶冠型面进气边型修整法。设计严密可靠的测量方法，才能加工出合格的叶片。将机床的回转工作台改为双轴同步驱动，给叶片预加拉力，与精锻型面加放余量 1 mm 左右相比，模锻叶片一般要加 3 mm 以上的余量。在锻造过程中还可能会存在一定的欠压量。采用五坐标加工中心加工汽道型面，保证一定的弦向的延伸量保证圆角使模具无尖角。综上，本文系统介绍了汽轮机叶片的结构，分析了叶片毛坯锻件制造方法和影响叶片工作质量的因素，并分析了叶片参数化设计的国内外研究状况及对其研究的重要意义。汽轮机叶片动态性能及疲劳损坏形式等的cae分析， 轮机叶片设计原理和参数化设计技术，以ug软件为平台，进行了叶片三维参数化设计。以及讨论了如何加放叶片锻件余量，型线修