汽轮机叶片的结构特点与数控加工技术

刘 博，王威彪

(哈尔滨电气股份有限公司，哈尔滨 150028)

汽轮机叶片的结构特点与数控加工技术

刘 博，王威彪

(哈尔滨电气股份有限公司，哈尔滨 150028)

从汽轮机叶片的结构特点入手展开探讨，并就CAD/CAM技术在汽轮机叶片制造中的工艺流程加以分析，提出汽轮机叶片数控加工工艺，以期能够促进汽轮机叶片数控加工技术的高效发展。

汽轮机；叶片；结构特点；数控加工技术

随着汽轮机叶片形状越来越复杂，对汽轮机叶片性能的要求越来越高，给汽轮机叶片制造技术带来了更为巨大的挑战。传统的汽轮机叶片加工方式早已无法满足汽轮机叶片的实际技术需求，因此，如何促进汽轮机叶片数控加工技术的发展，进一步提高汽轮机叶片的加工精确度与加工质量已成为汽轮机叶片制造企业所关注的重要问题。

1 对汽轮机叶片结构特点的分析

第一，汽轮机叶片构造机装配。按照汽轮机叶片的不同功能，可以将其划分为静叶片与动叶片两种。静叶片主要与汽轮机的静子连接，处于一个相对静止的状态下，可以改变气流方向，促使蒸汽进入下一个叶片内。动叶片则主要被安装于转子叶轮或转鼓上，受到喷嘴叶栅喷出气流的作用，使蒸汽能量转换为机械能量。叶身、叶根、叶冠构成了动叶片，其中叶身作为扭转的曲面是叶片最基础的组成部分。通常情况下叶片都是较为复杂的曲面，因此对其加工精确度提出了较高要求，如若使用传统的加工工艺势必无法满足叶片加工需求，所以如何塑面则成为加工工艺的关键所在。叶根则是将叶片固定在叶轮上，以确保叶片的牢固性，叶根还可以让处于巨大离心力作用下的叶片不会从轮槽中拔出来。因此，叶根必须具有足够的强度，能够应力集中。叶冠作为叶片外端的固定，通常有围带存在，以便将多个叶片连接起来。同时，围带也进一步提高了叶片本身的刚性，提高了叶片的抗振性能，极大地避免了叶片发生共振问题，形成了相对密闭的槽道，避免了气流发生泄漏。

第二，汽轮机叶轮的装配。汽轮机的叶轮往往是由轮壳、轮缘、轮面共同组合而成的。其中轮壳主要是为了配合叶轮主轴被安装在主轴上，以此提高轮壳的强度。轮缘则可以对叶片进行固定，并根据其实际受力情况设计叶片结构。轮体则位于叶轮的中间，负责轮缘与轮壳的连接。

2 CAD/CAM技术在汽轮机叶片制造中的工艺流程

近年来，随着我国科学技术、机械制造技术的不断发展，在机械制造过程中CAD/CAM技术得到了大量应用。而Pro/E、UG等软件技术的出现，更是大大改变了传统的手工制图模式。可以说专业软件的出现与利用，不仅使结构受力分析变得更加快捷，也大大缩短了汽轮机叶片的实际设计周期，避免了以往在实际设计过程中所出现的常规问题。同时，CAD/CAM技术的应用使得计算机模拟仿真更加方便，通过设置刀具加工路径、刀具补偿参数可编制相应的程序，对叶片实施加工。在这个过程中，建立良好的三维模塑则成为数控加工程序的关键工艺。在汽轮机叶片的设计加工过程中，主要是按照以下顺序进行的，首先进行叶身造型，其次进行叶根和叶冠造型，然后再将三者进行布尔运算相加到一起，最后进行附加结构的设计，这样便可形成一个完整的叶片。

3 对汽轮机叶片的加工工艺分析

第一，对汽轮机叶片的数控加工工艺。近年来，随着数控加工技术的快速发展，在加工汽轮机叶片时主要采用的是数控机床加工技术，即进行CAD建模后再利用机床实施加工。在汽轮机叶片的加工过程中其最大的难点在于对叶片材料的加工，这是由于叶片的材料硬度较大且极易发生变形。因此，在切削叶片的过程中，如若使用较大的切削力那么就会严重磨损刀片。同时，由于叶片本身结构也十分复杂，要求较高的精确度。所以，在汽轮机叶片数控加工过程中就必须要使用多轴联动数控机床实施加工。在叶片加工前，可事先将其分为四部分，即基准面加工区、汽道塑面加工区、叶根加工区、叶冠加工区，并使用CAD/CAM技术编程，选择适合的塑曲面加工方案，进行仿真模拟试验，从而最大限度地降低在数控加工过程中可能会出现的不必要损失。

第二，对汽轮机叶片的数控加工编程步骤。在汽轮机叶片加工过程中运用计算机专业软件，不仅能有效改变传统的工作方式，还能大大提高汽轮机叶片的加工效率。尤其是CAD/CAM技术在汽轮机叶片制造加工上的应用，更是将零件的几何信息进行了有效转换，使其成为计算机程序，有助于数控机床实施高精度的加工。对汽轮机叶片进行编程时主要包括以下内容：其一，确定叶片的三维造型，选择适合的加工方案，确定刀具、机床、夹具。其二，模拟刀具的运行轨迹，生成刀位源文件。其三，将刀具源文件处理转化为数控机床能够识别的代码。叶片加工时，应始终遵循统一基准，尽可能减少走刀的次数。随着叶片结构的越发复杂多变，叶片叶身塑面的设计难度也越来越大，在设计加工过程中所面临的错误风险也越来越多，主要表现在：其一，加工方案存在不合理性，实际工作效率低下。其二，刀具的相关参数不够合理，加工零件往往会出现残痕。其三，刀具的实际走刀较小，切削效率被大大降低。其四，走刀的痕迹不正确，使加工后的零件尺寸也存在错误。其五，零点不合理导致刀点出现错误。此时，需要进行重新编程，对加工后的零件实施再加工并进行返修，从而严重影响到企业的实际加工进度，大大增加了企业的加工成本。因此，为了能够高效实施数据加工制造，就必须要运用加工软件进行模拟仿真，进一步减少可能出现的故障，提高实际的加工效率。

4 结语

汽轮机已经在社会各行业中得到了快速的发展，而汽轮机叶片作为汽轮机最为关键的组成部分，也成为了确保汽轮机安全可靠运行的关键所在。尤其是近年来汽轮机叶片形状越来越复杂，给汽轮机叶片的制造技术带来了诸多挑战。而一些特殊的汽轮机叶片更是对加工精确度提出了更高的要求，因此传统的加工技术难以满足实际的技术需求。运用数控加工技术进行编程加工，不仅能够对汽轮机叶片实施精确加工，还能够进一步提高汽轮机叶片加工质量，极大地开拓汽轮机叶片加工的思路，使汽轮机叶片加工走向更加规范、科学的连续加工道路，有效地提升了汽轮机叶片的加工性能。可见，做好汽轮机叶片数控加工技术的推广与应用具有十分重要的现实意义。因此，在今后的工作中更应该加强对数控加工技术的研究，不断研发全新的汽轮机叶片加工技术，进一步提高我国汽轮机叶片技术的国际竞争力。

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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

刘博(1982-)，男，本科，工程师。

TK263.3

B

1674-8646(2017)12-0154-02