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/j.cnki.37-1222/t.2017.05.221

1 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 technology 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、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，型线修正根据实际经验总结精密锻造和普通模锻两种型线的修正规律，确定合理的工艺流程和加工方法，研究设计严密可靠的测量方法，为加工汽轮机叶片开创新的工艺思路，为叶片的数字化设计制造提供强大的技术支持。