透平壓縮機葉片擴壓器制造工藝研究

孟東民， 王鴻雁， 史冠峰， 王國超， 熊學強， 李艷

（開封空分集團有限公司，河南 開封 475004）

0 引言

透平壓縮機中所使用的擴壓器有葉片擴壓器和無葉擴壓器兩種型式，其功用主要是擴壓和導向，使從葉輪出來的具有較大動能的氣流減速，使動能有效地轉化為壓力能，并將氣體導向蝸殼，是透平壓縮機的重要元件［1］。

當壓縮機在設計工況下運行時，由葉片擴壓器引起的壓力擾動可向上游傳播，影響到葉輪的工作，嚴重時可能導致對葉輪葉片的沖擊，引發較嚴重的安全事故［2］。影響葉片擴壓器制造質量的關鍵因素是葉片分布的均勻性和隔板通流端面的變形量大小：葉片分布不均勻容易引起氣流不均勻，嚴重時會導致高速氣體產生渦流，從而引起壓縮機的強烈振動而無法正常工作；隔板通流端面的變形可導致氣體擴壓效果降低，從而影響整臺機器的效率。

1 葉片擴壓器的結構、制造工藝及存在問題

透平壓縮機葉片擴壓器由若干均勻分布的葉片（厚度3～8 mm）與隔板端面焊接而成，擴壓器的直徑與隔板的厚度比非常大（一般直徑為1000 mm左右，厚度為 20～40 mm），且形位公差要求嚴格，常用的規格見圖1。

傳統的制造工藝是先進行隔板、葉片等單個零件的預加工，加工隔板時在厚度及其內、外圓直徑、葉片高度等處留適當的余量；在隔板已加工到尺寸的端面上均布劃出葉片裝焊的位置線，并按線裝焊葉片；去應力熱處理和校平后機加工成形。經實際測量、分析，用這樣的方式加工出的葉片擴壓器存在以下問題：

圖1 透平壓縮機葉片擴壓器示意圖

1）葉片分布的均勻性和進出口邊位置的一致性超差，且無規律可循。測量按圖1加工的一件擴壓器，發現各葉片出口邊至外圓的尺寸數值大小不一，差值最大在1 mm以上；在相鄰兩葉片出口處的同一圓周上測量同一個方向的等分弦長尺寸，其差值絕大部分超公差范圍，見表1。檢測其它規格的擴壓器，情況與之類似。

表1 相鄰葉片在出口位置同一圓周上沿同一方向的弦長差值 mm

2）葉片焊接過程中產生的焊接應力使成品工件變形超差。把成品擴壓器的隔板定位端面放在檢驗平臺上，用高度游標卡尺檢查隔板同一徑向內孔、外圓處相應位置的高度尺寸，發現其差值均超公差范圍，并且是外高內低，呈凹心狀。高度差值見表2。

表2 隔板內、外圓處相應位置的高度差值 mm

2 原因分析

通過研究分析擴壓器制造工藝的每一個工序，跟蹤監測多個工件的每一個中間環節，發現造成上述問題的因素主要有以下兩方面：

1）裝焊時未把葉片精確定位，僅按劃線組裝焊接，是造成葉片分布不均勻和進出口位置不一致的主要原因。

2）葉片焊接過程中產生巨大的焊接應力，使隔板外圓按相同的方式向中心收縮，造成外高內低的凹心變形。不同的工件在消應力熱處理后檢測，凹心的深度值在2.8～4.5 mm不等，但相同尺寸的工件其凹心深度值比較穩定（差值不大于0.5 mm）。此現象說明焊接后工件的變形無法避免，但變形方向及數值有一定的規律。雖經壓力機校平，但校平的精度較低，且校平時產生新的應力，在后序的機加過程中逐漸釋放出來，會引起工件的二次變形。

3 創新制造工藝并設計葉片焊接定位模具

3.1 創新制造工藝

葉片擴壓器是隔板、葉片組焊而成的結構件，焊接過程中產生變形不可避免。根據其變形是凹心并且變形量較穩定的這一特點，從制造工藝上采取措施：在加工隔板時預先在焊葉片的一面上留出反變形量，即隔板外圓處的厚度比內孔處厚度薄一些，焊完葉片后因焊接應力的作用把隔板通流端面拉至平整狀態；而隔板定位端面因為有加工余量，可通過機加的方式加工至平整狀態；同時取消校平工序，從而消除二次應力對工件產生的影響，有效解決了焊接過程中產生的隔板變形問題。考慮隔板和葉片的厚度及焊縫的長度等主要的影響因素，把實驗中測得的數據進行歸納、對比、分析，確定出與隔板相對應的反變形數值，見表3。

表3 實驗確定的隔板反變形值（部分） mm

為了把焊接變形控制在工藝要求的范圍內，焊葉片前把已預加工的隔板從內、外圓用多個壓板和螺釘壓緊在焊接平板上，用模具精確定位葉片并點焊后，采用船形對稱焊接的方式焊接葉片，施焊過程中控制好焊接電流的大小和焊角高度；焊接完成后工件連同焊接平板一起進行消應力熱處理。

3.2 設計葉片焊接定位模具

為了保證葉片在隔板上分布均勻且進出口位置一致，設計了葉片焊接定位模具，如圖2所示。其中定位擋板3結構如圖3所示。

圖2 葉片焊接定位模具示意圖

圖3 定位擋板示意圖

1）芯軸2采用過盈配合方式裝入底座11中心孔內，回轉工作臺8通過中心孔和底部鍵槽定位裝在底座上并用螺釘緊固。

2）定位板5內孔壓入銅套4，用銅套內孔定位裝在回轉工作臺上并用螺釘壓緊。銅套內孔與芯軸的配合間隙為 0.05～0.08 mm。

3）定位擋板3抱在芯軸上，根據隔板的厚度不同可上下調整位置。定位面外圓半徑與葉片內圓半徑相同。

4）定位銷7裝在定位擋板的圓弧定位面上，用以準確定位葉片的出口位置。

5）模具使用時先按圖示的位置關系組裝各零部件，然后在定位板上裝上隔板，預留反變形的面向上；調整定位擋板的上下位置，擰緊螺釘1抱緊芯軸。葉片利用定位擋板外圓和定位銷定位，并點焊兩端固定。按順序裝點下一個葉片時，轉動回轉工作臺并帶動隔板精確旋轉產品圖紙要求的等分角度，然后把葉片定位、點焊。依次類推，全部葉片點焊完成后去掉模具，把帶有均布葉片的隔板壓緊在焊接平板上焊接焊縫。

4 工藝驗證與應用效果

按新的制造工藝完成葉片擴壓器加工后，經過多規格、多批次檢驗，葉片分布的均勻性、進出口邊位置的一致性和隔板變形量均控制在產品圖紙要求的公差范圍以內。采用原檢測方法測量按圖1加工的工件的弦長差值和內、外圓高度差值，完全滿足設計圖紙的要求。具體數據見表4、表5。將此工藝方法應用到不同規格的葉片擴壓器上，各項檢測結果均滿足設計要求。

表4 執行新工藝后相鄰葉片在出口位置同一圓周上沿同一方向的弦長差值 mm

表5 執行新工藝后隔板內外圓處相應位置的高度差值 mm

5 結語

通過對葉片擴壓器傳統制造工藝的研究分析，結合大量的實物測量數據，找到了制造過程中影響其質量的關鍵因素。采取獨特的工藝方法，設計專用的定位模具，創新了透平壓縮機葉片擴壓器的制造工藝，并應用于全部不同規格零件的生產過程中，保證了該工件的制造質量，同時也給類似工件的加工在技術和實踐兩方面提供了一種新的思路和方法。

［1］ 冀春俊.離心壓縮機小流量級擴壓器的分析與優化［J］.風機技術,2005（2）：15.

［2］ 劉赫.葉片擴壓器對模型機性能的影響研究［D］.大連：大連理工大學，2008.