汽輪機葉片設計

韓興東

摘 要：葉片廣泛應用于航空發動機、汽輪機、燃汽輪機和壓縮機等，起能量轉換的關鍵作用， 本文研究精密鍛造和普通模鍛葉片型線修整的規律，得出了型線修整的通用方法，規范了型線修整的過程。汽輪機的主要用途是在熱力發電廠中做驅動發電機的原動機。葉片把汽輪機中的蒸汽熱能轉化為機械能，葉片主要應用于汽輪機、燃汽輪機和壓縮機等，是汽輪機的心臟，葉片制造的工時約占汽輪機整機的 1/3，成本是整機的20%左右。葉片事故時有發生。葉片損傷是汽輪機發生故障的主要原因，由于葉片的品種多，高質量的要求以及加工難度，設計水平也是決定汽輪機組性能的重要因素。葉片的成型技術，提高葉片抵抗振動疲勞的能力是我們重點研究對象。葉片的曲面型面是比較復雜的，所用的材料為不銹鋼，韌性大，強度高。葉片三維參數化設計主要以UG，PROE等平臺，開發葉片修正GRIP程序。

關鍵詞：汽輪機葉；設計；修正

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.221

1 國內外研究現狀

汽輪機葉片設計時的最重要參數是強度和振動特性，采用二叉樹法，計算時采用的有限元分析，早期采用的是能量法和矩陣法來計算葉片的振動頻率，葉片參數化造型程序開發可以采用UG、PROE等軟件。德國寶馬發動機公司和 Attech Gmbh engineering software technology 開發的基于ACIS 的參數化葉片設計CAD系統。美國NASA和依阿華州立大學聯合開發葉片造型CAD系統，在ANSYS的基礎上開發的汽輪機葉片壽命分析軟件BLADE，采用了三維8節點等參實體單元模化葉片。

國內目前很少有自己開發出的造型系統，大多是基于商用CAD軟件二次開發，如同哈工大和沈陽黎明發動機制造公司的基于AUTOCAD二次開發的葉片葉身表面造型系統，采用8節點非協調元。

2 二 葉片參數化設計理論

葉片由葉型、葉根、和葉頂三部分組成。每一個橫截面邊緣叫型線，斷面型線及其葉高等參數要符合氣體動力學要求，滿足結構強度和加工工藝的要求。受載荷而成為多軸應力狀態，須采用三維實體單元來模化。葉身造型，葉根和葉冠造型，然后將三者進行布爾運算相加葉片三維模型建立的好壞，直接影響到數控加工程序的編制。等截面直葉片的斷面型線和面積沿葉高是相同的，使葉片構成封閉槽道。減少葉片頂部的漏汽，，截面扭曲葉片的截面型線，具有較好的氣動性，但制造工藝較復雜，主要用于長葉片。葉片三維模型建立的好壞，直接影響到數控加工程序的編制。截面的最小慣性決定葉片外形，葉片的氣動參數對強度振動性能的影響，其結構取決于葉輪在主軸上的套裝方式。葉型幾何進口角，出口角，等一系列的參數。

3 葉片型線設計

先設計出三個最關鍵的基本特征截面葉型：根部、頂部和平均截面的葉型。

截面是葉片設計的關鍵，計算葉型厚度，葉片的彎扭、禍合、剪切變形、轉動慣量和葉根柔度。找出葉型的重心，通過重心畫出X、Y軸，以其為基準在0.9mm圓內，完成根部型設計。 葉型頂部截面的葉柵特點是出口大，柵距大，轉折角小，葉冠及葉身與葉根、葉冠的交接面葉型細長，厚度不要小于5mm。相鄰葉片在任何高度都應有進出邊的重疊，葉型無擴張，損失減小，注意強度和啟動的設計。計算頂部葉型的幾何特性，找出它的重心，并把頂部和根部X、Y軸重合起來。

4 葉身型線修正

葉片鍛模的設計根據產品工藝設計圖來設計鍛件，設計過程以模具設計為基礎， 產品的工藝圖一般包括葉片截面，型線的離散點坐標、公差。建立葉片的零件實體模型，變葉片的自振頻率，從而避開共振，葉身部分的進出氣邊很薄，所以鍛后外形有飛邊，極易出現劃痕、折疊、裂紋等現象。如果做了延伸和加厚的技術修正，可以防止缺陷。葉片型面在輻射方向上的曲率半徑要遠大于截面方向，刀軌采用較大的步長，就不會出現過切現象 ，鋼和耐熱合金在加熱的時候需要防護措施， 這樣可以減少缺陷層的厚度。 葉片回轉加工刀具沿著葉片截面型線方向加工，可以增加余量?？衫肬G或Pro/E軟件加工仿真功能，證葉片型線更接近理論葉型。葉片的型面和線用離散點表示，葉身型線修整方法，包括，葉根型面進氣邊型修正法；葉身中部型面進氣邊型線修整法；葉冠型面進氣邊型修整法。設計嚴密可靠的測量方法，才能加工出合格的葉片。將機床的回轉工作臺改為雙軸同步驅動，給葉片預加拉力，與精鍛型面加放余量 1 mm 左右相比，模鍛葉片一般要加 3 mm 以上的余量。在鍛造過程中還可能會存在一定的欠壓量。采用五坐標加工中心加工汽道型面，保證一定的弦向的延伸量保證圓角使模具無尖角。

綜上，本文系統介紹了汽輪機葉片的結構，分析了葉片毛坯鍛件制造方法和影響葉片工作質量的因素，并分析了葉片參數化設計的國內外研究狀況及對其研究的重要意義。汽輪機葉片動態性能及疲勞損壞形式等的CAE分析， 輪機葉片設計原理和參數化設計技術，以UG軟件為平臺，進行了葉片三維參數化設計。以及討論了如何加放葉片鍛件余量，型線修正根據實際經驗總結精密鍛造和普通模鍛兩種型線的修正規律，確定合理的工藝流程和加工方法，研究設計嚴密可靠的測量方法，為加工汽輪機葉片開創新的工藝思路，為葉片的數字化設計制造提供強大的技術支持。