汽輪機葉片的結構特點與數控加工技術

劉 博，王威彪

(哈爾濱電氣股份有限公司，哈爾濱 150028)

汽輪機葉片的結構特點與數控加工技術

劉 博，王威彪

(哈爾濱電氣股份有限公司，哈爾濱 150028)

從汽輪機葉片的結構特點入手展開探討，并就CAD/CAM技術在汽輪機葉片制造中的工藝流程加以分析，提出汽輪機葉片數控加工工藝，以期能夠促進汽輪機葉片數控加工技術的高效發展。

汽輪機；葉片；結構特點；數控加工技術

隨著汽輪機葉片形狀越來越復雜，對汽輪機葉片性能的要求越來越高，給汽輪機葉片制造技術帶來了更為巨大的挑戰。傳統的汽輪機葉片加工方式早已無法滿足汽輪機葉片的實際技術需求，因此，如何促進汽輪機葉片數控加工技術的發展，進一步提高汽輪機葉片的加工精確度與加工質量已成為汽輪機葉片制造企業所關注的重要問題。

1 對汽輪機葉片結構特點的分析

第一，汽輪機葉片構造機裝配。按照汽輪機葉片的不同功能，可以將其劃分為靜葉片與動葉片兩種。靜葉片主要與汽輪機的靜子連接，處于一個相對靜止的狀態下，可以改變氣流方向，促使蒸汽進入下一個葉片內。動葉片則主要被安裝于轉子葉輪或轉鼓上，受到噴嘴葉柵噴出氣流的作用，使蒸汽能量轉換為機械能量。葉身、葉根、葉冠構成了動葉片，其中葉身作為扭轉的曲面是葉片最基礎的組成部分。通常情況下葉片都是較為復雜的曲面，因此對其加工精確度提出了較高要求，如若使用傳統的加工工藝勢必無法滿足葉片加工需求，所以如何塑面則成為加工工藝的關鍵所在。葉根則是將葉片固定在葉輪上，以確保葉片的牢固性，葉根還可以讓處于巨大離心力作用下的葉片不會從輪槽中拔出來。因此，葉根必須具有足夠的強度，能夠應力集中。葉冠作為葉片外端的固定，通常有圍帶存在，以便將多個葉片連接起來。同時，圍帶也進一步提高了葉片本身的剛性，提高了葉片的抗振性能，極大地避免了葉片發生共振問題，形成了相對密閉的槽道，避免了氣流發生泄漏。

第二，汽輪機葉輪的裝配。汽輪機的葉輪往往是由輪殼、輪緣、輪面共同組合而成的。其中輪殼主要是為了配合葉輪主軸被安裝在主軸上，以此提高輪殼的強度。輪緣則可以對葉片進行固定，并根據其實際受力情況設計葉片結構。輪體則位于葉輪的中間，負責輪緣與輪殼的連接。

2 CAD/CAM技術在汽輪機葉片制造中的工藝流程

近年來，隨著我國科學技術、機械制造技術的不斷發展，在機械制造過程中CAD/CAM技術得到了大量應用。而Pro/E、UG等軟件技術的出現，更是大大改變了傳統的手工制圖模式。可以說專業軟件的出現與利用，不僅使結構受力分析變得更加快捷，也大大縮短了汽輪機葉片的實際設計周期，避免了以往在實際設計過程中所出現的常規問題。同時，CAD/CAM技術的應用使得計算機模擬仿真更加方便，通過設置刀具加工路徑、刀具補償參數可編制相應的程序，對葉片實施加工。在這個過程中，建立良好的三維模塑則成為數控加工程序的關鍵工藝。在汽輪機葉片的設計加工過程中，主要是按照以下順序進行的，首先進行葉身造型，其次進行葉根和葉冠造型，然后再將三者進行布爾運算相加到一起，最后進行附加結構的設計，這樣便可形成一個完整的葉片。

3 對汽輪機葉片的加工工藝分析

第一，對汽輪機葉片的數控加工工藝。近年來，隨著數控加工技術的快速發展，在加工汽輪機葉片時主要采用的是數控機床加工技術，即進行CAD建模后再利用機床實施加工。在汽輪機葉片的加工過程中其最大的難點在于對葉片材料的加工，這是由于葉片的材料硬度較大且極易發生變形。因此，在切削葉片的過程中，如若使用較大的切削力那么就會嚴重磨損刀片。同時，由于葉片本身結構也十分復雜，要求較高的精確度。所以，在汽輪機葉片數控加工過程中就必須要使用多軸聯動數控機床實施加工。在葉片加工前，可事先將其分為四部分，即基準面加工區、汽道塑面加工區、葉根加工區、葉冠加工區，并使用CAD/CAM技術編程，選擇適合的塑曲面加工方案，進行仿真模擬試驗，從而最大限度地降低在數控加工過程中可能會出現的不必要損失。

第二，對汽輪機葉片的數控加工編程步驟。在汽輪機葉片加工過程中運用計算機專業軟件，不僅能有效改變傳統的工作方式，還能大大提高汽輪機葉片的加工效率。尤其是CAD/CAM技術在汽輪機葉片制造加工上的應用，更是將零件的幾何信息進行了有效轉換，使其成為計算機程序，有助于數控機床實施高精度的加工。對汽輪機葉片進行編程時主要包括以下內容：其一，確定葉片的三維造型，選擇適合的加工方案，確定刀具、機床、夾具。其二，模擬刀具的運行軌跡，生成刀位源文件。其三，將刀具源文件處理轉化為數控機床能夠識別的代碼。葉片加工時，應始終遵循統一基準，盡可能減少走刀的次數。隨著葉片結構的越發復雜多變，葉片葉身塑面的設計難度也越來越大，在設計加工過程中所面臨的錯誤風險也越來越多，主要表現在：其一，加工方案存在不合理性，實際工作效率低下。其二，刀具的相關參數不夠合理，加工零件往往會出現殘痕。其三，刀具的實際走刀較小，切削效率被大大降低。其四，走刀的痕跡不正確，使加工后的零件尺寸也存在錯誤。其五，零點不合理導致刀點出現錯誤。此時，需要進行重新編程，對加工后的零件實施再加工并進行返修，從而嚴重影響到企業的實際加工進度，大大增加了企業的加工成本。因此，為了能夠高效實施數據加工制造，就必須要運用加工軟件進行模擬仿真，進一步減少可能出現的故障，提高實際的加工效率。

4 結語

汽輪機已經在社會各行業中得到了快速的發展，而汽輪機葉片作為汽輪機最為關鍵的組成部分，也成為了確保汽輪機安全可靠運行的關鍵所在。尤其是近年來汽輪機葉片形狀越來越復雜，給汽輪機葉片的制造技術帶來了諸多挑戰。而一些特殊的汽輪機葉片更是對加工精確度提出了更高的要求，因此傳統的加工技術難以滿足實際的技術需求。運用數控加工技術進行編程加工，不僅能夠對汽輪機葉片實施精確加工，還能夠進一步提高汽輪機葉片加工質量，極大地開拓汽輪機葉片加工的思路，使汽輪機葉片加工走向更加規范、科學的連續加工道路，有效地提升了汽輪機葉片的加工性能。可見，做好汽輪機葉片數控加工技術的推廣與應用具有十分重要的現實意義。因此，在今后的工作中更應該加強對數控加工技術的研究，不斷研發全新的汽輪機葉片加工技術，進一步提高我國汽輪機葉片技術的國際競爭力。

[1] 陳光明，張旭陽.汽輪機葉片的結構特點與數控加工技術研究[J].制造業自動化，2011，(17)：93-98.

[2] 于嘉琳.汽輪機葉片的結構特點與數控加工技術分析[J].現代制造技術與裝備，2017，(03)：158-159.

[3] 季源源.基于UG的汽輪機葉片CAD/CAM系統開發研究[J].揚州大學學報，2008，36(12)：40-43.

[4] 姚建華，葉鐘，沈紅衛.激光加工技術在汽輪機葉片制造中的應用[C]//2009年中國動力工程學會透平專業委員會研討會.2009.

[5] 金秀杰，馬艷玲，高見.壓氣機葉片型面精密數控加工技術[C]//第十五屆中國科協年會第13分會場：航空發動機設計、制造與應用技術研討會.2013.

[6] 陳立明，秦飛.汽輪機葉片—輪盤系統耦合振動分析[C]//第14屆全國結構工程學術會議.2005.

[7] 曹赟，羅喜勝.具有速度滑移的伴隨相變可壓縮流動的數值研究[C]//第八屆全國流體力學學術會議.2014.

[8] 謝永慧，馬丹丹，張荻，等.基于三維接觸有限元方法的透平葉片樅樹型葉根輪緣優化研究[C]//中國動力工程學會透平專業委員會2011年學術研討會.2011.

[9] 姚建華，葉鐘，沈紅衛.激光加工技術在汽輪機葉片制造中的應用[C]//2009年中國動力工程學會透平專業委員會研討會.2009.

[10] 王恭義，程凱，顧璐寅，等.大型CAE工具在高參數汽輪機葉片設計分析中的應用[C]//第九屆中國CAE工程分析技術年會.2013.

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

劉博(1982-)，男，本科，工程師。

TK263.3

B

1674-8646(2017)12-0154-02