水轮机叶片制造技术发展综述

XIAOZHONGMING

一个制造企业要想在激烈的竞争中获得一席之地，就必须提高自己的生产技术，而水轮机叶片制造技术的好坏是关系到制造企业核心技术的集中体现，所以作为水电企业应该提高对叶片生产技术的重视程度，进一步加强对叶片声场技术的研究。水轮机的核心部件就是转轮，其主要是由具有雕塑曲面特征的叶片以及回转特征的零件构成。水轮机叶片的制造质量直接关系到水轮机整体的稳定性以及使用寿命。由于叶片的扭曲形状比较复杂，叶片壁的薄厚不均匀，在实际的加工过程中，如果不能很好的利用，就可能会导致这些应力和热度不断聚集，进而导致叶片变形。大型水轮机叶片的制造工艺更加复杂，有的甚至涉及到几十道工序。

  

       1、 叶片概述

      1.1 转轮结构

      水轮机的转轮结构主要分为三种，一种是上下分半结构，这种生产工艺主要是上边的部分整体铸造，下半部分的下环和下半段的叶片分别进行铸造，上下两部分在场内都焊接退火之后再运往工地内进行组焊，最后组成一体。不过这种生产工艺水平比较差，随着相关技术的发展，这种生产工艺已经渐渐被淘汰。一种是整体铸焊结构，这种生产工艺主要就是把转轮中的各个部门看成一个整体，这种生产工艺的有点在于生产操作起来比较简单，缺点是叶片形状精度不是很高，而且转轮的质量受到车间内起吊车能力的限制导致质量不是很好，这种加工方法目前使用的次数也变少了。一种是左右分半铸造结构，这样能够更加方便铁路运输。当转轮的直径超过五点五米的时候，因为受到铸造能力的影响，我们有必要进行分半制作，生产完成之后再组合成整体。

     1.2 叶片材料

     水轮机的工作环境是十分特殊的，所以对于水轮机叶片的材料要求也是十分高的，我们在选择叶片材料上应该认真挑选，在叶片生产早期，我们主要是应用合金钢，随着科学技术的不断发展，在二十世纪六十年代以后，我们逐步使用不锈钢作为叶片的生产材料，这种材料具有含碳量低，韧性好，耐磨程度高等特点，VOD 炉或AOD 炉精炼钢水铸造叶片在二十世纪八十年代开始逐渐推广开来。

    （1）VOD 为真空精炼炉,需要真空环境,投资较高,适用多种钢精炼。硫、氮含量低,可防止叶片氢裂纹的出现,同时叶片的微观裂纹也较少。各种合金含量也较低,同时Ni 含量的增加可以降低预热温度且提高可焊性。（2）AOD 为氩氧精炼炉,因为不需抽离真空,投资较VOD 低廉,AOD 仅适用于不锈钢的炼制。1.3 叶片铸造由于在水轮机叶片呈现的是扭曲的形状，壁厚的程度也是不同的，所以在加热的时候经常出现热量的累积，造成铸造的叶片出现变形，影响叶片的整体质量。所以我们应该根据叶片的实际情况选择最正确的铸造技术，尽可能地保障有效的叶片质量。当前来看，主要有以下几种铸造工艺，:

    （1）垂直造型、垂直浇注。（2）平卧造型、平卧浇注。（3）平卧造型、垂直浇注等。其中最常用的就是第三种铸造工艺了，能够有效地提高叶片的生产质量。

      2 、数控加工法

     这种方法不仅能够很好地改善叶片的表面质量，而且还能够保证叶片的形状符合相关的规定，同时还能够提高加工的生产效率，此外，对降低工人的劳动强度也有一定的效果，这种技术相比传统的加工工艺，其精准程度更高，使产品的质量更好。数控铣床最早出现在二十世纪六十七年代，三坐标或五坐标数控机床被GE、VOITH、ATSTON 等公司用于加工水轮机叶片,加工大型水轮机转轮叶片的数控机床有三种,分别是龙门镗铣床、落地镗铣床和天桥镗铣床。数控机床有三轴(X、Y、Z)联动和五轴(X、Y、Z、B、C)联动两种规格,采用CAMAND CAM 和UG 等商业软件对叶片进行编程。叶片经过曲面造型、刀位计算、刀位仿真、后置处理编程后最终生成加工程序。

    直径5m 以上的转轮的叶片宜采用五轴联动数控落地镗铣床或天桥镗铣床对其进行处理和加工,先用碳弧气吹割和粗磨对叶片毛坯余量较大的部位进行初步处理,余量要尽量控制在10～20mm 的区间之内,不要过大,也不要过小。加工叶片的数控机床的刀具可选用硬质合金苞米铣刀或可转位面铣刀,刀片可采用圆形或者方形。残留刀纹波峰控制在0.5%～1mm 之间。转轮直径5m 以下的转轮叶片为中小型叶片,中小型叶片可采用三轴联动数控镗铣床加工,叶片进行加工时,叶片可装夹在回转工作台上,可以一定程度上提高叶片的加工效率。粗、精铣时可采用球头铣刀, 残留刀纹波峰控制在2～4mm 之内。叶片在进行数控加工之后,再对叶片进行铲磨抛光,这种工艺的加工精度可达±1～±3mm。需要注意的是,叶片数控加工时,铣削方向应尽量选择流线方向, 可减少在转轮运行时刀痕对水流的阻力。

      3 、3D 打印技术

     为了能够进一步保证水轮机叶片的精度，我们通常会使用3D打印技术，这种技术能够实现高分辨率，而且每层的厚度基本只有零点零一毫米，此外这种工艺还能够保证叶片背面的精度。通过3D 打印技术实现水轮机叶片生产技术的步骤通常有以下几点，首先是通过这种就技术在计算机上建立水轮机叶片的生产模型，接下来，需要对3D 模型数据进行扫描通过打印机打印出来，指的注意的是这种打印机所使用的是高强度金属粉末。这种技术在水轮机叶片生产中的应用还只是在初级阶段，但是人们已经开始重视这种技术的应用，随着信息技术的不断发展，水轮叶片生产就能够通过此项技术来实现更高层次的生产。

      4 、结束语

    在进行水轮机加工过程中，生产企业应该考虑水轮机的工作环境以及需要叶片等综合因素，然后选择最为合理的生产方法。当转轮的直径超过五米以上时，应该采用数控机床进行加工，而用于水泵机组的水轮机叶片更适合使用模压的方法。选择科学的加工工艺才能够更好地提高企业的经济效益。经济环境的不断变化，各个行业对水轮机质量的要求也在不断提高。水轮机叶片制造技术应该做出一定的改进，主要包括以下几个方面：尽量减少毛坯的数量，在生产过程中应该尽量避免出现裂缝，提高叶片毛坯的精度，使叶片的加工工艺得到进一步推广，提高企业的生产能力。

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