汽轮机动叶片的可靠性设计方法

汽轮机动叶片的可靠性设计方法

矫健

哈尔滨广瀚新能动力有限公司，黑龙江省哈尔滨市 150078

摘要:叶片作为汽轮机的重要组成部分，其质量将直接影响汽轮机的工作效率和使用寿命。由于叶片刚性较弱，制造过程中在铣削力的作用下容易发生轻微变形，影响汽轮机的正常运行。针对这一问题，工作人员从计算刀具轨迹、刀具与叶片接触点、优化叶片切削参数等方面优化了叶片切削工艺，提高了涡轮叶片参数的准确性，为保证涡轮稳定工作提供了技术支持。

关键词:涡轮叶片；机械加工；过程分析

介绍

叶片是保证汽轮机稳定工作的关键部件。为了提高汽轮机的工作效率，设计人员应不断增大叶片的扭角，通过减小叶片厚度来减轻叶片的重量。这些设计要求给叶片加工技术带来了新的挑战。为了提高叶片的加工精度，通常采用多轴数控机床对叶片进行高精度加工。

1优化叶片加工工艺

涡轮叶片加工是一项复杂的工程，涉及许多制造环节(如图1所示)。①先粗后细；(2)先面后孔；

(3)先主后次[1]。

图1涡轮叶片加工流程

传统的汽轮机叶片制备工艺是先加工叶片毛坯，在叶片中心打好孔后，铣工用工作台在叶片上铣出加工汽道，再依次加工叶根和叶冠位置。这种施工方式不仅效率低，原材料利用率也不高，而且工人的技术水平会对叶片参数的准确性产生很大影响。因此，工作人员尝试将信息技术引入汽轮机叶片的生产中，利用CAM系统设置数控机床，将基准汽道的铣削、叶根的加工和叶冠的加工合二为一。利用CAM系统，预先编制铣削程序，用数控机床直接铣削叶片毛坯。整个加工过程只需装夹一次，避免了人为因素对叶片工件质量的影响，提高了加工效率。

2.编译刀具轨迹。

在汽轮机叶片加工过程中，由于叶片基面上的汽道是一个形状复杂的空间曲面，因此汽道的铣削加工是一项困难的工作。在传统的加工模式下，需要有丰富铣削经验的工人来做这项工作，导致产品的优良率得不到提高[2]。

在实践中，工作人员需要对生产需求进行深入分析，利用CAM软件分别对叶片铣削的粗加工和精加工进行编程。首先，在CAM软件中建立叶片的三维模型；其次，输入叶片毛坯的各种参数，设定加工起始点和三维坐标系；第三，生成刀具运动轨迹和后续加工环节；第四，根据实际需要，构造叶片铣削型线；第五，设定铣削参数。通过以上步骤，最终得到刀具轨迹文件，并可以将该文件导入数控机床的PLC系统中，从而实现自动走刀铣削。

3计算刀具和刀片的接触点。

程序只覆盖刀具轴的矢量坐标和刀尖的初始位置坐标。如果要成功完成铣削，还需要刀面与刀具接触点的矢量坐标。在编制刀具行进程序的过程中，刀辊旋转前角为20°，也就是说曲面的本征方向与刀具轴的本征方向之间的夹角为20°。当偏移量达到刀具中心点与刀尖的平面距离(R)时，就可以得到刀具中心点的平面坐标参数(如图2) [3]。

此时，刀具尖端的坐标系数、刀轴的矢量方向，

以及刀具与刀片接触点的法向量方向，通过计算可以得到曲面法向量方向的单位向量数据(如图3)。

根据刀具与刀片接触点坐标的旋转图，以(x0，y0)为参考点，使点(x1，y1)绕参考点顺时针旋转。当旋转到角度α时，得到点(x2，y2)，进而得到点(x2，y2)的计算公式。

图2设定刀轴前角和确定刀具中心点坐标系数示意图

图3坐标点旋转示意图

以(x0，y0)为参考点，使(x1，y1)绕参考点逆时针旋转，则得到(x2 '，y2 ')的计算公式。

在公式(1)和公式(2)中，(x0，y0)是刀轴的旋转中心坐标，(x1，y1)是刀具和刀片[4]之间的接触点的初始坐标。

4刀片切削参数的优化

4.1基本流程介绍

首先，根据汽轮机叶片加工的实际需求和叶片的结构特点，设定初始变量。其次，采用自适应变异遗传算法采集样本数据，并将数据输入CAM系统。第三，在系统中建立相似表面模型，并利用该算法提高模型参数的精度。第四，用有限元法对叶片加工的优化参数进行验证[5]。

4.2收集样本数据

在建立类似模型的过程中，工作人员需要预先确定样本数据的数量。在这次优化设计中，工作人员考虑到刀片加工的实际需要，决定将切削速度(vc)、切削宽度(ae)、切削深度(ap)和进给速度(fz)作为变量数据进行采集。模型的阶数与精度正相关。由于本次优化工作只选取了四个变量数据，参数精度的提升非常有限。为了进一步提高模型数据的准确性，收集的变量数据的数量是，在这个公式中，变量N是变量数据的数量。由于本次优化工作选取了四组数据作为样本数据，因此将n=4代入公式，样本数为23。为了，该公式中,变量n为变量数据个数,由于本次优化工作中选取了四组数据作为采样的样本数据,因此将n=4代入公式中,得出采样次数为23次,为了确保模型的精度符合叶片生产要求,增加采用次数,最终将样本数据采样次数设定为30次。，该公式中，变量n为变量数据个数，由于本次优化工作中选取了4组数据作为采样的样本数据，因此将n=4代入公式中，得出采样次数为23次，为了确保模型的精度符合叶片生产要求，增加采用次数，最终将样本数据采样次数设定为30次。

通过30次样本数据采集，获得刀片切削速度、切削深度、切削宽度和进给速度的实际数据，并采用自适应变异遗传算法提高模型参数的准确性。

4.3多目标切削参数优化

选择最合适的一组参数数据，即切割宽度:

0.7624毫米，切削速度:122.315米/分钟，进给速度:

0.0634mm/z，切削深度:0.531 mm，得到优化的切削参数后导入CAM系统，重新调整刀片加工时间。同时，将优化后的参数导入铣削模型。通过优化变形数据，加工时间进一步缩短，变形得到更好的控制。因此，可以证明通过多目标切削参数优化进一步提高了叶片加工精度。

5全景模拟实验

5.1实验准备

第一，机床建模。结合Vericut系统中的预制文件，在计算机上模拟数控铣削控制台的运动模型，调整机床坐标。其次，夹具和叶片毛坯建模。利用机床建模原理，对夹具和叶片毛坯进行三维建模。第三，工具建模。重复上述工作，对铣削刀具进行建模。需要注意的是，由于刀具建模复杂，在仿真实验过程中需要反复检索刀具模型，实验人员需要将创建好的刀具模型放入后台模型库中，方便后期实验。第四，设置参数。根据叶片加工要求，设定机床、夹具和叶片毛坯的模型尺寸参数，同时检查刀具轨迹，确保模拟实验的参数与实际叶片加工参数一致[6]。

准备工作完成后，就可以正式开始模拟实验了。在Vericut系统中启动仿真实验时，工作人员可以通过显示装置直观地观察叶片铣削的各个环节。如果实验过程中叶片毛坯模型与机床、刀具发生碰撞，Vericut系统会在模型上用红色标注问题区域，并同步显示报警信息。这样，工作人员可以更直观地了解模拟结果[7]。

5.2实验结果分析

叶片的铣削是一个复杂的过程。在对成品叶片进行检测时，需要采用离线检测的方法，用三坐标测量仪对成品叶片的变形进行检测，得到汽道截面的检测报告(如图4)。

本报告中，汽道后弧面标为CVX，内弧面标为CCV，汽道出汽边为TE，进汽边为LE。根据分析数据可以发现，蒸汽出口边缘(TE)变形最大，其值达到0.041 mm，这个数据没有超过加工误差极限，证明成品叶片满足使用要求。

图4三坐标检验报告

6结论

为保证汽轮机的稳定运行，应严格控制叶片的质量，在制备叶片零件时应优化切割方式。通过优化叶片加工工艺，编制刀具轨迹，优化叶片切削参数，提高了汽轮机叶片的加工精度，保证了叶片制备的效率。

参考文献

[1]刘军, 张俊, 赵万华, 等.面向双刀加工的中长型叶片型面轨迹规划方法[J].机械工程学报, 2016, 52(11): 140-145.

[2]张洪瑶, 李论, 赵吉宾, 等.基于模糊PID的力/位混合控制机器人自动化叶片磨削加工[J].组合机床与自动化加工技术, 2021(11): 147-150+155.

[3]李志伟, 曾艳明.大型导叶式混流泵叶片的数控加工工艺[J].排灌机械, 2006(06): 7-11.

[4]陈虹松, 董定乾, 黄兵, 等.基于遗传算法的航空叶片铣削加工工艺参数优化[J].工具技术, 2021, 55(09): 68-73.

[5]李珊珊, 甘植旺, 陈志同.单参数平底刀底刃加工叶片进排气边刀位优化算法[J].机械设计与制造, 2021(09): 110- 114.

[6]张伟.浅析汽轮机高压调门流量特性优化[J].新型工业化,

2021, 11(06): 138-140.

[7]董强, 王龙清, 唐坤.某汽轮机末级动叶校形研究[J].东方汽轮机, 2021(02): 36-40.