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1、目 录：第一部分一 概况-4二 叶片制造能力与叶片分类简介-4三 主要产品简介-5四 加工设备制造装备-6第二部分一 叶片设计1 长叶片的设计和优化-72 长叶片全三元气动设计-73 长叶片优化设计-8第三部分设计以及加工过程一、 毛坯1 加工工艺过程分析-12二、 叶根 1 加工工艺过程分析-13三、 型面和叶顶1， 加工工艺过程分析-16四、 叶片其它特殊部位的加工1 加工工艺过程分析-19五、 检验入库1 加工工艺过程分析-22第四部分一、 1080大叶片的加工程序-25第五部分一、 作者简介-32二、 小结-33三、 致谢-34 四、 查考书目-35论大型汽轮机组叶片加工工艺过程分析摘
2、要：1080叶片应用于电站330MW/ 600MW330MW（后三级叶片）汽轮机低压缸，叶片成品净重48KG/ 片，总长1190mm，叶根为直型榫齿形，宽度360mm，有叶冠（自锁），叶身（型面）有凸台，叶冠方向叶身进汽边侧焊接司钛立合金片。此叶片2004年主要从国外进口，同时委托WTB制造，首台于2004年6月交货，叶身全部采用型面铣削，叶根采用ELB强力磨机床磨削，装配非常成功，2005年客户取消国外采购，将全部订单转给WTB制造，WTB致力于成为产能充沛、装备精良、品质一流的中、长叶片的专业制造商。关键字：叶根，叶身，型面和叶顶，中间体大型汽轮机组叶片加工工艺分析和设计第一部分一 概况汽
3、轮机单机功率越大，电站单位功率的投资成本越低，机组的经济性越高。大的电网为了便于运行管理及环保，也要求增加单机功率。所以大功率汽轮机已逐步成为大电网的主力机型。而开发大功率机组的关键之一就是排气面积大，也就是更长的末级叶片。我国每年40以上的煤用于发电，发电耗煤每年达到5.7亿吨。面对如此巨大的燃料消耗，提高汽轮机机组的经济性将具有巨大的经济效益。由于末级长叶片占整个汽轮机出力的10左右，它的气动性能直接影响整个机组的经济性，因此，紧密结合各相关学科的发展，不断研制新的长叶片历来是汽轮机行业开发的重点。新的1米级长叶片的开发和应用标志着我国大功率汽轮机的技术开发已达到当代国际先进水平。提高效率
4、、保证安全可靠是长叶片开发的两个基本要求，长叶片与高速气动力学、固体力学、材料学科的发展直接相关。按现有冶金材料的性能，全速3000r/min汽轮机，1米级的叶片高度已接近于极限。随着近代计算机技术、计算气动力学和计算弹性力学的飞速发展，使长叶片的开发研制成为可能。长叶片中动静叶片的出口流速均达到超音速，加上高速旋转及蒸汽迅速膨胀在流道形成的三维复杂流场使长叶片的气动设计始终是高速气动力学最为关注的领域。上海汽轮机有限公司通过广泛的国内外合作，特别是与中科院工程热物理所的合作，为长叶片的开发研制打下了基础。二、叶片制造能力与叶片分类简介由于客户的设计理念和引进技术不同，WTB制造的叶片品种较多
5、，以2004年统计，叶片品种172种，叶片总数量14万片，其中成品大叶片有80种，数量8万片。A、 按用途分：电站汽轮机叶片、工业汽轮机叶片、燃气轮机叶片、烟气轮机叶片、鼓风机叶片、大电机风扇叶片、水轮机叶片和其它（如各类增压器叶片、压缩机叶片、给水泵叶片等）B、 按叶根形式分：枞树型（含圆弧、直线）叶片、叉型叶片（含直叉、台肩叉等）、T型（外包T型、双T型）叶片、菌型叶片和其它叶片。C、 按叶顶形式分：自由叶片、减薄叶片和带冠（含围带、铆钉头等）叶片。D、 按工作状态分：动叶片、静叶片（含喷嘴和导叶）。三、主要产品简介主要产品名（火电/核电最大汽道长度（mm）超临界机组600MW（后三级叶片
6、）1050/1029常规机组300/600MW（后三级叶片）1000/905/900330MW（后三级叶片）1080/300/600MW（后三级叶片精锻件）1016/909/851200MW（后二级叶片）855/668135MW系列（后三级叶片）710/690空冷机组300MW/600MW（后三级叶片）665/620600MW（后三级叶片精锻件）65650MW（后三级叶片）435/432联合循环机组150MW（后二级叶片）762四、加工设备1拥有国内一流的、国际先进的叶片加工技术。 叶片坯料成型应用亚洲第一大锤锻压吨位为11200吨螺旋压力机（德国进口）、4000吨螺旋压力机（德国进口）及其配
7、套的锻压设备等，采用精密锻压成型技术。 叶片型面机械加工应用五轴五联动数控加工中心（进口）、四轴四联动数控加工中心（进口）等尖端设备，使用专用软件，采用数控加工技术对叶片型面进行精密加工成型。 叶片枞树型叶根加工应用圆弧（或直线）高速蠕动磨床（德国进口），使用专用辅助装备，采用强力磨削技术精密加工成型。 应用三坐标测量机（进口），使用专用测量软件对叶片制造精度进行现场检测。 拥有整套叶片表面处理技术，可以根据客户要求对叶片表面进行喷丸强化、高频淬硬、防腐或涂层、司太立钎焊等表面处理。 2、制造装备工厂拥有从德国进口的最大打击力18000吨的大型离合器式螺旋压力机和8000吨的液压螺旋压力机，锻
8、造热加工优势明显，具备叶片精锻能力；?拥有德国ELB公司生产的双砂轮强力磨床5台，具备对纵树型直齿叶根、各种R的圆弧叶根进行精密磨削能力。拥有从德国进口的德马吉4200*900长工作台5轴联动立式加工中心，瑞士斯达拉格5轴联动叶片加工中心，辛辛那提精密4轴立式加工中心等一批数控加工设备；叶片加工基本实现了数控加工。目前已建立了完善的数控机床联网系统，该联网系统采用美国EXTREME DNC数控机床联网通信软件，用于数控机床加工文件的发送和接收以及实现DNC功能。工厂计划用3-4年时间完成叶片型面加工设备的升级改造工作。拥有齐备和先进的理化和各种计量检测设备，包括从德国LEICA公司进口的先进的
9、DMI2M型和 MM/6型金相显微镜和从意大利进口的三坐标测量仪，1米光学投影仪，无损探伤检测设备等，具备了对叶片进行各方面性能检测的能力。第二部分一 叶片设计简述长叶片的基本机构要素，并依托先进的全三维气动设计系统，优化设计了1080mm长叶片。采用现代CFD分析软件，进行三维流场绕流分析，完善流场设计，提高效率。新型整圈阻尼型1080mm叶片是世界上最大排汽面积叶片之一，可大幅度提高机组容量和效率。关键词：长叶片，三维流场，CFD，优化设计1 长叶片的设计和优化对长叶片的设计和优化的关键技术研究采取以下几个方法。末级长叶片的三维图如图一所示 图一 末级静叶三维图 2.长叶片全三元气动设计以
10、高速、大容量计算机为依托的全三元气动计算方法是当今计算流体力学的最新的发展领域。上海汽轮机有限公司通过的全三元气动设计计算机程序，实现了长叶片级的全三元气动设计及全三维马刀型静叶片的设计：3.长叶片优化设计当需要优化选配不同的长叶片时，可分四个步骤进行：按最小余速损失原则决定叶片的排汽面积和（平均）喉部面积。该步骤不仅完成了长叶片的选型，也基本决定了末级的热力性能，图二表示末级反度沿叶高的分布。 图二 末级反动度沿叶高的分布 按三元流场设计决定沿叶高的进出汽角，作为最终动、静叶片成型的依据。通过对末级的气动性能分析，做进一步的优化。按照.强度振动要求决定叶片的宽度和最终的尺寸。.采用CFD软件
11、仿真多级叶片三维流场，对上述设计结果验证。现阶段应用于汽轮机设计当中的三维粘性CFD技术主要起仿真设计的作用，它更多的是作为一种诊断工具。在不断的设计和CFD验算中得到符合设计要求的末级叶片。设计的改进是以CFD验证结果为依据，因此CFD的准确性就变得至关重要。随着计算机技术的不断提升以及计算流体力学的迅速发展，针对叶轮机械内部流动的三维粘性计算程序已经得到巨大发展。叶轮机械内部的流场预测已经从单排叶片分析（Dawes）发展到多排叶片分析(Denton)，由多级定常预测（Adamczyk）发展到多通道甚至整圈多排非定常预测（Hah）。不仅如此，在以往的数值仿真中很难考虑的诸如叶顶间隙流动、冷却
12、气膜喷射、级间抽气、气封漏气、部分进气以及非对称排气等许多复杂的流动现象都逐步纳入了仿真的范围。已经有一些学者提出了数字化风洞的概念（Nozaki）。就是用计算机上的数字仿真替代部分实验室的风洞实验。中国科学院工程热物理研究所自主开发了基于有限体积的针对低速流动的压力修正方法和针对高速流动的显式时间推进方法，以及基于有限差分的针对高速流动的新型LU型隐式时间推进方法和Beam-Warming近似因式分解隐式算法。这些程序已经在跨音透平级小流量工况的数字仿真，跨音压气机内部流场仿真，透平级动静干涉的数值模拟，以及其他各种型式叶轮机械内部流动预测中得到了广泛的应用，并取得了很好的结果，此外在此基础上对1080mm长叶片的开发设计进行了CFD三维流场仿真分析，如以下图所示。 图3 末级静叶50%叶高马赫数分布 图4 末级静叶50%叶高静压分布 图5末级静叶50%叶高速度矢量 图6末级动叶50%叶高马赫数分布 图7 末级动叶50%叶高静压分布 图8
