【摘要】：空心靜葉片在汽輪機(jī)中工作時(shí)不但可以為蒸汽氣流導(dǎo)向,而且還可以為蒸汽氣流加速,是汽輪機(jī)中的一個(gè)重要部件�？招撵o葉片一般采用鑄造方法制造,隨著我國沖壓及焊接工藝技術(shù)的發(fā)展,越來愈多的空心葉片采用板料熱成形再焊接的方法制造,這種成形工藝方法產(chǎn)品機(jī)械加工量少、成形效率高、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品質(zhì)量好,在空心葉片制造領(lǐng)域具有廣闊的市場前景。隨著我國對電力需求的不斷增長,對大型高效汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的需求也越來越多,因而汽輪機(jī)空心靜葉片也朝著大尺寸、輕量化及復(fù)雜性的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的空心靜葉片熱壓成形工藝的模具結(jié)構(gòu)僅有上模和下模,其在成形大尺寸復(fù)雜型線空心葉片時(shí)存在成形后尺寸精度較差、無法成形出葉片進(jìn)汽邊處小R圓角的問題。因此,如何提高大尺寸復(fù)雜型線空心葉片的成形精度并成形出尺寸精度達(dá)到要求的進(jìn)汽邊處小R圓角是空心葉片板料成形工藝的關(guān)鍵。本文以大尺寸復(fù)雜型線核電汽輪機(jī)末級(jí)空心靜葉片為研究對象,提出了新的空心葉片板料成形工藝——熱拉延成形工藝,該工藝采用“上模-壓邊圈-下模”的模具結(jié)構(gòu),使板料成形時(shí)得到了充分地延伸,較好地控制住了葉片的起皺、回彈及翹曲。論文對空心葉片板料熱拉延成形工藝進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究,主要研究內(nèi)容及結(jié)論有以下幾點(diǎn):(1)通過數(shù)值模擬仿真,發(fā)現(xiàn)熱壓成形工藝在成形大尺寸復(fù)雜型線空心葉片時(shí)存在起皺、回彈翹曲量大、成形進(jìn)汽邊處R圓角不充分的問題,本文提出了空心葉片背弧及內(nèi)弧的無水冷卻熱拉延成形工藝。熱拉延成形過程中由于壓邊圈與上模的壓力作用使板料在成形過程中始終處于拉應(yīng)力狀態(tài)下,較好地控制了成形過程中板料的起皺,使板料得到了充分的延伸,成形出了進(jìn)汽邊處小R圓角。背弧及內(nèi)弧成形后表面光滑、無扭曲,最大回彈量分別為2.5 mm及4.8 mm,整體回彈量較小。(2)在葉片背弧及內(nèi)弧熱拉延成形模具設(shè)計(jì)中,提出了模塊化的框架模具結(jié)構(gòu),其中上、下模座、凸模采用HT300(內(nèi)弧下模座采用45#鋼),工作型面采用5Cr Ni Mo,使背弧及內(nèi)弧模具材料成本分別降低35.07%和38.63%,極大的降低了模具材料成本。此外,模塊化的模具結(jié)構(gòu),可對模具工作型面進(jìn)行快速的替換及修復(fù),降低了模具修復(fù)成本;框架式的模具機(jī)構(gòu)增加了模具的散熱表面積,加快了模具的散熱。(3)在拉延型面設(shè)計(jì)原則的指導(dǎo)下對背弧及內(nèi)弧拉延造型進(jìn)行了設(shè)計(jì),考慮到成形及板料厚度的影響,背弧及內(nèi)弧都采用了開口式拉延。其中為了解決背弧開口式拉延成形中背弧大端的起皺風(fēng)險(xiǎn),提出了半包頭的開口拉延結(jié)構(gòu),可較好的控制背弧大端起皺風(fēng)險(xiǎn)及避免閉口拉延時(shí)大端端面起皺疊料風(fēng)險(xiǎn)。(4)采用控制變量法研究分析了摩擦系數(shù)、壓邊力、加熱溫度和保壓冷卻時(shí)間對葉片背弧及內(nèi)弧成形質(zhì)量的影響規(guī)律,確定了優(yōu)化的工藝參數(shù)組合:摩擦系數(shù)0.3,成形壓邊力背弧及內(nèi)弧分別為60 ton和40 ton,加熱溫度為880℃,保壓冷卻時(shí)間背弧及內(nèi)弧分別為480 s和360 s。通過進(jìn)一步數(shù)值模擬分析獲得葉片背弧及內(nèi)弧在成形過程中的溫度變化規(guī)律及成形后厚度、回彈分布變化規(guī)律,為后續(xù)工藝試驗(yàn)提供了理論依據(jù)。(5)針對葉片背弧及內(nèi)弧成形后采用檢具檢測并進(jìn)行回彈補(bǔ)償時(shí)出現(xiàn)的回彈補(bǔ)償次數(shù)較多、工作量大的問題,提出了一種基于逆向工程的葉片快速回彈補(bǔ)償方法。通過該方法的兩次回彈補(bǔ)償后,葉片背弧及內(nèi)弧尺寸偏差都小于1.5 mm,達(dá)到了產(chǎn)品尺寸精度要求,極大的縮短了模具試模周期,降低了模具調(diào)試成本。通過對2次回彈補(bǔ)償過程及結(jié)果進(jìn)行研究,計(jì)算出了背弧及內(nèi)弧熱拉延成形采用一步法回彈補(bǔ)償幾何修正的回彈補(bǔ)償因子,為實(shí)現(xiàn)同類葉片成形時(shí)的一次回彈修正提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。(6)對成形后的背弧及內(nèi)弧零件進(jìn)行了微觀組織及斷口形貌觀察,檢測了零件成形后的表面硬度及力學(xué)性能。結(jié)果表明:成形后零件表面材料相比于原始材料其晶粒尺寸有所長大,但成形后零件表面材料有少量細(xì)小晶粒生成,導(dǎo)致其硬度提升至192.3 HV~205.2 HV,比原始材料硬度183.3 HV稍高;成形后材料屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度相比于原始材料有明顯提升,但材料塑性降低,材料拉伸斷裂后的斷口形貌與原始材料相比較為相似,都是在纖維區(qū)呈現(xiàn)韌窩斷裂,放射區(qū)呈現(xiàn)拉長韌窩斷裂。
【圖文】：

（a） （b）圖 1.1 汽輪機(jī)葉片：（a）T 形葉根動(dòng)葉片，（b）空心靜葉片F(xiàn)ig. 1.1 Turbine blade: (a) T-shaped Rotor Blade, (b) hollow static blade動(dòng)葉片及部分靜葉片結(jié)構(gòu)為實(shí)心葉片，其常用的制造方式有：模鍛、鑄造以及機(jī)械加工[10-15]。當(dāng)前國內(nèi)汽輪機(jī)廠已掌握實(shí)心葉片的模鍛、鑄造及機(jī)加工的制造技術(shù)，但對空心葉片的制造技術(shù)還處于摸索的階段。在汽輪機(jī)空心葉片制造領(lǐng)域中，其生產(chǎn)制造方式通常有三類：一是精密鑄造成形結(jié)合機(jī)械加工工藝得到最終的空心葉片零件[16-19]；二是對板料熱壓成形得到的葉片內(nèi)弧及背弧進(jìn)行焊接，并對焊接后零件拋磨及機(jī)械加工得到最終的空心葉片零件[20]；三是通過鍛造成形內(nèi)弧及背弧后，對其進(jìn)行銑削后再焊接成形，最后進(jìn)行拋磨和機(jī)械加工得到最終的空心葉片零件[21]。我國空心葉片的生產(chǎn)制造工藝大多是從德國西門子、法國阿爾斯通、美國西屋、日本東芝等國外汽輪機(jī)制造商引進(jìn)的，通過技術(shù)引進(jìn)及消化吸收，部分空心葉片已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，但部分空心葉片仍舊需要進(jìn)口。對汽輪機(jī)空心葉片成形工藝的研究不

2 研究現(xiàn)狀2.1 汽輪機(jī)空心葉片設(shè)計(jì)及制造國外發(fā)展歷程空心葉片是隨著蒸汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)的出現(xiàn)而出現(xiàn)的，是蒸汽輪機(jī)或燃?xì)獾闹匾考�。在空心葉片早期制造中，通常是通過將管狀金屬毛坯壓制成月牙或通過連接兩個(gè)葉片半部來制成。由于金屬板不能彎曲成非常尖銳的形狀，所方法不能在月牙端部成形出銳利或細(xì)長的形狀，而葉片邊緣尖銳或細(xì)長的形空心葉片結(jié)構(gòu)中是為了引導(dǎo)噴射的蒸汽或氣體使汽輪機(jī)能夠有效穩(wěn)定地工作對這個(gè)問題，1930 年 Christian Lorenzen[22]提出了一種空心葉片結(jié)構(gòu)，，葉片結(jié)圖 1.2 所示，空心葉片的主體仍然可以由金屬管或金屬板料制成，但是端部邊分是單獨(dú)的可分離元件或條帶，通過焊接與葉片主體組成一個(gè)整體。這些條帶緣可以被研磨、或以其他方式加工成表面所需的銳度、形狀和光滑度。這種改法還能夠使用薄而柔軟的材料來制造葉片主體，從而降低成本，而易磨損的條更硬且更耐磨的材料制成。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：邊緣條帶磨損失效之后，可移除替換邊緣條帶對葉片進(jìn)行修復(fù)，從而避免整個(gè)空心葉片的報(bào)廢。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM311

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2613803