大尺寸复杂型线汽轮机空心静叶片热拉延成形关键技术研究

发布时间：2020-04-03 22:52

【摘要】：空心静叶片在汽轮机中工作时不但可以为蒸汽气流导向,而且还可以为蒸汽气流加速,是汽轮机中的一个重要部件。空心静叶片一般采用铸造方法制造,随着我国冲压及焊接工艺技术的发展,越来愈多的空心叶片采用板料热成形再焊接的方法制造,这种成形工艺方法产品机械加工量少、成形效率高、生产成本低、产品质量好,在空心叶片制造领域具有广阔的市场前景。随着我国对电力需求的不断增长,对大型高效汽轮机发电机组的需求也越来越多,因而汽轮机空心静叶片也朝着大尺寸、轻量化及复杂性的方向发展。传统的空心静叶片热压成形工艺的模具结构仅有上模和下模,其在成形大尺寸复杂型线空心叶片时存在成形后尺寸精度较差、无法成形出叶片进汽边处小R圆角的问题。因此,如何提高大尺寸复杂型线空心叶片的成形精度并成形出尺寸精度达到要求的进汽边处小R圆角是空心叶片板料成形工艺的关键。本文以大尺寸复杂型线核电汽轮机末级空心静叶片为研究对象,提出了新的空心叶片板料成形工艺——热拉延成形工艺,该工艺采用“上模-压边圈-下模”的模具结构,使板料成形时得到了充分地延伸,较好地控制住了叶片的起皱、回弹及翘曲。论文对空心叶片板料热拉延成形工艺进行了全面系统的研究,主要研究内容及结论有以下几点:(1)通过数值模拟仿真,发现热压成形工艺在成形大尺寸复杂型线空心叶片时存在起皱、回弹翘曲量大、成形进汽边处R圆角不充分的问题,本文提出了空心叶片背弧及内弧的无水冷却热拉延成形工艺。热拉延成形过程中由于压边圈与上模的压力作用使板料在成形过程中始终处于拉应力状态下,较好地控制了成形过程中板料的起皱,使板料得到了充分的延伸,成形出了进汽边处小R圆角。背弧及内弧成形后表面光滑、无扭曲,最大回弹量分别为2.5 mm及4.8 mm,整体回弹量较小。(2)在叶片背弧及内弧热拉延成形模具设计中,提出了模块化的框架模具结构,其中上、下模座、凸模采用HT300(内弧下模座采用45#钢),工作型面采用5Cr Ni Mo,使背弧及内弧模具材料成本分别降低35.07%和38.63%,极大的降低了模具材料成本。此外,模块化的模具结构,可对模具工作型面进行快速的替换及修复,降低了模具修复成本;框架式的模具机构增加了模具的散热表面积,加快了模具的散热。(3)在拉延型面设计原则的指导下对背弧及内弧拉延造型进行了设计,考虑到成形及板料厚度的影响,背弧及内弧都采用了开口式拉延。其中为了解决背弧开口式拉延成形中背弧大端的起皱风险,提出了半包头的开口拉延结构,可较好的控制背弧大端起皱风险及避免闭口拉延时大端端面起皱叠料风险。(4)采用控制变量法研究分析了摩擦系数、压边力、加热温度和保压冷却时间对叶片背弧及内弧成形质量的影响规律,确定了优化的工艺参数组合:摩擦系数0.3,成形压边力背弧及内弧分别为60 ton和40 ton,加热温度为880℃,保压冷却时间背弧及内弧分别为480 s和360 s。通过进一步数值模拟分析获得叶片背弧及内弧在成形过程中的温度变化规律及成形后厚度、回弹分布变化规律,为后续工艺试验提供了理论依据。(5)针对叶片背弧及内弧成形后采用检具检测并进行回弹补偿时出现的回弹补偿次数较多、工作量大的问题,提出了一种基于逆向工程的叶片快速回弹补偿方法。通过该方法的两次回弹补偿后,叶片背弧及内弧尺寸偏差都小于1.5 mm,达到了产品尺寸精度要求,极大的缩短了模具试模周期,降低了模具调试成本。通过对2次回弹补偿过程及结果进行研究,计算出了背弧及内弧热拉延成形采用一步法回弹补偿几何修正的回弹补偿因子,为实现同类叶片成形时的一次回弹修正提供了试验数据支持。(6)对成形后的背弧及内弧零件进行了微观组织及断口形貌观察,检测了零件成形后的表面硬度及力学性能。结果表明:成形后零件表面材料相比于原始材料其晶粒尺寸有所长大,但成形后零件表面材料有少量细小晶粒生成,导致其硬度提升至192.3 HV~205.2 HV,比原始材料硬度183.3 HV稍高;成形后材料屈服强度及抗拉强度相比于原始材料有明显提升,但材料塑性降低,材料拉伸断裂后的断口形貌与原始材料相比较为相似,都是在纤维区呈现韧窝断裂,放射区呈现拉长韧窝断裂。
【图文】：

空心静叶,汽轮机叶片,动叶片,叶根

（a）（b）图 1.1 汽轮机叶片：（a）T 形叶根动叶片，（b）空心静叶片Fig. 1.1 Turbine blade: (a) T-shaped Rotor Blade, (b) hollow static blade动叶片及部分静叶片结构为实心叶片，其常用的制造方式有：模锻、铸造以及机械加工[10-15]。当前国内汽轮机厂已掌握实心叶片的模锻、铸造及机加工的制造技术，但对空心叶片的制造技术还处于摸索的阶段。在汽轮机空心叶片制造领域中，其生产制造方式通常有三类：一是精密铸造成形结合机械加工工艺得到最终的空心叶片零件[16-19]；二是对板料热压成形得到的叶片内弧及背弧进行焊接，并对焊接后零件抛磨及机械加工得到最终的空心叶片零件[20]；三是通过锻造成形内弧及背弧后，对其进行铣削后再焊接成形，最后进行抛磨和机械加工得到最终的空心叶片零件[21]。我国空心叶片的生产制造工艺大多是从德国西门子、法国阿尔斯通、美国西屋、日本东芝等国外汽轮机制造商引进的，通过技术引进及消化吸收，部分空心叶片已实现国产化，但部分空心叶片仍旧需要进口。对汽轮机空心叶片成形工艺的研究不

空心叶片,细长形

2 研究现状2.1 汽轮机空心叶片设计及制造国外发展历程空心叶片是随着蒸汽轮机或燃气轮机的出现而出现的，是蒸汽轮机或燃气的重要部件。在空心叶片早期制造中，通常是通过将管状金属毛坯压制成月牙或通过连接两个叶片半部来制成。由于金属板不能弯曲成非常尖锐的形状，所方法不能在月牙端部成形出锐利或细长的形状，而叶片边缘尖锐或细长的形空心叶片结构中是为了引导喷射的蒸汽或气体使汽轮机能够有效稳定地工作对这个问题，1930 年 Christian Lorenzen[22]提出了一种空心叶片结构，，叶片结图 1.2 所示，空心叶片的主体仍然可以由金属管或金属板料制成，但是端部边分是单独的可分离元件或条带，通过焊接与叶片主体组成一个整体。这些条带缘可以被研磨、或以其他方式加工成表面所需的锐度、形状和光滑度。这种改法还能够使用薄而柔软的材料来制造叶片主体，从而降低成本，而易磨损的条更硬且更耐磨的材料制成。这种结构的优点在于：边缘条带磨损失效之后，可移除替换边缘条带对叶片进行修复，从而避免整个空心叶片的报废。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM311

【参考文献】