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1、热能与动力机械制造工艺学,2010.07,赵志军,上海理工大学 能源与动力工程学院,概述,汽轮机是以水蒸汽为工质的旋转式热能动力机械，它接受锅炉送来的蒸汽，将蒸汽的热能转换为机械能，驱动发电机发电。它具有单机功率大、效率高、运行平稳、单位功率制造成本低和使用寿命长等优点。汽轮机设备是火力发电厂的三大主要设备之一，汽轮机设备及系统包括汽轮机本体、调节保安及供油系统、辅助设备及热力系统等。,4,5,6,汽轮机,动力循环,7,8,9,10,2汽论机分类：,汽轮机,冲动式汽轮机,反动式汽轮机,凝汽式汽轮机,供热式汽轮机,背压式汽轮机,调节抽汽式汽轮机,低压汽轮机,中压汽轮机,高压汽轮机,超高压汽轮机,
2、亚临界压力汽轮机,超临界压力汽轮机,按工作原理分,按功能分,按参数高低分,11,1.汽轮机制造工艺,汽轮机的制造中应用多种工艺方法（锻、铸、冲压、热轧、冷作、焊接、机床、钳工等）和检验方法（原材料、毛坯、工序间、成品、装配、特殊检验等）。,2.汽轮机加工工艺的特点,单件生产(除叶片为小批生产外)生产周期长 材料品种多，材料性能要求高 零件种类多 加工精度高 设备要求高，工人操作技能要求高 机械加工工种齐全 涉及冷、热工艺且面广检测手段齐备，要求高 计量设备，测量工具齐全而且要求高 采用专用工装多,3.汽轮机制造常用加工设备,为满足汽轮机品种多，机组功率范围大的特点，所配备的冷加工机床种类繁多，
3、几乎包括所有的冷加工传统机床，机床规格从小到大，应有尽有。传统机床：车、磨、刨、铣、镗、钻等机床 专用机床(设备)：1)电脉冲汽道加工机 2)专用转子叶根槽铣槽机 大型数控机床,4.汽轮机加工工艺的发展方向,1 进一步开发利用计算机技术，充分发挥计算机在工艺工作中的作用 计算机技术的快速发展及广泛应用为企业提高工作效率及质量、缩短整个生产周期提供了可靠的保证。2 完善工艺文件标准化、规范化工作 跟踪国内外先进的工艺技术，进行原有工艺的持续改进。为新产品的开发制造提供新工艺、新装备。,超超临界1000MW汽轮机主要部件材质表,改进的9-10Cr钢适当减少了Cr，加入了微量Mo、W、V、Nb、N元
4、素，进一步加入B、Co元素，其高温性能更好，可在620C条件下工作。,第二篇 汽轮机制造工艺,第5章 汽轮机叶片制造工艺,本章讲述以下几个问题：,5.1 叶片的结构和分类 5.2 叶片的工作条件及材料要求 5.3 叶片的毛坯制造 5.4 叶片汽道型面的加工工艺 5.5 叶根的机械加工工艺 5.6 叶片叶型测量,5.1 叶片的结构和分类,叶片是汽轮机中数量最多的零件，也是最重要的零件之一。在汽轮机工作时，叶片将蒸汽的动能转变成转子的旋转机械能。动叶片的型线设计和工作状态直接影响汽轮机的工作效率，也直接影响汽轮机的经济性。要求叶片具有良好的流动性、足够的强度、合理的结构和良好的工艺性能。,2、对动
5、叶片制造的要求,动叶片在工作过程中，承受着复杂的动、静应力，而且有的还承受着高温、高压或湿蒸汽的冲刷、工作环境十分恶劣。因此，动叶片的设计、制造、安装既要保证足够高的工作效率，又要保证具有足够的安全性，包括在动静应力作用下的强度、抗振性能和抗腐蚀性能。,5.1.1 叶片的分类,（1）按工作原理分：冲动式；反动式。（2）按制造工艺分：铣制；轧制；模锻；精密铸造。（3）按叶片截面形状分：等截面；变截面。,铣制叶片,扭曲叶片,变截面（扭曲）叶片的断面型线沿叶片高度的变化。,国产1000MW汽轮机马刀形扭曲叶片,动叶片,静叶片,全三元设计系统,5.1.2 叶片的结构,（1）叶型：是叶片 的工作部分。（
6、2）叶根：将叶片固定在叶轮上的部分。（3）叶顶：围带、拉筋。,28,用于不同部位的动叶片，由于工作条件不同，采用的叶根、叶片型线、围带形式也各不相同。对于长叶片级，在动叶片的型线部分还可能设置有拉筋，借以与同一级的其他动叶片相连接，以增强抗振性能。拉筋有分段式、整圈式、Z形等结构形式。整体围带叶片，全切削加工；强度好、动应力低、抗高温蠕变性能好。,1.叶根,(a)六叉形；(b)菌形；(c)、(d)、(e)T型；(f)枞树形；(e)两排T型；(h)三叉形,1、主要形式有：,T型叶根：结构简单，加工装配方便，但承载能力小，用于载荷不大的叶片（如汽轮机的前几级短叶片）。菌型：加工复杂，载荷分配合理，
7、应用很少。叉型：连接强度高，强度适应性好，连接刚性好，制造工艺简单，检修更换方便，多用于要求连接强度高的级，如调节级和末几级。枞树型：承载能力强，安装、更换方便，多用于要求连接强度高的级，如调节级和末几级。,（1）倒T型叶根,倒T型叶根结构简单，加工装配方便，工作可靠。但由于叶根承载面积小，轮缘弯曲应力较大，使轮缘有张开的趋势，故常用于受力不大的短叶片，如高中压级叶片。带凸肩的单倒T型叶根，其凸肩能阻止轮缘张开，减小轮缘两侧截面上的应力。叶轮间距小的整锻转子常采用此种叶根。,双T形叶根,（2）带凸肩的双T型叶根,带凸肩的双T型叶根，由于增大了叶根的承力面，故可用于叶片较长，离心力加大的情况。一
8、般高度为100400mm左右的中等长度叶片采用此种型式。此种叶根的加工精度要求较高，特别是两层承力面之间的尺寸误差大时，受力不均，叶根强度大幅度下降。,（3）菌形,菌型叶根结构，这种叶根和轮缘的载荷分布比T型合理，因而其强度较高，但加工复杂，故不如T型叶根应用广泛。,封口叶片,上述叶根属周向装配式，这类叶根的装配轮缘槽占开有一个或两个缺口(或称窗口、切口)，其长度比叶片节距稍大，宽度比叶根宽0.020.05mm，以便将叶片从该缺口依次装入轮缘槽中。装在缺口处的叶片称作封口叶片（又称末叶片），用两根铆钉将其固定在轮缘上。,（4）叉型叶根,叉型叶根结构，这种叶根的叉尾，直接插入轮缘槽内，并用两排铆
9、钉固定。叉尾数可根据叶片离心力大小选择。叉型叶根强度高，适应性好，被大功率汽轮机末几级叶片广泛采用。叉型叶根虽加工方便，便于拆换，但装配时比较费工，且轮缘较厚，钻铆钉孔不便，所以整锻转子和焊接转于不宜采用。,叉形叶根,（5）枞树型叶根,优点：枞树型叶根结构，这种叶根和轮缘的轴向断口设计成尖劈形，以适应根部的载荷分布，使叶根和对应的轮缘承载面都接近于等强度，因此在同样的尺寸下，枞树型叶根承载能力高，叶根两侧齿数可根据叶片离心力的大小选择，强度高，适应性好。,枞树形叶根,枞树形叶根,缺点,但是这种叶根外形复杂，装配面多，要求有很高的加工精度和良好的材料性能，而且齿端易出现较大的应力集中，所以一般只
10、有大功率汽轮机的调节剂级和末级叶片使用。,2.工作部分（或称叶身、叶型部分）,叶型部分是叶片的基本部分，它构成汽流通道。叶型部分的横截面形状称为叶型，其周线称为型线。,围带,作用：增加叶片刚性，提高叶片振动安全性，减少顶部漏汽损失。形式：铆接；整体（多用）；弹性拱形。,围带,拉筋,整体围带,整体围带,铆接围带,铆接围带,互锁整体围带,拉筋,（1）作用：增加叶片刚性，改善振动性能。（2）结构形式：下图。,（3）,棒状分组焊接双层拉筋,棒状不焊接单层拉筋,Z形焊接拉筋,整体围带,吸水槽,对于处于湿蒸汽区工作的叶片，一般还开有吸水槽。图为我国第一台1000MW汽轮机末级叶片。,低压末级及次末级叶片具
11、有必要的抗应力腐蚀及抗水蚀措施并设有足够的除湿用的疏水口,枞树形叶根的安装方法,叶根沿轴向装入轮缘相应的枞树槽中，底部打入楔形垫片将叶片向外胀紧在轮缘上，同时，相邻叶根的接缝处有一圆槽，用两根斜劈的半圆销对插入缘槽内将整圈叶根轴向膨紧，所以装拆方便。,枞树形叶根的安装,5.2 叶片的工作条件及材料要求,5.2.1 叶片的工作条件 5.2.2 叶片材料的要求 5.2.3 汽轮机叶片常用材料,5.2.1 叶片的工作条件,叶片的工作条件很复杂，除因高速旋转和汽流作用而承受较高的静应力和动应力外，还因其分别处在过热蒸汽区、两相过渡区（指从过热蒸汽区过渡到湿蒸汽区）和湿蒸汽区段内工作而承受高温高压、腐蚀
12、和冲蚀作用。因此它的结构、材料和加工、装配质量对汽轮机的安全经济运行有极大的影响；所以在设计，制造叶片时，要考虑到叶片既有足够的强度。又有良好的型线，以提高汽轮机的效率。,5.2.2 叶片材料的要求,良好的常温和高温机械性能 良好的抗蚀性 良好的减振性 一定的耐磨性 良好的冷、热加工工艺性能,5.2.3 汽轮机叶片常用材料,1.叶片常用材料1)铬不锈钢2)强化型铬不锈钢3)低合金珠光体耐热钢4)铝合金和钛合金2.叶片连接件材料1)拉筋材料2)围带材料3)末叶片和叉形叶根的销钉材料,5.3 叶片的毛坯制造,叶片的毛坯制造方法对于叶片加工工艺路线及叶片本身的质量影响很大，采用先进的少、无切削的精化
13、毛坯工艺，不仅大大地缩减了机械加工工时，更重要的是材料利用系数显著提高，能够节约大量价格昂贵的不锈钢材和高温合金。,5.3.1 叶片常用的毛坯形式,方钢（扁钢）、异型钢毛坯、钢板冷作成形。沙型铸造、精密铸造（失蜡铸造、熔模铸造）毛坯。粗模锻、半精锻、精锻、高速锻、滚锻毛坯。轧制、钢板冷作成形毛坯。爆炸成型毛坯等。,1)静叶片方钢毛坯,2)动叶片方钢毛坯,5.3.2 毛坯形式选用,动叶片是固定在转子上，工作时随着转子高速旋转。即受弯曲应力，同时又受巨大的离心力。所以在材料强度等级上要求很高，一般都采用锻件毛坯。导叶片是通过焊接或铸造的方式与内、外环互相联成一体，形成隔板。再通过隔板套固定在汽缸上
14、，工作时静止不动。其工作状况比较动叶片要好许多，只受轴向压力，而不受离心力作用。因此，在材料强度等级上要求相对较低。允许采用铸造毛坯。,67,为什么叶片加工要采用多种毛坯形式？,（1）设计要求；设计部门根据各种叶片的工作状况的不同，要求不同的毛坯形式。如：强度等级要求高的多采用锻件毛坯。强度等级要求低的可以采用精铸毛坯。（2）工艺要求：为了提高材料利用率，多采用成型锻造或铸造。对于采用难加工材料的叶片，如：钛合金，镍基耐热高温合金。采用成型锻造或精密铸造，将汽道型面做准可减少机械加工工作量。,5.4 叶片汽道型面的加工工艺,5.4.1 叶片型面的加工方法5.4.2 叶片常用的汽道成型规律5.4
15、.3 等截面直叶片加工5.4.4 有成型规律叶片汽道加工5.4.5 自由成型叶片加工5.4.6 三联叶片的加工工艺5.4.7 整体喷嘴加工工艺5.4.8 叶片汽道加工实例,5.4.1 叶片型面的加工方法,1.叶片型面的加工方法成型铣削。仿型加工，分机械仿型和液压仿型。数控加工。电火花加工,在叶片加工中应用的特种加工技术主要有：1）电解加工；2）电火花成型加工；3）高频感应焊接；4）激光强化；5）电火花强化；6）喷砂；7）液力喷丸；8）磨粒流；9）微球抛光；10）激光刻字。2.叶片型面加工的技术要求1)保证型面本身的型线精度及各截面相对位置的精度。2)保证型面与叶根相对位置的精度。,激光硬化技术
16、,(1)硬度高(2)提高抗疲劳强度,5.4.2 叶片常用的汽道成型规律,1.汽道的结构线和坐标系,2.汽道的主要成形规律(1)等截面直叶片；(2)斜铣叶片；(3)扭曲成型；(4)斜铣加靠模；(5)斜铣加扭曲；(6)斜铣扭曲加靠模；(7)锥形叶片；(8)直叶片斜置。由于数控型面铣床的出现，自由成型叶片应用的越来越多，主要有：1）无规律自由成型叶片；2）弯扭结合叶片；3）马刀形叶片；4）手风琴压缩式。,1.反动式铆接动叶,5.4.3 等截面直叶片加工,T型铆接动叶加工的工艺,1.基准面加工,2.叶根加工,4.中间体加工,5.型面加工,普通机床,四轴铣,加工中心,型面机床,3.铆钉头加工,数控立铣,
17、汽道高度较短时，一般采用方钢毛坯，型面加工时主要以出汽边定位。通常先加工内弧，用控制弧深的方法来保证汽道与叶根的相对位置，加工背弧时，再以内弧型线定位，保证型面的最大厚度。内背弧加工分粗、精铣工序，粗铣后为精铣均匀留0.5毫米左右的加工余量。,当内弧是由圆弧R组成的型线，采用卧刀法。此时铣刀半径等于内弧半径，其切削长度大于叶片汽道长度，铣刀圆角r即为内弧圆角处半径，加工可用铣床加圆柱铣刀来完成。,当内弧型线由几个圆弧组成时，采用仿型加工，铣刀半径小于型面最小曲率半径。背弧加工与内弧相类似，也由成型铣刀加工或采用仿型加工。但背弧仿型铣时，铣刀直径不受型面曲率半径的限制，加工情况比内弧好。当汽道高
18、度较长时，可采用锥形成型铣刀加工以提高加工精度、光洁度及刀具寿命。锥形成型铣刀设计成1:100倒锥，刀头直线部分为68 mm。2.静叶片冲孔围带静叶片与浇铸孔静叶片可采用同一种方法加工汽道。毛坏形式：生产批量大用模锻毛坏、生产批量小用扁钢。多件合并下料可提高生产效率、降低成本。用成型铣刀加工内弧和背弧。机床为卧铣床，叶片内弦线应水平(与机床工作台平行)，使得切削加工及铣刀设计最佳。,2.反动式整体围带动叶(ISB),1.基准面加工,2.叶根加工,3.中间体加工,4.型面加工,反动式整体围带动叶(ISB)加工工艺流程,普通机床,强力磨,加工中心,型面机床,3.自锁动叶,1.毛坯精锻,2.浇低熔点
19、方箱,3.型面铣,4.铣准长度,5.抛 光,6.喷 丸,7.测 频,8.完工检验,关键设备,11200吨螺旋压力机ELB强力磨加工中心喷丸机测频仪,5.4.4 有成型规律叶片汽道加工,斜铣叶片加工 斜铣加靠模叶片加工 扭曲叶片,5.4.6 三联叶片的加工工艺,三联叶片(TRI-PINS)工艺简介,电火花汽道加工示意图,基准面加工：加工六面体作为基准面,叶根加工：由数控平铣加工出叉型叶根,中间体加工：由卧式数控加工中心加工斜面及各个倒角,汽道加工：由数控电火花机床加工汽道，用铜制电极成型汽道型线，然后修抛表面变质层,5.4.7 整体喷嘴加工工艺,汽道加工示意图,整体喷嘴（NOZZLE BLOCK
20、）工艺简介,原理：其运用工具电极与工件之间瞬时火花放电所产生的高温去蚀除金属材料，形成与工具电极型状相似的型腔，然后修抛电火花形成的表面变质层形成喷嘴汽道,5.4.8 叶片汽道型面加工实例,据统计，叶片的制造工时约占汽轮机整机的1/3，其工装量约占整机的1/2左右。末级叶片所发功率约占整机的10%15%。改造1台老机组的末级叶片往往可提高整机效率的1%1.5%；次末级和末级两级动叶片的产值约占整机的3%6%。所以，大叶片占有汽轮机心脏的核心地位。,动叶片总长1094.8mm，汽道型面长909mm，型线是由坐标点组成的扭曲叶片，七叉叶根。,3机械加工的主要内容及方法这种扭曲长动叶片的工艺流程可分
21、七个方面：(1)铣叶片基准面；(2)铣叶根型线；(3)铣叶片汽道型面；(4)热加工及校型；(5)精铣装配面及钻叶根三销孔；(6)喷丸强化；(7)完工检查。采用先进的四座标卧式数控机床和浇注低熔点合金块定位工艺。此工艺只需一次装夹即可加工出叶根、叶顶所有的基准面，工序集中加工流程短专用工装少，加工质量稳定，精度高。低熔点合金块定位加工基准面。,低熔点合金块定位,精锻毛坯从理论上讲，叶片型面是经过锻造做准，只留有少许的抛光余量。而在叶根、中间体、叶顶等部位都留有大于4mm的机械加工余量。这些部位加工时，为保证对汽道的相对位置精度，只能靠汽道型面定位。而汽道型面又是由不规则的复杂曲面构成。属于不可靠
22、的定位基准。因此，采用方箱用低熔点合金固定叶片，利用方箱高精度的四面体作为定位基准来加工上述这些部位。这样把不可靠的定位基准转化为可靠。,为什么精锻毛坯常采用方箱加工工艺？,5.5 叶根的机械加工工艺,根据叶片与轮盘槽的装配方法可分为配横槽与配纵槽二大类。常用的叶根加工方法主要有：成型铣削法：适用于T型叶根，双T型叶根，枞树型叶根。成型磨削法：适用于枞树型叶根。盘状铣刀（包括盘状组合铣刀）铣削法：适用叉型叶根。,2、叶片的安装方法,周向埋入法：用于具有T型叶根和菌型叶根的叶片轴向埋入法：用于具有枞树型叶根的叶片径向跨装法：用于具有叉型叶根的叶片,作业,汽轮机加工工艺的特点有哪些？叶片常用的毛坯形式有哪些？为什么动叶片常采用锻件毛坯，而导叶片可以采用铸造毛坯？简述动叶片的工作条件？为什么说叶片的结构、材料和加工、装配质量对汽轮机的安全经济运行有极大的影响？对叶片材料的性能有哪些要求？叶片型面加工的技术要求有哪些？由坐标点组成的扭曲长动叶片的工艺流程可分为几个加工阶段？基准面的加工中采用何种定位工艺？有何特点？,1146低压转子,97,本章结束,
