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水轮机叶片制造技术发展综述
摘要：水轮机转轮是水轮机的心脏, 承受着长时间强烈的动载荷作用, 是传递能量的主要部件，叶片的形状复杂, 扭转程度大, 翼型是三维空间不可展曲面, 且进出水边厚度变化大,制造十分困难。本文主要介绍了几种水轮机叶片制造技术，并对水轮机叶片制造技术进行了展望。 关键词：水轮机叶片；铲磨；数控加工；3D打印
中图分类号：TK730.6 文献标识码：A
1 引言
水轮机转轮制造技术，特别是其叶片的制造技术是反映水轮机制造商竞争能力和水平的核心技术，受到世界各地的水电行业的高度重视[1]。转轮是水力发电机组中的核心部件，它由一定数量具有雕塑曲面特征的叶片和回转特征的零件组成［2］。水轮机叶片水力性能、制造质量直接影响到水轮机的能量和稳定指标［3］。铸件由于铸件壁厚不均匀，形状复杂显空间扭曲状，在热加工过程中存在热应力和相变应力，应力的不断积累会导致叶片变形，严重影响叶片的形状与尺寸[4]，其叶片大型水轮机叶片制造过程中的几十道工序，主要涉及工艺设计、模型制作、造型、合金冶炼、毛坯清理、热处理、型线检测、加工成型等［5］。
2 叶片概述
2.1 转轮结构
转轮结构分为三种：
整体铸焊结构，上冠、下环、叶片焊为一体的，这种制造工艺虽然简单，但叶片铲磨检测困难，型线精度低，转轮重量受铸造车间起吊能力限制，已较少采用。
上下分半结构，即上冠连同上半段叶片整铸，下环和下半段叶片分别铸造后在厂内组焊退火、铲磨加工，运往工地再组焊为一体，在工地不再退火。此结构工艺性差，后再未采用过，
左右分瓣的铸焊结构，为方便铁路运输。当转轮直径大于5.5m时，因受运输条件或铸造能力的限制，有必要把转轮分半制作，运到现场再组合成整体。转轮各部分的组合连接方式不相同，其组合方法也不相同，我国主要采用上冠螺栓连接、下环焊接结构，在上冠连接处有定位销。
2.2 叶片材料
水轮机叶片有特殊的工作环境，因此对叶片材料要求比较高，在叶片材料的选用上，早期一般采用的是碳钢、合金钢。进入上世纪60年代以后，逐步采用了不锈钢，现在的不锈钢，含碳量低，焊接性能好，强度、韧性、塑性、抗水下疲劳和耐磨损能力较好。
到了80年代，AOD炉或VOD炉精炼钢水铸造叶片开始普及。
（1）AOD为氩氧精炼炉，投资不高，因为不需抽离真空，仅适用于不锈钢；
（2）VOD为真空精炼炉，投资较高，需要真空环境，适用多种钢精炼。硫、氮含量低，叶片微观裂纹较少，可防止氢裂纹出现。各种合金含量也较低，同时Ni含量增加可提高可焊性，降低预热温度。
2.3 叶片铸造
由于水轮机叶片铸件形状复杂，铸件壁厚不均匀，铸件呈空间扭曲形状，因此在加热和凝固收缩过程中由于热应力和相变应力的作用，铸件极易发生变形。
选取正确的铸造工艺，对与水轮机叶片质量的控制十分重要。
目前的水轮机叶片铸造工艺有（1）垂直造型、垂直浇注，（2）平卧造型、垂直浇注，（3）平卧造型、平卧浇注等。其中平卧造型、垂直浇注工艺对水轮机叶片质量有一定的保证。
水轮机叶片的铸造，也可以通过3D打印技术来实现。设计人员可以通过3D软件在计算机上创建出水轮机的3D模型，然后通过连接计算机的3D打印机，打印材料为水轮机叶片的不锈钢，通过计算机的控制，既可以打印出水轮机的叶片。
5 数控加工法
水轮机转轮叶片是水轮机转轮的核心部件，其叶型是由复杂的空间曲面构成，加工难度比较大。传统的加工方法是以铲磨为主，叶片质量很难保证。叶片质量的好坏直接关系到整个机组的出水效率，空蚀，以及共振。
数控加工叶片，一是能改善叶片表面质量，保证叶片型线接近理论翼型，二是可以提高工件的加工效率，三是可充分降低工人的劳动强度，数控加工相比传统加工叶片质量，叶片型线都比传统加工来得更精确，也大大降低了工人的劳动强度。
数控铣床出现在上世纪60年代，上世纪70年代到80年代三坐标或五坐标数控机床被GE、VOITH、ATSTON 等公司用于叶片的加工，加工大型叶片的数控机床分为落地镗铣床、龙门镗铣床和天桥镗铣床。有三轴（X、Y、Z）联动和五轴（X、Y、Z、B、C）联动两种规格，采用CAMAND CAM、EUKLiD、UG等商业软件对叶片进行编程。叶片经过曲面造型、刀位计算、刀位仿真、后置处理编程后最终生成加工程序。
转轮直径5m以上的大型叶片宜采用五坐标数控天桥镗铣床或落地镗铣床加工，对叶片毛坯余量较大的部位先进行碳弧气吹割和粗磨，使余量控制在 10~20 mm之内。加工叶片的刀具可选用硬质合金可转位面铣刀及苞米铣刀，刀片为圆形或方形。允许残留刀纹波峰0.5~1mm。
转轮直径5m以下的中小型叶片也可采用三坐标数控镗铣床加工，加工时可将叶片装夹在回转工作台上，以便提高加工效率。粗、精铣可采用球头铣刀，允许残留刀纹波峰2~4mm。叶片数控加工后再进行铲磨抛光，叶片的加工精度可达±1~±3 mm。数控加工时应选择流线方向为铣削方向，可在转轮运行时减少刀痕对水流的阻力。
6 3D打印技术
3D打印机就是可以“打印”出真实3D物体的一种设备，功能上与激光成型技术一样，采用分层加工、迭加成形，即通过逐层增加材料来生成3D实体。3D打印具有快速成型、成本低和精度高等特点。
目前的3D打印技术能够实现600dpi分辨率，每层厚度只有0.01毫米，完全可以达到水轮机叶片对精度的要求，这种工艺能保证叶片背面的型线精度。
3D打印水轮机叶片的步骤为：
（1）首先通过3D建模软件在计算机内设计好水轮机叶片的模型，或者通过高精度的扫描仪扫描我们需要复制的水轮机叶片模型到计算机中；
（2）将扳手3D模型图像数据送入一台不用油墨的打印机。水轮机叶片打印机使用的是高强度金属粉末。
目前3D打印只是出于概念阶段，但是对于3D技术研究如火如荼的展开，相比在不久的将来，水轮机叶片便能通过3D打印机来实现制造和批量生产。
7 结语
应综合考虑转轮的运行环境和叶片大小来选择加工方法。轴流式叶片可采用数控加工或铲磨。5m以上的大型混流式叶片则应采用数控加工。水泵水轮机叶片宜采用模压方法。国外公司采用铲磨工艺制造的叶片仍然占 30%左右。
叶片制造技术的改进方向包括以下方面：优化铸造工艺，防止叶片铸造裂纹，提高铸造毛坯的材料性能和型线精度，减少毛坯余量。进一步研发并推广叶片表面喷涂、喷焊、涂层和喷丸工艺，提高叶片抗磨损空化能力。
参考文献：
［1］吴思秦.五轴数控联动加工水轮机叶片［J］.大电机技术，1988，（5）
［2］陈昭运，薛伟.一种新的模压叶片展开方法［J］.大电机技术，2000，（4）
［3］闵占奎，白绍林.模压叶片混流式转轮抗磨蚀性能试验研究［J］.水力机械技术，1994，（4）
［4］赖喜德，王贞凯.UGCAD/CAM在水轮机叶片模压成型工艺中的应用［J］.UG用户通讯，2001
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