水轮机转轮叶片制造及其质量控制
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摘要：转轮叶片是水轮机进行能量转换的关键零部件，也是最难加工和进行质量控制的零件。本文介绍了水轮机叶片的加工工艺流程，以及如何对其进行工序质量控制，以确保叶片的制造质量。
关键词：水轮机叶片加工工艺 工序质量控制
中图分类号：O213.1文献标识码：A 文章编号：
引言
水轮机是水力发电的原动机，水轮机转轮叶片的制造，转轮的优劣，对水电站机组运行的安全性、可靠性、经济性等有着巨大的影响。水轮机转轮叶片是非常复杂的空间雕塑曲面体。在制造工艺上，长期以来采用砂型铸造，经手工铲磨成型和采用立体样板检测的工艺方法；近年来，通过不断的研究、探索，形成了叶片模压成型后铲磨、模压成型后再加工以及铸造成型后数控加工等叶片制造工艺方法。每一种叶片加工工艺都有各自的优缺点，其质量检验须结合其制造工艺流程，对各工序进行严格的质量控制，以确保叶片的制造质量。
手工铲磨叶片的制造工艺
手工铲磨叶片的工艺流程为：磨削叶片正面--------磨削叶片背面---------磨进、出水边---------叶片表面抛光。
手工铲磨叶片的质量控制
对于手工铲磨的叶片，经常会出现补焊量大、易变形等质量问题，因此优化工艺方案，加强中间过程的质量控制尤为重要。
第一步：应进行叶片正面铲磨量及补焊量的检测，以确保其厚度及型线符合要求。叶片正面是转轮运行时能量转换的压力面，同时也是叶片铲磨量及补焊量检测的基准面，首先用立体检查样板对叶片正面的型线进行全面检查，以便确定补焊量及铲磨量。但在铲磨叶片正面型线时应预先在叶片易变形处留一定校型铲磨量，特别是出水边区域。立体检查样板检查叶片表面时应注意两点：一，立体样板与叶片表面型线应间隙均匀，如果叶片上局部有高点必须先将高点磨掉，再放置立体样板，以防立体样本被高点顶起；二，立体样板放置在叶片正面后，应保证四周轮廓余量均匀。
第二步：应对叶片进行无损探伤，以检测叶片是否具有缺陷。叶片粗磨后按图样要求对其正面进行NDT检测，合格后对叶片正面进行精磨。精磨合格后以叶片正面型线为基准，采用测厚点划线样板在叶片正面各截面上作出测厚点标记，用超声波测厚仪或卡钳测量叶片厚度，以此来控制叶片背面型线。同样，叶片背面也需进行NDT检测。
第三步：检查叶片的波浪度，修磨时用样条尺沿流线和垂直于流线两个方向检查叶片波浪度。
第四步：用进、出水边检查样板检查叶片进、出水边型线，用叶片头、尾部形状检查样板控制叶片头、尾部形状。
这种手工铲磨叶片的方式不能有效地保证叶片型面的准确性和制造质量。所以目前较多采用五轴联动数控加工转轮叶片的制造工艺技术。
二．数控加工叶片的制造工艺及其质量控制
1.数控加工叶片的制造工艺
叶片数控加工工艺流程为：毛坯制造-------毛坯三维型面测量-------型面加工余量计算、设定安装位置---------木模数据转换、刀位计算--------仿真加工、刀位干涉检查-------后置处理生成NC加工程序---------叶片装夹定位--------铣型面、进出水边及周边---------叶片型线三维检测----------叶片表面抛光。
2.数控加工叶片的质量控制
2.1叶片毛坯质量的控制
水轮机转轮叶片材质有的为不锈钢板，有的为铸造结构。对于不锈钢板，其化学成分、机械性能、几何尺寸应符合质量要求；对于铸造结构而言，首先铸件外形尺寸应符合产品铸件图样要求，铸件表面目测不得有砂眼、气孔、裂纹、皱皮等缺陷。其次铸件化学成分、机械性能应符合设计要求，铸件应按设计要求进行热处理。最后材料检验合格后，将叶片进行荒磨，目测表面达到探伤要求，去除夹砂，避免损害刀具；再进行无损探伤，检查缺陷状况，有缺陷的，按相应的工艺规范、标准进行处理。合格后方可进行下序操作。在叶片进行数控加工前，用光电经纬仪或激光测量仪对毛坯进行三维测量，在叶片的正、背面标志测量及加工找正用的3个定位基准点并附其坐标值，对测量数据进行适配计算，从而得到毛坯的余量分布状况和确定叶片安装位置。叶片数控加工完成后，再进行三维测量，并计算分析，以检查叶片的加工精度。
2.2叶片表面质量的控制
2.2.1发现叶片缺陷及其处理措施
在叶片铲磨抛光检测时，如发现气孔、夹渣、砂眼、疏松等缺陷，应根据相关标准对缺陷位置采用砂轮、洋冲、碳弧气刨等方式去除缺陷，通过探伤确认缺陷是否清理干净后才能进行修补，修补后的部位必须和本体一致，叶片抛光合格后应进行外观质量及无损探伤检查，确保叶片满足质量要求。
2.2.2叶片表面粗糙度的质量控制
表面粗糙度是指通流表面上所具有的微小峰谷偏离轮廓中线这种微观的几何尺寸特性，用轮廓的平均算术偏差Ra度量（如图二），它是由于刀具刃尖、磨料的切削作用造成的。
叶片数控加工后其铲磨工作量小，只需对叶片表面进行抛光，去除叶片表面加工刀具痕迹，降低叶片表面粗糙度。叶片表面粗糙度的主要检查手段是使用粗糙度仪，对叶片表面采用粗糙度仪并结合目测的方法进行检查判别；也可用与加工原型表面同样的工艺方法制成的标准样板来进行检查，检查时凭观察和触觉，同样板相比较来判别叶片粗糙度是否满足质量要求。
2.2.3叶片波浪度的质量控制
波浪度指表面型线与用易弯曲绕性尺顺该型线围城的光滑曲线之间的偏差，波浪度用表面型线与光滑曲线间的最大间隙X和间距U之比X/U表示（如图一）。检查波浪度时在间距U段内不许加力致使挠性尺变形，最大间隙X应在间距U中段1/3范围内（U不小于50mm)。
图一
用样条尺沿流线和垂直于流线两个方向检查波浪度，波浪度应符合图样、标准要求。一般叶片正背面的波浪度应低于2/100，背面易遭空蚀部位波浪度应低于1/100（图样有要求的按图样要求执行）。不允许将连续的多个波浪形表面当作一个波浪度检查，检查波浪度使用的挠性尺原则上为1m长，对小型混流式水轮机亦不短于翼型弦长的1/2。挠性尺应部分重叠已检查过的区域。重叠长度不小于挠性尺长度的10%。需要特别控制的是叶片背面的易气蚀区域，由于转轮叶片在工作时，背面压力较低极易发生气蚀，因此对这个区域波浪度控制要求非常严格。局部凹陷或凸起必须堆焊或铲磨平滑。除此以外还应打磨波峰，其目的主要是控制叶片的波浪度和外观质量符合质量要求。
2.3叶片进出水边型线、头部形状的质量控制
所谓型线偏差是指原型表面型线与公称型线的偏差(如图二)，公称型线则指按模型图样尺寸比例放大的型线。型线偏差可以按照公称型线做成的单个或组合样板进行检查。
图二
叶片数控加工时已加工出截面线、标记孔及进出水边样板截止点标记孔。铲磨检查时，用进出水边样板检查叶片进出水边型线，样板按截面线标记孔定位，用塞尺检查叶片的里出外进、进出水边形状和型线与样板之间的间隙应符合设计要求；用叶片头尾部形状样板检查叶片头尾部形状，样板以截面线标记孔定位。叶片表面抛光后应按图样要求进行无损探伤检查。
2.4叶片出水边缘厚度的质量控制
一般来讲，数控加工出的叶片出水边缘厚度都能达到图样、标准要求，此项可根据实际情况用卡尺灵活检查。叶片出水边缘厚度δ的允许偏差为+0.5mm~-20%δ（图样有要求的按图样要求执行）。
三.结语
对于水轮机转轮叶片的质量控制，我们必须根据其具体的工艺制造流程，结合实际，选择适宜的检验方法与手段，特别应注重加强工序过程的质量控制，达到预先控制质量的目的，从而提高叶片的制造质量。
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