附带叶片根部上冠和下环的混流式转轮及制作方法与流程

附带叶片根部上冠和下环的混流式转轮及制作方法
1.技术领域：本发明涉及一种附带叶片根部上冠和下环的混流式转轮及制作方法。
2.

背景技术：

水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。转轮是水轮发电机的核心部件之一，在受到水流冲击时，将水流动能和势能转化为旋转的机械能。本发明所涉及的混流式转轮，是世界上使用最广泛的一种水轮机，其结构较简单，运行稳定，适用的水头范围很宽。
3.该类转轮由上冠、下环和叶片组成，其传统制造工艺是将成型的上冠、下环和叶片组焊在一起，后续再经过整体热处理、机械加工、铲磨和抛光等工序完成转轮的制造。其中，上冠、下环和叶片由铸造的方式制造，制造过程包括木模制造、砂型制造、钢水炼制、浇注、热处理、机械加工等一系列的工艺过程，其传统的制造工艺工序多，能耗大，污染大，参与工人多，劳动强度大。在组焊过程中，存在着叶片装配的误差，特别是以抽水蓄能水泵水轮机转轮、高水头混流式转轮和核电叶轮等为代表的低导叶开度的转轮，叶片高度小，叶片数量多、密度大，流道狭长，空间极为狭小，受到空间限制，焊接、探伤及铲磨的操作可达性差，影响转轮最终的质量。为避免应力集中，叶片根部需要留较大的焊脚，焊接量大，而叶片根部部位是转轮运行时受力和扭矩最大的部位，易发生疲劳开裂，焊接残余应力和缺陷的存在影响后续运行时转轮的使用寿命。此外，转轮组焊完成后，叶片内部封闭，空间极为狭小，叶片根部圆角后续只能通过人工铲磨的方式进行加工，加工精度难于保证，进一步影响了转轮流道型线，并容易形成局部的应力集中，影响转轮的疲劳寿命，而且铲磨加工难度大，劳动强度极大。而以上所有对转轮精度带来影响的问题，最终都会对转轮的运行效率和安全性带来不利影响，影响电站的经济效益。
4.为了解决制造过程的可达性问题，制造过程中通常采用下环分环制造，而空间更小的转轮甚至需要对上冠和下环都进行分环制造。这种制造方法工序复杂，与传统的方法相比焊接量大幅提高，焊接劳动高强度大。因焊接空间限制，将转轮放置于变位机上，以改善焊接位置及提高焊接质量，同时，需要在叶片上加防变形加强板及调整焊接顺序来控制变形，即使采取了这些措施，也无法完全保证焊接质量和转轮的流道型线，产品的质量保证非常困难。该方法的叶片根部也是由焊接方法制造，针对于叶片根部的制造，该方法所遇到的问题与传统方法相同。
5.

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述存在的问题，提供一种附带叶片根部上冠和下环的混流式转轮及制作方法。
6.上述的目的通过以下的技术方案实现：一种附带叶片根部上冠和下环的混流式转轮，其特征是：该转轮分为由上冠、上冠叶片根部和上部叶片组成的上瓣；由下环、下环叶片根部和下部叶片组成的下瓣；
所述的上冠和所述的上冠叶片根部以及下环和所述的下环叶片根部分别由一件坯料制造。
7.一种附带叶片根部上冠和下环的混流式转轮的制作方法，该方法包括如下步骤：（1）首先将转轮沿着叶片的中心线将转轮分为上瓣和下瓣两部分，距离叶片根部圆角10mm，以与上冠和下环过流面平行的曲面为切割面分别将上瓣和下瓣分割出上部叶片和下部叶片，而叶片的切割面将作为上部叶片和下部叶片的增材制造基础面端面；（2）分割出的上冠和上冠根部叶片，以及下环和下环根部叶片分别采用整块坯料，并用数控加工中心进行机械加工制造，加工保留1mm的余量；（3）采用人工点焊的方式将5mm
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5mm的方型截面的钢条沿着端面焊接到上冠叶片根部和下环叶片根部，环绕一周形成外托；（4）以与端面平行的空间曲面阵列为切面，曲面间距3mm，对上部叶片和下部叶片数模进行切片，形成每层增材厚度为3mm的片层；（5）对每个片层进行机器人焊接路径规划，对上部叶片和下部叶片增材制造；（6）上部叶片和下部叶片增材制造完成后，进行去应力热处理；使用数控加工中心对上部叶片和下部叶片进行加工，叶片和过流面保留0.5mm加工余量；（7）将上瓣和下瓣进行人工组焊，阻焊完成后分别采用风动砂轮和抛光轮对转轮的叶片和流道过流面进行打磨和抛光，而后对转轮进行装配、密封和联轴等部位的精加工，完后转轮的制造。
8.所述的附带叶片根部上冠和下环的混流式转轮的制作方法，对每个片层进行机器人焊接路径规划，对上部叶片和下部叶片增材制造的具体过程为：采用与上冠和下环外圆平行的s型焊道，相邻焊道距离为2.7mm,单边保留3mm焊接余量，焊接方法为cmt，焊接电流120a，电压25v，焊接速度为10mm/s，层间温度控制在80℃，焊接过程中由变位机配合机器人联动，保证焊的平焊姿态，焊接完成一层后，更换起收弧位置进行下一层焊接，对上瓣或下瓣叶片增材焊接完成一层后，进行下一层焊接，焊接时采用对称焊接叶片的方式。
9.有益效果：1.本发明利用机器人操控的焊接系统，直接在上冠和下环的叶根上打印制造叶片。叶片是转轮构件中制造数量最多，难度最大，成本最高，耗时最长的部件，特别是传统制造方法为铸造，其过程工序多，能耗大，排放大，产品的质量不高，而且保留的加工余量大，不但大幅增加了后续加工的加工量和加工周期，造成了原材料的浪费，而且，铸件具有表面质量好，内部质量差的特性，相当于成品叶片保留的是铸件内部质量差的部分，而外部的高质量的部分作为加工余量被加工掉了，影响了产品质量。增材制造技术的应用变革了叶片的制造过程，增材获得的是近净成型的叶片毛坯，加工余量非常小，降低了加工难度和周期，节省了材料，叶片质量高且稳定。同时，取消了叶片的铸造过程，大幅缩短和简化叶片的制造流程。而且能够避免叶片与上冠和下环组焊时的装配误差，转轮的制造效率，精度和质量均得以提升。实现了产品制造过程的智能化，绿化，少人无人化。
10.2.本发明的外部叶片的增材制造基础为带有叶片根部的上冠和下环，在叶片增材制造前，首先完成带有叶片根部的上冠和下环的制造，叶片根部部位与上冠和下环一体，由同一坯料制造，不存在材料差异和制造缺陷，而且，由于其高度很低，可以很容易实现叶片根部的机械加工，保证了根部的精确性。此外，后续的增材制造的焊接过程在叶片根部以
上，由原有的焊接应力较大的角焊缝形式变成了应力较小的对接形式，焊接热影响区远离了叶片根部，进而避免了焊接残余应力对叶片根部的影响。转轮上下两瓣组焊时，焊缝位于叶片中央位置，将原有方法的两条角接接头结构变为一条对接接头结构，焊接难度大幅下降，焊材填充量也大幅减少，以上优势决定了转轮的制造精度更高，制造质量更好，可以有效提高转轮的运行效率和运行寿命。
11.附图说明：附图1是本发明的结构示意图；附图2是带上冠叶片根部的上瓣示意图；附图3是带下环叶片根部的下瓣示意图；图中：1、混流式水轮机转轮；11、上瓣；12、上冠；13、上冠叶片根部；14、上部叶片；15、冠叶片根部的端面；21、下瓣；22、下环；23、下环叶片根部；24、下部叶片；25、环叶片根部的端面。
12.具体实施方式：实施例1：参照图1，一种附带叶片根部上冠和下环的混流式转轮，其特征是：该转轮1分为由上冠12、上冠叶片根部13和上部叶片14组成的上瓣11；由下环22、下环叶片根部23和下部叶片24组成的下瓣21；所述的上冠12和所述的上冠叶片根部13以及下环22和所述的下环叶片根部23分别由一件坯料制造。
13.参照图2，上冠和上冠叶片根部由一件坯料制造，采用机械加工的方法制造，上部叶片以上冠叶片根部的端面为增材制造基础，采用电弧增材制造方法制造，形成近净成型的上部叶片和下部叶片；参照图3，下环和下环叶片根部分别由一件坯料制造，采用机械加工的方法制造，下部叶片以下环叶片根部的端面为增材制造基础，采用电弧增材制造方法制造，形成近净成型的上部叶片和下部叶片。
14.在数控机床上分别对完成增材制造的上瓣11和下瓣21进行机械加工；加工后对上瓣11和下瓣21进行组焊制成转轮1；对转轮1整体进行整体热处理；对转轮1整体进行精加工和抛光，完成混流式转轮1的制造。
15.一种附带叶片根部上冠和下环的混流式转轮的制作方法，该方法包括如下步骤：（1）首先将转轮沿着叶片的中心线将转轮分为上瓣和下瓣两部分，距离叶片根部圆角10mm，以与上冠和下环过流面平行的曲面为切割面分别将上瓣和下瓣分割出上部叶片和下部叶片，而叶片的切割面将作为上部叶片和下部叶片的增材制造基础面端面；（2）分割出的上冠和上冠根部叶片，以及下环和下环根部叶片分别采用整块坯料，并用数控加工中心进行机械加工制造，加工保留1mm的余量；（3）采用人工点焊的方式将5mm
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5mm的方型截面的钢条沿着端面焊接到上冠叶片根部和下环叶片根部，环绕一周形成外托；（4）以与端面平行的空间曲面阵列为切面，曲面间距3mm，对上部叶片和下部叶片数模进行切片，形成每层增材厚度为3mm的片层；（5）对每个片层进行机器人焊接路径规划，采用与上冠和下环外圆平行的s型焊
道，相邻焊道距离为2.7mm,单边保留3mm焊接余量，焊接方法为cmt，焊接电流120a，电压25v，焊接速度为10mm/s，层间温度控制在80℃，焊接过程中由变位机配合机器人联动，保证焊的平焊姿态，焊接完成一层后，更换起收弧位置进行下一层焊接，对上瓣或下瓣叶片增材焊接完成一层后，进行下一层焊接，焊接时采用对称焊接叶片的方式；（6）上部叶片和下部叶片增材制造完成后，进行去应力热处理；使用数控加工中心对上部叶片和下部叶片进行加工，叶片和过流面保留0.5mm加工余量；（7）将上瓣和下瓣进行人工组焊，阻焊完成后分别采用风动砂轮和抛光轮对转轮的叶片和流道过流面进行打磨和抛光，而后对转轮进行装配、密封和联轴等部位的精加工，完后转轮的制造。

技术特征：

1.一种附带叶片根部上冠和下环的混流式转轮，其特征是：该转轮分为由上冠、上冠叶片根部和上部叶片组成的上瓣；由下环、下环叶片根部和下部叶片组成的下瓣；所述的上冠和所述的上冠叶片根部以及下环和所述的下环叶片根部分别由一件坯料制造。2.一种权利要求1所述的附带叶片根部上冠和下环的混流式转轮的制作方法，其特征是：该方法包括如下步骤：（1）首先将转轮沿着叶片的中心线将转轮分为上瓣和下瓣两部分，距离叶片根部圆角10mm，以与上冠和下环过流面平行的曲面为切割面分别将上瓣和下瓣分割出上部叶片和下部叶片，而叶片的切割面将作为上部叶片和下部叶片的增材制造基础面端面；（2）分割出的上冠和上冠根部叶片，以及下环和下环根部叶片分别采用整块坯料，并用数控加工中心进行机械加工制造，加工保留1mm的余量；（3）采用人工点焊的方式将5mm
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5mm的方型截面的钢条沿着端面焊接到上冠叶片根部和下环叶片根部，环绕一周形成外托；（4）以与端面平行的空间曲面阵列为切面，曲面间距3mm，对上部叶片和下部叶片数模进行切片，形成每层增材厚度为3mm的片层；（5）对每个片层进行机器人焊接路径规划，对上部叶片和下部叶片增材制造；（6）上部叶片和下部叶片增材制造完成后，进行去应力热处理；使用数控加工中心对上部叶片和下部叶片进行加工，叶片和过流面保留0.5mm加工余量；（7）将上瓣和下瓣进行人工组焊，阻焊完成后分别采用风动砂轮和抛光轮对转轮的叶片和流道过流面进行打磨和抛光，而后对转轮进行装配、密封和联轴等部位的精加工，完后转轮的制造。3.根据权利要求2所述的附带叶片根部上冠和下环的混流式转轮的制作方法，其特征是：对每个片层进行机器人焊接路径规划，对上部叶片和下部叶片增材制造的具体过程为：采用与上冠和下环外圆平行的s型焊道，相邻焊道距离为2.7mm,单边保留3mm焊接余量，焊接方法为cmt，焊接电流120a，电压25v，焊接速度为10mm/s，层间温度控制在80℃，焊接过程中由变位机配合机器人联动，保证焊的平焊姿态，焊接完成一层后，更换起收弧位置进行下一层焊接，对上瓣或下瓣叶片增材焊接完成一层后，进行下一层焊接，焊接时采用对称焊接叶片的方式。

技术总结

附带叶片根部上冠和下环的混流式转轮及制作方法。制造过程中通常采用下环分环制造，而空间更小的转轮甚至需要对上冠和下环都进行分环制造。这种制造方法工序复杂，与传统的方法相比焊接量大幅提高，焊接劳动高强度大。本发明分为由上冠（12）、上冠叶片根部（13）和上部叶片（14）组成的上瓣（11）；由下环（22）、下环叶片根部（23）和下部叶片（24）组成的下瓣（21）；所述的上冠（12）和所述的上冠叶片根部（13）以及下环（22）和所述的下环叶片根部（23）分别由一件坯料制造。本发明用于附带叶片根部上冠和下环的混流式转轮制作。下环的混流式转轮制作。下环的混流式转轮制作。