一种基于3d打印的蒸汽轮机末级空心叶片及其制备方法与流程

技术领域：

本发明涉及蒸汽轮机末级长叶片领域，特别提供了一种基于3d打印的蒸汽轮机末级空心叶片。

背景技术：
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蒸汽轮机作为能源转换的重要设备，在现代社会中扮演着至关重要的角色，保证蒸汽轮机的安全运行具有重要的意义。叶片作为蒸汽轮机能量转换的关键部件，关系到整个机组的安全运行。由于蒸汽轮机叶片长期工作于高温、高压、高转速等环境中，而承受了离心力、稳态气流力、气流激振力等复杂载荷，尤其是叶片在离心力作用下的强度安全性是叶片设计的核心任务之一。随着现代蒸汽轮机朝着大容量高参数的方向发展，蒸汽轮机进口温度和压力进一步提高，通流面积进一步增大，末级叶片越来越长，目前设计的最长末级叶片甚至已经接近2m，蒸汽轮机叶片在工作条件下承受了更大的气流力和离心力，对叶片的强度要求越来越高，传统的叶片制造方法已经无法适应于这些新的要求，蒸汽轮机叶片的设计、制造面临巨大的挑战。

技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种基于3d打印的蒸汽轮机末级空心叶片及其制备方法，以解决上述技术问题。本发明通过构建蒸汽轮机末级叶片的空心结构，并采用3d打印方法与精密机械加工结合的制造方法，在保证叶片强度安全性要求的同时，能够有效降低蒸汽轮机末级叶片离心力，提高其安全性与可靠性，而3d打印技术的应用进一步缩减生产周期，减少蒸汽轮机末级叶片所需的原材料。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于3d打印的蒸汽轮机末级空心叶片，包括叶根、叶型和围带；叶根的顶部连接叶型的底部，叶型的顶部设有围带；叶型的中部设有拉筋；叶型内部形成有空腔；空腔中设有加强肋结构。

进一步的，空腔的底部距离叶根连接面的高度为h1，且20mm≤h1≤50mm；空腔包括底部的叶型空心快速增长区域叶型空心主体区；叶型空心快速增长区域高度h2，且10mm≤h2≤20mm；从空腔顶部距离叶根连接面高度h2到h3为空心主体区域，该部分的叶型空心壁厚保持bmm不变，且3mm≤b≤10mm，h3由叶片总高度减去h1和h2得到。

进一步的，所述加强肋结构为直线型加强肋结构；直线型加强肋分别连接叶片的压力面背弧与吸力面内弧，以吸力面内弧曲率为基准，加强肋与内弧成垂直关系；而加强肋和背弧、内弧的连接部分采用圆角；直线型加强肋等间距分布。

进一步的，所述加强肋结构为辐射型加强肋结构；辐射型加强肋结构以中间圆环圆心为中心，向四周辐射直线，与吸力面内弧、压力面背弧连接，在前缘点与后缘点附近区域设有垂直于内弧的折断线；圆环圆心为截面吸力面内弧与压力面背弧中点连线中点且圆环直径为内、背弧中间连线的二分之一；第一辐射线与内、背弧中间连线重合，连接压力面背弧与圆环，为起始直线，其余辐射线等角度分布，相邻直线夹角均为30°，且辐射直线的延长线均过圆环圆心。

进一步的，所述加强肋结构为s型加强肋结构，s型加强肋结构的s型加强肋分别由中间斜线部分，中间斜线部分与背弧的圆弧连接部分以及中间斜线部分与内弧的圆弧连接部分组成，其中每一个中间斜线部分加强肋与内弧连接处的垂直线均成θ度；加强肋与背弧、内弧的连接部分进行圆角处理；s型加强肋与内弧形成类三角形状。

进一步的，所述加强肋结构为蜂窝芯型内部肋结构；蜂窝芯型内部肋结构的蜂窝芯型内部肋以叶型中线为主肋，等间距分布有垂直于中线的副肋，主肋与副肋厚度相同或不同；主肋连接空心造型的内部前缘点与后缘点，副肋连接背弧与内弧；在主肋与副肋连接处、主肋与空心造型连接处以及副肋与背弧、内弧连接处均圆角连接。

进一步的，所述加强肋结构为空心圆柱型结构；空心圆柱型结构中的空心圆柱采用两种排布方式，分别为规律排布与错落分布。

进一步的，拉筋采用空心结构，空心结构中设有十字型加强肋，十字型加强肋中一根与叶片的径向方向一致，而另一根与叶片的周向方向一致。

一种基于3d打印的蒸汽轮机末级空心叶片的制备方法，包括：

第一步，通过三维造型软件设计出符合需求的空心蒸汽轮机末级叶片内部加强肋结构，以保证空心蒸汽轮机叶片的强度与振动特性；

第二步，采用优化算法确定内部肋参数与叶片薄壁厚度以及拉筋内部肋参数与薄壁厚度；

第三步，采用金属3d打印技术制造叶型、围带以及叶根部分。

进一步的，根据第二步中的优化结果进行叶片三维造型，采用3d打印得到整体叶片，将其叶型、围带、拉筋部分与叶根部分分开，其中叶型与围带拉筋部分直接采用金属3d打印技术；而叶根部分首先采用3d打印技术制造初始模型，后采用精密机械加工进行精细加工；

在优化过程中，优化设计变量为叶片内部肋的参数，包括叶片薄壁厚度b，加强肋参数厚度t与数量n以及拉筋部分的薄壁厚度b’与加强肋厚度t’；以整体叶片的强度安全性为约束条件，以叶片总质量作为优化目标，采用启发式优化算法获得最优空心叶片内部结构以及拉筋空心结构；其中，最大应力可以利用叶片的3d模型进行有限元分析获得；启发式优化算法采用遗传算法、模拟粒子群算法或模拟退火算法；

在步骤三中：首先，根据第二步中的优化结果，在计算机上利用三维造型软件得到零件的三维实体模型，然后通过切片软件将叶片的三维造型进行切片与分层，获得各切片的模型轮廓数据，根据轮廓数据得到激光的填充扫描路径，选择合适的金属粉末，进行激光扫描；3d打印采用以下两种打印方案中一种：一种是薄壁部分采用钛合金，而内部肋选择使用高强度不锈钢；另一种是整体叶片采用高强度不锈钢，在叶片2/3以上高度到顶部的出汽边采用司太立合金打印。

本发明一种基于3d打印的蒸汽轮机末级空心叶片，包括以下步骤：

1)通过三维造型软件设计出符合需求的空心蒸汽轮机末级叶片内部肋结构，以保证空心蒸汽轮机叶片的强度与振动特性。

2)采用优化方法确定内部肋参数与蒸汽轮机叶片薄壁厚度以及拉筋部分的参数。

3)采用金属3d技术与精密机械加工技术制造叶型、围带以及叶根部分。

步骤1)中，首先以原蒸汽轮机末级叶片为原始造型，建立薄壁模型，使得从距叶根连接面一段距离内形成空心叶型部分。

步骤1)中，蒸汽轮机末级叶片空心部分的加强肋沿着叶片的扭转方向同向扭曲，根据叶片截面加强肋的形状，本发明提供了五种加强肋结构但并不局限于此。

步骤1)中，蒸汽轮机末级叶片的凸台拉筋部分同样采用空心结构，类比于叶片的空心结构，本发明提供一种空心结构但并不局限于此。

步骤2)中，采用优化思想对汽轮机叶片的空心造型与拉筋的空心结构进行优化计算，得到其限定情况下的最优结构。

步骤3)中。根据步骤2)中的优化结果进行叶片三维造型，采用3d打印得到整体蒸汽轮机叶片，将其叶型、围带部分与叶根部分分开，其中叶型与围带部分造型复杂且承受离心力较小，直接采用金属3d打印技术。而叶根部分因为承受较大负荷，加工精度要求较高，首先采用3d打印技术得到初始模型，然后采用精密机械加工，即使用定制的砂轮对叶根部分进行精磨至公差带内，并保证叶根表面粗糙度。

步骤3)中。末级叶片工作在湿蒸汽的环境中，受水蚀影响较大，本发明提供两种打印方案：一种方案是薄壁部分采用钛合金，而内部肋可以选择使用高强度不锈钢；另一种方案是整体叶片采用高强度不锈钢，在叶片2/3以上高度到顶部的出汽边采用司太立合金等打印。

本发明提出一种蒸汽轮机末级空心叶片结构，叶片整体采用3d打印技术，而承受巨大离心力的叶根部分经过3d打印后再采用传统的精密机械加工。与传统制造业相比，3d打印技术不需要制造模具，可以直接利用三维模型，采用光固化与纸层叠等技术直接打印出产品。其优点在于大大缩短生产周期，降低生产成本，且便于实现产品个性化。

而本发明提出的基于3d打印的蒸汽轮机末级叶片空心结构不仅可以大幅降低叶片的离心力，还可节省原材料从而保证叶根的强度，因此可提高蒸汽轮机末级叶片安全性与可靠性。同时，3d打印可根据需求选取不同的金属材料，本发明适当采用两种金属材料，如钛合金，司太立合金等与高强度不锈钢，利用钛合金，司太立合金等耐磨损、耐腐蚀以及耐高温特性，既可以保证强度，又能够有效防止蒸汽轮机末级叶片水蚀。

相对于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本发明提出了一种新型的空心蒸汽轮机末级长叶片结构。从工程角度来说，该结构在保证叶片强度安全性的同时减轻叶片总质量，降低叶片所受离心力；从经济角度来说，该结构减少原材料总量，降低了成本(2)在进行空心造型阶段，采用启发式优化算法得到最佳的薄壁与内部肋结构；(3)叶型部分空心结构，而叶根部分3d打印的同时采用精密机械加工，保证强度的同时降低生产周期，节省原材料；(4)在3d打印过程中薄壁处使用钛合金，内部肋使用高强度不锈钢，或在2/3高度以下采用高强度不锈钢，以上采用司太立合金。提高了末级叶片的耐腐蚀性。

综上所述，本发明提出的基于3d打印的蒸汽轮机末级空心叶片，可以适用于蒸汽轮机末级叶片的制造。在保证叶片强度安全性的同时，降低了叶片总质量，使得叶片所承受的离心力大幅降低；而多金属的使用可提高叶片的抗腐蚀能力。

附图说明：

图1是本发明制造流程图；

图2是本发明叶型空心薄壁造型示意图；

图3是本发明叶片空心结构剖视图；

图4是本发明叶型空心结构直线型内部加强肋示意图；

图5是本发明叶型空心结构辐射型加强肋示意图；

图6是本发明叶型空心结构“s”型内部加强肋示意图；

图7是本发明叶型空心结构蜂窝型内部加强肋示意图；

图8是本发明叶型空心结构空心圆柱结构示意图；其中图8(a)为规律排布，图8(b)为错位排布；

图9是本发明拉筋空心结构横截面示意图；

图10是本发明叶根表面粗糙度示意图；

图中代号含义：1-叶根；2-叶型实心底座区域；3-叶型空心快速增长区域；4-叶型空心主体区域；5-叶型实心叶顶部分6-拉筋；7-围带。

具体实施方式：

下面根据发明内容，与具体实例相结合，对其实施方法进行进一步详细说明。如下所述为对本发明的一种应用，但并不局限于此，实施人员可根据具体情况进行修改。

请参阅图2所示，本发明一种基于3d打印的蒸汽轮机末级空心叶片，包括叶根1、叶型10和围带5。叶根1的顶部连接叶型10的底部，叶型10的顶部设有围带5。叶型10的中部设有拉筋4。

叶型10内部形成有空腔100；空腔100的底部距离叶根1连接面的高度为h1，且20mm≤h1≤50mm；空腔100包括底部的叶型空心快速增长区域叶型空心主体区。叶型空心快速增长区域2高度h2，且10mm≤h2≤20mm；从空腔100顶部距离叶根1连接面高度h2到h3为空心主体区域4，该部分的叶型空心壁厚保持bmm不变，且3mm≤b≤10mm，h3可由叶片总高度减去h1和h2得到。

叶型空心快速增长区域2处有一个大圆角，其空心面积迅速增大，直至距离叶根1连接面的高度为h2，叶片进入叶型空心主体区域20，叶型空心主体区域20对应的叶型空心主体侧壁3的薄壁厚度为bmm。叶型快速增长区蒸汽轮机末级叶片为长扭叶片，扭曲程度较大，叶片空心部分的加强肋沿着叶片的扭转方向同向扭曲，根据叶片截面内部加强肋的形状，本发明提供了五种加强肋结构但并不局限于此，五种结构分别为直线型、辐射型、“s”型、“蜂窝芯”型与空心圆柱型。

直线型加强肋结构如图4所示，直线型加强肋6分别连接叶片的压力面背弧与吸力面内弧，以吸力面内弧曲率为基准，加强肋与内弧成垂直关系。而加强肋和背弧、内弧的连接部分采用圆角，降低该连接处的应力集中效应。直线型加强肋6等间距分布；直线型加强肋6厚度为tmm，1mm≤t≤5mm，数量为n。直线型加强肋结构简单，方便设计与制造。

辐射型加强肋结构如图5所示，以中间圆环圆心为中心，向四周辐射直线，与吸力面内弧、压力面背弧连接，在前缘点与后缘点附近区域设有垂直于内弧的折断线。圆环圆心为截面吸力面内弧与压力面背弧中点连线中点且圆环直径为内、背弧中间连线的二分之一。如图5所示，辐射线51，与内、背弧中间连线重合，连接压力面背弧与圆环，为起始直线，其余辐射线等角度分布，相邻直线夹角均为30°，且辐射直线的延长线均过圆环圆心。在与起始直线夹角分别为90°与270°的辐射直线与背弧相交于a、b两点，由a、b两点到前、后缘点为折断线的区域。n条折断线将辐射直线打断，垂直于并连接压力面背弧与吸力面内弧。圆环、辐射线与折断线的厚度均为tmm。蒸汽轮机末级叶片离心力较大，辐射型加强肋有利于分散叶片受力，提高叶片强度。

“s”型加强肋结构如图6所示，“s”型加强肋7分别由中间斜线部分71，中间斜线部分与背弧的圆弧连接部分72以及中间斜线部分与内弧的圆弧连接部分73组成，其中每一个中间斜线部分加强肋71与内弧连接处的垂直线均成θ度，加强肋厚度为tmm。加强肋与背弧、内弧的连接部分同样需进行圆角处理。如附图5所示，“s”型加强肋与内弧形成类型三角形状，稳定性较高，但该“s”型结构较为复杂。

蜂窝芯型内部肋结构如图7所示，蜂窝芯型内部肋8以叶型中线为主肋81，等间距分布有垂直于中线的副肋82，主肋与副肋厚度相同或不同，副肋的数量为n。主肋连接空心造型的内部前缘点与后缘点，副肋连接背弧与内弧。在主肋与副肋连接处、主肋与空心造型连接处以及副肋与背弧、内弧连接处均圆角连接。

空心圆柱型结构如图8所示，区别于其他类型空心结构，空心圆柱型叶片无整体空心主体区域20，分为两个部分，一是如上所述的薄壁结构部分，即蒸汽轮机末级叶片叶型部分减去空心主体区域20的部分；二是在空心主体区域20，现为实体部分，构建空心圆柱。空心圆柱采用两种排布方式，分别为如图8(a)的规律排布与如图8(b)的错落分布。规律分布即以中心圆柱810圆心为原点，其余空心圆柱按照叶片内弧中点切线方向与其垂直方向进行等距分布。圆柱直径为dmm，切线方向圆柱中心节距为l1mm,切线垂直方向圆柱中心节距为l2mm。错落分布即以中心圆柱820圆心为原点，其余空心圆柱按照叶片内弧中点切线方向与其垂直方向进行交叉分布，其交叉分布形式由参数l1mm与l2mm控制。

蒸汽轮机末级叶片的凸台拉筋4部分也可以采用空心结构，类比于叶型部分的加强肋结构，本发明提供了一种空心拉筋结构但并不局限于此。

设计时，首先对蒸汽轮机末级叶片拉筋4部分进行抽壳处理，得到薄壁厚度为b’mm的空心结构。在拉筋的空心模型中增加十字型加强肋41，其结构如附图9所示。该加强肋厚度为t’mm，分别由两根相互垂直的加强肋组成，其中一根与叶片的径向方向一致，而另一根与叶片的周向方向一致。拉筋剖视图如图3所示。

请参阅图1所示，本发明一种基于3d打印的蒸汽轮机末级空心叶片设计时，通过三维造型软件设计蒸汽轮机末级叶片的内部肋结构，采用启发式优化算法获得叶片空心结构的最优参数，采用3d打印技术与精密机械加工制造生产蒸汽轮机末级空心叶片，具体包括以下步骤：

第一步，通过三维造型软件设计出符合需求的空心蒸汽轮机末级叶片内部加强肋结构，以保证空心蒸汽轮机叶片的强度与振动特性。

第二步，采用优化算法确定内部肋参数与叶片薄壁厚度以及拉筋内部肋参数与薄壁厚度。

第三步，采用金属3d打印技术制造叶型、围带以及叶根部分。

根据第二步中的优化结果进行叶片三维造型，采用3d打印得到整体叶片，将其叶型、围带、拉筋(标号2-5)部分与叶根1部分分开，其中叶型与围带拉筋(标号2-5)部分造型复杂，直接采用金属3d打印技术。而叶根1部分因承受较大负荷，加工精度要求较高，首先采用3d打印技术制造初始模型，后采用精密机械加工进行精细加工。

在优化过程中，优化设计变量为叶片内部肋的参数，包括叶片薄壁厚度b，加强肋参数厚度t与数量n(“s”型内部肋为角度θ，空心圆柱型参数为直径dmm与分布控制参数l1mm与l2mm)以及拉筋部分的薄壁厚度b’与加强肋厚度t’。以整体叶片的强度安全性为约束条件，以叶片总质量作为优化目标，采用启发式优化算法获得最优空心叶片内部结构以及拉筋空心结构。其中，最大应力可以利用叶片的3d模型进行有限元分析获得；启发式优化算法可以采用遗传算法、模拟粒子群算法、模拟退火算法等。

在步骤三中：

首先，根据第二步中的优化结果，在计算机上利用三维造型软件得到零件的三维实体模型，然后通过切片软件将叶片的三维造型进行切片与分层，获得各切片的模型轮廓数据，根据轮廓数据得到激光的填充扫描路径，选择合适的金属粉末，进行激光扫描。

末级叶片工作在湿蒸汽的环境中，受水蚀影响较大，本发明提供两种打印方案：一种方案是薄壁部分采用钛合金，而内部肋可选择使用高强度不锈钢；另一种方案是整体叶片采用高强度不锈钢，在叶片2/3以上高度到顶部的出汽边采用司太立合金打印。

采用3d打印得到整体叶片，其中叶型与围带拉筋部分(2-5)造型复杂，直接采用金属3d打印技术。而叶根部分1因为承受较大负荷，加工精度要求较高，首先采用3d打印技术制造初始模型，然后采用精密机械加工。在叶根1的精密加工过程中，使用定制的砂轮将叶根1精磨至公差带内，并保证叶根1各齿的内圆角表面粗糙度满足1.6，而叶根1其他部分表面粗糙度应满足3.2。