一种带圆角结构的分瓣式水轮机模型转轮及其制造方法与流程

本发明涉及水轮机模型转轮技术领域，尤其涉及一种带圆角结构的分瓣式水轮机模型转轮及其制造方法。

背景技术：

用于水力性能试验的模型转轮研制是水电站核心部件水轮机水力开发的重要手段，高性能的水轮机转轮有效保障了水电站高效稳定运行。水力试验需要获得各种水力性能参数，包括转轮的效率、空化、压力脉动、叶道涡等性能，为获得准确可靠的性能参数，需要制造出与水力设计相符合的试验用模型转轮。

目前水电站水力研发试验用模型转轮结构采用上冠、下环与分瓣式叶片组合装配的结构：利用数控车床加工上冠、下环，利用多轴数控加工中心加工上冠、下环定位销孔和把合孔，而分瓣式叶片采用五轴联动数控加工中心同时铣削出叶片型线及定位销孔和螺纹孔，然后通过定位销及螺钉将三者紧密装配成整体。

国家知识产权局于2017年08月25日公开了申请号为cn201710363691.5，名称为具有可铸造性的透平机械叶轮的三维设计方法的发明专利，公开了一种具有可铸造性的透平机械叶轮的三维设计方法，包括如下步骤：1)根据设计需求，确定叶轮的轮盘的子午面型线和轮盖的子午面型线；2)在步骤1)得到的子午面上，构造第一子午流线、第二子午流线和第三子午流线，用来控制叶轮的叶片的空间扭曲形状，所述第一子午流线为轮盖流线、与轮盖的子午面型线重合，所述第三子午流线为轮盘流线、与轮盘的子午面型线重合；所述第二子午流线为中间流线、设置在第一子午流线和第三子午流线之间；3)设计叶轮的叶片的型线，所述第三子午流线上的叶片安装角和叶片厚度的分布则是根据所形成的三维空间扭曲叶片的可铸造性来确定；4)形成具有可铸造性的透平机械三维叶轮。

国家知识产权局于2014年07月23日公开了申请号为cn201410025870.4，名称为水轮机转轮或水泵水轮机转轮及其制造方法的发明专利，公开了水轮机转轮或水泵水轮机转轮的制造方法，在上冠以及下环的至少一方一体地设置短柱，该短柱构成包含转轮叶片的叶根r部的转轮叶片端部。与上冠以及下环相独立地制作转轮叶片中除了上述转轮叶片端部以外的转轮叶片部，将该转轮叶片部焊接于上述短柱。作为被彼此焊接起来的短柱以及转轮叶片部，使用使短柱以及转轮叶片部中的任一方的端部的厚度比另一方的端部的厚度大，且在另一方的端面设置了坡口的结构来实施焊接。

现有技术方案为叶片与下环联接后采用结构胶进行粘接，然后钳工修型出叶片与下环面相交接的根部圆角，并清理出多余的结构胶。这种技术方案存在的缺点为：

1、采用钳工修型加工出的叶片根部圆角大小不一，影响水力效率、空化、压力脉动、叶道涡等性能。

2、结构胶经过水力性能试验的水力冲击后，容易发生结构胶脱落现象，同样影响水力效率、空化、压力脉动、叶道涡等性能。

3、分瓣式叶片与下环面粘接用的结构胶为工业化学原料，对环境造成一定的污染。

4、由于分瓣式叶片形状扭曲，与下环装配后空间狭小，导致该区域难以采用结构胶进行粘接。

技术实现要素：

本发明旨在解决现有技术中叶片根部圆角大小不一、结构胶脱落造成叶片与下环分离、结构胶带来的环境问题以及叶片形状扭曲带来的装配困难等一系列问题，本发明提出了一种带圆角结构的分瓣式水轮机模型转轮及其制造方法，能够让叶片根部的圆角大小一致，不再使用勾胶和锡焊工艺。

本发明采用的技术方案如下：

一种带圆角结构的分瓣式水轮机模型转轮，包括上冠、分瓣式叶片和下环；所述上冠包括一圆盘，所述圆盘的中心设置有带有键槽的轴孔，轴孔用以与试验主轴相连接，传递动力。所述圆盘的盘面上设置有用以安装分瓣式叶片的一个沉槽；所述分瓣式叶片包括上冠连接部和叶片；所述上冠连接部平面上设置有与上冠把合的定位销孔和螺纹通孔，所述叶片与所述下环连接的部分为下环连接面；所述下环连接面上设置有与下环把合的定位销孔和螺纹通孔；所述下环为一环状结构，所述下环上设置有与叶片把合的定位销孔和螺纹通孔；所述叶片与所述下环相交处设置有圆角结构；所述圆角结构为叶片端部向两侧延伸的圆角；所述圆角结构圆角半径为2～5mm。

本发明的沉槽为圆形，且以所述圆盘的中心为圆心。

本发明的沉槽内均匀设置有定位销孔和螺纹通孔；所述定位销孔和所述螺纹通孔的位置与分瓣式叶片上的定位销孔和螺纹通孔相对应。

本发明的上冠连接部和叶片一体成型。

本发明的上冠、分瓣式叶片和下环均采用铸铝青铜材料制成。

本发明还提供了一种的带圆角结构的分瓣式水轮机模型转轮的制造方法，包括以下步骤：

a.建立分瓣式叶片模型

通过曲线网格建立分瓣式叶片数字模型。

b.建立下环模型

以需要制造的水轮机模型转轮的中心线为轴线，将水轮机模型转轮的下环型线进行回转，建立下环数字模型。

c.建立圆角结构的模型

在分瓣式叶片模型和下环模型之间建立圆角结构模型，圆角结构模型的半径为2～5mm；

d.加工部件

将叶片模型、上冠连接部模型和圆角结构模型加工成分瓣式叶片；加工下环；加工上冠。

e.组装

将所述分瓣式叶片与所述上冠把合；将所述分瓣式叶片与所述下环把合；得到带圆角结构的分瓣式水轮机模型转轮。

进一步地，本发明在步骤a中，曲线网格建立分瓣式叶片模型的具体步骤包括：通过曲线网格建立叶片数字模型；通过内轮毂型线绕转轮中心线回转建立内轮毂体的数字模型；按照模型转轮的叶片数量将内轮毂数字模型进行等体积拆分得到上冠连接部的数字模型；将上冠连接部的数字模型和叶片数字模型进行组合，成为一个整体，形成分瓣式叶片数字模型。

进一步地，本发明在步骤b中，所述回转为以转轮中心线为回转中心轴线，以转轮下环型线及外轮廓线为母线，360度回转形成的环状结构。

进一步地，本发明在步骤c中，根据步骤a和步骤b中建立的分瓣式叶片数字模型和下环数字模型进行组合成为一个整体数字模型，然后在它们相交的部分进行倒圆角加工，圆角半径为2～5mm。

进一步地，本发明在步骤d中，通过五轴加工中心铣削分瓣式叶片模型和下环模型；通过半径为2～5mm的球头铣刀加工出圆角结构。圆角结构为向一侧弯曲成圆角的卷边结构，能够增加分瓣式叶片和下环之间的接触面积。

进一步地，本发明在步骤e中，所述上冠上设置有定位销孔和螺纹通孔；所述分瓣式叶片通过定位销和螺钉与上冠把合；所述下环设置有定位销孔和螺纹通孔；所述分瓣式叶片通过定位销和螺钉与下环把合。

本发明带来的有益效果有：

（一）本发明提出了一种带圆角结构的分瓣式水轮机模型转轮，现有的水轮机模型转轮采用的是钳工修型加工圆角结构，该圆角结构出容易大小不一致。本发明通过曲线网格建立分瓣式叶片模型，在分瓣式叶片模型和下环模型之间建立圆角结构模型，然后再加工出来。根据叶片水力开发的设计要求和加工条件限制，通过该种模型-加工的方式，严格控制了圆角结构的圆角半径在2～5mm之间，减少因圆角结构大小不一对水力效率、空化、压力脉动、叶道涡等性能的影响。

（二）本发明设计了带圆角结构的分瓣式叶片，上冠上设置有定位销孔和螺纹通孔；分瓣式叶片通过定位销和螺钉与上冠把合；下环设置有定位销孔和螺纹通孔；分瓣式叶片通过定位销和螺钉与下环把合。本发明不再需要勾胶和锡焊工艺来进行上冠、下环和分瓣式叶片的组装，避免了模型转轮经过水力试验后出现的脱胶、裂纹等现象，提高了模型转轮的整体制造质量。

（三）本发明提出了带圆角结构的分瓣式叶片及加工工艺，增加了分瓣式叶片与下环的接触面积，增强了水轮机模型转轮的整体刚性。

（四）本发明在建立了上冠模型、分瓣式叶片模型、下环模型和圆角结构模型后，创新了转轮及转轮下环五轴打孔工艺，确保了模型转轮下环的安装位置，保证了转轮装配的开口值，提到了模型转轮的装配精度。利用五轴数控机床打孔可以有效保证叶片及下环上定位销孔的位置精度，相比其他手工装配精度要高得多，所以五轴打孔工艺保证了开口值。

附图说明

图1为带圆角结构的分瓣式水轮机模型转轮的结构示意图。

图2为本发明的上冠的结构示意图。

图3为本发明的上冠的剖视示意图。

图4为本发明的分瓣式叶片的结构示意图。

图5为本发明的下环的结构示意图。

图6为本发明的圆角结构的示意图。

其中，1、上冠，2、分瓣式叶片,3、下环，4、圆盘，5、轴孔，6、沉槽；7、上冠连接部，8、叶片，9、定位销孔，10、螺纹通孔，11、下环连接面，12、圆角结构，13、键槽。

具体实施方式

实施例1

如图1所示：本发明提供了一种带圆角结构的分瓣式水轮机模型转轮，包括上冠1、分瓣式叶片2和下环3。

如图2和图3所示：本发明的上冠1为采用铸锡青铜材料制成的圆盘4结构，中心为带有键槽13的轴孔5，盘面上带有安装分瓣式叶片2的沉槽6，沉槽6里面根据分瓣式叶片2数量均匀分布有定位销孔9和螺纹通孔10，其位置与分瓣式叶片2上的定位销孔9和螺纹通孔10相对应。

定位销销孔9和螺纹通孔10可以交替布置，其作用是为了让上冠1和分瓣式叶片2把合。

如图4所示：本发明的分瓣式叶片2采用铸铝青铜材料制成，由叶片8与上冠连接部7组成的一个整体结构，上冠连接部7的平面上有与上冠1把合的螺纹通孔10和定位销孔9，叶片8与下环3连接的部分为下环连接面11；下环连接面11上有与下环3把合的螺纹通孔10和定位销孔9。

如图5所示：本发明的下环3采用铸锡青铜材料制成，它是以转轮中心线为回转中心轴线，以转轮外轮毂型线及外轮廓线为母线，360度回转形成的环状结构，外轮毂型线绕中心线回转形成的表面称为下环3内表面。下环3上有与叶片8把合的螺钉的通孔和定位销孔9，用于下环3与叶片8相连接。

如图6所示：本发明的所述分瓣式叶片2与所述下环3相交处设置有圆角结构12；所述圆角结构12为叶片8端部向两侧延伸的圆角；所述圆角结构12圆角半径为2～5mm。

实施例2

本发明还提供了一带圆角结构的分瓣式水轮机模型转轮的制造方法，包括以下步骤：

a.建立分瓣式叶片2模型

通过曲线网格建立分瓣式叶片2数字模型。

曲线网格建立分瓣式叶片2模型的具体步骤包括：通过曲线网格建立叶片8的数字模型；通过内轮毂型线绕转轮中心线回转建立内轮毂体的数字模型；按照模型转轮的叶片8数量将内轮毂数字模型进行等体积拆分得到上冠连接部7的数字模型；将上冠连接部7的数字模型和叶片8数字模型进行组合，成为一个整体，形成分瓣式叶片2数字模型。

b.建立下环3模型

以需要制造的水轮机模型转轮的中心线为轴线，将水轮机模型转轮的下环3型线进行回转，建立下环3内表面数字模型。

该中心线是一个虚拟的线，和圆柱体的中心线一个概念，在建立转轮数字模型时就存在了，是模型转轮的一个基准。

下环3内表面数字模型只是下环3型线绕中心线回转形成的表面，是一个面；而下环3的数字模型是下环3型线及外轮廓线绕中心线回转形成的实体，是一个立体结构。

所述回转为以转轮中心线为回转中心轴线，以转轮下环3型线及外轮廓线为母线，360度回转形成的环状结构。

c.建立圆角结构12的模型

根据步骤a和步骤b中建立的分瓣式叶片2数字模型和下环3数字模型进行组合成为一个整体数字模型，在分瓣式叶片2模型和下环3模型之间建立圆角结构模型，圆角结构模型的半径为2～5mm。

d.加工部件

将叶片8模型、上冠连接部7模型和圆角结构12模型加工成分瓣式叶片2；加工下环3；加工上冠1；

本发明通过数控铣床铣削分瓣式叶片2模型；通过数控车床加工出下环3模型；通过半径为2～5mm的球头铣刀加工出圆角结构12。

本发明的上冠1不需要建立数字模型，采用机械加工工艺进行加工：先在车床上加工外形，再在数控铣床上加工定位销孔9和把合螺钉的通孔10。

e.组装

将所述分瓣式叶片2与所述上冠1把合；将所述分瓣式叶片2与所述下环3把合；得到带圆角结构的分瓣式水轮机模型转轮。

所述上冠1上设置有定位销孔9和螺纹通孔10；所述分瓣式叶片2通过定位销和螺钉与上冠1把合；所述下环3设置有定位销孔9和螺纹通孔10；所述分瓣式叶片2通过定位销和螺钉与下环3把合。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。