一种扭曲叶片闭式叶轮机加工工艺分析

1国内研究现状

目前低振动噪声、高效叶片通常采用增加叶片数、扭曲叶片设计方法,叶片空间扭曲大、叶片数量多的叶轮采用传统开模具铸造方式往往难以实现,且铸造叶轮成本高、生产周期长、精准度低、表面粗糙,通过开模具铸造生产叶轮精度低,一致性差,不适用于叶轮精准制造,更不适用于低振动噪声高效叶轮水泵生产。

通过冲压工艺可完成叶片制作并铆焊在前后盖板上,但冲压工艺仅能够完成弯曲度不高的直叶片加工,无法完成空间扭曲较大的叶片加工,且多个叶片铆焊点增加了流道内阻力,影响了叶轮水力性能和振动性能。

通过3D打印机完成金属叶轮3D打印,该方法能够很好地保证产品与设计一致性,加工周期短,但费用非常昂贵,目前3D打印金属叶轮工艺尚未市场化。

叶轮主体通过整体铣工艺机加工而成,通过将前盖板与叶片前缘与尾缘局部焊接,可实现闭式叶轮制作。但针对叶片总数较多、叶片扭曲大的叶轮主体,由于叶片之间间距过小、叶片扭曲大,叶轮主体无法通过整体铣工艺完成:其次,由于整体铣叶轮与前盖板通过局部焊接,焊缝在叶轮长时间运行过程中容易受到腐蚀而开裂,导致叶轮主体与前盖板分裂,且焊缝尾缘在叶轮流道内部,影响叶轮水力性能:由于整体铣制的叶轮主体与前盖板焊接成型后,前盖板与叶片之间存在缝隙,存在流体泄漏,会降低叶轮水力性能。因此,该方法还有待改进。

随着水泵叶轮设计水平和客户要求的提高,对水泵叶轮制造工艺要求越来越高,低振动设计的水泵叶轮对叶轮内部细节要求非常高,对流道内外表面的光滑程度要求非常高,因此制造工艺满足设计要求,才能完全将低振动设计的优势体现出来。低振动叶轮叶片通常空间扭曲大,采用常规的机加工或铸造工艺很难实现加工,因此需开发一种新的低振动水泵闭式叶轮制造工艺,既能使金属叶轮结构与设计结构保持一致,又能保证叶轮焊缝强度和可靠性,使该工艺满足水泵的性能和可靠性使用要求。

2叶轮机加工工艺说明

该加工工艺通过叶轮三维模型设计输入,将叶轮按照叶片数分组,通过五轴联动铣加工完成一组叶轮主体的制造,再通过在各组叶轮外表面对齐、焊接,完成水泵闭式叶轮整体制造。

具体实施方法:将叶轮按照叶片数分组,将叶片(主叶片和分流叶片按照一组划分）和对应的前盖板和后盖板作为一组(图1、图2）进行整体铣机加工,最后在叶轮外侧焊接,将各组叶轮连接在一起(图3）,焊缝数量根据实际叶轮数量确定。

3工艺先进性

该工艺的先进性体现为:

(1）保证空间扭曲大、叶片数较多的叶片可以通过分组加工的方式完成机加工,解决整体无法加工的难题:通过在叶轮外表面焊接的方式将各组叶片焊接在一起,可以增加焊缝的长度和宽度,保证焊缝的强度和可靠性,而不影响叶轮内部的流场流动。

(2）将前盖板、叶片和后盖板作为一组进行机加工,可以实现三者之间无缝隙,避免了由于整体铣制的叶轮主体与前盖板焊接成型后前盖板与叶片之间存在缝隙,发生流体泄漏的情况。

(3）该工艺叶轮制作采用机加工完成,制作出来的叶轮具备机加工优点:表面光滑、质量分布均匀,叶片厚度可以减至1.5～2mm,流动性能得到大幅度提升,内外结构与设计模型一致,能够很好地保证设计性能的实现,制造周期短,适用于小批量定制。

3结语

本文介绍了一种水泵扭曲叶片闭式叶轮机加工工艺,通过将叶轮按照叶片数分组铣制制造、焊接组合,完成水泵闭式叶轮整体制造,弥补了目前国内各种大扭曲叶片闭式叶轮制造方法的不足,为特殊高精尖领域叶轮制造提供了工艺参考。