技術領域：

本發(fā)明涉及蒸汽輪機末級長葉片領域，特別提供了一種基于3d打印的蒸汽輪機末級空心葉片。

背景技術：
：

蒸汽輪機作為能源轉(zhuǎn)換的重要設備，在現(xiàn)代社會中扮演著至關重要的角色，保證蒸汽輪機的安全運行具有重要的意義。葉片作為蒸汽輪機能量轉(zhuǎn)換的關鍵部件，關系到整個機組的安全運行。由于蒸汽輪機葉片長期工作于高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速等環(huán)境中，而承受了離心力、穩(wěn)態(tài)氣流力、氣流激振力等復雜載荷，尤其是葉片在離心力作用下的強度安全性是葉片設計的核心任務之一。隨著現(xiàn)代蒸汽輪機朝著大容量高參數(shù)的方向發(fā)展，蒸汽輪機進口溫度和壓力進一步提高，通流面積進一步增大，末級葉片越來越長，目前設計的最長末級葉片甚至已經(jīng)接近2m，蒸汽輪機葉片在工作條件下承受了更大的氣流力和離心力，對葉片的強度要求越來越高，傳統(tǒng)的葉片制造方法已經(jīng)無法適應于這些新的要求，蒸汽輪機葉片的設計、制造面臨巨大的挑戰(zhàn)。

技術實現(xiàn)要素：
：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于3d打印的蒸汽輪機末級空心葉片及其制備方法，以解決上述技術問題。本發(fā)明通過構建蒸汽輪機末級葉片的空心結構，并采用3d打印方法與精密機械加工結合的制造方法，在保證葉片強度安全性要求的同時，能夠有效降低蒸汽輪機末級葉片離心力，提高其安全性與可靠性，而3d打印技術的應用進一步縮減生產(chǎn)周期，減少蒸汽輪機末級葉片所需的原材料。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種基于3d打印的蒸汽輪機末級空心葉片，包括葉根、葉型和圍帶；葉根的頂部連接葉型的底部，葉型的頂部設有圍帶；葉型的中部設有拉筋；葉型內(nèi)部形成有空腔；空腔中設有加強肋結構。

進一步的，空腔的底部距離葉根連接面的高度為h1，且20mm≤h1≤50mm；空腔包括底部的葉型空心快速增長區(qū)域葉型空心主體區(qū)；葉型空心快速增長區(qū)域高度h2，且10mm≤h2≤20mm；從空腔頂部距離葉根連接面高度h2到h3為空心主體區(qū)域，該部分的葉型空心壁厚保持bmm不變，且3mm≤b≤10mm，h3由葉片總高度減去h1和h2得到。

進一步的，所述加強肋結構為直線型加強肋結構；直線型加強肋分別連接葉片的壓力面背弧與吸力面內(nèi)弧，以吸力面內(nèi)弧曲率為基準，加強肋與內(nèi)弧成垂直關系；而加強肋和背弧、內(nèi)弧的連接部分采用圓角；直線型加強肋等間距分布。

進一步的，所述加強肋結構為輻射型加強肋結構；輻射型加強肋結構以中間圓環(huán)圓心為中心，向四周輻射直線，與吸力面內(nèi)弧、壓力面背弧連接，在前緣點與后緣點附近區(qū)域設有垂直于內(nèi)弧的折斷線；圓環(huán)圓心為截面吸力面內(nèi)弧與壓力面背弧中點連線中點且圓環(huán)直徑為內(nèi)、背弧中間連線的二分之一；第一輻射線與內(nèi)、背弧中間連線重合，連接壓力面背弧與圓環(huán)，為起始直線，其余輻射線等角度分布，相鄰直線夾角均為30°，且輻射直線的延長線均過圓環(huán)圓心。

進一步的，所述加強肋結構為s型加強肋結構，s型加強肋結構的s型加強肋分別由中間斜線部分，中間斜線部分與背弧的圓弧連接部分以及中間斜線部分與內(nèi)弧的圓弧連接部分組成，其中每一個中間斜線部分加強肋與內(nèi)弧連接處的垂直線均成θ度；加強肋與背弧、內(nèi)弧的連接部分進行圓角處理；s型加強肋與內(nèi)弧形成類三角形狀。

進一步的，所述加強肋結構為蜂窩芯型內(nèi)部肋結構；蜂窩芯型內(nèi)部肋結構的蜂窩芯型內(nèi)部肋以葉型中線為主肋，等間距分布有垂直于中線的副肋，主肋與副肋厚度相同或不同；主肋連接空心造型的內(nèi)部前緣點與后緣點，副肋連接背弧與內(nèi)弧；在主肋與副肋連接處、主肋與空心造型連接處以及副肋與背弧、內(nèi)弧連接處均圓角連接。

進一步的，所述加強肋結構為空心圓柱型結構；空心圓柱型結構中的空心圓柱采用兩種排布方式，分別為規(guī)律排布與錯落分布。

進一步的，拉筋采用空心結構，空心結構中設有十字型加強肋，十字型加強肋中一根與葉片的徑向方向一致，而另一根與葉片的周向方向一致。

一種基于3d打印的蒸汽輪機末級空心葉片的制備方法，包括：

第一步，通過三維造型軟件設計出符合需求的空心蒸汽輪機末級葉片內(nèi)部加強肋結構，以保證空心蒸汽輪機葉片的強度與振動特性；

第二步，采用優(yōu)化算法確定內(nèi)部肋參數(shù)與葉片薄壁厚度以及拉筋內(nèi)部肋參數(shù)與薄壁厚度；

第三步，采用金屬3d打印技術制造葉型、圍帶以及葉根部分。

進一步的，根據(jù)第二步中的優(yōu)化結果進行葉片三維造型，采用3d打印得到整體葉片，將其葉型、圍帶、拉筋部分與葉根部分分開，其中葉型與圍帶拉筋部分直接采用金屬3d打印技術；而葉根部分首先采用3d打印技術制造初始模型，后采用精密機械加工進行精細加工；

在優(yōu)化過程中，優(yōu)化設計變量為葉片內(nèi)部肋的參數(shù)，包括葉片薄壁厚度b，加強肋參數(shù)厚度t與數(shù)量n以及拉筋部分的薄壁厚度b’與加強肋厚度t’；以整體葉片的強度安全性為約束條件，以葉片總質(zhì)量作為優(yōu)化目標，采用啟發(fā)式優(yōu)化算法獲得最優(yōu)空心葉片內(nèi)部結構以及拉筋空心結構；其中，最大應力可以利用葉片的3d模型進行有限元分析獲得；啟發(fā)式優(yōu)化算法采用遺傳算法、模擬粒子群算法或模擬退火算法；

在步驟三中：首先，根據(jù)第二步中的優(yōu)化結果，在計算機上利用三維造型軟件得到零件的三維實體模型，然后通過切片軟件將葉片的三維造型進行切片與分層，獲得各切片的模型輪廓數(shù)據(jù)，根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)得到激光的填充掃描路徑，選擇合適的金屬粉末，進行激光掃描；3d打印采用以下兩種打印方案中一種：一種是薄壁部分采用鈦合金，而內(nèi)部肋選擇使用高強度不銹鋼；另一種是整體葉片采用高強度不銹鋼，在葉片2/3以上高度到頂部的出汽邊采用司太立合金打印。

本發(fā)明一種基于3d打印的蒸汽輪機末級空心葉片，包括以下步驟：

1)通過三維造型軟件設計出符合需求的空心蒸汽輪機末級葉片內(nèi)部肋結構，以保證空心蒸汽輪機葉片的強度與振動特性。

2)采用優(yōu)化方法確定內(nèi)部肋參數(shù)與蒸汽輪機葉片薄壁厚度以及拉筋部分的參數(shù)。

3)采用金屬3d技術與精密機械加工技術制造葉型、圍帶以及葉根部分。

步驟1)中，首先以原蒸汽輪機末級葉片為原始造型，建立薄壁模型，使得從距葉根連接面一段距離內(nèi)形成空心葉型部分。

步驟1)中，蒸汽輪機末級葉片空心部分的加強肋沿著葉片的扭轉(zhuǎn)方向同向扭曲，根據(jù)葉片截面加強肋的形狀，本發(fā)明提供了五種加強肋結構但并不局限于此。

步驟1)中，蒸汽輪機末級葉片的凸臺拉筋部分同樣采用空心結構，類比于葉片的空心結構，本發(fā)明提供一種空心結構但并不局限于此。

步驟2)中，采用優(yōu)化思想對汽輪機葉片的空心造型與拉筋的空心結構進行優(yōu)化計算，得到其限定情況下的最優(yōu)結構。

步驟3)中。根據(jù)步驟2)中的優(yōu)化結果進行葉片三維造型，采用3d打印得到整體蒸汽輪機葉片，將其葉型、圍帶部分與葉根部分分開，其中葉型與圍帶部分造型復雜且承受離心力較小，直接采用金屬3d打印技術。而葉根部分因為承受較大負荷，加工精度要求較高，首先采用3d打印技術得到初始模型，然后采用精密機械加工，即使用定制的砂輪對葉根部分進行精磨至公差帶內(nèi)，并保證葉根表面粗糙度。

步驟3)中。末級葉片工作在濕蒸汽的環(huán)境中，受水蝕影響較大，本發(fā)明提供兩種打印方案：一種方案是薄壁部分采用鈦合金，而內(nèi)部肋可以選擇使用高強度不銹鋼；另一種方案是整體葉片采用高強度不銹鋼，在葉片2/3以上高度到頂部的出汽邊采用司太立合金等打印。

本發(fā)明提出一種蒸汽輪機末級空心葉片結構，葉片整體采用3d打印技術，而承受巨大離心力的葉根部分經(jīng)過3d打印后再采用傳統(tǒng)的精密機械加工。與傳統(tǒng)制造業(yè)相比，3d打印技術不需要制造模具，可以直接利用三維模型，采用光固化與紙層疊等技術直接打印出產(chǎn)品。其優(yōu)點在于大大縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，且便于實現(xiàn)產(chǎn)品個性化。

而本發(fā)明提出的基于3d打印的蒸汽輪機末級葉片空心結構不僅可以大幅降低葉片的離心力，還可節(jié)省原材料從而保證葉根的強度，因此可提高蒸汽輪機末級葉片安全性與可靠性。同時，3d打印可根據(jù)需求選取不同的金屬材料，本發(fā)明適當采用兩種金屬材料，如鈦合金，司太立合金等與高強度不銹鋼，利用鈦合金，司太立合金等耐磨損、耐腐蝕以及耐高溫特性，既可以保證強度，又能夠有效防止蒸汽輪機末級葉片水蝕。

相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明提出了一種新型的空心蒸汽輪機末級長葉片結構。從工程角度來說，該結構在保證葉片強度安全性的同時減輕葉片總質(zhì)量，降低葉片所受離心力；從經(jīng)濟角度來說，該結構減少原材料總量，降低了成本(2)在進行空心造型階段，采用啟發(fā)式優(yōu)化算法得到最佳的薄壁與內(nèi)部肋結構；(3)葉型部分空心結構，而葉根部分3d打印的同時采用精密機械加工，保證強度的同時降低生產(chǎn)周期，節(jié)省原材料；(4)在3d打印過程中薄壁處使用鈦合金，內(nèi)部肋使用高強度不銹鋼，或在2/3高度以下采用高強度不銹鋼，以上采用司太立合金。提高了末級葉片的耐腐蝕性。

綜上所述，本發(fā)明提出的基于3d打印的蒸汽輪機末級空心葉片，可以適用于蒸汽輪機末級葉片的制造。在保證葉片強度安全性的同時，降低了葉片總質(zhì)量，使得葉片所承受的離心力大幅降低；而多金屬的使用可提高葉片的抗腐蝕能力。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明制造流程圖；

圖2是本發(fā)明葉型空心薄壁造型示意圖；

圖3是本發(fā)明葉片空心結構剖視圖；

圖4是本發(fā)明葉型空心結構直線型內(nèi)部加強肋示意圖；

圖5是本發(fā)明葉型空心結構輻射型加強肋示意圖；

圖6是本發(fā)明葉型空心結構“s”型內(nèi)部加強肋示意圖；

圖7是本發(fā)明葉型空心結構蜂窩型內(nèi)部加強肋示意圖；

圖8是本發(fā)明葉型空心結構空心圓柱結構示意圖；其中圖8(a)為規(guī)律排布，圖8(b)為錯位排布；

圖9是本發(fā)明拉筋空心結構橫截面示意圖；

圖10是本發(fā)明葉根表面粗糙度示意圖；

圖中代號含義：1-葉根；2-葉型實心底座區(qū)域；3-葉型空心快速增長區(qū)域；4-葉型空心主體區(qū)域；5-葉型實心葉頂部分6-拉筋；7-圍帶。

具體實施方式：

下面根據(jù)發(fā)明內(nèi)容，與具體實例相結合，對其實施方法進行進一步詳細說明。如下所述為對本發(fā)明的一種應用，但并不局限于此，實施人員可根據(jù)具體情況進行修改。

請參閱圖2所示，本發(fā)明一種基于3d打印的蒸汽輪機末級空心葉片，包括葉根1、葉型10和圍帶5。葉根1的頂部連接葉型10的底部，葉型10的頂部設有圍帶5。葉型10的中部設有拉筋4。

葉型10內(nèi)部形成有空腔100；空腔100的底部距離葉根1連接面的高度為h1，且20mm≤h1≤50mm；空腔100包括底部的葉型空心快速增長區(qū)域葉型空心主體區(qū)。葉型空心快速增長區(qū)域2高度h2，且10mm≤h2≤20mm；從空腔100頂部距離葉根1連接面高度h2到h3為空心主體區(qū)域4，該部分的葉型空心壁厚保持bmm不變，且3mm≤b≤10mm，h3可由葉片總高度減去h1和h2得到。

葉型空心快速增長區(qū)域2處有一個大圓角，其空心面積迅速增大，直至距離葉根1連接面的高度為h2，葉片進入葉型空心主體區(qū)域20，葉型空心主體區(qū)域20對應的葉型空心主體側壁3的薄壁厚度為bmm。葉型快速增長區(qū)蒸汽輪機末級葉片為長扭葉片，扭曲程度較大，葉片空心部分的加強肋沿著葉片的扭轉(zhuǎn)方向同向扭曲，根據(jù)葉片截面內(nèi)部加強肋的形狀，本發(fā)明提供了五種加強肋結構但并不局限于此，五種結構分別為直線型、輻射型、“s”型、“蜂窩芯”型與空心圓柱型。

直線型加強肋結構如圖4所示，直線型加強肋6分別連接葉片的壓力面背弧與吸力面內(nèi)弧，以吸力面內(nèi)弧曲率為基準，加強肋與內(nèi)弧成垂直關系。而加強肋和背弧、內(nèi)弧的連接部分采用圓角，降低該連接處的應力集中效應。直線型加強肋6等間距分布；直線型加強肋6厚度為tmm，1mm≤t≤5mm，數(shù)量為n。直線型加強肋結構簡單，方便設計與制造。

輻射型加強肋結構如圖5所示，以中間圓環(huán)圓心為中心，向四周輻射直線，與吸力面內(nèi)弧、壓力面背弧連接，在前緣點與后緣點附近區(qū)域設有垂直于內(nèi)弧的折斷線。圓環(huán)圓心為截面吸力面內(nèi)弧與壓力面背弧中點連線中點且圓環(huán)直徑為內(nèi)、背弧中間連線的二分之一。如圖5所示，輻射線51，與內(nèi)、背弧中間連線重合，連接壓力面背弧與圓環(huán)，為起始直線，其余輻射線等角度分布，相鄰直線夾角均為30°，且輻射直線的延長線均過圓環(huán)圓心。在與起始直線夾角分別為90°與270°的輻射直線與背弧相交于a、b兩點，由a、b兩點到前、后緣點為折斷線的區(qū)域。n條折斷線將輻射直線打斷，垂直于并連接壓力面背弧與吸力面內(nèi)弧。圓環(huán)、輻射線與折斷線的厚度均為tmm。蒸汽輪機末級葉片離心力較大，輻射型加強肋有利于分散葉片受力，提高葉片強度。

“s”型加強肋結構如圖6所示，“s”型加強肋7分別由中間斜線部分71，中間斜線部分與背弧的圓弧連接部分72以及中間斜線部分與內(nèi)弧的圓弧連接部分73組成，其中每一個中間斜線部分加強肋71與內(nèi)弧連接處的垂直線均成θ度，加強肋厚度為tmm。加強肋與背弧、內(nèi)弧的連接部分同樣需進行圓角處理。如附圖5所示，“s”型加強肋與內(nèi)弧形成類型三角形狀，穩(wěn)定性較高，但該“s”型結構較為復雜。

蜂窩芯型內(nèi)部肋結構如圖7所示，蜂窩芯型內(nèi)部肋8以葉型中線為主肋81，等間距分布有垂直于中線的副肋82，主肋與副肋厚度相同或不同，副肋的數(shù)量為n。主肋連接空心造型的內(nèi)部前緣點與后緣點，副肋連接背弧與內(nèi)弧。在主肋與副肋連接處、主肋與空心造型連接處以及副肋與背弧、內(nèi)弧連接處均圓角連接。

空心圓柱型結構如圖8所示，區(qū)別于其他類型空心結構，空心圓柱型葉片無整體空心主體區(qū)域20，分為兩個部分，一是如上所述的薄壁結構部分，即蒸汽輪機末級葉片葉型部分減去空心主體區(qū)域20的部分；二是在空心主體區(qū)域20，現(xiàn)為實體部分，構建空心圓柱?？招膱A柱采用兩種排布方式，分別為如圖8(a)的規(guī)律排布與如圖8(b)的錯落分布。規(guī)律分布即以中心圓柱810圓心為原點，其余空心圓柱按照葉片內(nèi)弧中點切線方向與其垂直方向進行等距分布。圓柱直徑為dmm，切線方向圓柱中心節(jié)距為l1mm,切線垂直方向圓柱中心節(jié)距為l2mm。錯落分布即以中心圓柱820圓心為原點，其余空心圓柱按照葉片內(nèi)弧中點切線方向與其垂直方向進行交叉分布，其交叉分布形式由參數(shù)l1mm與l2mm控制。

蒸汽輪機末級葉片的凸臺拉筋4部分也可以采用空心結構，類比于葉型部分的加強肋結構，本發(fā)明提供了一種空心拉筋結構但并不局限于此。

設計時，首先對蒸汽輪機末級葉片拉筋4部分進行抽殼處理，得到薄壁厚度為b’mm的空心結構。在拉筋的空心模型中增加十字型加強肋41，其結構如附圖9所示。該加強肋厚度為t’mm，分別由兩根相互垂直的加強肋組成，其中一根與葉片的徑向方向一致，而另一根與葉片的周向方向一致。拉筋剖視圖如圖3所示。

請參閱圖1所示，本發(fā)明一種基于3d打印的蒸汽輪機末級空心葉片設計時，通過三維造型軟件設計蒸汽輪機末級葉片的內(nèi)部肋結構，采用啟發(fā)式優(yōu)化算法獲得葉片空心結構的最優(yōu)參數(shù)，采用3d打印技術與精密機械加工制造生產(chǎn)蒸汽輪機末級空心葉片，具體包括以下步驟：

第一步，通過三維造型軟件設計出符合需求的空心蒸汽輪機末級葉片內(nèi)部加強肋結構，以保證空心蒸汽輪機葉片的強度與振動特性。

第二步，采用優(yōu)化算法確定內(nèi)部肋參數(shù)與葉片薄壁厚度以及拉筋內(nèi)部肋參數(shù)與薄壁厚度。

第三步，采用金屬3d打印技術制造葉型、圍帶以及葉根部分。

根據(jù)第二步中的優(yōu)化結果進行葉片三維造型，采用3d打印得到整體葉片，將其葉型、圍帶、拉筋(標號2-5)部分與葉根1部分分開，其中葉型與圍帶拉筋(標號2-5)部分造型復雜，直接采用金屬3d打印技術。而葉根1部分因承受較大負荷，加工精度要求較高，首先采用3d打印技術制造初始模型，后采用精密機械加工進行精細加工。

在優(yōu)化過程中，優(yōu)化設計變量為葉片內(nèi)部肋的參數(shù)，包括葉片薄壁厚度b，加強肋參數(shù)厚度t與數(shù)量n(“s”型內(nèi)部肋為角度θ，空心圓柱型參數(shù)為直徑dmm與分布控制參數(shù)l1mm與l2mm)以及拉筋部分的薄壁厚度b’與加強肋厚度t’。以整體葉片的強度安全性為約束條件，以葉片總質(zhì)量作為優(yōu)化目標，采用啟發(fā)式優(yōu)化算法獲得最優(yōu)空心葉片內(nèi)部結構以及拉筋空心結構。其中，最大應力可以利用葉片的3d模型進行有限元分析獲得；啟發(fā)式優(yōu)化算法可以采用遺傳算法、模擬粒子群算法、模擬退火算法等。

在步驟三中：

首先，根據(jù)第二步中的優(yōu)化結果，在計算機上利用三維造型軟件得到零件的三維實體模型，然后通過切片軟件將葉片的三維造型進行切片與分層，獲得各切片的模型輪廓數(shù)據(jù)，根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)得到激光的填充掃描路徑，選擇合適的金屬粉末，進行激光掃描。

末級葉片工作在濕蒸汽的環(huán)境中，受水蝕影響較大，本發(fā)明提供兩種打印方案：一種方案是薄壁部分采用鈦合金，而內(nèi)部肋可選擇使用高強度不銹鋼；另一種方案是整體葉片采用高強度不銹鋼，在葉片2/3以上高度到頂部的出汽邊采用司太立合金打印。

采用3d打印得到整體葉片，其中葉型與圍帶拉筋部分(2-5)造型復雜，直接采用金屬3d打印技術。而葉根部分1因為承受較大負荷，加工精度要求較高，首先采用3d打印技術制造初始模型，然后采用精密機械加工。在葉根1的精密加工過程中，使用定制的砂輪將葉根1精磨至公差帶內(nèi)，并保證葉根1各齒的內(nèi)圓角表面粗糙度滿足1.6，而葉根1其他部分表面粗糙度應滿足3.2。