水轮机叶片加工过程质量控制

于强 哈尔滨电机厂有限责任公司

水轮机一般是被用来驱动发电机发电，而水轮机叶片的加工和质量影响着发电机运转的安全和可靠性。水轮机的叶片需要设计成三维扭曲曲面体，一直采用的是砂型铸造的工艺、人工铲磨、叶片的检测使用的是木质立体样板；目前，经过多年的研究，逐渐出现了先将叶片模压成型，然后进行铲磨、加工成型的工艺和使用数控机床加工叶片的工艺。每一种工艺都有各自的优点和缺点。

一、在叶片加工之前对文件的控制

对于文件的控制主要是保证文件是完整的，受控是不是标准，是不是新版本。在进行叶片的加工之前必须对这些控制重点进行检查。主要有以下这些内容：叶片型线检查样板的图纸、叶片实体文件、叶片工艺文件、质量检测的标准、质量检测的记录、叶片加工的流程，这些检查内容中只有程序和实体文件是电子版。

二、加工水轮机叶片过程中的质量控制

（一）安装叶片和支撑胎具过程中质量的控制

在这一工序进行质量控制的要点包括：胎具的支撑点和水轮机叶片的安装要可靠，而且安装叶片时的测量值要大于真值。安装胎具各支撑时要以图纸的要求为准，另外，在胎具上设立加工基准要满足图纸的要求，还需要对叶片加工的符合性进行检查。在每次胎具安装完成后，数控机床上都会有胎具基准的绝对坐标值，这一坐标值不能发生变化，因为一旦数值变动，就会造成胎具的位移情况，最终导致叶片加工错误，而且这一胎具基准还是其他工序的参照基准。在进行水轮机叶片的加工过程中，需要重点关注叶片的表面质量和对工件进行无损探测等如果不达标，就会造成对下一工序的影响，最终影响整体的质量。叶片固定在胎具上时，第一步是找正，具体的操作流程是：先确定找正点的两个坐标，然后再确定另一个垂直于找正点坐标的坐标轴，找正点的误差要小于2毫米。

（二）正压侧加工过程的质量控制

控制这一工序的质量的要点是工件三维空间坐标系的确定、确定刀具和工件相对位置基准点、确认定位销的位置以及工件标识和变形的检测。每一次工件变换过程都需要先确认工件坐标系和精准对刀点，防止发生绝对坐标、相对坐标、工件的位移情况，如果不及时发现，就会造成加工出现错误，影响整体的质量。确认程序需要空转，主要是检查叶片表面的余量均匀程度，是不是有过切的情况，程序是不是正确，跟叶型是不是吻合。定位销是下一道工序加工的参照，直接影响着下一道工序的精确度。工件的标识是在加工完成后进行，而且还需要检查工件有没有出现变形，主要是对几处加工后点位的符合程度在松开压板后进行检查。防止因为出现变形对本次加工造成影响，也为本次加工留量。

（三）安装叶片和负压侧胎具加工过程中质量的控制

这一工序质量控制的重点是检查胎具支撑和基准的符合性，安装叶片时找好正误差，也就是定位销，预防碳污染。叶片正压侧跟胎具支撑的吻合程度，缝隙需要使用塞尺进行检查，给定的坐标值是不是和找正后的基准值相符合，定位销的坐标有没有发生变化，这都是对负压侧型线质量造成影响的因素。因为叶片的材质是低合金不锈钢，叶片本体需要和支撑连接部分的压板进行隔离，以此达到防止不同材质发生碳污染的情况。

（四）负压侧加工过程质量的控制

控制这一工序的质量要点是确认工件的三维空间坐标系，释放应力和变形，型线的检查，探伤检测。首先确认工件坐标系和精准对刀点，防止发生绝对坐标、相对坐标、工件的位移情况，如果不及时发现，就会造成加工出现错误，影响整体的质量。确认程序需要空转，主要是检查叶片表面的余量均匀程度，是不是有过切的情况，程序是不是正确，跟叶型是不是吻合。需要检查本次加工中释放的应力和变形情况，缝隙使用塞尺检查，保证符合相关的数值标准。对于型线的误差需要使用机床采点检查和理论坐标来检查。叶片本体的缺陷是在加工完成后进行探伤检测。

（五）安装叶片和正压侧胎具过程中质量的控制

控制这一工序质量的要点在于检查叶片的基准点和定位销之间的缝隙，防止出现碳污染的情况。请参照“安装叶片和负压侧胎具加工过程中质量的控制”。

（六）正压侧精加工过程中质量的控制

控制这一工序质量的要点包括控确定制件的三维空间坐标系，确定叶片找正的差值，确认程序，型线的检查，参考“负压侧加工过程质量的控制”，这一工序是进行精加工的工序。

（七）控制叶片精磨过程中的质量

这一工序质量控制的重点是要及时地使用型线样板对打磨过程进行检查，对各区域的粗糙度使用粗糙度仪进行检查，保护标识。及时使用型线样板，能够防止出现打磨过度或者打磨不足的情况，从而保证打磨过程达标，对于叶片表面质量使用粗糙度仪进行检查，保护标识是打磨过程中需要重点注意的，防止标识因打磨而遭到破坏。

三、控制叶片手工铲磨加工过程中的质量

水轮机叶片在经过手工铲磨之后，一般容易发生变形或者需要很大的补焊量，所以要对该工艺进行优化，控制加工过程中的质量。首先，要检测水轮机叶片需要补焊的量和需要进行铲磨的量，以此确定型线和叶片的厚度达到标准值。转轮叶片进行能量转换时的压力由水轮机叶片正面来承担，而且，水轮机叶片正面还是检测铲磨量和补焊量的依据，先检查正面的型线，主要是通过检查样板来进行，方便手工铲磨和需要补焊量的确定。需要注意的是，要在水轮机叶片容易变形的地方留出对型线进行校正的量，尤其是在出水边。使用检查样板对叶片进行检查时需要重点关注两点内容：第一，水轮机叶片型线应该和检查样板保持均匀的间隙，检查样板需要在铲磨掉局部的高点之后再放，避免高点顶起检查样板；第二，叶片四周应该在放置检查样板之后留出均匀的余量。

其次，为了避免水轮机叶片出现缺陷和损伤，需要对其进行探伤检测。无损检测是在水轮机叶片的正面完成粗磨加工后进行，而对水轮机叶片正面的精磨加工需要在无损检测合格之后再进行。对叶片进行精磨之后，并且合格的情况下，以水轮机叶片的正面型线为依据来标记水轮机叶片正面的测厚点，然后再对叶片的厚度进行测量，主要是使用卡钳、测厚仪进行厚度的测量。不仅水轮机叶片的正面要进行无损检测，背面也需要。

再次，对水轮机叶片的波浪度进行检测，主要是在修磨加工过程中使用样条尺进行波浪度的检测。

最后，对水轮机叶片的进出水型线也需要使用检查样板进行检测，还需要使用相关的工具对水轮机叶片的头部和尾部的形状进行检测。

四、控制数控机床加工水轮机叶片的质量

（一）控制叶片毛坯的加工质量

叶片的材料主要有两种，一种是不锈钢的，另一种是铸造结构的。不锈钢材料的叶片，要求其尺寸、性能、化学成分达到相关的标准；铸造结构的，要求工件的尺寸达到工件设计图纸的标准，首先不能出现肉眼可见的明显缺陷，其次工件的性能和化学成分也需要达到设计图纸的标准，根据设计图纸的要求需要先对工件进行热处理。在对材料进行完检测，并且合格之后，使用荒磨机对水轮机叶片进行打磨，为的是磨削掉金属的夹砂；最后再对叶片毛坯进行无损检测，如果有缺陷，需要及时调整。达标后才可以进入下一道工序。数控机床加工水轮机叶片之前，要先确定叶片正面和背面的三维坐标，以及找正的坐标，然后根据这些坐标值计算得出叶片该留出多少加工的余量，以及叶片的安装位置。完工后，还需要再次进行测量，主要是为了测量叶片加工完成后是不是精确，是不是符合要求。

（二）控制叶片表面的加工质量

1.叶片表面缺陷的处理

如果在检测后发现水轮机叶片有缺陷，比如砂眼、气孔等，就需要使用相关的技术手段对这些缺陷进行去除，比如使用砂轮打磨砂眼，或者洋冲等技术，然后对缺陷部位进行无损检测，检测之后无杂质、清理干净的情况下才可以进入修补环节，从而保证修补的质量达标，最后进行抛光，抛光结束后也需要进行无损检测，保证叶片质量达标。

2.控制叶片表面的粗糙度

叶片表面的粗糙度是在加工过程中造成的，主要是因为切削和刀具刃尖的影响。数控机床加工水轮机叶片之后，基本不需要对叶片进行铲磨，主要是需要抛光，从而使叶片表面的刀痕得以去除，使叶片表面的粗糙程度降低。检测叶片表面的粗糙程度，主要是通过粗糙度仪，并且和目测相结合；也能够使用检测样板，通过触感和肉眼检查，再通过与检测样板的对比，来确定叶片表面的粗糙程度是不是达标。

一般情况下，对于叶片波浪度的检查是通过样条尺来进行，叶片的波浪度应该达到设计图样的要求。水轮机叶片的正面和背面的波浪度应该不高于百分之二，其中，对于背面容易发生空蚀的位置，波浪度不能高于百分之一。重点是，对于多个连续波浪需要按多个波浪度进行检测，不能当成一个进行检测；还有，要求检测用的挠性尺长度大概为一米；另外，还需要注意叶片背面容易发生气蚀的位置，因为叶片运行时，产生的压力会造成叶片背面出现气蚀的情况，所以要严格控制这一位置的波浪度。如果表面不平，就需要进行打磨，直至光滑。而且还需要对波峰进行打磨，主要是为了使叶片的外观和波浪度达标。

（三）控制叶片出水边厚度、型线的质量

在对叶片的进出水边型线进行检测时，一般是使用检测样板进行检查，以叶片的截面导线和标记孔为依据进行定位，对于水轮机叶片的进出水边的型线和样板之间的缝隙使用塞尺进行检测，对于水轮机叶片的头尾部使用检测样板进行检查，也是根据叶片的截面导线和标记孔来进行定位。最后，进行无损检测。

（四）控制叶片出水边的厚度

通常情况下，水轮机的叶片出水边的厚度可以使用卡尺进行检测，厚度的标准偏差不能大于0.5毫米，一般都能达标。

五、检查最终尺寸

这一工序质量控制的重点是对各项目的检查不能遗漏任何一项。对于叶片的型线、质量、厚度、缝隙和波浪度主要通过型线检查样板、粗糙度仪、塞尺、激光跟踪仪等进行检测。对这些项目的检查需要达到相关的标准数值。

六、结语

水轮机叶片的质量影响着水轮机的使用和水电站发电机组的正常运转，但是水轮机叶片的加工过程很复杂，而且对叶片质量的检测也很复杂，一个步骤出错，就会导致叶片的质量出现问题，不达标，所以，我们要严格地按照相关的标准进行水轮机叶片的加工和质量的检测，从而避免加工过程中的质量问题。经过实践证明，按标准进行叶片的加工基本不会出现质量问题。所以，要加强对水轮机叶片每一道加工工序质量的控制。综上所述，本文主要介绍了针对水轮机叶片加工过程中的各个工序进行质量控制的相关措施。