CN102764964B - 罩式炉高温循环风机叶轮的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种罩式炉高温循环风机叶轮的制造方法，其步骤包括：（1）风机叶轮性能设计：确定风机叶轮线速度U2，确定风机叶轮外径D2，利用经验公式D1/ D2=0.55-0.62得出风机进口直径D1数据；（2）利用三维软件soildworks建模；（3）零件放样及压模；（4）风机的焊接。本发明采用后，可以提高风机叶轮的使用寿命。

Description

罩式炉高温循环风机叶轮的制造方法

技术领域

本发明涉及风机，特别是一种罩式炉高温循环风机叶轮的制造方法。

背景技术

罩式炉高温循环风机叶轮原为引进的进口设备，国内第一次制造，世界第二套，毫无经验可以借鉴，此种风机的设计难度很大，主要是集中以下几点：

1.炉内循环温度高，达800℃，在此温度下需要保证风机安全稳定运行。

2.由于炉内循环气体是一种变工况运行，我们通过调节风机的转速来满足不同运行状态下的炉内工况条件，所以风机在运行过程中，不仅需要考虑变转速对风机的影响，同时还需要考虑在不同的转速下，风机能否满足循环气体的工况要求。

3.根据国家相关减排法案的要求，能否把风机的效率提高到80%以上。

4.由于风机在最高转速2500r/min下运行，所以需要对风机的焊接提出相当高的要求，根据焊接工艺，对风机进行焊接，同时对相关焊缝进行超声波检查，以检查焊缝是否焊透。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种罩式炉高温循环风机叶轮的制造方法，提高风机叶轮的使用寿命。

本发明解决其技术问题采用以下方案：

本发明提供的罩式炉高温循环风机叶轮的制造方法，其步骤包括：

第一步：根据炉内循环工况的气体参数，进行气动性能设计，设计出满足炉内循环工况条件运行的风机；

第二步：通过三维绘图软件soildworks建模，对风机性能进行校核，同时根据模型的受力分析，正确采用性价比较高的材料；

第三步：通过工艺放样，对每一个零件的展开图形进行绘制，通过绘制的图形，对零件进行下料，然后利用模具压模，从而制作出风机的每一个零部件；

第四步：根据焊接工艺，对风机进行焊接，并且对相关焊缝进行超声波探伤检查，以检查焊缝是否焊透；在风机叶轮气流进口处受力最大的地方焊接一块腹板，加大叶片的厚度，以提高风机的使用寿命。所述腹板为叶片的加强板，在叶片最薄弱的、受力最大的地方贴上腹板，使得叶片得到加强，增加叶轮的使用寿命。

第五步：风机焊接完毕后需要作退火处理，以消除风机内应力。所述退火处理工艺为：热处理时，先从常温经过4.5小时升温至930℃，然后在 930℃保温3小时，停止加热冷却，冷却至500℃后开炉冷却至常温后出炉，在整个过程中，需要对温度和时间进行准确的控制，通过热处理后，消除焊接应力；

第六步：对已制作完毕的风机进行动平衡校核，使风机叶轮不平衡精度达到设计要求，该风机叶轮不平衡精度一般为G3.0；

经过上述的步骤，制成罩式炉高温循环风机叶轮。

本发明根据罩式炉高温叶轮的使用有关参数，包括流量为95000M3/h，压力为850Pa，温度为800℃，风机转速450-2500rad/min，然后采用以下方法进行设计，保证风机叶轮在每一个转速下均满足工况要求，设计步骤可以包括：

（1）根据伯努利方程HPOL=R*σ*ΔT=87.1675：

式中：气体常数R=29.3，此数值是依据循环气体成份主要为空气来确定；指数系数σ=K/(K-1)ηpol=2.975，其中K为绝热指数，K=1.4，此数值是依据循环气体主要为氢气来确定；ηpol为风机效率，取85%在风机使用中进行测量计算；ΔT为风机运行过程中温度差，在循环风机中忽略不计；

（2）确定风机叶轮线速度U2：

根据HPOL=X*U22公式，按照能量头系数X=0.0157，来计算出U2=75m/s；

（3）确定风机叶轮外径D2：

根据U2=πD2n/60公式，其中π为圆周率，电机转速n为450转速，来计算出D2=955mm，最终确定风机外径D2=950mm；

（4）根据风机叶轮行业试验，得出下述经验公式：

D1/ D2=0.55-0.62，其中风机进口直径D1=590mm，

通过上述步骤，设计出满足炉内循环工况条件运行的风机叶轮，风机有效直径为950mm，叶片数量为15片，叶片为双弧线，并且对出口部分叶片采用小于90°的后向叶片，对于进口部分的叶片采用90°径向型叶片。

本发明可以利用三维绘图软件soildwroks对该风机进行1:1建模，最大限度模拟风机叶轮的工作环境，使风机通过在三维软件中模拟运行，检测上述计算以及经验选取是否正确，同时根据风机的受力分析，对采用最合理化的制作材料提供依据。

本发明在制作过程中，需对风机的前盘、后盘以及叶片进行放样，然后通过放样尺寸对材料进行下料，通过模具对放样的材料实体进行压模成型。

本发明在制作罩式炉高温循环风机叶轮的过程中，对焊接质量有严格要求，具体如下：

（1）在焊接时，需对焊接过程进行严格的控制；

（2）在焊接完毕后，需对焊缝进行着色、渗透检查，保证无气孔，无裂纹未融合；

（3）检查未出现严重咬边缺陷；

（4）着色完毕后，需要对每条焊缝进行超声波探伤检查，必须焊透，并达到JB4730-94《压力容器无损检测》一级标准。

本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：

由于罩式炉高温循环风机叶轮运行时，工况介质温度高，同时炉内循环气体的温度随炉内运行环境的变化而变化，为了保证风机能够满足工况运行，我们在设计时采用量体裁衣的设计办法，对风机进行定量的设计计算，通过理论计算以及风机行业里多年的经验法则，采用风机有效直径950mm，叶片数量为15片，叶片为双弧线，其中对出口部分叶片我们采用小于90°的后向叶片（后向叶片产生的压头大，效率高），对于进口部分的叶片采用90°径向型叶片，便于气体更好的进入风机。虽然量体裁衣的办法运算量很大，但是由于定量的设计可以较好的制定风机性能，以及较为准确的确定风机在运行过程中的各项参数。而且该设计在完成后，我们通过国内最先进三维软件（soildwors）进行设计校核，这样有利于提高风机设计的准确性。

同时由于该风机使用的工况是温度高以及变工况的特点，我们通过三维软件的精确计算，从而准确的确定出风机在不同温度下，风机所承受的准确应力，根据计算的结果，我们对原有的进口材料进行了替换，采用的国内价格相对比较便宜的材料，这样不仅可以降低生产成本，同时也对该风机国内推广起到较好作用。采用本方法制造出的第一台高温风机叶轮上炉台实验的数据，请见表1，由表1可知：采用上述方法设计和制作的叶轮完全可以满足生产要求，各项指标完全达到了设计要求。

附图说明

图1为罩式炉高温循环风机叶轮的结构示意图。

图2为图1的左视图。

图3为热处理曲线图。

图中：1.前盘； 2.出口叶片； 3.后盘； 4.进口叶片； 5.轴盘； 6.腹板。

具体实施方式

本发明根据罩式炉高温循环风机叶轮的内部工况，特别是罩式炉高温循环风机叶轮的气体流动性能特点以及工作原理，提供一种适用于炉内循环气体所用的一种风机叶轮的制造方法，从而替代原有进口设备循环风机叶轮，根据风机流量95000m³/h，温度为800℃，对风机进行定量的设计计算，通过理论计算以及风机行业里多年的经验法则，确定风机的结构，然后利用soildworks进行建模分析，对风机不利于炉内循环运行的相关结构进行修改，最终设计出以达到炉内循环气体的要求的风机。然后按照上述图纸，对风机进行放样，利用放样的图纸，对材料进行下料，然后利用模具对风机各个零部件进行压模，利用焊接技术，使风机成为一整体，然后在进行退火处理，最后对风机进行动平衡检查，以达到合格使用。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不仅仅局限于下面的内容。

在马钢的罩式炉高温循环风机叶轮的制作过程中，因为该罩式炉高温循环风机叶轮为国内首次设计制作，遇到了前所未有的困难，在性能设计方面难以达到用户的要求，所以在设计制作的同时，经过反复设想以及验证，找到了一套行之有效的办法，该方法包括风机的理论设计，工艺压模，风机焊接，动平衡等。

1.风机叶轮性能设计：

由于目前风机行业的设计工作均采用计算和经验选取双向结合的办法，对现有风机叶轮进行模型设计，然后根据试验，看能否满足工况要求，若不能满足，则需要根据现实工况要求对风机叶轮进行修改，然后再试验，最终达到工况要求为止，通过目前国内一般所使用的罩式炉高温循环风机叶轮其流量为95000M3/h，压力为850Pa，温度为800℃，风机转速450-2500rad/min的参数特征；由于目前该种风机在国内并没相关的模型机进行参考，为了能够保证风机叶轮在每一个转速下均可以满足气体工况要求，所以在设计时采用以下步骤：

（1）根据伯努利方程HPOL=R*σ*ΔT=87.1675，其中：

R（气体常数）=29.3（由于循环气体成份主要为空气）；

σ（指数系数）=K/(K-1)ηpol=2.975；

K(绝热指数)=1.4（由于循环气体主要为空气）；

ηpol (风机效率)取85%在风机在使用中可以测量计算；

ΔT（风机运行过程中温度差）循环风机可以忽略不计，因为炉内气体温度过高，很小的温升可以忽略不计。

（2）确定风机叶轮线速度U2：

根据HPOL=X*U22来计算。

其中：X(能量头系数)=0.0157（根据流量为95000M3/h，压力为850Pa，查阅西安交通大学1978出版离心式压缩机原理一书）；

从而计算出U2（风机线速度）=75m/s。

（3）确定风机叶轮外径D2：

根据U2=πD2n/60来计算。

其中：π为圆周率,n电机转速选择450转速为设计转速（若最小转速满足工况要求，则大的转速就没有任何问题），从而计算出D2=955mm，最终确定风机外径D2=950mm。

（4）根据风机叶轮行业试验，得出下述经验公式：D1/ D2=0.55-0.62，得出D1（风机进口直径）=590mm（由于流量较大，所以取系数上限）；

通过上述计算，设计出满足设备运行条件的风机叶轮。风机有效直径950mm，叶片数量为15片（经验选取），叶片为双弧线，其中对出口部分叶片我们采用小于90°的后向叶片（后向叶片产生的压头大，效率高），对于进口部分的叶片我们采用90°径向型叶片，便于气体更好的进入风机，从而提高风机效率。

2.利用三维软件soildworks建模：

由于罩式炉高温循环风机叶轮一次使用的台数很多，所以不可能每一次都采用制作大量的风机进行试验，为了能够使风机叶轮满足炉内工况条件，我们采用soildworks建模，对该风机进行1:1建模，通过软件对风机叶轮运行工况的模化，最大限度模拟风机工作环境，由于目前全球风机的设计工作均采用计算和经验选取双向结合的办法，所以必须要用试验对方案设计进行校核，使风机通过在三维软件中模拟运行，从而检测出上述计算以及经验选取是否正确，提高了设计的精度，也降低了风机初期设计时的成本。同时根据风机叶轮的受力分析，对材料最合理化的选用提供有力的理论依据。

3.零件放样及压模：

为了保证气体的在风机内能够顺畅、平稳的运行，应将风机叶轮的前盘以及叶片采用弧形结构，由于风机前盘以及叶片厚度较薄，极易变形，如果采用一般的手工加工则难以控制尺寸及精度，所以根据风机叶轮图纸中前盘和叶片的弧线，对风机的前盘1、后盘3以及叶片进行放样，然后通过放样尺寸对材料进行下料，同时使用模具对相关材料进行压模，从而制作出风机叶轮的前盘及叶片。采用模具压模的办法可以大大提高叶轮的精度，同时也可以提高风机的制作速度以及降低风机的制造成本，对该风机的批量生产提供了坚实的基础。

根据制作的的高温风机叶轮大小，前盘和叶片的形状，进行开模。制作的模具包括上模和下模，然后利用液压机，在液压机上固定上模和下模，对叶片和前盘进行成型。

4.风机的焊接：

由于风机叶轮是一个转动件设备，所以焊接要求是相当严格的，焊接的好坏不仅关系到风机是否能够安全运转，而且对风机的效率也是有相当大的影响。为了保证风机焊接效果，可以采用以下步骤：

（1）参见图1和图2，采用旋转平台，先将后盘3与轴盘5首先焊接在一起：先将后盘3平放于水平旋转台上，轴盘5按照止口的位置放置在后盘3上，为了防止在焊接过程中相对变形较大，应该对焊接部位进行点焊，以确定焊接位置无误后，采用氩弧焊的方法使后盘3与轴盘5焊接成一整体；并且在焊接时，采用氩弧焊和以间断焊代替连续焊的方式焊接，现将圆周进行等分，然后采用跳跃的方式焊接每一个等分弧。

（2）叶片焊接在后盘上：由于叶片一共有15片之多，为了保证风机质量按圆周均匀分布，需要对风机的叶片进行称重，对重量相近者成对选出，并且对称地焊接在轴盘上，同时保证每个叶片之间重量相差不得大于10g，且叶片对后盘的垂直度不大于1.5，然后把叶片与后盘焊接成一整体。

（3）前盘1与叶片的焊接：由于前盘与叶片都有弧度，在焊接前需要检查叶片与前盘是否可以完全接触重合，防止在焊接的过程中，产生没有焊透以及夹查气孔等现象。

（4）由于风机是处于转动工作环境中，一般对焊接的要求是相当高的，不仅对焊接过程需要严格的控制，而且在焊接完毕后需要对相关的焊缝进行着色检查，渗透检查，无气孔，裂纹未融合，严重咬边等缺陷。着色完毕后，需要对每条焊缝进行超声波探伤检查，必须焊透，并达到JB4730-94《压力容器无损检测》一级标准。由于炉内气体有一定的含尘量，所以为了保证风机的使用寿命，所以在气体与叶轮进口接触最严重的地方焊接一块材质与叶片4相同的腹板6，该腹板为叶片的加强板，用于加大该薄弱地方的厚度，以提高风机的使用寿命。同时焊缝必须打磨，风机流道内不允许有飞溅物。

（5）风机焊接完毕后需要作退火处理，以消除内应力。

参见图3，退火处理方法如下：

1）热处理前，将叶轮采用工装固定，防止在热处理是自由变形；

2）工装采用不锈钢制作，并且需要带有吊运装置；

3）转运过程中严禁与碳钢接触；

4）热处理曲线如下图；

5）工件放入热处理炉中应该平放整齐，严禁与炉壁、加热丝接触；

6）严格控制热处理的整个过程；

7）热处理接触后，严禁拆除工装。

由图3可知：热处理时，先从常温经过4.5小时升温至930℃，然后在 930℃保温3小时，停止加热冷却，冷却至500℃后开炉冷却至常温后出炉，在整个过程中，需要对温度和时间进行准确的控制，通过热处理后，消除焊接应力。

（6）.风机动平衡处理：

由于风机是一种转动设备，在风机的运行工程中，主要是靠风机的转动对气体进行做功，然而在风机的转动过程中，如果风机动平衡没有达到一定的标准，轻则会出现风机震动大，噪音大等，重则会出现严重的事故，所以为了保证风机的安全运行，我们通过动平衡机对风机进行动平衡处理，使其动平衡精度达到G3.0，从而保证风机的安全、可靠运行。

本实施例制备的罩式炉高温循环风机叶轮可以替代原有进口设备循环风机叶轮，该罩式炉高温循环风机叶轮的结构如图1和图2所示，第一步：先将后盘3放置在旋转平台上，然后将轴盘5放置与后盘3上，采用氩弧焊将件3和件5焊接起来。第二步：将进口叶片4、出口叶片2、腹板6焊接起来。第三步:将第二步的组合件与与后盘3、轴盘5焊接在一起。第四步：将前盘1焊接至叶片上。

附表

表1           第一台高温风机叶轮上炉台实验的数据

Claims (6)

1. 一种罩式炉高温循环风机叶轮的制造方法，其特征是包括以下步骤：

第一步：根据炉内循环工况的气体参数，进行气动性能设计，设计出满足炉内循环工况条件运行的风机；

第二步：通过三维绘图软件soildworks建模，对风机性能进行校核，同时根据模型的受力分析来进行选材；

第三步：通过工艺放样，对每一个零件的展开图形进行绘制，通过绘制的图形，对零件进行下料，然后利用模具压模，从而制作出风机的每一个零部件；

第四步： 根据焊接工艺，对风机进行焊接，并且对相关焊缝进行超声波探伤检查，以检查焊缝是否焊透；在风机叶轮气流进口处受力最大的地方焊接一块材质与叶片相同的腹板，加大叶片的厚度，以提高风机的使用寿命，

风机采用包括以下步骤的焊接方法：

（1）将后盘与轴盘首先焊接在一起：

先将后盘平放于水平旋转台上，轴盘按照止口的位置放置在后盘上，为了防止在焊接过程中相对变形较大，应该对焊接部位进行点焊，以确定焊接位置无误后，采用氩弧焊的方法使后盘与轴盘焊接成一整体；并且在焊接时，采用氩弧焊和以间断焊代替连续焊的方式焊接，先将圆周进行等分，然后采用跳跃的方式焊接每一个等分弧，

（2）叶片焊接在后盘上：

为了保证风机质量按圆周均匀分布，需要对风机的叶片进行称重，对重量相近者成对选出，并且对称地焊接在轴盘上，同时保证每个叶片之间重量相差不得大于10g，且叶片对后盘的垂直度不大于1.5，然后把叶片与后盘焊接成一整体，

（3）前盘与叶片的焊接：

由于前盘与叶片都有弧度，在焊接前需要检查叶片与前盘是否可以完全接触重合，防止在焊接的过程中，产生没有焊透以及夹渣气孔的现象；

第五步：风机焊接完毕后需要作退火处理，以消除风机内应力，

所述退火处理工艺参数为： 热处理时，先从常温经过4.5小时升温至930℃，然后在 930℃保温3小时，停止加热冷却，冷却至500℃后开炉冷却至常温后出炉；

第六步：对已制作完毕的风机进行动平衡校核，使风机叶轮动平衡精度达到设计要求。

2.根据权利要求1所述的罩式炉高温循环风机叶轮的制造方法，其特征是利用三维绘图软件soildwroks对该风机进行1:1建模，最大限度模拟风机叶轮的工作环境，使风机通过在三维软件中模拟运行，检测计算以及经验选取是否正确，同时根据风机的受力分析，对采用最合理化的制作材料提供依据。

3.根据权利要求1所述的罩式炉高温循环风机叶轮的制造方法，其特征是在制作过程中，需对风机的前盘、后盘以及叶片进行放样，然后通过放样尺寸对材料进行下料，通过模具对放样的材料实体进行压模成型。

4.根据权利要求1所述的罩式炉高温循环风机叶轮的制造方法，其特征是：

（1）在焊接时，需对焊接过程进行严格的控制；

（2）在焊接完毕后，需对焊缝进行着色、渗透检查，保证无气孔，无裂纹未融合；

（3）检查未出现严重咬边缺陷；

（4）着色完毕后，需要对每条焊缝进行超声波探伤检查，必须焊透，并达到JB4730-94《压力容器无损检测》一级标准。

5.根据权利要求1所述的罩式炉高温循环风机叶轮的制造方法，其特征是所述腹板为叶片的加强板，在叶片最薄弱的、受力最大的地方贴上腹板，使得叶片得到加强，增加叶轮的使用寿命。

6.根据权利要求1所述的罩式炉高温循环风机叶轮的制造方法，其特征是所述风机叶轮动平衡精度为G3.0。