CN106523426A - 核电站主泵叶轮的开发制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核电站主泵叶轮的开发制造方法，其包括：制造缩比叶轮；缩比叶轮通过水力性能试验验证满足要求后，初步确定水力设计；制造全比例叶轮，随主泵整机进行全流量试验，验证水力性能满足要求后，完成核电站主泵叶轮的开发制造，其中，缩比叶轮和全比例叶轮通过金属3D打印制造而得。相对于现有技术，本发明核电站主泵水力性能验证用试验叶轮的制造方法可以大大缩短叶轮的开发周期，提高叶轮质量，具有较好的应用前景。

Description

核电站主泵叶轮的开发制造方法

技术领域

本发明属于核电站设备的开发制造技术领域，更具体地说，本发明涉及一种生产周期短、质量好的核电站主泵叶轮的开发制造方法。

背景技术

叶轮是核电站主泵水力部件的关键部件之一，固定在泵轴下端，随泵轴一起旋转将动能转化为冷却剂的压能和动能，为反应堆一回路系统冷却剂提供循环动力，其水力性能将直接影响主泵的系统功能特性。在完成主泵水力设计后，需进行水力性能试验，以验证其满足系统的功能要求。

目前，核电站主泵叶轮的制造方法主要有如下几种：

1)锻造结合机加工：适用于轴流式结构或便于机加工的混流式结构主泵叶轮，具有机械性能较好、缺陷少的特点。

2)铸造：铸造叶轮的产品质量较锻造叶轮要差，并且制造周期较长，对于一种新水力模型的开发，往往无法一次成功，需要多次迭代和优化，研发周期至少需要半年，大大延长了主泵的研发周期；而且，铸件经常存在一些如气孔、缩孔、缩松、砂眼等缺陷，成品率低。

在主泵研发过程中，容易出现水力性能不能满足系统功能要求的情况，需要不断进行设计优化、模型试制与试验，而且，由于相似换算理论存在一定的误差，即使缩比模型性能满足要求后仍可能存在实际产品的性能不满足系统功能要求的情况。

有鉴于此，确有必要提供一种生产周期短、质量好的核电站主泵叶轮的开发制造方法。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种生产周期短、质量好的核电站主泵叶轮的开发制造方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种核电站主泵叶轮的开发制造方法，其包括：

制造缩比叶轮；

缩比叶轮通过水力性能试验验证满足要求后，初步确定水力设计；

制造全比例叶轮，随主泵整机进行全流量试验，验证水力性能满足要求后，固化水力设计，完成核电站主泵叶轮的开发制造；

其中，缩比叶轮和全比例叶轮的制造方法包括：

通过叶轮结构分析，完成叶轮成形方案设计，得到原始3D打印模型；

原始叶轮3D打印模型转换为STL格式模型文件，再进行切片得到成形程序文件；

按照成形程序文件进行金属3D打印制造，经表面处理和检测后，得到叶轮产品。

作为本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法的一种改进，所述缩比叶轮和全比例叶轮的成形方案采用激光选区熔融技术，将叶轮倒置，在叶轮前盖板和叶片上设置实体支撑，泵轴连接孔、导流管配合面处设置机加工余量。

作为本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法的一种改进，所述金属3D打印所使用的原料是奥氏体不锈钢粉末。

作为本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法的一种改进，所述金属3D打印是将缩比叶轮和全比例叶轮原始3D打印模型中每一片层相应STL格式的成形程序文件传到3D打印设备中，依次将每一片层烧结或熔结并同时连结各层，得到缩比叶轮和全比例叶轮。

作为本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法的一种改进，所述金属3D打印时，可根据实际使用的打印设备设置相应的技术参数，包括激光功率、光斑尺寸、实体扫描速度、支撑扫描速度、层厚、搭接率等。

作为本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法的一种改进，所述缩比叶轮和全比例叶轮经3D打印成形后进行热处理。

作为本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法的一种改进，所述缩比叶轮和全比例叶轮经3D打印成形后进行支撑去除、机加工余量去除和喷砂处理。

作为本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法的一种改进，所述缩比叶轮和全比例叶轮完成表面处理后，进行液体渗透检测和尺寸检查。

作为本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法的一种改进，所述金属3D打印中，对随炉打印和热处理的试样进行化学分析检测和力学性能测试。

作为本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法的一种改进，制造缩比叶轮之前，先对叶轮进行水力设计、水力分析和相似换算。

与现有技术相比，本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法具有如下优点：

1)本发明核电站主泵叶轮的制造周期较传统铸造工艺的制造周期缩短60％，如果需要制造多个缩比叶轮的话，可大大缩短生产周期。

2)本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法制得的核电站主泵叶轮的质量好，有效解决了传统的铸造工艺中容易发生的缺陷。

3)本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法是在完成缩比叶轮水力性能试验验证后，再进行全比例叶轮的水力性能试验，进一步验证主泵的水力性能，可以获得主泵的真实水力性能曲线，提高核电站的安全性和可靠性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法及其有益效果进行详细说明。

图1为本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法的流程图。

图2为本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法中，缩比叶轮和全比例叶轮的金属3D制造流程图。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明，实施例的配方、比例等可因地制宜做出选择而对结果并无实质性影响。

请参见图1和图2，以缩比叶轮和全比例叶轮的比例为1：2.5为例，本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法，包括：

步骤S001，制造缩比叶轮；

步骤S002，缩比叶轮通过水力性能试验，验证满足要求后，初步确定水力设计；如验证不满足，则需返回重新设计进行水力设计及其缩比叶轮的制造与试验；

步骤S003，制造全比例叶轮，随主泵整机进行全流量试验，验证水力性能，水力性能满足要求后，固化水力设计，完成核电站主泵叶轮的开发制造；如水力性能不满足要求，则需返回水力设计、缩比叶轮和全比例叶轮的制造与试验。

其中，缩比叶轮和全比例叶轮的制造步骤包括：

步骤S101，通过叶轮结构分析，完成叶轮成形方案设计，得到原始3D打印模型；

步骤S102，原始叶轮3D打印模型转换为STL格式模型文件，再进行切片得到成形程序文件；

步骤S103，按照成形程序文件进行金属3D打印制造，将缩比叶轮和全比例叶轮的原始3D打印模型中每一片层相应STL格式的成形程序文件传到3D打印设备中，依次将每一片层烧结或熔结并同时连结各层，得到叶轮产品；

步骤S104，对缩比叶轮和全比例叶轮的成形效果进行评估，评估合格，则对缩比叶轮和全比例叶轮进行表面处理、性能/无损检测和尺寸检查，最后得到成品叶轮；如评估不合格，则需重新设计成形方案并再次打印；如性能/无损检测未通过，则需重新打印缩比叶轮和全比例叶轮。

本发明在完成缩比叶轮的水力性能试验满足要求后，在主泵全流量试验装置上进行全比例叶轮水力性能试验，进一步验证主泵叶轮的水力性能，并获得叶轮的真实性能曲线，提高叶轮开发的效率和成功率，确保核电站的安全、可靠运行。

作为本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法的一个具体实施方式，缩比叶轮和全比例叶轮的成形方案采用激光选区熔融技术，具体是将叶轮倒置，在叶轮前盖板和叶片上设置实体支撑，解决悬空部分的成形问题，泵轴连接孔、导流管配合面处设置机加工余量，成形后通过机加工去除余量，以提高叶轮的尺寸精度和表面光洁度。

作为本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法的一个具体实施方式，金属3D打印所使用的原料是奥氏体不锈钢粉末，以满足标准规范的要求。

作为本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法的一个具体实施方式，金属3D打印时，可根据实际使用的打印设备设置相应的技术参数，包括激光功率、光斑尺寸、实体扫描速度、支撑扫描速度、层厚、搭接率等，确保成形方案的可行性，保证材料的硬度和金相组织结构。

作为本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法的一个具体实施方式，缩比叶轮和全比例叶轮经3D打印成形后进行热处理，以保证材料综合力学性能满足要求，包括强度、韧性和硬度等。

作为本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法的一个具体实施方式，缩比叶轮和全比例叶轮经3D打印成形后进行支撑去除、机加工余量去除和喷砂处理，以保证叶轮的尺寸精度和表面粗糙度。

作为本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法的一个具体实施方式，缩比叶轮和全比例叶轮完成表面处理后，进行液体渗透检测和尺寸检查。

作为本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法的一个具体实施方式，制造缩比叶轮之前，先对叶轮进行水力设计、水力分析和相似换算：

水力设计，根据主泵的水力设计参数，基于已有的水力模型利用相似设计法进行叶轮结构设计，或者利用速度系数法进行过流部件的水力图；水力分析，利用计算流体力学方法计算分析主泵内部流动结构，预测主泵的水力性能，根据计算结果，修正几何尺寸，再进行计算分析，反复迭代，直到得出性能优良的水力结构；相似换算，为了降低主泵水力模型的开发成本，利用缩比叶轮进行水力性能测试，根据泵的相似理论换算理论，根据已完成设计的水力结构，换算出1：2.5的水力结构，完成水力模型试验泵的设计。

请参阅图1，作为本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法的一个具体实施方式，若缩比叶轮未通过水力性能试验，需重新进行水力设计、水力分析和相似换算步骤，根据重新计算的结果打印缩比叶轮，直至通过水力性能试验。

请参阅图1，作为本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法的一个具体实施方式，若全比例叶轮未通过全流量试验，则需重新进行水力设计、水力分析和相似换算、缩比叶轮制造、水力性能试验，并重新打印全比例叶轮，直至通过全流量试验。

结合以上对本发明实施方式的详细描述可以看出，相对于现有技术，本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法具有如下优点：

本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法采用金属3D打印制造主泵叶轮，其制造周期较铸造工艺的制造周期缩短60％，且在叶轮开发过程中大多数时间花费在水力设计与分析，大大缩短了主泵叶轮的开发生产周期，提高了生产效率；

本发明核电站主泵叶轮的开发制造方法制得的主泵叶轮具有精度高、力学性能好、稳定性高、一次成型等优点，避免加工过程中的误差积累、宏观偏析、缩松、组织粗大等问题。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种核电站主泵叶轮的开发制造方法，其特征在于，包括：

制造缩比叶轮；

缩比叶轮通过水力性能试验验证满足要求后，初步确定水力设计；

制造全比例叶轮，随主泵整机进行全流量试验，验证水力性能满足要求后，固化水力设计，完成核电站主泵叶轮的开发制造；

其中，缩比叶轮和全比例叶轮的制造方法包括：

通过叶轮结构分析，完成叶轮成形方案设计，得到原始3D打印模型；

原始叶轮3D打印模型转换为STL格式模型文件，再进行切片得到成形程序文件；

按照成形程序文件进行金属3D打印制造，经表面处理和检测后，得到叶轮产品。

2.根据权利要求1所述的核电站主泵叶轮的开发制造方法，其特征在于，所述缩比叶轮和全比例叶轮的成形方案采用激光选区熔融技术，将叶轮倒置，在叶轮前盖板和叶片上设置实体支撑，泵轴连接孔、导流管配合面处设置机加工余量。

3.根据权利要求1所述的核电站主泵叶轮的开发制造方法，其特征在于，所述金属3D打印所使用的原料是奥氏体不锈钢粉末。

4.根据权利要求1所述的核电站主泵叶轮的开发制造方法，其特征在于，所述金属3D打印是将缩比叶轮和全比例叶轮原始3D打印模型中每一片层相应STL格式的成形程序文件传到3D打印设备中，依次将每一片层烧结或熔结并同时连结各层，得到缩比叶轮和全比例叶轮。

5.根据权利要求1所述的核电站主泵叶轮的开发制造方法，其特征在于，所述缩比叶轮和全比例叶轮经3D打印成形后进行热处理。

6.根据权利要求1所述的核电站主泵叶轮的开发制造方法，其特征在于，所述缩比叶轮和全比例叶轮经3D打印成形后进行支撑去除、机加工余量去除和喷砂处理。

7.根据权利要求1所述的核电站主泵叶轮的开发制造方法，其特征在于，所述缩比叶轮和全比例叶轮完成表面处理后，进行液体渗透检测和尺寸检查。

8.根据权利要求1所述的核电站主泵叶轮的开发制造方法，其特征在于，所述金属3D打印中，对随炉打印和热处理的试样进行化学分析检测和力学性能测试。

9.根据权利要求1所述的核电站主泵叶轮的开发制造方法，其特征在于，制造缩比叶轮之前，先对主泵叶轮进行水力设计、水力分析和相似换算。