CN116352380A - 一种窄流道大外径叶片式闭式叶轮的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种窄流道大外径叶片式闭式叶轮的制作方法，所属工业泵技术领域，方法包括单独设计前盖板的形状，设计叶片与后盖板的组合件形状，并将前盖板和组合件进行分别模型制作、芯盒制作、合型、浇铸、落砂、清理、检验，然后在叶片上铣出脐子，在前盖板上铣出与脐子相对应的定位槽，组合、焊接后得到叶轮。本发明制作方法，使前盖板和组合件均为开放式，砂粒及表面异物等杂质易于清理，在清理打磨后进行焊接组合，该方法能保证叶轮的几何尺寸准确的同时，达到过流部位表面光洁度好，确保叶轮流道的流水线，提高泵的效率，能长时间平稳的运行，减少泵的质量事故；本方法特别适用于离心泵用窄流道大外径叶片式闭式叶轮的制作。

Description

一种窄流道大外径叶片式闭式叶轮的制作方法

技术领域

本发明属于工业泵技术领域，具体涉及一种窄流道大外径叶片式闭式叶轮的制作方法。

背景技术

叶轮，是一类零件的泛称，大量应用在水轮机、汽轮机、离心泵等设备上，叶轮是泵的水力核心部件，其质量的好坏直接决定泵的系统性能；另外，叶轮也是一台有动能和机械能转化设备上不可或缺的主要零件之一，叶轮的设计、铸造、加工是一个非常有技术性的工作，叶轮的设计、铸造、加工的质量好坏直接影响整台设备的各项性能。

叶轮的作用是使得能量在“流体的动能”和“机械能”之间转化：一种是将流体的动能转换成机械能，例如涡轮发电机组，就是靠蒸汽或是水流来冲击叶轮，使得叶轮旋转，叶轮旋转带动发电机转子旋转，从而产生电流，整个过程就是：流体的动能→叶轮旋转的机械能→电能的转换过程。另外一种就是将“机械能”转化成“流体的动能和势能”，起到给流体加速的作用。例如离心式空压机、离心泵、汽车的涡轮增压系统等。这些设备装置就是靠电机带动叶轮总成高速旋转，高速旋转的叶轮叶片表面是符合流体力学原理的，流体接触叶片表面，然后随着叶轮的旋转顺着叶片表面流动，通常流体是从叶轮旋转的轴向进入，然后从径向流出，在叶轮旋转的离心力下流体被加速。这个过程就是：旋转的机械能→流体的动能的转换过程。把原动机的机械能转化为工作液的静压能与动压能。

叶轮可根据叶轮叶片形式、工作方式和流道结构的不同进行分类；根据叶轮叶片形式的不同可分为开式叶轮、闭式叶轮、半开式叶轮。根据工作方式的不同可分为单吸叶轮、双吸叶轮。根据流道结构的不同可分为流道式(单流道或双流道)叶轮、叶片式(闭式或开式)叶轮、螺旋离心式叶轮、旋流式叶轮。

其中，在工业泵的叶轮应用领域中，泵的水力性能主要由叶轮决定，为了提高泵本身效率，达到节能，通常需要对叶轮的过流部位进行清理和打光。离心式泵使用的叶轮大部分是叶片式闭式叶轮，叶片式闭式叶轮主要由前盖板、后盖板和叶片组成，在设计和铸造时一般都是一体成型的，并且针对性能的不同需求，需要设计出的叶轮流道宽窄不同，叶片宽度和扭曲程度不同。对于小外径或大外径的宽流道叶轮来说，不管设计的形式怎么样，都是便于叶轮过流部位的清理和打磨。但是对于一体成型的窄流道大外径叶片式闭式叶轮，想要对叶轮过流部位进行清理和打光是相当困难的，经常会出现一些质量方面的问题，主要体现在：

(1)铸件成品因为流道窄小，流道内的钢水和铸造砂粒不宜清理干净，影响后期使用过程中出现质量或安全事故问题，例如：有砂粒或铁水杂质粘附在叶轮前后盖板和叶片上，设备在运行过程中，这些杂质会被输送介质冲刷掉在设备内，随着介质在泵内流动，会影响动、静零件间的摩擦，甚至造成设备研磨或动、静零件的抱死。

(2)表观尺寸存在偏差，制做窄流道大外径叶片式闭式叶轮时，前、后盖板没有叶片支撑的位置，会出现前、后盖板翘曲变形，影响叶轮流道的流水线，前、后盖板变形还会影响加工后做动平衡和静平衡的精度，最终会导致泵的振动较大、效率低。

上述一体成型的窄流道大外径叶片式闭式叶轮的现有常规制作方法为：设计(前、后盖板和叶片为一体设计)、做模型(前、后盖板和叶片为一体建模)、配砂、制模、造芯、浇铸(前、后盖板和叶片为一体浇铸成型)、落砂、打磨、检验等。常规叶轮从设计到铸件成型的主要流程，如图16所示。

发明内容

针对目前的窄流道大外径叶片式闭式叶轮存在，流道内的钢水和铸造砂粒不宜清理干净，影响动、静零件间的摩擦，甚至造成设备研磨或动、静零件的抱死问题；以及表观尺寸存在偏差，会出现前、后盖板翘曲变形，影响加工后做动平衡和静平衡的精度，最终会导致泵的振动较大的问题。本发明提供一种窄流道大外径叶片式闭式叶轮的制作方法，将前盖板单独设计并浇铸成型，将后盖板和叶片进行一体设计并浇铸成型，在清理打磨后进行焊接组合，该方法能保证叶轮的几何尺寸准确的同时，达到过流部位表面光洁度好，砂粒及表面异物等杂质易于清理的效果，确保叶轮流道的流水线，提高泵的效率，能长时间平稳的运行，减少泵的质量事故。其具体技术方案如下：

一种窄流道大外径叶片3式闭式叶轮的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：单独设计前盖板1的形状，设计叶片3与后盖板2的组合件形状；

步骤2：按照前盖板1设计，依次进行模型制作、芯盒制作、合型、浇铸、落砂、清理、检验，得到清洁的前盖板1；按照叶片3与后盖板2的组合件设计，依次进行模型制作、芯盒制作、合型、浇铸、落砂、清理、检验，得到清洁的组合件；

步骤3：对组合件进行焊接前加工，采用数控铣床在组合件的每个叶片3上铣出脐子3.1；对前盖板1进行焊接前加工，采用数控铣床在前盖板1上且对应于每个叶片3的脐子3.1位置铣出贯通的定位槽1.1；

步骤4：将前盖板1与组合件进行组装、焊接，得到叶轮。

上述技术方案的步骤2中，清理为清理浇铸铸件表面附着的砂粒及异物，清理后进行退火消除浇铸铸件应力，再采用数控车床车出形状并打磨，确保过流表面光洁度。

上述技术方案的步骤3中，脐子3.1位置和数量与定位槽1.1的位置和数量相适配；脐子3.1与定位槽1.1进行插接后，实现叶片3与前盖板1的定位固定。脐子3.1的端面与前盖板1的外表面平齐，或者脐子3.1的端面低于前盖板1的外表面。

上述技术方案的步骤3中，每个叶片3上铣出有2个脐子3.1。

上述技术方案的步骤3中，脐子3.1高度为2～3mm。

上述技术方案的步骤4中，组装采用焊接夹具进行组装，焊接夹具包括工装底座21、工装盖板11、螺栓和螺母，工装盖板11上对应于脐子3.1与定位槽1.1的位置铣出通槽11.1；工装底座21的上表面形状与组合件的下表面形状相适配，即与后盖板2的外表面形状相适配；工装盖板11的下表面形状与前盖板1的外表面形状相适配。

组装的具体方法为，先放置工装底座21，并把合上螺栓，然后在工装底座21上依次放置组合件、前盖板1和工装盖板11，然后将螺母旋拧在螺栓上，并锁紧工装盖板11，使脐子3.1与定位槽1.1进行插接；检查前盖板1与叶片3的贴合紧密后，通过工装盖板11的通槽11.1对脐子3.1与定位槽1.1的接缝进行焊接，即实现叶轮与前盖板1的焊接固定，冷却、拆卸焊接夹具后得到叶轮。

工装底座21的中心和周边开设有螺纹盲孔，用于把合上螺栓；工装盖板11的中心和周边开设有通孔，用于贯穿螺栓。

上述技术方案中，叶轮的流道宽度为5～10mm；叶轮的外径为300～350mm。

本发明的一种窄流道大外径叶片式闭式叶轮的制作方法，与现有技术相比，有益效果为：

一、现有技术的窄流道大外径叶片式闭式叶轮的前盖板、叶片和后盖板为一体浇铸成型，一体浇筑后，叶轮内部复杂的流道结构很难被清理干净。本发明方法设计前盖板单独浇铸，叶片和后盖板一体浇铸成组合件(相当于半开式叶轮)，前盖板和组合件为开放式，非常容易清理干净砂粒及表面异物，保证了泵的安全运行，有效避免设备研磨或动、静零件的抱死。

二、现有技术的叶轮为一体设计，叶轮内部复杂，因此增加了整体设计和浇铸的难度，浇铸成品率低。本发明为拆分设计，设计造型简单，浇铸过程也相对容易，浇铸成品率高。

三、由于本发明的叶轮构件清理得十分干净，因此在铸件退火消除铸件应力时，也不会使铸件表面融入杂质，并且构件单独退火，退火更加均匀彻底，不会有不均匀现象。

四、由于本发明的叶轮构件为敞开式，因此能够采用数控车床车出内部形状，增加过流表面的光洁度，流体运动更加顺利，提高泵的工作效率。

五、因为是数控机械加工，所以叶片与前盖板接触面的光洁度得到充分的保证，确保叶片和前盖板表面很好的贴合，在每个叶片铣出脐子，在前盖板铣出定位槽，一方面脐子与定位槽配合连接，能够起到连接固定作用；另一方面焊接件表面光滑使叶片与前盖板支撑贴合度好，脐子能够约束前盖板变形，减少前、后盖板翘曲变形，减少振动，延长使用寿命。

六、本发明方法还设计了专用的焊接夹具，用于夹紧叶轮的前盖板和组合件，通过通槽进行焊接，有效保证焊接过程中构件的组合紧密性和稳定性，制备精度更高。

综上，本发明制作方法，将前盖板单独设计并浇铸成型，将后盖板和叶片进行一体设计并浇铸成型，使前盖板和组合件均为开放式，砂粒及表面异物等杂质易于清理，在清理打磨后进行焊接组合，该方法能保证叶轮的几何尺寸准确的同时，达到过流部位表面光洁度好，确保叶轮流道的流水线，提高泵的效率，能长时间平稳的运行，减少泵的质量事故；本方法特别适用于离心泵用窄流道大外径叶片式闭式叶轮的制作。

附图说明

图1为本发明实施例1的一种窄流道大外径叶片式闭式叶轮的制作方法的工艺流程图；

图2为本发明实施例1叶轮的前盖板的轴向截面图；

图3为本发明实施例1叶轮的叶片与后盖板的组合件的轴向截面图；

图4为本发明实施例1叶轮的整体轴向截面图；

图5为本发明实施例1叶轮的叶片剪裁流线图；

图6为本发明实施例1焊接夹具的工装底座的正视截面图；

图7为本发明实施例1焊接夹具的工装底座的俯视图；

图8为本发明实施例1焊接夹具的工装盖板的正视截面图；

图9为本发明实施例1焊接夹具的工装盖板的俯视图；

图10为本发明实施例1焊接夹具在夹装前盖板和组合件后的正视截面图(键槽省略未画出)；

图11为本发明实施例1焊接夹具在夹装前盖板和组合件后的俯视透视图；

图12为本发明实施例1叶轮在焊接后经拆卸焊接夹具后的正视截面图(键槽省略未画出)；

图13为本发明实施例1叶轮在焊接后经拆卸焊接夹具后的俯视透视图；

图14为本发明实施例2叶轮在焊接后经拆卸焊接夹具后的正视截面图(键槽省略未画出)；

图15为本发明实施例2叶轮在焊接后经拆卸焊接夹具后的俯视透视图；

图16为现有技术叶轮的制作方法的工艺流程图；

图2-15中，1-前盖板，1.1-定位槽；2-后盖板；3-叶片，3.1-脐子，4-键槽，5-流道入口，6-流道出口；31-工作面线，32-叶片背面线；11-工装盖板，11.1-通槽11.1；21-工装底座。

具体实施方式

下面结合具体实施案例和附图1-15对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。

实施例1

一种窄流道大外径叶片3式闭式叶轮的制作方法，如图1-13所示，包括如下步骤：

步骤1：单独设计前盖板1的形状，设计叶片3与后盖板2的组合件形状；设计叶轮的流道宽度为6mm；叶轮的外径为300mm；

步骤2：按照前盖板1设计，依次进行模型制作、芯盒制作、合型、浇铸、落砂、清理、检验，得到清洁的前盖板1；按照叶片3与后盖板2的组合件设计，依次进行模型制作、芯盒制作、合型、浇铸、落砂、清理、检验，得到清洁的组合件；其中，清理为清理浇铸铸件表面附着的砂粒及异物，清理后进行退火消除浇铸铸件应力，再采用数控车床车出形状并打磨，确保过流表面光洁度；

步骤3：对组合件进行焊接前加工，采用数控铣床在组合件的每个叶片3上铣出2个脐子3.1，内径和外径的脐子3.1高度分别为2.5mm和2mm；对前盖板1进行焊接前加工，采用数控铣床在前盖板1上且对应于每个叶片3的脐子3.1位置铣出贯通的定位槽1.1；脐子3.1位置和数量与定位槽1.1的位置和数量相适配；脐子3.1与定位槽1.1进行插接后，实现叶片3与前盖板1的定位固定，脐子3.1的端面低于前盖板1的外表面。

步骤4：将前盖板1与组合件进行组装、焊接，得到叶轮。

其中，组装采用焊接夹具进行组装，如图6-11，焊接夹具包括工装底座21、工装盖板11、螺栓和螺母，工装盖板11上对应于脐子3.1与定位槽1.1的位置铣出通槽11.1；工装底座21的上表面形状与组合件的下表面形状相适配，即与后盖板2的外表面形状相适配；工装盖板11的下表面形状与前盖板1的外表面形状相适配。工装底座21的中心和周边开设有螺纹盲孔，用于把合上螺栓；工装盖板11的中心和周边开设有通孔，用于贯穿螺栓。

组装的具体方法为，先放置工装底座21，并把合上螺栓，然后在工装底座21上依次放置组合件、前盖板1和工装盖板11，然后将螺母旋拧在螺栓上，并锁紧工装盖板11，使脐子3.1与定位槽1.1进行插接；检查前盖板1与叶片3的贴合紧密后，通过工装盖板11的通槽11.1对脐子3.1与定位槽1.1的接缝进行焊接，即实现叶轮与前盖板1的焊接固定，冷却、拆卸焊接夹具后得到叶轮，如图12-13所示。

本实施例方法将前盖板单独设计并浇铸成型，将后盖板和叶片进行一体设计并浇铸成型，使前盖板和组合件均为开放式，砂粒及表面异物等杂质易于清理，在清理打磨后进行焊接组合，该方法能保证叶轮的几何尺寸准确的同时，达到过流部位表面光洁度好，确保叶轮流道的流水线，提高泵的效率，能长时间平稳的运行，减少泵的质量事故；本方法特别适用于离心泵用窄流道大外径叶片式闭式叶轮的制作。

实施例2

一种窄流道大外径叶片3式闭式叶轮的制作方法，同实施例1的描述；本实施例的制作方法与实施例1的区别在于：设计叶轮的流道宽度为10mm；叶轮的外径为350mm；内径和外径的脐子3.1高度分别为3mm和2.5mm；脐子3.1与定位槽1.1进行插接后，脐子3.1的端面与前盖板1的外表面平齐，如图14和15所示。

Claims (10)

1.一种窄流道大外径叶片式闭式叶轮的制作方法，其特征在于，方法包括如下步骤：

步骤1：单独设计前盖板的形状，设计叶片与后盖板的组合件形状；

步骤2：按照前盖板设计，依次进行模型制作、芯盒制作、合型、浇铸、落砂、清理、检验，得到清洁的前盖板；按照叶片与后盖板的组合件设计，依次进行模型制作、芯盒制作、合型、浇铸、落砂、清理、检验，得到清洁的组合件；

步骤3：对组合件进行焊接前加工，采用数控铣床在组合件的每个叶片上铣出脐子；对前盖板进行焊接前加工，采用数控铣床在前盖板上且对应于每个叶片的脐子位置铣出贯通的定位槽；

步骤4：将前盖板与组合件进行组装、焊接，得到叶轮。

2.根据权利要求1所述的一种窄流道大外径叶片式闭式叶轮的制作方法，其特征在于，步骤2中，所述清理为清理浇铸铸件表面附着的砂粒及异物，清理后进行退火消除浇铸铸件应力，再采用数控车床车出形状并打磨，确保过流表面光洁度。

3.根据权利要求1所述的一种窄流道大外径叶片式闭式叶轮的制作方法，其特征在于，步骤3中，所述脐子位置和数量与定位槽的位置和数量相适配；所述脐子与定位槽进行插接后，实现叶片与前盖板的定位固定。

4.根据权利要求3所述的一种窄流道大外径叶片式闭式叶轮的制作方法，其特征在于，所述脐子与定位槽进行插接后，脐子的端面与前盖板的外表面平齐，或者脐子的端面低于前盖板的外表面。

5.根据权利要求1所述的一种窄流道大外径叶片式闭式叶轮的制作方法，其特征在于，步骤3中，每个所述叶片上铣出有2个脐子。

6.根据权利要求1所述的一种窄流道大外径叶片式闭式叶轮的制作方法，其特征在于，步骤3中，所述脐子高度为2～3mm，所述叶轮的流道宽度为5～10mm；所述叶轮的外径为300～350mm。

7.根据权利要求1所述的一种窄流道大外径叶片式闭式叶轮的制作方法，其特征在于，步骤4中，所述组装采用焊接夹具进行组装，所述焊接夹具包括工装底座、工装盖板、螺栓和螺母，所述工装盖板上对应于脐子与定位槽的位置铣出通槽；所述工装底座的上表面形状与组合件的下表面形状相适配，即与后盖板的外表面形状相适配；所述工装盖板的下表面形状与前盖板的外表面形状相适配。

8.根据权利要求7所述的一种窄流道大外径叶片式闭式叶轮的制作方法，其特征在于，所述组装的具体方法为，先放置工装底座，并把合上螺栓，然后在工装底座上依次放置组合件、前盖板和工装盖板，然后将螺母旋拧在螺栓上，并锁紧工装盖板，使脐子与定位槽进行插接；检查前盖板与叶片的贴合紧密后，通过工装盖板的通槽对脐子与定位槽的接缝进行焊接，即实现叶轮与前盖板的焊接固定，冷却、拆卸焊接夹具后得到叶轮。

9.根据权利要求8所述的一种窄流道大外径叶片式闭式叶轮的制作方法，其特征在于，所述工装底座的中心和周边开设有螺纹盲孔，用于把合上螺栓。

10.根据权利要求8所述的一种窄流道大外径叶片式闭式叶轮的制作方法，其特征在于，所述工装盖板的中心和周边开设有通孔，用于贯穿螺栓。

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