薛 吉

(沈陽鼓風機 集團股份 有限公 司 透平工藝部 ，遼寧 沈陽 110869)

　　摘 要：文章研究了增壓機葉輪加工方法選擇，分析了電加工葉輪變質層控制及去除方法，對比了不同加工方法制造的葉輪流道磨料流前后粗糙度變化情況。結果表明：電加工葉輪可以獲得更低的流道粗糙度，磨料流前粗糙度低的葉輪會獲得更好的拋光效果。磨料流拋光技 術更適合應用于電加工葉輪 。

　　關鍵詞：葉輪；電火花；磨料流；粗糙度

　　引言

　　空分壓縮機組廣泛應用于煤化工、化肥、煉油等領域，是整個化工流程的核心裝備。目前，全球僅有西門子、曼透平、沈鼓集團等少數企業具備10萬等級及以上空分壓縮機組設計、制造能力。

    空分壓縮機組由空壓機和增壓機組成，為長周期連續運轉設備，其增壓機由葉輪進行做功，工作介質為空氣，葉輪效率稍有提升，即可大大降低能源消耗，節約數以百萬計的運營成本。

    1、葉輪流道粗糙度對增壓機效率的影響

20世紀70年代以來，壓縮機企業廣泛采用“三元流”設計理論對葉輪子午流道結構尺寸進行優化，改善流場，提升其對內部工作介質做功能力，進而提高效率［1］。

    此外，工作介質在葉輪流道中流動時，由于流體存在粘性產生阻力，會造成流動損失，流動損失的計算公式為：

　　其中：λ一沿程阻力系數；1-流道長度，m；R—流道截面水力半徑

　　介質在葉輪中高速流動，其沿程阻力系數主要與流道表面粗糙度相關。因此，在葉輪流道加工完成后，對流道進行拋光，降低流糙度，可有效提高葉輪效率。

　　沈鼓集團劉向東等人，通過對離心壓縮機窄流道閉式葉輪進行磨料流拋光，使葉輪流道粗糙度降低兩個數量級，壓縮機整機效率提高1％左右。

    2、增壓機葉輪流道加工及拋光

    以某10萬等級空分增壓機為例，共有6級葉輪，其首級葉輪為半開式三元葉輪，2—6級葉輪為閉式三元葉輪。葉輪材質為FV520B，是由英國Firth—Vickers材料研究室開發的一種具有高強度、良好耐蝕性能、沖擊韌性和焊接性能的馬氏體沉淀硬化不銹鋼，化學成分如表1所示：

表 1 FV520B 馬氏體不銹鋼的化學成分(％)

　　2．1 葉輪流道加工方式選擇

　　為保證葉輪流道加工精度，該增壓機首級葉輪采用五坐標加工中心銑制加工。2、3級葉輪由于流道較寬，通過三維仿真，可采用整體銑制方法進行加工。4—6級葉輪由于流道出口較窄，受刀具可達性限制，無法進行整體銑制，為保證流道精度，選擇電火花加工方式加工。在電火花加工時，由于葉輪受到局部驟熱、驟冷及高溫、高壓的物理化學作用影響，會在流道表面形成變質層，產生殘余拉應力。由于增壓機葉輪工況為高轉速、高離心力，為保證可靠性與安全性，不能允許變質層存在。

    經過H.R am asawm y等研究，變質層平均厚度與電火花加工參數經驗公式為［5］：

　　其中：AWLT一變質層平均厚度，m；I-脈沖峰值電流，A；t一脈寬時間，s。

    上式表明變質層平均厚度取決于峰值電流與脈寬，所以在電火花加工葉輪流道時要通過控制峰值電流大小、脈寬時間及采取粗、中、精分檔加工的方式控制電火花變質層厚度 。

    2.2 流道拋光加工

    在完成葉輪流道加工后，為進一步降低葉輪流道粗糙度，需對流道進行拋光加工。目前，比較理想的方法是采用磨料流技術，不僅可以降低葉輪流道粗糙度，還可以去除電加工變質層[6]。

　　磨料流是采用半固態流體磨料，在高壓下反復擠壓固定于專用夾具上的工件表面的技術[7]，20世紀60年代最早由美國提出，80年代初引入我國，最早應用于航天領域，對異型孔、薄壁件、復雜型腔的磨削拋光也有很大優勢[8]。

    磨料流加工主要受磨料、加工參數、夾具三大因素影響，其中加工參數又與循環次數、加工壓力、磨料流速有關。經過試驗，我們設計了專用夾具，采用專用磨料，選取循環次數30、加工壓力22BAR、磨料流速7dL／sec的參數對增壓機1-6 級葉輪流道進行磨料流拋光加工。

    3、葉輪磨料流前后粗糙度測定

    為檢驗磨料流拋光效果，需對葉輪磨料流前后粗糙度變化情況進行測定，由于葉輪流道為變截面，磨料在加工過程的流速也是變化的，大致如圖1所示 ：

圖1 葉輪磨料流加工磨料速度與加工區域關系[3]

　　由圖1可知，在IV處磨料流速最低，拋光效果最差，同時由于葉輪流道扭曲，只有此處便于粗糙度測定 。

    我們分別選取1級葉輪(半開銑制 )、2級葉輪(整體銑制 )、4級葉輪(電火花加工 )，在其出口IV區域120度方向選取3點于磨料流前后進行粗糙度測定，結果如表2 所示 ：

表2 某增壓機葉輪磨料流前后流道 出口底 面粗糙度 Ra( m )

　　由上表可知，磨料流前粗糙度較低的流道，經過磨料流加工會獲得更好的加工效果；采用電火花方法加工流道比銑制加工能獲得更好的粗糙度效果；電火花葉輪通過磨料流加工不僅能去除變質層，同時粗糙度降低明顯。

    4 結束語

    通過降低空分壓縮機組增壓機葉輪流道粗糙度，可降低流動損失，有效提高機組效率。相比于五坐標銑制，電火花加工葉輪可以獲得更低的流道粗糙度。

    電加工葉輪變質層必須去除，在加工過程中可通過控制峰值電流、脈寬時間等參數降低變質層平均厚度。

    磨料流前葉輪流道粗糙度越低，磨料流加工后會獲得更好的加工效果。磨料流加工更適合對 電加工葉輪進行拋光，不僅可以去除變質層，而且能夠獲得比銑制 葉輪更好的粗糙度效果。

    參考文獻

    【1】周建新．運用“三元流”技術對煤氣鼓風機的增容改造[J]機械工程與自動化，2005：l06—107．

    【2】楊詩成，王喜魁．泵與風機(第二版 )[M ]．北京：中國電力出版社．2004 ．

    【3】劉向東，季田，龐占元，等．離心壓縮機葉輪流道磨料流拋光及其對壓縮機效率的影 響[J]．組合機床與自動化加工技術，2009(3)：12一l5．

【4】劉曉禹，于麗萍．熱處理對馬氏體不銹鋼FV520B的組織和力學性能的影響Ⅲ．一重技術，2005(4)：27—28．

    【5】Ranmsawmy H ,Blunt L ,Rajurkar K P.Investigation of the relationship between the white layer thickness and 3D surface texture p arameters in the diesinking EDM process[J]．Precision E ngineering，2005，29：479—490．

    【6】Loveless TR，Williams R E，Raiurkar K P．A study of the effect of a rasive flow finishing on various machining machined surfaces[J]．Journal of Materials Processing Technology，1994(47)：l3一l51．

    【7】高航，吳鳴宇，等．流體磨料光整加工理論與技術的發展[J]．機械工程學報，20l5 (4 )：l74一l87．

　　【8】周錦進，方建成，徐文驥．光整加工技術的研究與發展[J]．制造技術與基礎．2004 (3 )：7一l1．