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岭澳Ⅱ期核电汽轮发电机质量检测技术
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核能汽轮发电机定子线圈模具数控加工工艺研究
核能汽轮发电机定子线圈模具数控加工工艺研究
23:30:26&&作者：刘军 吴勤 李克非 &&来源：
本文对核电定子线圈模具的数控加工工艺进行了详尽阐述，指出了在加工过程中遇到的难点及需要重关注的问题。同时，分别从建模、毛坯现状、加工要求、机床刀具选择、程序编制、程序校验及现场加工几个方面进行了介绍，解决了原有线圈加工中存在的型线吻合度差的技术难题，为加工同类难加工件积累了实践经验，提升了我公司在数控加工技术方面的推广应用能力。
　　1 引 言
　　核能汽轮发电机制造技术是当今世界最先进的发电机制造技术之一，各大发电机设备生产企业都将其视为自身的核心技术。定子线圈是汽轮发电机定子部件内起主要作用且制造难度较大的部分。定子线圈模具的加工是定子线圈热压成型技术中较为重要的一环，它直接影响了线圈型线的一致性、吻合度及绝缘层厚度等重要性能。
　　某公司原有定子线圈模具加工工艺是“立车车锥体一划线一分段弯形一样板打磨成型”。采用这种手工打磨的方法，不仅工人劳动强度大、生产效率低.而且不易保证整个线模型腔的一致性。为满足核电定子线圈的工艺要求，缩短其模具生产周期，保证线圈的产量和质量，我们首次采用数控加工技术进行了核能汽轮发电机定子线圈模具的制造。
　　2 定子线圈模具数控加工工艺方案
　　为改进工艺方案，提高生产质量和生产效率，我们根据公司自身技术特点，研究并制定了本定子线圈模具数控加工工艺方案。其加工工艺主体方案流程框图如图1所示，图2为定子线圈模具数控加工编程流程框图。
　　图1 主体方案流程图
　　图2 数控加工编程流程图
　　3 主要工艺方法
　　3.1 建模特点
　　根据公司现有技术资源，我们选择在UG软件平台上进行定子线圈模具原始模型的设计和加工程序的计算。
　　从结构上讲，我公司设计的线圈模具是由一个锥体和附着在其上的压铁组成。锥体为标准部件，建模相对简单，只需按图纸尺寸，运用UG建模环境下的特征造型和平面切割，就可以准确地做出。图3为锥体特征造型后的示意图。
　　图3 锥体造型示意图
　　压铁构造同样在UG建模环境下进行，运用曲线菜单的缠绕/展开(Wrap/Unwrap Curve)功能，具体步骤是：
　　(1)首先做—个与锥体相切的展开平面;
　　(2)再按图纸在平面内构造展开曲线;
　　(3)运用缠绕/展开命令将(2)得到的曲线附着到锥体;
　　(4)最后运用草图指令(Sketch)和扫掠指令(Swept)构造出压铁。
　　图4为线圈模具三维造型示意图。
　　图4 线圈模具示意图
　　压铁是一个随形“S”状的三维实体，构造相对复杂。运用UG构造线模压铁模型时应关注两个方面的问题：第一，运用缠绕/展开指令时，需留意展开面和锥面之间切点的选择，因切点即缠绕(或展开)曲线和被缠绕(或展开)曲线相重合的点;第二，运用扫掠指令时，需注意扫掠截面和引导线的选择，因为扫掠截面可选单个或多个，引导线最多可选3个。经多次造型比较验证得出，选取的截面和引导线越多，扫掠形成的曲面或实体就越精确。
　　3.2 加工特点
　　(1)毛坯现状
　　锥体经焊割定位侧边，并与压铁毛料焊接后，其底面和侧面都出现较大变形，不利于装夹找正。
　　压铁部分为主要数控加工部位，其余量分布情况极为复杂：端面最大余量与最小余量相差90mm左右，内腔余量的理论留量与实际余量相差8mm左右。
　　(2)加工要求
　　工作面即内腔侧面、顶面的表面粗糙度要求较高，其余为12.5 。内腔截面尺寸允许公差要求亦较高，其余尺寸皆属自由公差。
　　其他要求：保证型腔的_二致性、渐开线部位与图纸的吻合度。
　　(3)机床选择
　　按照数控加工机床选择原则，根据线圈模具的实际加工情况，选用满足行程条件的五轴联动铣床。
　　(4)刀具选择
　　刀具选择是数控加工策略中非常重要的一个环节，它直接影响加工质量和加工效率。为满足加工要求，提高加工效率，我们先后选用了面铣刀、立铣刀、方肩铣刀、多齿立铣刀、钻头及镗刀等。
　　刀具选用的难点在于，线圈模具内腔侧面深度较高，成型模深度较深，绝缘模相对于成型模更深。一般地，直径为40ram或50mm的立铣刀，其侧刃高度为50-80mm。而需达到加工要求只有选用刃长超过95mm的自制刀具，但其悬伸仍然较长，加工难度大。
　　3.3 编程方法
　　3.3.1 五轴联动面驱动
　　顶面为自由曲面，采用五轴联动方式进行粗精加工。具体做法是：打开UG文档;进入UG加工环境(Manufacturing)，选择多轴加工(mill—multi—axis)策略，选择对应加工刀具和加工坐标系，命名加工程序。加工策略：定义加工驱动面，设定顺逆铣混合式的走刀方式，沿曲面流线方向走刀。图5为计算完成后的刀何轨迹。
　　图5 刀位轨迹示意图
　　3.3.2 多轴外形轮廓铣
　　多轴外形轮廓铣这种加工方式是专门用于侧面驱动的刀位计算方法，特别适合该线圈模具的内腔侧面加工。为保证加工精度，内腔侧面分为粗加工、半精加工、精加工。具体做法是：先进入UG加工环境，创建加工操作，选取多轴铣加工中的Contour—profile驱动方式，选取刀具，命名程序。加工策略的设置：粗加工选用端铣刀，留一定余量分层切削，以保证加工效率;半精加工选用方肩铣刀，为最后精加工留少许余量分层切削;精加工选用精铣立铣刀，一次性不间断走刀完成。
　　这种方式生成的程序为刀具侧刃切削工件表面。设置参数时应注意加工面的选取，加工面必须是有一侧壁的底面。如果加工面不止一个，则应注意须依次选取连续的加工面，这样刀位才会比较规整.达到预期效果。
　　3.4 程序校验
　　加工程序是直接指导加工、影响加工质量和效率的主要因素，因此进行程序校验很有必要。目前，我公司现有的程序校验软件有UG自带程序模拟和Verieut机床仿真模拟两种。
　　(1)UG加工程序模拟
　　设定参数，初生成加工程序。利用UG程序3D动态模拟功能进行刀位三维仿真，以消除刀具与加工表面之间的干涉情况。如图6所示，其左为刀位计算后有刀具过切现象的效果图，其右为优化刀位参数后得到的刀具切削示意图。
　　图6 刀位动态仿真示意图
　　经校验无误后，选择与机床控制系统相对应的后置文件进行程序后置处理，得到机床能执行的代码文件及加工程序。
　　(2)Vricut机床仿真
　　运用Vricut机床仿真的主要目的是检验机床在加工运行中是否与工件发生碰撞干涉。该软件的运用节约了调试程序所占用的机床加工时间，提高了机床利用率。
　　3.5 加工中的变形控制
　　对于薄壁件的加工来说，控制加工变形一直是其重点和难点。由于压铁内腔毛坯余量不均匀，所以极易引起加工时切削力不均，造成切削振动，使工件发生加工变形。精铣时，因加工深度较大、刀具悬伸较长，若切削深度过大就会产生让刀现象。针对这种情况，我们采取了以下工艺改进方法：
　　(1)将粗加工刀具由立铣刀改为端铣刀，半精加工刀具由立铣刀改为方肩铣刀，这样刀具与工件表面的接触面减少了，钢性更好，从而减少了振动，保证了精加工余量。
　　(2)减小内腔面半精加工后的余量，即减小精加工的吃刀深度，使得精加工过程中刀具走刀更加平稳，减少由于刀具悬伸过长而引起的刀具颤动，保证了产品内腔表面的加工质量。
　　图7为核能汽轮发电机定子线圈模具正在七跨五轴联动数控铣床上进行加工。
　　图7 核能汽轮发电机定子线圈模具加工示意图
　　4 产品加工效果
　　核电定子线圈模具经五轴联动数控加工后，由质检人员采用千分尺、样板等检测手段，检验其型线、内腔宽度等相关重要尺寸。经检验，该定子线圈模具的内腔型线满足相关工艺要求，相关尺寸均达到图纸要求。核电定子线圈模具数控加工工艺方案的实施，缩短了线圈模具的生产周期，减轻了铲磨工人的工作量和劳动强度，保证了定子线圈模具的加工质量。
　　5 结语
　　从加工结果来看，数控加工在定子线圈模具加工中得到了很好的应用，解决了原来定子线圈加工方式中型线吻合度较差的技术难题，增强了我公司汽轮发电机定子线圈的生产制造能力，为进一步推广应用数控加工技术、发挥数控加工技术优势、提高产能、节约成本，提供了更多的技术解决方案。
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吉林市年产5000套10kw垂直轴风力发电机项目
吉林省人民政府&www.&&&&&&
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1. 项目简介
1.1 项目背景
1.1.1 产品简介
目前，水平轴风力发电机仍占据着主体地位，但垂直轴风力发电机已日益转变为关注和研究的热点。与水平轴相比，垂直轴风力发电机有许多优点：
&& （1）垂直轴风力发电机无需对风向和对风机构。因而无对风损失，发电效率高，整机结构相对简单，可靠性高。
&& （2）叶片翼形设计相对简单独特。垂直轴风力发电机的叶片可简化成二维模型，而水平轴必须采用三维模型进行模拟和计算。垂直轴风力发电机已可采用计算流体力学（CFD）技术模拟复杂的空气流动情况，而水平轴风力发电机的叶片设计普遍采用的是动量—叶素理论。
&& （3）垂直轴风力发电机的风能利用率较高。通常水平轴风力发电机的风能利用率仅有23%～29%，而垂直轴风力发电机的空气利用率可达40%以上，甚至更高。
&& （4）垂直轴风力发电机具有较低的起动风速。水平轴风力发电机的起动风速一般在4～5m/s之间，最大到5.9m/s。而垂直轴风力发电机的起动风速可低至2m/s。
&&& 本项目与哈工大合作，通过经合局招商引资平台，引进哈工大的技术，吸纳社会资本，共同发展此项目，结合其人脉资源，可以做到迅速与市场结合，实现产业化。
1.1.2 市场前景
随着石油和煤炭两大主要能源的日趋减少，可再生能源将成为世界未来的主要能源。温室气体排放引起全球气候变暖，备受国际社会广泛关注，发展风力发电是节能减排的重要措施之一，也是应对全球气候变化，进一步加强节能减排工作的迫切需要。在可再生能源领域中，风能具有开发潜力大、成本相对低廉、风电技术相对成熟、便于推广和应用等优势，已受到世界各国的高度重视和研究。不仅如此，从环保方面来看，风力发电还可减轻由于环境污染对人身健康和生物的危害，减少环境污染所引起的损失。据相关资料统计，对于平均每年投产300万千瓦的风电机组，可发电65亿KWh，相当于节煤250万吨，可减少SO2有害气体排放43000吨，氮氧化物28640吨，烟尘36600吨。因此，风力发电具有非常好的发展前景。
今后，国内外风力发电技术和产业的发展速度将明显加快。据世界气象组织（WMO）和中国气象局气象科学研究院分析，地球上可利用的风能资源为200亿kW，是地球上可利用水能的20倍。中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿kW，海上可利用的风能是陆地上的3倍，50m高度层可利用的风能是10m高度层的2倍，风能资源非常丰富。
中国政府为了推动并网风电的商业化发展，2003年9月国家发改委明确提出我国风电发展的规划目标：2005年全国风电装机容量达到100万千瓦，2010年全国风电装机容量达到400万千瓦，2015年全国风电装机容量达到1000万千瓦，2020年全国风电装机容量达到2000万千瓦，占全国总装机容量的2%左右。这就意味着在今后5年时间内，每年平均装机容量需达到近60万千瓦，2010到2015年，需达到近120万千瓦，2015到2020年，需达到近200万千瓦。可以预计，中国即将成为世界风电发展最令人瞩目的国家之一。
中国风力发电产业的发展实际是从小型风力发电机组开始，并由小及大的。我国小型风力发电的技术比较成熟，能够自行研发容量从100W到10kW的风力发电机组，累计保有量已经居于世界第一位。离网型风电经过20多年的发展，为农村电气化做出巨大贡献。主要产品品种有100W、150W、200W、300W、500W、600W、1kW、2kW、5kW、10kW风电机组等。同时，中国企业通过合资、合作等形式引进了国外公司的离网型风电机组技术。如内蒙华德新技术公司与德国WENUS公司合作，生产出5kW风电机组，并成功地在新疆、内蒙古、广东等地安装了20多台（套），该机组或风力/柴油/蓄电池独立供电系统、风力提水系统及电视差转台风力供电系统，很好地解决了当地人民群众的生活和生产用电。内蒙古天力风力机械厂引进法国AEROWATT公司的一个系列7个品种的风力发电机组，其中51kW机组全部国产化。内蒙古商都牧机厂与瑞典斯维阿勃（SVIAB）公司合作生产了SVLAB065—24型风力发电机组。湖南湘潭电机厂和美国BERGEY公司成立了合资公司，生产600W、1kW风电机组。
1.1.3 技术分析
哈工大是一所国家重点知名学府，已有近百年历史。她拥有机电工程、能源动力、空间飞行器、电机控制等相关学科的研究条件和理论基础，完全有能力和有条件研制出大功率垂直轴风力发电机组。本课题组经过前期的深入研究，已确定了活动叶垂直轴风力发电机的设计方案，通过理论分析、计算机仿真和模拟实验验证等工作，取得了风机研发的关键技术和重要数据，本研究的活动叶式垂直轴风力发电机具有很好的可行性。
产品风车叶片采用垂直轴半活动半固定升阻复合型的风力发电结构，实现风力机在启动过程中或低风速时，以阻力型机制运转，当风速较大或者风轮转速升高到一定值时，以升力型机制运转。对于每个叶片，在旋转到不同相位时，具有不同的运行机制，在迎风边，活动叶片依次处于闭合-打开-闭合状态，因而叶片的运行机制也相应地呈升力-阻力-升力的周期性变化，在阻风边，活动叶片则一直处于闭合状态，此时主要以升力型和减小风阻为主要特征；风车同时采用H型垂直轴风车结构， 在迎风面充分利用阻力和升力复合做功，可以最大限度的捕获风能、在图1的背风面从3到5的位置之间，还可利用叶片的阻力做功，也可有效利用风能，而在5到7位置之间，叶片的顺风摆动，可最大限度地减小风阻，使风能利用率大大增加；采用独特的顺桨卸荷机构，使风机具有优良的抗强风和抗台风的能力，特别是该机构在风速减弱时，叶片具有自动恢复工作位置的功能，使其发电效率更高，更易于维护；项目产品与水平轴风力机相比，风能利用率提高5%以上，可达45%。本项目采用升阻复合结构，风速4-4.5m/s即可以启动，风速适应范围广，可以实现兆瓦级的大功率设计目标。
1.1.4 项目建设的有利条件及必要性
&& （1）政策条件
哥本哈根世界气候大会确定了减少碳排放、实现节能减排的战略方针，中国政府也郑重承了中国的减排目标。发展新能源是要实现这一目标的重要措施。a、国家计委关于建设项目评价的规定、要求。b、国家关于节能减排项目的产业政策。
&& （2）相关技术优势
不仅具有启动风速低（4--4.5m/s可以启动）、风能利用率高（可望达到或超过45%）、可靠性高、风速适应范围广、噪音低等特性，而且可以实现兆瓦级的大功率设计目标，既可在风速较低的城镇地区使用，也可在风速较高的旷野、高山和沿海使用，具有非常广阔的开发和应用前景，将产生巨大的经济效益和社会效益。目前已申请2项专利。
本研究的活动叶式垂直轴风力发电机所采用的风轮，具有独特设计理念，其关键技术是利用了升阻复合、互补原理，在结构方面，设计的核心目的是增大驱动力矩，尽可能减小背风面阻力矩和风轮旋转过程的风阻，从而提高了尖速比，可实现大功率。
&& （3）人才、市场份额优势
吉林市人力资源充足、价格低廉，东北电力学校、吉林农业技术科学院等高等院校可为企业需求提供高级管理人员和技工人员。吉林经开区地理位置优越，地处我国东北中部，东至朝鲜、俄罗斯边境，南至沈阳，西至长春，北至哈尔滨，均在500公里路程之内。
&& （4）现有生产条件
公司是由哈尔滨一批老科技工作者领办的，和哈尔滨工业大学机电学院合作以大学和企业---产学研形式创建的科技创新型企业。现有工业园区创业中心提供的办公室120平方米，厂房建筑面积800m2。另外和北安市华龙新型建材有限公司达成协议，该公司以场地17000平方米和675平方米办公室、厂房以及水电等公用工程设备入股本项目。目前，公司现有科技人员22人，其中高级职称以上者占70%，科研力量较强。项目公司已经和哈尔滨工业大学机电学院签订了10kw垂直轴风力发电机科技项目合作协议，该技术有独立的知识权，项目产品已经获得国家专利，现已经研制出第二批样机。
风能是一种广义的太阳能。据世界气象组织（WMO）和中国气象局气象科学研究院分析，地球上可利用的风能资源为200亿kW，是地球上可利用水能的20倍。中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿kW，海上可利用的风能是陆地上的3倍，50m高度层可利用的风能是10m高度层的2倍，风能资源非常丰富。2005年中国除台湾省外新增风电机组592台，装机容量50.3万kW。与2004年当年新增装机19.8万kW相比，2005年当年新增装机增长率为254%。截至2005年底，中国除台湾省外累计风电机组1864台，装机容量126.6万kW，风电场62个。与2004年累计装机76.4万kW相比，2005年累计装机增长率为65.6%。2005年风电上网电量约15.3亿kW.h。
中国“十一五”国家科技支撑计划重大项目“大功率风电机组研制与示范”支持1.5~2.5MW、2.5MW以上双馈式变速恒频风电机组的研制；1.5~2.5MW、2.5MW以上直驱式变速恒频风电机组的研制；1.5MW以上风电机组叶片、齿轮箱、双馈式发电机、直驱式永磁发电机的研制及产业化；1.5MW以上双馈式风电机组控制系统及变流器、直驱式风电机组控制系统及变流器的研制及产业化；近海风电场建设关键技术的研究；近海风电机组安装及维护专用设备的研制；大型风电机组相关标准制定及风电技术发展分析等16个课题的研究。“十一五”末，我国风电技术的自主研发能力将接近世界前沿水平。
&& （5）上下游产品情况
我们定型产品选择在10kw的水平上，由于用电高峰和低谷的不平衡，合理配备蓄电设备的情况下10kw的风力发电机，可以供应超过20kw或30kw以上的用电负荷，这样我们设计定型的10kw的风力发电机就更能适应各类消费用户，产品的使用范围更加广阔。如果按照年6000小时的工作时间，10kw的风力发电机年发电量在6万度。按照每度电0.6元，10kw的风力发电机年发电创造的价值既3.6万元，若按照每台套5万左右的造价，一年半左右就可以用所发的电力价值收回设备成本，按照20年的寿命使用年限，扣除易损耗的蓄电池的更换费用，另外的16年左右就是该10kw的风力发电机给用户带来的实实在在的效益，并且收益率还很高。如果20多户的居民小区联合使用，造价平均分摊在每户的费用仅2500多，用户很容易接受。
1.2 项目建设内容及规模
1.2.1 产品方案及规模
（1）生产规模
年产10kw为主要机型的垂直轴风力发电机5000套。
（2）产品方案
1.2.2 建设内容
1.3项目总投资及资金筹措
1.3.1项目总投资
项目总投资31770.02万元，其中建设投资为22452.18万元。
表1：&&&&&&&& 项目总投资汇总一览表&&&&&&&&&&& 单位：万元人民币
1.3.2 资金筹措
&& 表2： &&&&&&&&&&&&资金筹措一览表&&&&&&&&&&&&&&& 单位：万元人民币
资金分类及来源
占总投资比例（％）
项目资本金
建设期利息
项目总投资
1.4 财务分析及社会评价&&&&&&&
1.4.1 主要财务指标
该项目预计年营业收入46167.5万元，年利润9718.25万元。投资回收期4.27年（税后,含建设期1年），投资利润率30.59%。
&表2：& &&&&&&&&&主要财务效益预测指标一览表&&&&&&&&&&&&&&&&&
说明：表中“万元”均为人民币
1.4.2 社会评价
项目建成后，将有得于形成完整的产业链条，促进产业升级，带动下游产业发展，同时带动本地就业，为地方社会发展起到良好的促进作用，也为吉林市支柱产业进步起到良好的推动作用。
1.5 项目合作方式
合作，其他方式可面谈。
1.6 项目建设地点
吉林经济技术开发区。
1.7 项目进展情况
正在编制项目建议书。
2. 合作方简介
2.1 基本情况
名&&& 称：吉林经济技术开发区
地&&& 址：吉林省吉林市九站街516-1号
法人代表：郑国学（管委会主任）
1998年12月16日吉林省政府批准成立吉林经开区（省级开发区），1999年1月21日吉林经开区正式挂牌成立。2010年4月25日经国务院批准晋升为国家级经济技术开发区。
吉林经开区设立之初，行政辖区土地面积103平方公里，规划区面积28平方公里。后经区划调整，将双吉街道划归昌邑区管理，现开发区行政辖区土地面积为89.72平方公里（含三道岭子6.11平方公里），2006年，经国土资源部对全国开发区的四至范围进行确认后（东至松花江，南至九站乡九站村，西至九站乡寇家村，北至通溪河），开发区的规划面积核定为为20.46平方公里。
吉林经开区按照建设国际知名、国内一流的新型生态工业新城的目标，坚持“一区多园、齐头并进”的发展理念，以“龙头项目-产业链-产业集群-产业基地”发展为主线，走园区化、集群化、链式化发展道路，建成了化工产业园、新材料产业园、品牌食品（农副产品深加工）产业园、机械电子产业园和化纤纺织产业园五大产业园区，另外现代物流产业园的建设也已全面展开。
全面推进工业化和城市化进程，实现工业集聚区向综合性现代化新城区转变，全区经济发展水平、人民生活质量、自主创新能力、持续发展能力得到显著提升，将吉林经济技术开发区建设成为经济基础雄厚、产业集群发展、城市功能完备、生态环境宜居的吉林市北部工业新城核心服务区。预计到2020年，工业总产值达到2000亿元，年均增速23.6%；地区生产总值达到800亿元，年均增速27.2%。培育生成6～10个百亿级企业。
预计到2030年，工业总产值达到6000亿元，年均增速17.4%；地区生产总值达到2000亿元，年均增速18.1%。社会总产值达到8000亿元。培育生成20个百亿级企业，打造两个千亿级产业。
2.3联系方式：
&&& xuejiao502
项目所在市（州）联系方式：
联系单位：吉林市经济技术合作局
联 系 人：魏晓丽& 刘爱国
联系电话：9
电子邮箱：
网&&& 址：www.
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