水轮机是一种将水流能量转换为机械能的动力机械,其部件长时间与水接触并受水流冲击,会引起部件表面的材料损伤。为此水利部某研究所开发了一种用于水轮机部件表面喷涂的材料,通过超音速火焰喷涂(HVOF)可对新旧水轮机部件表面进行增材和修复。由于水轮机部件繁多、表面复杂,会造成某些特殊喷涂部位,尤其是交界面及夹角位置的喷涂困难和涂层不均匀,为此本文在研究水轮机部件曲面特征和HVOF射流场稳定性与扩散角的基础上,按曲面曲率大小规划喷涂路径,建立了喷涂模型。所做主要工作如下:(1)对需修复作业的常用水轮机部件表面进行分类,对其三维CAD模型实施拓扑三角网格划分。以HVOF喷涂点斑圆有效半径为界,将被喷涂曲面按曲率分大小两类,研究分析与喷枪运行轨迹控制相关的喷涂区间划分、喷涂轨迹优化的影响参量,从而获得较好的喷涂积累模型,以解决特殊部件部位的喷涂困难和不均匀问题。(2)研究分析了HVOF油氧量对射流温场、速度场及粒子流的空间分布影响,给出了仿真结果;为进行实验验证,发明了一种喷涂射流温度测量装置,可现场测量HVOF的射流温度和扩散角;根据喷射时段内射流温度与扩散角的波动情况判断射流的稳定程度,通过实验获得稳定射流的控制参数为煤油量24m~3/h和氧量850L/min,并在此基础上建立了一种与喷涂速度和喷涂距离相关的涂层累积模型。(3)对大小曲率曲面分别进行喷涂轨迹优化设计。对小曲率大曲面喷涂对象,先进行喷涂区域划分,再进行区域内喷涂轨迹规划。以轨迹间的重合距离为优化目标,在前述稳定射流条件下,经理论分析和实验验证,得到的优化重合距离为7.8mm。在各喷涂区域交界处,根据不同喷涂速度,优化边缘喷涂轨迹与区域交界线的距离,获得优化轨迹控制模型,并以活动导叶为例进行了优化仿真。对于大曲率小夹角曲面喷涂对象,给出了基于喷枪倾斜角特征的喷涂轨迹优化设计,建立了与喷枪倾斜角相关的大曲率小夹角类喷枪轨迹参数的优化模型,并进行了初步验证。