三坐標(biāo)測量渦輪導(dǎo)向葉片排氣面積的方法研究

中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)研究所 高繼昆

渦輪導(dǎo)向葉片排氣面積，反映了其流通能力。對于發(fā)動機(jī)而言，渦輪葉片排氣面積對渦輪前后溫度、流量、推力等性能都有直接的影響，能夠顯著影響整機(jī)性能，是備受總體關(guān)注的參數(shù)。要有效地控制渦輪葉片排氣面積，需要進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。導(dǎo)向器葉片本身是一個扭曲的空間型面，它使喉道排氣面積成為一個不規(guī)則截面，這對真實(shí)測量面積大小帶來很大困難。因此，國、內(nèi)外都規(guī)定在某一個位置上測量一個當(dāng)量面積來代替真實(shí)面積。排氣面積幾何測量通常分為測具測量和坐標(biāo)測量。測具測量往往用于批產(chǎn)階段，對于大批量的相同葉片使用一個較為固定的測具進(jìn)行排氣面積測量能夠大大節(jié)省成本和工作時間。目前在國內(nèi)外發(fā)動機(jī)主要生產(chǎn)廠家大都采用這種測量手段。而在科研階段，技術(shù)狀態(tài)不固定，葉片結(jié)構(gòu)存在更改的可能，這種情況下測具測量則比較浪費(fèi)。坐標(biāo)測量則憑借較高的精確度和測量能力成為了該階段較為有效的方法之一，更可以作為一種計(jì)量手段，評定測具測量的準(zhǔn)確性。

本文應(yīng)用三坐標(biāo)測量機(jī)測量渦輪葉片排氣面積，進(jìn)行排氣面積坐標(biāo)測量方法的試驗(yàn)研究。在測量過程中，采用不同的坐標(biāo)測量方法得出排氣面積值。通過對排氣面積數(shù)值的對比分析，研究不同測量方法的精確度。

1 測量方法

1.1 流道檢測點(diǎn)檢測

為驗(yàn)證坐標(biāo)系的重復(fù)性，應(yīng)對流道測點(diǎn)的Z0坐標(biāo)進(jìn)行測量，通過對長度的直接測量，得到坐標(biāo)系長度測量的重復(fù)性差異，作為后續(xù)測量的參考數(shù)據(jù)。

根據(jù)檢測要求確定流道檢測點(diǎn)的位置，得到流道檢測點(diǎn)在渦輪葉片坐標(biāo)系下的名義點(diǎn)坐標(biāo)。如果已給出流道檢測點(diǎn)的名義法線，可直接按法線方向測量得到流道檢測點(diǎn)的實(shí)測值。如果未給出流道檢測點(diǎn)的名義法線，則用微小平面法測量得到名義法線方向，再按該法線方向測量得到流道檢測點(diǎn)的實(shí)測值。

1.2 排氣面積檢測

可采用觸測法和掃描型線法進(jìn)行檢測。其中，觸測法為當(dāng)前常用的檢測方法，該方法較為便捷，但是其取點(diǎn)方式因矢量方向的不同會引入一定測量誤差；而掃描型線法從其物理意義來說更加接近所需的真實(shí)值，但其效率決定了該方法不能適應(yīng)工程化測量，僅能作為計(jì)量手段使用。

1.2.1 觸測法檢測

根據(jù)檢測要求確定喉道寬度檢測點(diǎn)和高度檢測點(diǎn)的位置，得到喉道寬度檢測點(diǎn)和高度檢測點(diǎn)在葉身坐標(biāo)系下的名義點(diǎn)坐標(biāo)。得到檢測點(diǎn)的實(shí)測值。

1.2.2 掃描型線法檢測

根據(jù)檢測要求確定并掃描各高度葉片葉盆、葉背側(cè)形成最小喉道寬度的一段型線和通過高度檢測點(diǎn)的緣板型線，得到各型線的實(shí)際點(diǎn)坐標(biāo)。葉盆和葉背掃描段點(diǎn)間距不大于0.5mm，葉緣掃描段點(diǎn)間距不大于0.1mm，設(shè)定時應(yīng)根據(jù)掃描段的曲率變化適當(dāng)縮小點(diǎn)間距值。

2 測量步驟

2.1 零件的裝夾

渦輪葉片的裝夾應(yīng)按照裝夾可靠、建立測量坐標(biāo)系方便、不妨礙測量、有足夠的檢測空間的原則進(jìn)行。優(yōu)先選用專用夾具，無專用夾具時也可選用通用夾具。

2.2 導(dǎo)入數(shù)據(jù)模型

數(shù)據(jù)模型應(yīng)保證完整準(zhǔn)確，葉身光順，無冗余、無碎面，葉緣良好，工件坐標(biāo)系準(zhǔn)確并與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)一致。導(dǎo)入數(shù)據(jù)模型，并將數(shù)據(jù)模型實(shí)體化顯示。

2.3 測針配置

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)選擇合適的加長桿和測針。渦輪葉片的檢測點(diǎn)和掃描型線的方向和角度不同，需配置多角度測針。測量過程中使用的所有測針或所有測針角度均需經(jīng)過統(tǒng)一校準(zhǔn)。

測針角度應(yīng)根據(jù)渦輪葉片檢測點(diǎn)和掃描型線的位置情況設(shè)置，確保在測量過程中，測頭與零件不發(fā)生干涉。

測針配置的原則是：選用測針的直徑盡可能小、加長桿盡可能短、連接點(diǎn)的數(shù)目盡可能少、配置最少的測針或測針角度完成所有檢測任務(wù)。

2.4 建立葉片坐標(biāo)系

采用6個矢量點(diǎn)迭代的方法建立渦輪葉片坐標(biāo)系，矢量點(diǎn)應(yīng)選取在精度較高的機(jī)加工表面上。矢量點(diǎn)和收斂誤差應(yīng)按照檢測要求選取確定，如沒有具體要求，可自行選取確定。

以某型號發(fā)動機(jī)渦輪葉片為例，如圖1所示。根據(jù)軸向基準(zhǔn)點(diǎn)1、2、3三點(diǎn)、徑向基準(zhǔn)點(diǎn)4、5兩點(diǎn)以及周向基準(zhǔn)點(diǎn)6、7的中點(diǎn)，進(jìn)行迭代。首先選擇6點(diǎn)迭代模式建立坐標(biāo)系并輸入收斂誤差，然后按順序手動測量迭代點(diǎn)，點(diǎn)的位置在名義點(diǎn)的位置附近即可，最后自動運(yùn)行進(jìn)行循環(huán)迭代。當(dāng)?shù)昂蟛町愋∮谒O(shè)定的收斂誤差時迭代停止，認(rèn)為確定了該渦輪葉片的坐標(biāo)系。在葉片坐標(biāo)系下完成流道檢測點(diǎn)的檢測。

2.5 建立葉身坐標(biāo)系

根據(jù)檢測要求和圖紙確定被測窗口的葉身坐標(biāo)系與渦輪葉片坐標(biāo)系的關(guān)系，通過平移旋轉(zhuǎn)得到葉身坐標(biāo)系。在葉身坐標(biāo)系下完成對應(yīng)窗口排氣面積的檢測。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 選用評定方法

檢測點(diǎn)和掃描型線通常都選用最小二乘法進(jìn)行擬合。不包括葉緣部分的葉身掃描型線和上下緣板掃描型線在測量軟件中直接進(jìn)行擬合。包括葉緣部分的葉身掃描型線應(yīng)利用Blade等專業(yè)葉型處理軟件進(jìn)行擬合。

圖1 用于確定渦輪葉片坐標(biāo)系的定位點(diǎn)Fig.1 Orientation points to determine turbine guide vane coordinate system

3.2 計(jì)算排氣面積

如采用觸測法檢測，在測量軟件中可直接利用已測得的實(shí)際點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算各截面的喉道寬度和通道的高度。

如采用掃描型線法檢測，首先在測量軟件中計(jì)算出各截面兩條型線間的最小距離，如測量軟件無法計(jì)算，可把測得的實(shí)際型線點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入到其他三維軟件中計(jì)算出各截面兩條型線間的最小距離，從而得到各截面的喉道寬度。同時選取上下緣板掃描型線與相對應(yīng)的理論軸向平面的兩個交點(diǎn)，計(jì)算兩個交點(diǎn)之間的距離得到通道高度。

根據(jù)公式下列公式可計(jì)算得到單個通道的排氣面積。

式中：F為渦輪葉片單個通道的當(dāng)量排氣面積，單位：cm2；W1，W2，…，Wn為各截面的喉道寬度，單位：mm；H為通道的高度，單位：mm；K為修正系數(shù)。

3.3 測量數(shù)據(jù)對比分析

以某型號發(fā)動機(jī)渦輪葉片為例，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

3.3.1 流道測點(diǎn)Z0坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)對比分析

按1.1中要求，進(jìn)行迭代坐標(biāo)系下的流道測點(diǎn)G3～G16的Z0坐標(biāo)測量，通過數(shù)據(jù)對比，在一定程度上能夠評價(jià)坐標(biāo)測量方法的直接測量誤差水平。以微小平面法確定實(shí)測點(diǎn)的法線和以名義點(diǎn)理論法線代替實(shí)測點(diǎn)的法線兩種方法進(jìn)行測量，得到實(shí)際點(diǎn)的Z0值，兩種測量方法的差異最大值為0.004mm，見表1。

上述數(shù)據(jù)能夠用于評估兩種矢量方法獲得的流道測量數(shù)據(jù)的差異水平。

3.3.2 測點(diǎn)矢量方向差異對排氣面積的影響

在測量排氣面積時，分別運(yùn)用了微平面法和理論矢量法兩種方法，獲得的數(shù)據(jù)如表2所示。對比表明測量差異最大值為0.0027mm，出現(xiàn)在截面W3長度測量中。排氣面積測量結(jié)果的差異值為0.001 cm2。

表1 兩種矢量選取方法測量Z0坐標(biāo)的數(shù)據(jù)差異

3.3.3 觸測法和掃描型線法測量數(shù)據(jù)對比分析

在測量排氣面積時，分別運(yùn)用了觸測法和掃描型線法兩種方法，獲得的數(shù)據(jù)如表2所示。對比表明測量差異最大值為0.0221mm，出現(xiàn)在截面W3長度測量中。排氣面積測量結(jié)果的差異值為0.011 cm2，排氣面積測量結(jié)果的相對差異值為0.1%。

表2 不同方法測量排氣面積的數(shù)據(jù)差異

3.3.4 測量數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果

（1）對同一組渦輪導(dǎo)向葉片組件同一個完整窗口進(jìn)行排氣面積測量，觸測法和掃描法的數(shù)據(jù)差異范圍最大為理論值的0.11%。滿足國軍標(biāo)中對測量不確定度的要求（允差的1/4）。

（2）測量結(jié)果均表明，掃描法測量排氣面積獲得的結(jié)果比觸測法小0.1%。

（3）在應(yīng)用觸測法測量排氣面積時，理論矢量法與微平面法測量差異不大。

（4）定位基準(zhǔn)的選擇對測量結(jié)果有影響，基準(zhǔn)的選擇對坐標(biāo)系的確定有影響，進(jìn)而影響了測量結(jié)果。

4 不確定度分析

排氣面積測量可采用觸測法和掃描型線法兩種方法進(jìn)行測量，下面以掃描型線法為例對排氣面積測量不確定度進(jìn)行評定。

排氣面積測量不確定度的主要來源有：三坐標(biāo)測量機(jī)示值誤差、掃描誤差、半徑補(bǔ)償誤差、測量重復(fù)性。

4.1 不確定度來源

使用三坐標(biāo)測量機(jī)測量掃描葉片型線時，不確定度來源有：

（1）測量機(jī)示值誤差引起的不確定度分量

（2）測量機(jī)掃描誤差引起的不確定度分量

（3）測量重復(fù)性引起的不確定度分量

（4）半徑補(bǔ)償誤差引起的不確定度分量

4.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

4.2.1 測量機(jī)示值誤差引起的不確定度分量u1

由校準(zhǔn)證書可知，三坐標(biāo)測量機(jī)示值誤差不超過（1.5+L/350）μm，在該葉片型線測量中取L=200mm，則a=（1.5+200/350）/2=1.0μm，為矩形分布[1-2]，b＝0.6，則

4.2.2 測量機(jī)掃描誤差引起的不確定度分量u2

由校準(zhǔn)證書可知，掃描誤差不超過1.3μm，則a＝0.65μm，估計(jì)為矩形分布，b＝0.6，則

4.2.3 測量重復(fù)性引起的不確定度分量u3

在重復(fù)性條件下，對同一葉片同一截面葉型進(jìn)行十次重復(fù)性測量，每一次測量后計(jì)算其輪廓度誤差x，得到測量結(jié)果：

4.2.4 半徑補(bǔ)償誤差引起的不確定度分量u4

三坐標(biāo)測量機(jī)的半徑補(bǔ)償誤差也稱余弦誤差，產(chǎn)生的原因是半徑補(bǔ)償?shù)姆较蚺c實(shí)際觸測點(diǎn)的法線方向不一致引起的。

半徑補(bǔ)償誤差可以由以下公式計(jì)算得到：

式中，R=1mm為測針半徑；β＝10°為測量點(diǎn)實(shí)際法線方向與半徑補(bǔ)償方向偏差，即實(shí)際點(diǎn)法線方向與XY平面的夾角；H=0.05mm為實(shí)測點(diǎn)Z值偏差。

估計(jì)為矩形分布，a＝δ＝6.6μm，b＝0.6 ，則

4.2.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

4.2.6 擴(kuò)展不確定度

取置信概率p=95%，k=2，則擴(kuò)展不確定度：

經(jīng)過計(jì)算其擴(kuò)展不確定度能夠滿足現(xiàn)階段渦輪導(dǎo)向葉片排氣面積測量公差的檢測技術(shù)要求。

5 結(jié)論

渦輪導(dǎo)向葉片排氣面積測量，在原有測具測量的基礎(chǔ)上，采用三坐標(biāo)測量機(jī)結(jié)合精密氣動轉(zhuǎn)臺進(jìn)行排氣面積檢測。利用迭代法建立坐標(biāo)系，采用觸測法或掃描型線法進(jìn)行測量，應(yīng)用三坐標(biāo)測量分析軟件的各項(xiàng)功能，計(jì)算出排氣面積，是國內(nèi)測量渦輪導(dǎo)向葉片排氣面積比較先進(jìn)有效的方法。

[1] 倪育才. 幾何量測量不確定度評定.北京：中國計(jì)量出版社，2006.

[2] 宣安東. 實(shí)用測量不確定度評定及案例.北京：中國計(jì)量出版社，2007.