中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)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(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)而言，渦輪葉片排氣面積對(duì)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(cè)量。導(dǎo)向器葉片本身是一個(gè)扭曲的空間型面，它使喉道排氣面積成為一個(gè)不規(guī)則截面，這對(duì)真實(shí)測(cè)量面積大小帶來(lái)很大困難。因此，國(guó)、內(nèi)外都規(guī)定在某一個(gè)位置上測(cè)量一個(gè)當(dāng)量面積來(lái)代替真實(shí)面積。排氣面積幾何測(cè)量通常分為測(cè)具測(cè)量和坐標(biāo)測(cè)量。測(cè)具測(cè)量往往用于批產(chǎn)階段，對(duì)于大批量的相同葉片使用一個(gè)較為固定的測(cè)具進(jìn)行排氣面積測(cè)量能夠大大節(jié)省成本和工作時(shí)間。目前在國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)主要生產(chǎn)廠家大都采用這種測(cè)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(cè)具測(cè)量則比較浪費(fèi)。坐標(biāo)測(cè)量則憑借較高的精確度和測(cè)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(píng)定測(cè)具測(cè)量的準(zhǔn)確性。

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

1 測(cè)量方法

1.1 流道檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)

為驗(yàn)證坐標(biāo)系的重復(fù)性，應(yīng)對(duì)流道測(cè)點(diǎn)的Z0坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)長(zhǎng)度的直接測(cè)量，得到坐標(biāo)系長(zhǎng)度測(cè)量的重復(fù)性差異，作為后續(xù)測(cè)量的參考數(shù)據(jù)。

根據(jù)檢測(cè)要求確定流道檢測(cè)點(diǎn)的位置，得到流道檢測(cè)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(cè)點(diǎn)的名義法線，可直接按法線方向測(cè)量得到流道檢測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值。如果未給出流道檢測(cè)點(diǎn)的名義法線，則用微小平面法測(cè)量得到名義法線方向，再按該法線方向測(cè)量得到流道檢測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值。

1.2 排氣面積檢測(cè)

可采用觸測(cè)法和掃描型線法進(jìn)行檢測(cè)。其中，觸測(cè)法為當(dāng)前常用的檢測(cè)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(huì)引入一定測(cè)量誤差；而掃描型線法從其物理意義來(lái)說(shuō)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(cè)量，僅能作為計(jì)量手段使用。

1.2.1 觸測(cè)法檢測(cè)

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

1.2.2 掃描型線法檢測(cè)

根據(jù)檢測(cè)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(guò)高度檢測(cè)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(shí)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(cè)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(cè)量坐標(biāo)系方便、不妨礙測(cè)量、有足夠的檢測(cè)空間的原則進(jìn)行。優(yōu)先選用專用夾具，無(wú)專用夾具時(shí)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(wú)冗余、無(wú)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(cè)針配置

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

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

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

2.4 建立葉片坐標(biāo)系

采用6個(gè)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(cè)要求選取確定，如沒(méi)有具體要求，可自行選取確定。

以某型號(hào)發(fā)動(dòng)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(dòng)測(cè)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(dòng)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(shí)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(cè)點(diǎn)的檢測(cè)。

2.5 建立葉身坐標(biāo)系

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

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 選用評(píng)定方法

檢測(cè)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(cè)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(cè)法檢測(cè)，在測(cè)量軟件中可直接利用已測(cè)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(cè)，首先在測(cè)量軟件中計(jì)算出各截面兩條型線間的最小距離，如測(cè)量軟件無(wú)法計(jì)算，可把測(cè)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(shí)選取上下緣板掃描型線與相對(duì)應(yīng)的理論軸向平面的兩個(gè)交點(diǎn)，計(jì)算兩個(gè)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(gè)通道的排氣面積。

式中：F為渦輪葉片單個(gè)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(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比分析

以某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片為例，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.3.1 流道測(cè)點(diǎn)Z0坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比分析

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

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

3.3.2 測(cè)點(diǎn)矢量方向差異對(duì)排氣面積的影響

在測(cè)量排氣面積時(shí)，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(duì)比表明測(cè)量差異最大值為0.0027mm，出現(xiàn)在截面W3長(zhǎng)度測(cè)量中。排氣面積測(cè)量結(jié)果的差異值為0.001 cm2。

表1 兩種矢量選取方法測(cè)量Z0坐標(biāo)的數(shù)據(jù)差異

3.3.3 觸測(cè)法和掃描型線法測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比分析

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

表2 不同方法測(cè)量排氣面積的數(shù)據(jù)差異

3.3.4 測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果

（1）對(duì)同一組渦輪導(dǎo)向葉片組件同一個(gè)完整窗口進(jìn)行排氣面積測(cè)量，觸測(cè)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(guó)軍標(biāo)中對(duì)測(cè)量不確定度的要求（允差的1/4）。

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

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

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

4 不確定度分析

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

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

4.1 不確定度來(lái)源

使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量掃描葉片型線時(shí)，不確定度來(lái)源有：

（1）測(cè)量機(jī)示值誤差引起的不確定度分量

（2）測(cè)量機(jī)掃描誤差引起的不確定度分量

（3）測(cè)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(píng)定

4.2.1 測(cè)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(cè)量機(jī)示值誤差不超過(guò)（1.5+L/350）μm，在該葉片型線測(cè)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(cè)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(guò)1.3μm，則a＝0.65μm，估計(jì)為矩形分布，b＝0.6，則

4.2.3 測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度分量u3

在重復(fù)性條件下，對(duì)同一葉片同一截面葉型進(jìn)行十次重復(fù)性測(cè)量，每一次測(cè)量后計(jì)算其輪廓度誤差x，得到測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)針半徑；β＝10°為測(cè)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(cè)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(guò)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(cè)量公差的檢測(cè)技術(shù)要求。

5 結(jié)論

渦輪導(dǎo)向葉片排氣面積測(cè)量，在原有測(cè)具測(cè)量的基礎(chǔ)上，采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)結(jié)合精密氣動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行排氣面積檢測(cè)。利用迭代法建立坐標(biāo)系，采用觸測(cè)法或掃描型線法進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量分析軟件的各項(xiàng)功能，計(jì)算出排氣面積，是國(guó)內(nèi)測(cè)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(cè)量不確定度評(píng)定.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2006.

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