基于小偏差對比技術(shù)的導(dǎo)向器排氣面積檢測技術(shù)研究與應(yīng)用

曹 艷，王 彤，韓曉嬌，呂玉紅

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機研究所，遼寧 沈陽 110015）

1 引言

渦輪導(dǎo)向器排氣面積大小直接影響渦輪燃氣流通能力等，尤其對發(fā)動機排氣溫度等參數(shù)有影響。據(jù)相關(guān)資料介紹，高壓渦輪導(dǎo)向器排氣面積每增長1%，對發(fā)動機EGT的影響約為2.5℃。所以，設(shè)計上通過換裝不同組別排氣邊形態(tài)的葉片來改變喉道面積，以提高發(fā)動機性能。因裝配間隙等因素，導(dǎo)向器排氣面積不是單純的導(dǎo)向葉片面積之和，為了獲得排氣面積這一重要參數(shù)，必須對裝配狀態(tài)的導(dǎo)向器進行面積測量；如果上述關(guān)系不成立，則在已知導(dǎo)向葉片排氣面積情況下難以準確通過選配葉片嚴格保證排氣面積，只能在導(dǎo)向器裝配完成后測量獲得面積數(shù)值，往往會經(jīng)歷多次“換裝葉片→測量面積”的反復(fù)裝配。因此，實現(xiàn)葉片排氣面積的準確、快速和方便測量對有效控制導(dǎo)向器排氣面積是極其重要的。

2 現(xiàn)狀

從有限資料了解到美國GE公司是采用一種多觸頭測量儀檢測渦輪導(dǎo)向器排氣面積，通過設(shè)備自身直接獲取面積值。國內(nèi)行業(yè)有多種技術(shù)手段，多數(shù)制造廠利用杠桿表和簡單測具或三坐標測量儀對導(dǎo)葉窗口的3個寬度、1個高度多次單獨測量再計算。這些技術(shù)存在多個測量點定位基準不同步、重復(fù)性差和效率偏低問題。

3 小偏差對比排氣面積檢測技術(shù)研究

3.1 總體設(shè)計思想

高壓渦輪導(dǎo)向器排氣面積測量是一項比較特殊的測量。分析其特點，導(dǎo)向葉片本身是一個扭曲的空間型面，它使喉道排氣面積為一個不規(guī)則空間截面，真實測量其面積大小有很大困難，因此國內(nèi)外都規(guī)定在某一個位置上測量一個當量面積來代替真實面積；其次窗口尺寸小，類似一元硬幣大小，還要滿足8個點的測量。為解決空間尺寸狹小與測量點多的矛盾，研究基于小偏差對比結(jié)合一次同步定位、同步測量技術(shù)實現(xiàn)渦輪導(dǎo)向器排氣面積的高精度和高效測量。

3.2 技術(shù)研究

3．2．1 多測點同步定位基準技術(shù)

要確保測量面積的準確，必須實現(xiàn)多個單值尺寸的準確測量，即葉片與檢測系統(tǒng)間的可靠定位問題。該技術(shù)直接測量面積大小，其4個空間結(jié)構(gòu)尺寸（如圖1所示，3個寬度Tw、1個高度H）的定位點綜合考慮、同步實施，解決了由4個尺寸單獨定位而使定位基準不同步所引入的誤差問題。

圖1 空間結(jié)構(gòu)尺寸

同步定位方式如圖2所示，同時依據(jù)每個葉片形狀相同的特點，在測量任意兩個相鄰葉片的喉道面積（如通道1）時，設(shè)計用任意兩相鄰葉片（如葉片1、葉片2）的三個截面排氣邊緣三點定一平面，其中一個葉片（如葉片1）的兩個截面排氣邊緣四點定周向，另一個葉片（如葉片2）的一個截面排氣邊緣一點定角向；同時高度測量截面下緣板D點定高度，形成“六點”可靠定位。

圖2 同步定位方式

檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示，是通過2個定位桿的4個定位面、1個定位柱底面，加1個高度固定點實現(xiàn)“六點”定位。操作時，量具定位在葉片上，當檢測下一個窗口時，量件再移動到葉片2和葉片3上，從而依次測量兩個葉片間每個窗口的喉道面積，且僅需依靠自重和手扶進行，測量方便，測量點位置清晰可見。

3．2．2 小偏差對比同步測量技術(shù)

按照設(shè)計思路，要求利用檢測系統(tǒng)自身綜合聯(lián)動機構(gòu)實現(xiàn)窗口多個單值尺寸數(shù)值到面積的轉(zhuǎn)換。分析單個窗口排氣面積公式，是個多參數(shù)的乘積，推導(dǎo)其微分方程，將其轉(zhuǎn)化為實際可執(zhí)行的，結(jié)果如下：

由結(jié)果可知，忽略高階無窮小項后，關(guān)系式是一個多項式的代數(shù)和。可設(shè)定單個窗口排氣面積的變化量，等于各單值尺寸分值變化量的代數(shù)和。按關(guān)系式設(shè)計檢測系統(tǒng)，可以通過其內(nèi)部機構(gòu)實現(xiàn)自動運算面積增值的目的。具體方式為：計算各單值尺寸增量將幾項所測得之積加起來；將所測得結(jié)果放大顯示出來。該方法即為小偏差對比法，它將窗口所有測點的數(shù)值進行同步測量，解決了分散測量累積誤差大問題，縮短了測量時間。

圖3 與葉片“六點”定位實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

3．2．3 檢測系統(tǒng)研究與應(yīng)用

研制了渦輪導(dǎo)向器排氣面積測量儀，如圖4所示。由標準校準窗口Master、量具Gage和窗口面積標準件組成。測量儀是基于液壓介質(zhì)實現(xiàn)的差分測量原理設(shè)計，實現(xiàn)了狹小空間、多截面最小喉道面積的直接測量。

圖4 測量儀研制

測量儀通過“六點”與葉片定位，通過8個觸點與葉片徑向和弦向接觸測量3個寬度和1個高度的變化量，再利用杠桿、液壓裝置將多個單值尺寸的變化轉(zhuǎn)換為面積的偏差，按照“杠桿繞過阻礙它的工件的一部分”特性將空間內(nèi)部測量引至外部，實現(xiàn)狹小空間排氣面積測量，如圖5所示。

圖5 測量原理示意圖

4 總結(jié)

基于小偏差對比的導(dǎo)向器排氣面積檢測技術(shù)研究實現(xiàn)了狹小測量空間、多截面的葉片排氣面積一次性直接測量，解決了傳統(tǒng)工藝多次測量計算法重復(fù)性差、效率低和使用零散等弱點，避免了三坐標法采用理論設(shè)計點計算拼接窗口引起的誤差問題，使得工作效率提高了約75%，是發(fā)動機整機性能改善的重要技術(shù)保障。