摘 要：針對渦輪轉子葉片內(nèi)腔冷卻效果的檢測，該文簡要介紹了通過對渦輪葉片水流量檢測繼而得到渦輪葉片內(nèi)腔冷卻數(shù)值的一種較為簡便的檢測方法。以渦輪葉片為例介紹檢測方法的同時，對水流量實驗器的重復性、準確性以及試驗器校驗用標準樣件如何選取也進行了分析。

關鍵詞：渦輪葉片 水流量 水流量試驗器

中圖分類號：V231.3文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）05（c）-0044-04

在航空發(fā)動機和燃氣輪機的設計中，隨著科學技術的不斷發(fā)展，如何更為有效地提高渦輪葉片工作時的冷卻效果，確保渦輪葉片更為有效的工作，這不僅依賴工藝水平的提升，也要求結構設計的改進[1，2]。

渦輪葉片作為發(fā)動機的關鍵零件，無論在航機或者燃機上都有著舉足輕重的作用。在工作時需承受著高溫、高離心載荷，且需要保證長使用壽命。因此，近年來渦輪葉片均采用了結構復雜的空心交叉肋式冷卻，以增強葉片的冷卻效果。

為了得到準確的冷卻流量數(shù)據(jù)，確保更為有效地進行產(chǎn)品質量的判斷，或者進行設計工藝改進采用何種檢測方法及手段就顯得尤為重要。

1 渦輪轉子葉片流量檢測方法

目前，發(fā)動機渦輪工作葉片常采用檢測水流量或空氣流量，以便檢查葉片內(nèi)腔流通能力。兩種檢測方法均是在葉片的冷卻氣流進口處施加一定壓力，測量單位時間內(nèi)通過內(nèi)腔的水流量或者空氣流量，從而驗證渦輪葉片內(nèi)腔流通能力?？諝饬髁恐饕臋z測介質為“空氣”，眾所周知空氣的狀態(tài)是很容易被改變的，遇熱膨脹、遇冷壓縮，為滿足空氣流量數(shù)據(jù)的可靠性，必須對測量環(huán)境有相對較高的要求從而導致檢測成本的增加；而水流量檢測其主要的檢測介質為“水”，水的穩(wěn)定性較高，所受環(huán)境局限性小，相比空氣流量檢測而言水流量檢測更為方便更適合生產(chǎn)現(xiàn)場使用。

2 水流量檢測原理

渦輪葉片水流量檢測采用的方法是在規(guī)定的壓力下，水流通過試驗器管路、工裝后流經(jīng)葉片內(nèi)腔，并計量單位時間內(nèi)流經(jīng)葉片的水流重量，對計量值進行修正，最終得出被檢測葉片的實際水流量。葉片水流量檢測原理示意如見圖1所示。

每次使用試驗器檢測待檢葉片水流量之前，用流量標準樣件校驗試驗器，當測量值在標準樣件的流量范圍時，認為試驗器工作正常，再檢測待檢葉片的水流量，最后修正待檢葉片水流量得出實際水流量。試驗器測量水流量修正方法為：

待檢葉片流量值（試驗器測量值）÷修正系數(shù)=待檢葉片實際流量值。

3 水流量檢測的方法和技術改進

3.1 水流量試驗器簡介

水流量試驗器是用于測量發(fā)動機渦輪導向葉片和渦輪工作葉片內(nèi)部冷卻空氣通道流通能力的專用試驗設備。

以下以某燃汽輪機渦輪葉片為例對水流量試驗器進行介紹。

主要使用的參數(shù)有：

試驗介質、試驗壓力、試驗拉力測量儀表精度、介質溫度、介質過濾精度、

流量計測量范圍、流量計測量精度、流量泵參數(shù)。

為檢測渦輪葉片內(nèi)部冷卻空氣通道的流通能力，需要測量每個葉片在相同水流工況下的流量。水流量測量用于綜合評價葉片結構的合理性，并為流量檢測標準的制定提供數(shù)據(jù)積累。

在針對渦輪葉片水流量檢測的初期，也就是渦輪葉片處在試加工的階段，所使用的水流量試驗器采用限高的水箱提供水壓，首先在工作臺的夾具上將渦輪葉片固定，打開水泵及控制開關供水，水面上升到固定高度出現(xiàn)溢流現(xiàn)象，溢流窗口就會有水流出，此時就可以進行水流量檢測。使用浮子流量計進行數(shù)據(jù)檢測，檢測過程均由操作者手工控制。

上述方法檢測過程繁瑣，不適用于批量生產(chǎn)時的檢測。隨著檢測技術的不斷提高，水流量試驗器的檢測方法有了較大的改進。對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)以及試驗器內(nèi)部的過濾與循環(huán)系統(tǒng)進行了改進，并且增加了檢測數(shù)據(jù)電子輸出系統(tǒng)。所采用的檢測系統(tǒng)是多處理器分布式系統(tǒng)，處理速度快、模塊功能清晰、維護升級方便測量精度高、數(shù)據(jù)采集速度快。

進行水流量檢測時，啟動容積泵，向高位水箱注水，然后觀察溢流指示器，當有水流流過表明水箱水位達到預定高度；將檢測夾具固定在試驗器上，然后將渦輪葉片正確安裝；打開閥門使水流通過渦輪葉片內(nèi)腔，觀察溢流指示器，必須有水流過溢流指示器；起動稱重切換機構進入稱重狀態(tài)，稱重過程中系統(tǒng)將判斷流量變化，當變化較小即穩(wěn)定后電極計量，開始采集并記錄數(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)預設的標準流量自動判斷流量是否合格并給出報警信息；稱重結束后，切換機構推出稱重狀態(tài)，并將稱重臺水槽中的水放掉，準備進入下一次稱重。

3.2 檢測夾具的設計原理

水流量檢測是否能夠順利進行，不僅依靠水流量試驗器的可靠性，與檢測夾具的關系也是密不可分的。下面我們以某燃氣輪機渦輪葉片為例，對其水流量檢測夾具設計思路及原理進行介紹。

如圖2所示渦輪葉片入水口為條形孔，入水口的旁邊有一個圓孔此處是不允許進水的。在設計水流量檢測夾具時，如何保證在不漏水的情況下入水口不會出現(xiàn)堵孔的現(xiàn)象就顯得尤為重要。

在設計水流量檢測夾具時以渦輪葉片榫齒齒形定位，引流塊的形狀與下緣板底部形狀一致成凹槽狀，渦輪葉片下緣板底部正好裝入凹槽中。如圖3所示，檢測夾具與渦輪葉片進水口之間裝有密封墊，用以防止漏水。

實際的檢測過程中不僅要在渦輪葉片最終狀態(tài)進行，在渦輪葉片鑄造過程中也需要進行水流量檢測。在實際的檢測過程中最常出現(xiàn)的問題是，渦輪葉片的入水口與引流塊上的入水口位置交錯，致使入水口面積減少水流量檢測不準確。為了最大限度的避免此種情況的發(fā)生，首先在引流塊上增加定位孔（定位孔位置與渦輪葉片榫齒底部的圓孔位置相同）；其次在入水口處增加限位銷（限位銷的尺寸與入水口尺寸緊配合），進行水流量檢測時限位銷從夾具頂部穿過，進入引流塊及渦輪葉片入水口將渦輪葉片與引流塊的入水口位置調整至最佳狀態(tài)，此時就可進行水流量檢測。

3.3 水流量試驗器校驗

水流量試驗器設計制造完成之后，能否達到設計要求并且保證正常使用還需要對其校驗。經(jīng)校驗合格后的水流量試驗器才能用于設計實驗或生產(chǎn)現(xiàn)場的實際使用。

3.3.1 試驗器重復性校驗

隨機抽取了23件渦輪葉片進行重復性校驗見圖4。

藍色標識為第一次檢測值，紅色標識為第二次檢測值，橫坐標為第一次零件序號縱坐標為渦輪葉片水流量流量值。由圖4中可以看出同一個零件兩次所采集的流量值之差最大為40 g/min，僅為該級葉片水流量名義值的0.9%。由此可得出此水流量試驗器具有可靠的重復性。

3.3.2 試驗器校驗標準樣件的確定

使用水流量試驗器進行檢測之前，需要判斷實驗器的狀態(tài)是否合格，此時是否可以進行水流量檢測，如何最為簡潔的判斷水流量試驗器的狀態(tài)，一般是使用校驗標準樣件進行試驗器的校驗，具體操作方法是使用校驗標準樣件在水流量試驗器上進行檢測，在校驗標準樣件合格值范圍內(nèi)，就認為水流量試驗器合格可用于進行水流量檢測。

校驗標準樣件的選取方法：

①抽取不少于30件渦輪葉片在水流量試驗器上進行水流量檢測；

②針對上述渦輪葉片在模擬實驗室檢測真值；

③兩組數(shù)據(jù)進行對比，計算出具體差異數(shù)值；

④使用專用工具去除差異數(shù)值歧義點后，求出平均值

下面就以某機渦輪葉片為例進行簡要說明：

使用86片渦輪葉片在水流量試驗器上進行流量檢測，并將水流量試驗器檢測的流量值與實驗室檢測值進行比較，如圖5。

由圖5可以看出，水流量試驗器所檢測的流量值與實驗室檢測值之間存在差異，將數(shù)據(jù)一一對應求出每個渦輪葉片的差異值，再使用Shewhart控制圖進行修正，得到該批標準葉片的平均流量修正系數(shù)。（圖6）

使用shewhart控制圖對全部葉片流量值的修正系數(shù)僅去除了極少數(shù)歧義點，求得流量修正系數(shù)平均值為0.9085。由此可見，水流量試驗器的檢測數(shù)據(jù)與標準葉片流量值雖有差異，但是趨勢一致。

依據(jù)所得出的修正系數(shù)，任意選取一片渦輪葉片以修正后的流量值為標準值，公差范圍的選取所遵循的原則是設計公差的十分之一，綜上所述，水流量試驗器校驗用標準樣件的選取就完成了。

4 結語

本文以渦輪葉片為例對水流量試驗器的檢測方法進行了簡要的介紹，針對水流量試驗器的校驗，介紹了使用Shewhart控制圖選取渦輪轉子葉片的校驗用標準樣件的方法，總結出用于采用標準件校驗的試驗器選取標準件的流程，為今后校驗其它試驗器提供了可借鑒方法。

參考文獻

[1]張宗衛(wèi)，朱惠人，劉聰，等.全氣膜冷卻葉片表面換熱系數(shù)和冷卻效率研究[J].西安交通大學學報，2012，46（7）：103-107.

[2]鄧宏武，肖俊，李國慶，等.吹風比對旋轉渦輪葉片氣膜冷卻的影響[J].航空動力學報，2011，26（7）：1452-1457.