中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所 高繼昆

渦輪導向葉片排氣面積，反映了其流通能力。對于發(fā)動機而言，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，能夠顯著影響整機性能，是備受總體關注的參數。要有效地控制渦輪葉片排氣面積，需要進行準確的測量。導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，這對真實測量面積大小帶來很大困難。因此，國、內外都規(guī)定在某一個位置上測量一個當量面積來代替真實面積。排氣面積幾何測量通常分為測具測量和坐標測量。測具測量往往用于批產階段，對于大批量的相同葉片使用一個較為固定的測具進行排氣面積測量能夠大大節(jié)省成本和工作時間。目前在國內外發(fā)動機主要生產廠家大都采用這種測量手段。而在科研階段，技術狀態(tài)不固定，葉片結構存在更改的可能，這種情況下測具測量則比較浪費。坐標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，更可以作為一種計量手段，評定測具測量的準確性。

本文應用三坐標測量機測量渦輪葉片排氣面積，進行排氣面積坐標測量方法的試驗研究。在測量過程中，采用不同的坐標測量方法得出排氣面積值。通過對排氣面積數值的對比分析，研究不同測量方法的精確度。

1 測量方法

1.1 流道檢測點檢測

為驗證坐標系的重復性，應對流道測點的Z0坐標進行測量，通過對長度的直接測量，得到坐標系長度測量的重復性差異，作為后續(xù)測量的參考數據。

根據檢測要求確定流道檢測點的位置，得到流道檢測點在渦輪葉片坐標系下的名義點坐標。如果已給出流道檢測點的名義法線，可直接按法線方向測量得到流道檢測點的實測值。如果未給出流道檢測點的名義法線，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的實測值。

1.2 排氣面積檢測

可采用觸測法和掃描型線法進行檢測。其中，觸測法為當前常用的檢測方法，該方法較為便捷，但是其取點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值，但其效率決定了該方法不能適應工程化測量，僅能作為計量手段使用。

1.2.1 觸測法檢測

根據檢測要求確定喉道寬度檢測點和高度檢測點的位置，得到喉道寬度檢測點和高度檢測點在葉身坐標系下的名義點坐標。得到檢測點的實測值。

1.2.2 掃描型線法檢測

根據檢測要求確定并掃描各高度葉片葉盆、葉背側形成最小喉道寬度的一段型線和通過高度檢測點的緣板型線，得到各型線的實際點坐標。葉盆和葉背掃描段點間距不大于0.5mm，葉緣掃描段點間距不大于0.1mm，設定時應根據掃描段的曲率變化適當縮小點間距值。

2 測量步驟

2.1 零件的裝夾

渦輪葉片的裝夾應按照裝夾可靠、建立測量坐標系方便、不妨礙測量、有足夠的檢測空間的原則進行。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 導入數據模型

數據模型應保證完整準確，葉身光順，無冗余、無碎面，葉緣良好，工件坐標系準確并與設計基準一致。導入數據模型，并將數據模型實體化顯示。

2.3 測針配置

根據零件結構的特點選擇合適的加長桿和測針。渦輪葉片的檢測點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過統(tǒng)一校準。

測針角度應根據渦輪葉片檢測點和掃描型線的位置情況設置，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、連接點的數目盡可能少、配置最少的測針或測針角度完成所有檢測任務。

2.4 建立葉片坐標系

采用6個矢量點迭代的方法建立渦輪葉片坐標系，矢量點應選取在精度較高的機加工表面上。矢量點和收斂誤差應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)動機渦輪葉片為例，如圖1所示。根據軸向基準點1、2、3三點、徑向基準點4、5兩點以及周向基準點6、7的中點，進行迭代。首先選擇6點迭代模式建立坐標系并輸入收斂誤差，然后按順序手動測量迭代點，點的位置在名義點的位置附近即可，最后自動運行進行循環(huán)迭代。當迭代前后差異小于所設定的收斂誤差時迭代停止，認為確定了該渦輪葉片的坐標系。在葉片坐標系下完成流道檢測點的檢測。

2.5 建立葉身坐標系

根據檢測要求和圖紙確定被測窗口的葉身坐標系與渦輪葉片坐標系的關系，通過平移旋轉得到葉身坐標系。在葉身坐標系下完成對應窗口排氣面積的檢測。

3 數據處理

3.1 選用評定方法

檢測點和掃描型線通常都選用最小二乘法進行擬合。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行擬合。包括葉緣部分的葉身掃描型線應利用Blade等專業(yè)葉型處理軟件進行擬合。

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

3.2 計算排氣面積

如采用觸測法檢測，在測量軟件中可直接利用已測得的實際點坐標計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算出各截面兩條型線間的最小距離，如測量軟件無法計算，可把測得的實際型線點坐標導入到其他三維軟件中計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的理論軸向平面的兩個交點，計算兩個交點之間的距離得到通道高度。

根據公式下列公式可計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。

3.3 測量數據對比分析

以某型號發(fā)動機渦輪葉片為例，對測量數據進行對比分析。

3.3.1 流道測點Z0坐標測量數據對比分析

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

上述數據能夠用于評估兩種矢量方法獲得的流道測量數據的差異水平。

3.3.2 測點矢量方向差異對排氣面積的影響

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

表1 兩種矢量選取方法測量Z0坐標的數據差異

3.3.3 觸測法和掃描型線法測量數據對比分析

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

表2 不同方法測量排氣面積的數據差異

3.3.4 測量數據對比分析結果

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

（2）測量結果均表明，掃描法測量排氣面積獲得的結果比觸測法小0.1%。

（3）在應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）定位基準的選擇對測量結果有影響，基準的選擇對坐標系的確定有影響，進而影響了測量結果。

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行評定。

排氣面積測量不確定度的主要來源有：三坐標測量機示值誤差、掃描誤差、半徑補償誤差、測量重復性。

4.1 不確定度來源

使用三坐標測量機測量掃描葉片型線時，不確定度來源有：

（1）測量機示值誤差引起的不確定度分量

（2）測量機掃描誤差引起的不確定度分量

（3）測量重復性引起的不確定度分量

（4）半徑補償誤差引起的不確定度分量

4.2 標準不確定度評定

4.2.1 測量機示值誤差引起的不確定度分量u1

由校準證書可知，三坐標測量機示值誤差不超過（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 測量機掃描誤差引起的不確定度分量u2

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

4.2.3 測量重復性引起的不確定度分量u3

在重復性條件下，對同一葉片同一截面葉型進行十次重復性測量，每一次測量后計算其輪廓度誤差x，得到測量結果：

4.2.4 半徑補償誤差引起的不確定度分量u4

三坐標測量機的半徑補償誤差也稱余弦誤差，產生的原因是半徑補償的方向與實際觸測點的法線方向不一致引起的。

半徑補償誤差可以由以下公式計算得到：

式中，R=1mm為測針半徑；β＝10°為測量點實際法線方向與半徑補償方向偏差，即實際點法線方向與XY平面的夾角；H=0.05mm為實測點Z值偏差。

估計為矩形分布，a＝δ＝6.6μm，b＝0.6 ，則

4.2.5 合成標準不確定度

4.2.6 擴展不確定度

取置信概率p=95%，k=2，則擴展不確定度：

經過計算其擴展不確定度能夠滿足現階段渦輪導向葉片排氣面積測量公差的檢測技術要求。

5 結論

渦輪導向葉片排氣面積測量，在原有測具測量的基礎上，采用三坐標測量機結合精密氣動轉臺進行排氣面積檢測。利用迭代法建立坐標系，采用觸測法或掃描型線法進行測量，應用三坐標測量分析軟件的各項功能，計算出排氣面積，是國內測量渦輪導向葉片排氣面積比較先進有效的方法。

[1] 倪育才. 幾何量測量不確定度評定.北京：中國計量出版社，2006.

[2] 宣安東. 實用測量不確定度評定及案例.北京：中國計量出版社，2007.