曹 艷，王 彤，韓曉嬌，呂玉紅

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)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?xì)饬魍芰Φ?，尤其?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)EGT的影響約為2.5℃。所以，設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)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(duì)裝配狀態(tài)的導(dǎo)向器進(jìn)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(zhǔn)確通過選配葉片嚴(yán)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(huì)經(jīng)歷多次“換裝葉片→測量面積”的反復(fù)裝配。因此，實(shí)現(xiàn)葉片排氣面積的準(zhǔn)確、快速和方便測量對(duì)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(biāo)測量儀對(duì)導(dǎo)葉窗口的3個(gè)寬度、1個(gè)高度多次單獨(dú)測量再計(jì)算。這些技術(shù)存在多個(gè)測量點(diǎn)定位基準(zhǔn)不同步、重復(fù)性差和效率偏低問題。

3 小偏差對(duì)比排氣面積檢測技術(shù)研究

3.1 總體設(shè)計(jì)思想

高壓渦輪導(dǎo)向器排氣面積測量是一項(xiàng)比較特殊的測量。分析其特點(diǎn)，導(dǎo)向葉片本身是一個(gè)扭曲的空間型面，它使喉道排氣面積為一個(gè)不規(guī)則空間截面，真實(shí)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(gè)位置上測量一個(gè)當(dāng)量面積來代替真實(shí)面積；其次窗口尺寸小，類似一元硬幣大小，還要滿足8個(gè)點(diǎn)的測量。為解決空間尺寸狹小與測量點(diǎn)多的矛盾，研究基于小偏差對(duì)比結(jié)合一次同步定位、同步測量技術(shù)實(shí)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(diǎn)同步定位基準(zhǔn)技術(shù)

要確保測量面積的準(zhǔn)確，必須實(shí)現(xiàn)多個(gè)單值尺寸的準(zhǔn)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(gè)空間結(jié)構(gòu)尺寸（如圖1所示，3個(gè)寬度Tw、1個(gè)高度H）的定位點(diǎn)綜合考慮、同步實(shí)施，解決了由4個(gè)尺寸單獨(dú)定位而使定位基準(zhǔn)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(shí)依據(jù)每個(gè)葉片形狀相同的特點(diǎn)，在測量任意兩個(gè)相鄰葉片的喉道面積（如通道1）時(shí)，設(shè)計(jì)用任意兩相鄰葉片（如葉片1、葉片2）的三個(gè)截面排氣邊緣三點(diǎn)定一平面，其中一個(gè)葉片（如葉片1）的兩個(gè)截面排氣邊緣四點(diǎn)定周向，另一個(gè)葉片（如葉片2）的一個(gè)截面排氣邊緣一點(diǎn)定角向；同時(shí)高度測量截面下緣板D點(diǎn)定高度，形成“六點(diǎn)”可靠定位。

圖2 同步定位方式

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

3．2．2 小偏差對(duì)比同步測量技術(shù)

按照設(shè)計(jì)思路，要求利用檢測系統(tǒng)自身綜合聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)窗口多個(gè)單值尺寸數(shù)值到面積的轉(zhuǎn)換。分析單個(gè)窗口排氣面積公式，是個(gè)多參數(shù)的乘積，推導(dǎo)其微分方程，將其轉(zhuǎn)化為實(shí)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(xiàng)后，關(guān)系式是一個(gè)多項(xiàng)式的代數(shù)和?？稍O(shè)定單個(gè)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(jì)檢測系統(tǒng)，可以通過其內(nèi)部機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)算面積增值的目的。具體方式為：計(jì)算各單值尺寸增量將幾項(xiàng)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(duì)比法，它將窗口所有測點(diǎn)的數(shù)值進(jìn)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(shí)間。

圖3 與葉片“六點(diǎn)”定位實(shí)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(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)窗口Master、量具Gage和窗口面積標(biāo)準(zhǔn)件組成。測量儀是基于液壓介質(zhì)實(shí)現(xiàn)的差分測量原理設(shè)計(jì)，實(shí)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(diǎn)”與葉片定位，通過8個(gè)觸點(diǎn)與葉片徑向和弦向接觸測量3個(gè)寬度和1個(gè)高度的變化量，再利用杠桿、液壓裝置將多個(gè)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(shí)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(duì)比的導(dǎo)向器排氣面積檢測技術(shù)研究實(shí)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(jì)算法重復(fù)性差、效率低和使用零散等弱點(diǎn)，避免了三坐標(biāo)法采用理論設(shè)計(jì)點(diǎn)計(jì)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(dòng)機(jī)整機(jī)性能改善的重要技術(shù)保障。