航空渦輪葉片水流量檢測(cè)技術(shù)

摘 要：針對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)腔冷卻效果的檢測(cè)，該文簡(jiǎn)要介紹了通過對(duì)渦輪葉片水流量檢測(cè)繼而得到渦輪葉片內(nèi)腔冷卻數(shù)值的一種較為簡(jiǎn)便的檢測(cè)方法。以渦輪葉片為例介紹檢測(cè)方法的同時(shí)，對(duì)水流量實(shí)驗(yàn)器的重復(fù)性、準(zhǔn)確性以及試驗(yàn)器校驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)樣件如何選取也進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：渦輪葉片 水流量 水流量試驗(yàn)器

中圖分類號(hào)：V231.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2013）05（c）-0044-04

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)中，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，如何更為有效地提高渦輪葉片工作時(shí)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)[1，2]。

渦輪葉片作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件，無論在航機(jī)或者燃機(jī)上都有著舉足輕重的作用。在工作時(shí)需承受著高溫、高離心載荷，且需要保證長(zhǎng)使用壽命。因此，近年來渦輪葉片均采用了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空心交叉肋式冷卻，以增強(qiáng)葉片的冷卻效果。

為了得到準(zhǔn)確的冷卻流量數(shù)據(jù)，確保更為有效地進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量的判斷，或者進(jìn)行設(shè)計(jì)工藝改進(jìn)采用何種檢測(cè)方法及手段就顯得尤為重要。

1 渦輪轉(zhuǎn)子葉片流量檢測(cè)方法

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪工作葉片常采用檢測(cè)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(cè)方法均是在葉片的冷卻氣流進(jìn)口處施加一定壓力，測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)通過內(nèi)腔的水流量或者空氣流量，從而驗(yàn)證渦輪葉片內(nèi)腔流通能力。空氣流量主要的檢測(cè)介質(zhì)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(duì)測(cè)量環(huán)境有相對(duì)較高的要求從而導(dǎo)致檢測(cè)成本的增加；而水流量檢測(cè)其主要的檢測(cè)介質(zhì)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(cè)而言水流量檢測(cè)更為方便更適合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用。

2 水流量檢測(cè)原理

渦輪葉片水流量檢測(cè)采用的方法是在規(guī)定的壓力下，水流通過試驗(yàn)器管路、工裝后流經(jīng)葉片內(nèi)腔，并計(jì)量單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)葉片的水流重量，對(duì)計(jì)量值進(jìn)行修正，最終得出被檢測(cè)葉片的實(shí)際水流量。葉片水流量檢測(cè)原理示意如見圖1所示。

每次使用試驗(yàn)器檢測(cè)待檢葉片水流量之前，用流量標(biāo)準(zhǔn)樣件校驗(yàn)試驗(yàn)器，當(dāng)測(cè)量值在標(biāo)準(zhǔn)樣件的流量范圍時(shí)，認(rèn)為試驗(yàn)器工作正常，再檢測(cè)待檢葉片的水流量，最后修正待檢葉片水流量得出實(shí)際水流量。試驗(yàn)器測(cè)量水流量修正方法為：

待檢葉片流量值（試驗(yàn)器測(cè)量值）÷修正系數(shù)=待檢葉片實(shí)際流量值。

3 水流量檢測(cè)的方法和技術(shù)改進(jìn)

3.1 水流量試驗(yàn)器簡(jiǎn)介

水流量試驗(yàn)器是用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)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(yàn)設(shè)備。

以下以某燃汽輪機(jī)渦輪葉片為例對(duì)水流量試驗(yàn)器進(jìn)行介紹。

主要使用的參數(shù)有：

試驗(yàn)介質(zhì)、試驗(yàn)壓力、試驗(yàn)拉力測(cè)量?jī)x表精度、介質(zhì)溫度、介質(zhì)過濾精度、

流量計(jì)測(cè)量范圍、流量計(jì)測(cè)量精度、流量泵參數(shù)。

為檢測(cè)渦輪葉片內(nèi)部冷卻空氣通道的流通能力，需要測(cè)量每個(gè)葉片在相同水流工況下的流量。水流量測(cè)量用于綜合評(píng)價(jià)葉片結(jié)構(gòu)的合理性，并為流量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供數(shù)據(jù)積累。

在針對(duì)渦輪葉片水流量檢測(cè)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(yàn)器采用限高的水箱提供水壓，首先在工作臺(tái)的夾具上將渦輪葉片固定，打開水泵及控制開關(guān)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(huì)有水流出，此時(shí)就可以進(jìn)行水流量檢測(cè)。使用浮子流量計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，檢測(cè)過程均由操作者手工控制。

上述方法檢測(cè)過程繁瑣，不適用于批量生產(chǎn)時(shí)的檢測(cè)。隨著檢測(cè)技術(shù)的不斷提高，水流量試驗(yàn)器的檢測(cè)方法有了較大的改進(jìn)。對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)以及試驗(yàn)器內(nèi)部的過濾與循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，并且增加了檢測(cè)數(shù)據(jù)電子輸出系統(tǒng)。所采用的檢測(cè)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(hù)升級(jí)方便測(cè)量精度高、數(shù)據(jù)采集速度快。

進(jìn)行水流量檢測(cè)時(shí)，啟動(dòng)容積泵，向高位水箱注水，然后觀察溢流指示器，當(dāng)有水流流過表明水箱水位達(dá)到預(yù)定高度；將檢測(cè)夾具固定在試驗(yàn)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(dòng)稱重切換機(jī)構(gòu)進(jìn)入稱重狀態(tài)，稱重過程中系統(tǒng)將判斷流量變化，當(dāng)變化較小即穩(wěn)定后電極計(jì)量，開始采集并記錄數(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)流量自動(dòng)判斷流量是否合格并給出報(bào)警信息；稱重結(jié)束后，切換機(jī)構(gòu)推出稱重狀態(tài)，并將稱重臺(tái)水槽中的水放掉，準(zhǔn)備進(jìn)入下一次稱重。

3.2 檢測(cè)夾具的設(shè)計(jì)原理

水流量檢測(cè)是否能夠順利進(jìn)行，不僅依靠水流量試驗(yàn)器的可靠性，與檢測(cè)夾具的關(guān)系也是密不可分的。下面我們以某燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片為例，對(duì)其水流量檢測(cè)夾具設(shè)計(jì)思路及原理進(jìn)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(gè)圓孔此處是不允許進(jìn)水的。在設(shè)計(jì)水流量檢測(cè)夾具時(shí)，如何保證在不漏水的情況下入水口不會(huì)出現(xiàn)堵孔的現(xiàn)象就顯得尤為重要。

在設(shè)計(jì)水流量檢測(cè)夾具時(shí)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(cè)夾具與渦輪葉片進(jìn)水口之間裝有密封墊，用以防止漏水。

實(shí)際的檢測(cè)過程中不僅要在渦輪葉片最終狀態(tài)進(jìn)行，在渦輪葉片鑄造過程中也需要進(jìn)行水流量檢測(cè)。在實(shí)際的檢測(cè)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(cuò)，致使入水口面積減少水流量檢測(cè)不準(zhǔn)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(jìn)行水流量檢測(cè)時(shí)限位銷從夾具頂部穿過，進(jìn)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(diào)整至最佳狀態(tài)，此時(shí)就可進(jìn)行水流量檢測(cè)。

3.3 水流量試驗(yàn)器校驗(yàn)

水流量試驗(yàn)器設(shè)計(jì)制造完成之后，能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求并且保證正常使用還需要對(duì)其校驗(yàn)。經(jīng)校驗(yàn)合格后的水流量試驗(yàn)器才能用于設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用。

3.3.1 試驗(yàn)器重復(fù)性校驗(yàn)

隨機(jī)抽取了23件渦輪葉片進(jìn)行重復(fù)性校驗(yàn)見圖4。

藍(lán)色標(biāo)識(shí)為第一次檢測(cè)值，紅色標(biāo)識(shí)為第二次檢測(cè)值，橫坐標(biāo)為第一次零件序號(hào)縱坐標(biāo)為渦輪葉片水流量流量值。由圖4中可以看出同一個(gè)零件兩次所采集的流量值之差最大為40 g/min，僅為該級(jí)葉片水流量名義值的0.9%。由此可得出此水流量試驗(yàn)器具有可靠的重復(fù)性。

3.3.2 試驗(yàn)器校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)樣件的確定

使用水流量試驗(yàn)器進(jìn)行檢測(cè)之前，需要判斷實(shí)驗(yàn)器的狀態(tài)是否合格，此時(shí)是否可以進(jìn)行水流量檢測(cè)，如何最為簡(jiǎn)潔的判斷水流量試驗(yàn)器的狀態(tài)，一般是使用校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)樣件進(jìn)行試驗(yàn)器的校驗(yàn)，具體操作方法是使用校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)樣件在水流量試驗(yàn)器上進(jìn)行檢測(cè)，在校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)樣件合格值范圍內(nèi)，就認(rèn)為水流量試驗(yàn)器合格可用于進(jìn)行水流量檢測(cè)。

校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)器上進(jìn)行水流量檢測(cè)；

②針對(duì)上述渦輪葉片在模擬實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)真值；

③兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)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(diǎn)后，求出平均值

下面就以某機(jī)渦輪葉片為例進(jìn)行簡(jiǎn)要說明：

使用86片渦輪葉片在水流量試驗(yàn)器上進(jìn)行流量檢測(cè)，并將水流量試驗(yàn)器檢測(cè)的流量值與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)值進(jìn)行比較，如圖5。

由圖5可以看出，水流量試驗(yàn)器所檢測(cè)的流量值與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)值之間存在差異，將數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)求出每個(gè)渦輪葉片的差異值，再使用Shewhart控制圖進(jìn)行修正，得到該批標(biāo)準(zhǔn)葉片的平均流量修正系數(shù)。（圖6）

使用shewhart控制圖對(duì)全部葉片流量值的修正系數(shù)僅去除了極少數(shù)歧義點(diǎn)，求得流量修正系數(shù)平均值為0.9085。由此可見，水流量試驗(yàn)器的檢測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)葉片流量值雖有差異，但是趨勢(shì)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(biāo)準(zhǔn)值，公差范圍的選取所遵循的原則是設(shè)計(jì)公差的十分之一，綜上所述，水流量試驗(yàn)器校驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)樣件的選取就完成了。

4 結(jié)語

本文以渦輪葉片為例對(duì)水流量試驗(yàn)器的檢測(cè)方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，針對(duì)水流量試驗(yàn)器的校驗(yàn)，介紹了使用Shewhart控制圖選取渦輪轉(zhuǎn)子葉片的校驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)樣件的方法，總結(jié)出用于采用標(biāo)準(zhǔn)件校驗(yàn)的試驗(yàn)器選取標(biāo)準(zhǔn)件的流程，為今后校驗(yàn)其它試驗(yàn)器提供了可借鑒方法。

參考文獻(xiàn)

[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(xué)學(xué)報(bào)，2012，46（7）：103-107.

[2]鄧宏武，肖俊，李國(guó)慶，等.吹風(fēng)比對(duì)旋轉(zhuǎn)渦輪葉片氣膜冷卻的影響[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2011，26（7）：1452-1457.