航空發(fā)動(dòng)機(jī)高導(dǎo)葉片水流量測(cè)試系統(tǒng)改進(jìn)研究

蔡文波，李釗

(海軍裝備部，陜西西安710021)

0 引言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)向高流量比、高推重比和低油耗方向發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度不斷提高，大大超過了渦輪葉片材料本身能承受的溫度［1-3］。為了適應(yīng)不斷提高的渦輪進(jìn)口溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)高渦葉片通常設(shè)計(jì)成空心氣冷式葉片，利用引自壓氣機(jī)的空氣對(duì)葉片進(jìn)行冷卻，其中對(duì)流冷卻和對(duì)流- 氣膜復(fù)合冷卻用得最廣。通過渦輪葉片內(nèi)腔冷卻氣體流量的大小，無(wú)疑是冷卻效果的關(guān)鍵，因此渦輪葉片生產(chǎn)出來后需要對(duì)內(nèi)腔的流通能力進(jìn)行檢測(cè)［4-5］。目前渦輪葉片內(nèi)腔空氣流量測(cè)量的主要方法是空氣流量測(cè)量或水流量測(cè)量，由于空氣的可壓縮性，在壓力、溫度變化時(shí)，其流量值也會(huì)有較大變化，因此對(duì)環(huán)境要求較高;水不可壓縮，較之空氣在壓力、溫度變化時(shí)受影響小，因此目前渦輪葉片多采用水流量測(cè)量間接測(cè)量空氣流量［6-8］。

本文針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪導(dǎo)向葉片水流量檢測(cè)中穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性較差這一現(xiàn)狀，通過系統(tǒng)查找分析影響測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的因素，對(duì)水循環(huán)試驗(yàn)器、高導(dǎo)葉片兩端的密封墊結(jié)構(gòu)和葉片夾具等進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)后的水流量測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 高導(dǎo)葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪導(dǎo)向葉片為雙聯(lián)組空心氣冷式葉片，由上下緣板、左右葉身四個(gè)主要零件分別通過真空釬焊連接在一起，采用對(duì)流-氣膜復(fù)合冷卻及涂覆熱障涂層方法提升葉片耐高溫性能，如圖1所示;葉片緣板外側(cè)面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖2所示。葉片的導(dǎo)管口形狀復(fù)雜，且有手工氬弧焊形成的焊點(diǎn)，平面凹凸不平，形狀與位置相對(duì)不固定，導(dǎo)致密封難度大，葉片的這些特點(diǎn)均對(duì)水流量的準(zhǔn)確測(cè)量產(chǎn)生了不利影響。

圖1 高導(dǎo)葉片

圖2 葉片緣板外側(cè)面

2 測(cè)試系統(tǒng)研究

2.1 試驗(yàn)器設(shè)計(jì)

高壓渦輪導(dǎo)向葉片進(jìn)行水流量測(cè)試時(shí)，給定的水流壓力較大，約為0.15 MPa，而且要求精度較高(0.5級(jí))。在實(shí)際測(cè)量中，由于高壓渦輪導(dǎo)向葉片上、下緣板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成水流量測(cè)量時(shí)試驗(yàn)器的壓力和流量不穩(wěn)定。經(jīng)分析其主要原因是:試驗(yàn)器設(shè)計(jì)精度為0.5級(jí)，較為敏感，當(dāng)測(cè)量過程中密封不嚴(yán)，出現(xiàn)少量漏水時(shí)，壓力就會(huì)發(fā)生變化，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定;高壓渦輪導(dǎo)向葉片雙聯(lián)成組，測(cè)具的進(jìn)口封嚴(yán)困難，影響葉片水流測(cè)量精度。

通過大量調(diào)研、分析，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，增加了閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水流量測(cè)試自動(dòng)調(diào)壓、穩(wěn)壓，水流量系統(tǒng)工作壓力范圍達(dá)到0.15 ～0.6 MPa，流量計(jì)測(cè)量誤差為±0.3%(FL)。導(dǎo)向葉片測(cè)試壓力為0.15 MPa±0.005 MPa，流量計(jì)測(cè)量范圍為10 ～100 L/min，其精度完全滿足設(shè)計(jì)要求。

為保障更換測(cè)量葉片或測(cè)量工位時(shí)水流量系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，在測(cè)量系統(tǒng)中增加了與葉片流量測(cè)量通道對(duì)應(yīng)的當(dāng)量回路。更換裝夾葉片時(shí)，關(guān)閉測(cè)量葉片進(jìn)水口，水流通過當(dāng)量回路進(jìn)行自動(dòng)調(diào)壓、穩(wěn)壓;測(cè)量時(shí)葉片進(jìn)水口開啟，當(dāng)量回路關(guān)閉，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)壓、穩(wěn)壓時(shí)間不超過2min 即可測(cè)量，試驗(yàn)器原理如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)器原理圖

2.2 密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)

密封墊是水流量測(cè)試系統(tǒng)的主要部件，是用來保證測(cè)試夾具與葉片密封效果的關(guān)鍵件，密封墊設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接影響封嚴(yán)的效果。初期，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)以及水流量器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)水流量夾具系統(tǒng)。該套系統(tǒng)密封設(shè)計(jì)時(shí)僅關(guān)注葉片冷氣入口處，當(dāng)引導(dǎo)頭插入葉片內(nèi)腔時(shí)，通過引導(dǎo)頭上套的密封墊進(jìn)行封嚴(yán)，試圖達(dá)到密封要求，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 導(dǎo)向葉片水量測(cè)試用引導(dǎo)頭

但是該方案實(shí)際測(cè)試過程中根本無(wú)法滿足密封要求，分析原因?yàn)?葉片冷氣入口邊沿寬度僅為2 ～3mm，表面凹凸不平，其上還有φ2 的焊點(diǎn)，因此密封墊與入口邊沿的貼合部位會(huì)產(chǎn)生間隙，水流受壓，從間隙流出;導(dǎo)管翻邊與葉片安裝端面存在間隙，當(dāng)加壓時(shí)，介質(zhì)水從間隙中滲漏。最終認(rèn)為對(duì)葉片局部也就是入口邊沿部位封嚴(yán)是無(wú)法達(dá)到密封效果。

針對(duì)水流量密封難點(diǎn)，反復(fù)進(jìn)行各種密封結(jié)構(gòu)試驗(yàn)及分析得出:進(jìn)水口周邊面窄且不規(guī)則、密封墊材料軟硬程度及密封墊外形輪廓等原因，是密封不嚴(yán)的主要原因，因此決定放棄先前密封方案，改變思路，采用整體橡膠墊設(shè)計(jì)方案。

在經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用，考慮到葉片年產(chǎn)量及對(duì)整機(jī)安全可靠性的需求，需要更為精確的測(cè)量數(shù)據(jù)用以評(píng)判葉片的實(shí)際狀態(tài)，最后使用三維模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，根據(jù)葉片上下緣板的輪廓逆向設(shè)計(jì)完成了整體密封墊的設(shè)計(jì)與制造，密封墊三維圖如圖5所示。

圖5 整體密封墊三維圖

整體密封墊不僅僅靠進(jìn)水口周邊部位進(jìn)行密封，同時(shí)依靠整個(gè)的密封墊大面與葉片上下緣板緊密貼合進(jìn)行密封，增加密封墊的有效密封區(qū)域，并且可以解決導(dǎo)管安裝邊與葉片結(jié)合部的縫隙中滲漏問題，從而達(dá)到密封目的。

2.3 密封夾具的設(shè)計(jì)改進(jìn)

改進(jìn)前的高壓渦輪導(dǎo)向葉片水流量密封夾具結(jié)構(gòu)如圖6所示，夾具只有兩個(gè)進(jìn)水口，測(cè)量時(shí)需裝夾兩次才能完成葉片四個(gè)內(nèi)腔的水流量測(cè)量，而且每次裝夾都需要再次目視找正孔位，易造成遮擋截流或串流現(xiàn)象。

圖6 改進(jìn)前水流量夾具示意圖

根據(jù)整體密封墊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重新設(shè)計(jì)水流量夾具。改進(jìn)后的夾具具有四個(gè)進(jìn)水口，如圖7所示，只需一次裝夾即可完成葉片四個(gè)內(nèi)腔的水流量測(cè)量，而且夾具上有密封墊的限位塊，即更換測(cè)量葉片后也可以實(shí)現(xiàn)密封墊的快速準(zhǔn)確定位。

圖7 改進(jìn)后水流量夾具示意圖

改進(jìn)后的水流量密封夾具由于密封墊與導(dǎo)葉的外輪廓配合，因此導(dǎo)葉不需要定位裝置，可以直接安裝到密封墊中，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu);與外輪廓配合的橡膠墊可以使零件在壓緊過程中，傳遞到密封墊與零件之間的受力均勻，提高密封的可靠性。同時(shí)也可避免對(duì)導(dǎo)葉的磕、碰、壓傷;操作簡(jiǎn)單，方便，將導(dǎo)葉直接安裝進(jìn)相配合的密封墊中，然后壓緊即可，大大提高了水流量測(cè)試的效率。

2.4 空氣導(dǎo)管裝配工藝優(yōu)化

導(dǎo)管安裝后，需用電弧釬焊的方法進(jìn)行加固，因此在導(dǎo)管周邊有突起的焊點(diǎn)，這會(huì)對(duì)密封產(chǎn)生一定的影響。為此對(duì)焊接工序進(jìn)行調(diào)整，將焊接工序調(diào)整至水流量工序后，這樣避免了焊點(diǎn)突起對(duì)密封效果的影響。

3 測(cè)試結(jié)果分析

經(jīng)過對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的試驗(yàn)器、密封墊和夾具的改進(jìn)以及空氣導(dǎo)管裝配的優(yōu)化后，在改進(jìn)后的測(cè)試系統(tǒng)中對(duì)同一批次10 件葉片進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)，在測(cè)試過程中壓力穩(wěn)定，葉片與夾具之間的結(jié)合面也未出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。

在改進(jìn)后的測(cè)試系統(tǒng)中，對(duì)10 件高導(dǎo)葉片的左右葉片(從葉片方向看)的水流量分別進(jìn)行了兩次測(cè)試(堵住葉片上緣板冷氣進(jìn)口，將水從下緣板冷氣進(jìn)口通入葉片，測(cè)得的水流量記為G2;堵住葉片下緣板冷氣進(jìn)口，將水從上緣板冷氣進(jìn)口通入葉片，測(cè)得的水流量記為G3)。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，計(jì)算10 件高導(dǎo)葉片G2，G3流量的平均值，分析同一批葉片水流量的分散度，并對(duì)比分析了重復(fù)測(cè)量誤差，測(cè)試及計(jì)算結(jié)果分別見表1 和表2。

表1 水流量測(cè)量值 L·min-1

表2 兩次重復(fù)測(cè)量誤差

從表1 中可以看出，同一批次10 件高導(dǎo)葉片的左右葉片水流量上偏差最大值為6.20%，下偏差最大值為6.04%，符合分散度小于±15%的設(shè)計(jì)要求;從表2 可以看出，10 件高導(dǎo)葉片的左右葉片水流量先后兩次的重復(fù)測(cè)量誤差最大為0.67%，達(dá)到了重復(fù)測(cè)量誤差不大于±1%的設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足了渦輪葉片水流量測(cè)量要求。

4 結(jié)論

1)在水流量測(cè)試系統(tǒng)中采用閉環(huán)系統(tǒng)控制可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)器系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)壓、穩(wěn)壓，有助于降低重復(fù)測(cè)量誤差;增加當(dāng)量回路設(shè)計(jì)，可以大大縮短系統(tǒng)調(diào)壓、穩(wěn)壓時(shí)間，提高試驗(yàn)效率。

2)葉片與夾具之間，僅僅在入口邊沿部位封嚴(yán)無(wú)法達(dá)到密封效果;采用整體密封裝置，按緣板外型進(jìn)行隨型密封，增加密封墊的有效密封區(qū)域，可有效解決因密封端面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，局部密封造成泄露或截流的現(xiàn)象。

3)對(duì)雙聯(lián)組葉片來說，采用具有四個(gè)進(jìn)水口的夾具可有效提高水流量測(cè)量的準(zhǔn)確性和效率。

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