基于小偏差對比技術的導向器排氣面積檢測技術研究與應用

曹 艷，王 彤，韓曉嬌，呂玉紅

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機研究所，遼寧 沈陽 110015）

1 引言

渦輪導向器排氣面積大小直接影響渦輪燃氣流通能力等，尤其對發(fā)動機排氣溫度等參數有影響。據相關資料介紹，高壓渦輪導向器排氣面積每增長1%，對發(fā)動機EGT的影響約為2.5℃。所以，設計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)動機性能。因裝配間隙等因素，導向器排氣面積不是單純的導向葉片面積之和，為了獲得排氣面積這一重要參數，必須對裝配狀態(tài)的導向器進行面積測量；如果上述關系不成立，則在已知導向葉片排氣面積情況下難以準確通過選配葉片嚴格保證排氣面積，只能在導向器裝配完成后測量獲得面積數值，往往會經歷多次“換裝葉片→測量面積”的反復裝配。因此，實現葉片排氣面積的準確、快速和方便測量對有效控制導向器排氣面積是極其重要的。

2 現狀

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向器排氣面積，通過設備自身直接獲取面積值。國內行業(yè)有多種技術手段，多數制造廠利用杠桿表和簡單測具或三坐標測量儀對導葉窗口的3個寬度、1個高度多次單獨測量再計算。這些技術存在多個測量點定位基準不同步、重復性差和效率偏低問題。

3 小偏差對比排氣面積檢測技術研究

3.1 總體設計思想

高壓渦輪導向器排氣面積測量是一項比較特殊的測量。分析其特點，導向葉片本身是一個扭曲的空間型面，它使喉道排氣面積為一個不規(guī)則空間截面，真實測量其面積大小有很大困難，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；其次窗口尺寸小，類似一元硬幣大小，還要滿足8個點的測量。為解決空間尺寸狹小與測量點多的矛盾，研究基于小偏差對比結合一次同步定位、同步測量技術實現渦輪導向器排氣面積的高精度和高效測量。

3.2 技術研究

3．2．1 多測點同步定位基準技術

要確保測量面積的準確，必須實現多個單值尺寸的準確測量，即葉片與檢測系統間的可靠定位問題。該技術直接測量面積大小，其4個空間結構尺寸（如圖1所示，3個寬度Tw、1個高度H）的定位點綜合考慮、同步實施，解決了由4個尺寸單獨定位而使定位基準不同步所引入的誤差問題。

圖1 空間結構尺寸

同步定位方式如圖2所示，同時依據每個葉片形狀相同的特點，在測量任意兩個相鄰葉片的喉道面積（如通道1）時，設計用任意兩相鄰葉片（如葉片1、葉片2）的三個截面排氣邊緣三點定一平面，其中一個葉片（如葉片1）的兩個截面排氣邊緣四點定周向，另一個葉片（如葉片2）的一個截面排氣邊緣一點定角向；同時高度測量截面下緣板D點定高度，形成“六點”可靠定位。

圖2 同步定位方式

檢測系統的實現結構如圖3所示，是通過2個定位桿的4個定位面、1個定位柱底面，加1個高度固定點實現“六點”定位。操作時，量具定位在葉片上，當檢測下一個窗口時，量件再移動到葉片2和葉片3上，從而依次測量兩個葉片間每個窗口的喉道面積，且僅需依靠自重和手扶進行，測量方便，測量點位置清晰可見。

3．2．2 小偏差對比同步測量技術

按照設計思路，要求利用檢測系統自身綜合聯動機構實現窗口多個單值尺寸數值到面積的轉換。分析單個窗口排氣面積公式，是個多參數的乘積，推導其微分方程，將其轉化為實際可執(zhí)行的，結果如下：

由結果可知，忽略高階無窮小項后，關系式是一個多項式的代數和。可設定單個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和。按關系式設計檢測系統，可以通過其內部機構實現自動運算面積增值的目的。具體方式為：計算各單值尺寸增量將幾項所測得之積加起來；將所測得結果放大顯示出來。該方法即為小偏差對比法，它將窗口所有測點的數值進行同步測量，解決了分散測量累積誤差大問題，縮短了測量時間。

圖3 與葉片“六點”定位實現結構

3．2．3 檢測系統研究與應用

研制了渦輪導向器排氣面積測量儀，如圖4所示。由標準校準窗口Master、量具Gage和窗口面積標準件組成。測量儀是基于液壓介質實現的差分測量原理設計，實現了狹小空間、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”與葉片定位，通過8個觸點與葉片徑向和弦向接觸測量3個寬度和1個高度的變化量，再利用杠桿、液壓裝置將多個單值尺寸的變化轉換為面積的偏差，按照“杠桿繞過阻礙它的工件的一部分”特性將空間內部測量引至外部，實現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

基于小偏差對比的導向器排氣面積檢測技術研究實現了狹小測量空間、多截面的葉片排氣面積一次性直接測量，解決了傳統工藝多次測量計算法重復性差、效率低和使用零散等弱點，避免了三坐標法采用理論設計點計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)動機整機性能改善的重要技術保障。