負(fù)載力對高壓導(dǎo)葉控制偏差影響試驗研究

劉婕　郭末凱

摘? 要：現(xiàn)階段，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展迅速，現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展也突飛猛進(jìn)。航空發(fā)動機(jī)的工作過程是復(fù)雜的氣動熱力過程，在其工作范圍內(nèi)隨著發(fā)動機(jī)的工作條件和工作狀態(tài)的變化，發(fā)動機(jī)的氣動熱力過程將發(fā)生很大變化。為了保證壓氣機(jī)工作的穩(wěn)定性以發(fā)揮發(fā)動機(jī)的最優(yōu)性能，需對高壓壓氣機(jī)進(jìn)口可調(diào)靜子葉片角度進(jìn)行實時的控制。通過對葉片角度的調(diào)整，可以優(yōu)化壓氣機(jī)的工作特性，提高發(fā)動機(jī)的喘振裕度，同時也對發(fā)動機(jī)的性能提升有積極影響。目前國內(nèi)外常見的航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)包括機(jī)械液壓式控制系統(tǒng)、帶機(jī)械液壓備份的全權(quán)限數(shù)字式電子控制系統(tǒng)以及不帶液壓備份的全權(quán)限數(shù)字式電子控制系統(tǒng)等。機(jī)械液壓式控制系統(tǒng)采用機(jī)械液壓式調(diào)節(jié)器加模擬式綜合電子調(diào)節(jié)器共同控制發(fā)動機(jī)的可控變量。某型發(fā)動機(jī)采用的就是此種類型的控制系統(tǒng)，此種控制系統(tǒng)易于實現(xiàn)，可靠性較高，能夠保證發(fā)動機(jī)在一定使用范圍內(nèi)具有較好的性能。但受控制系統(tǒng)特性影響，無法實現(xiàn)復(fù)雜的控制計劃和控制規(guī)律，因此在使用過程中也暴露了一些問題。

關(guān)鍵詞：負(fù)載力;高壓導(dǎo)葉控制;偏差影響試驗研究

引言

葉輪機(jī)械內(nèi)部存在各種各樣的流動損失，其中端區(qū)二次流損失是渦輪葉柵內(nèi)重要的損失來源。對于小展弦比渦輪，端區(qū)損失占總損失的比例可達(dá)30%～50%，在大展弦比渦輪中隨著葉片負(fù)荷的逐漸增大，二次流問題也變得越來越突出，減少端區(qū)二次流損失是高效率渦輪設(shè)計的必要途徑。葉片彎曲設(shè)計正是控制葉柵內(nèi)二次流動損失的一種有效手段。彎曲葉片成型方法自上世紀(jì)60年代初首次提出以來，受到世界各國研究人員的廣泛關(guān)注，并對其進(jìn)行了大量的理論探討和試驗研究。盡管彎曲葉片技術(shù)在葉輪機(jī)械上的應(yīng)用前景得到了一定的驗證，但是由于葉柵的幾何和子午流道結(jié)構(gòu)等的差異，對不同葉片應(yīng)用彎葉片設(shè)計后取得的氣動性能的收益也各不相同，此外，彎曲形式和彎曲參數(shù)的選擇也會帶來截然不同的效果。

1高壓導(dǎo)葉控制原理和偏差情況

主燃油泵調(diào)節(jié)器齒輪泵后壓力Pn為驅(qū)動高壓導(dǎo)葉作動筒工作的油源壓力，P0為低壓回油壓力;導(dǎo)葉控制系統(tǒng)平衡時，活門處于中立位置。換算轉(zhuǎn)速變化時，換算轉(zhuǎn)速形成桿將換算轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)化為高壓活門的位移，高壓活門移動，從而改變導(dǎo)葉作動筒有桿腔和無桿腔的壓力，推動作動筒運(yùn)動;反饋鋼索與導(dǎo)葉作動筒連接，作動筒運(yùn)動帶動反饋凸輪轉(zhuǎn)動，將高壓活門拉回至中立位置，導(dǎo)葉在新的位置平衡，實現(xiàn)導(dǎo)葉角度按換算轉(zhuǎn)速變化的控制規(guī)律。在對某發(fā)動機(jī)按程序檢查高壓導(dǎo)葉轉(zhuǎn)速上升和下降過程的控制規(guī)律一致性時，出現(xiàn)角度偏差大的問題。

2計算設(shè)置

定常計算渦輪進(jìn)口給定平均總溫、總壓和進(jìn)氣方向，出口給定平均靜壓;壁面采用絕熱無滑移設(shè)置;轉(zhuǎn)靜交界面采用stage方式;周向兩側(cè)給定旋轉(zhuǎn)周期性邊界，邊界上對應(yīng)點(diǎn)參數(shù)相等;計算時考慮了轉(zhuǎn)靜間封嚴(yán)腔及葉片外環(huán)吹氣，冷氣邊界給定進(jìn)口流量、總溫及進(jìn)氣方向，封嚴(yán)腔周向兩側(cè)給定旋轉(zhuǎn)周期邊界，軸向靠近靜子側(cè)為固定壁面，靠近轉(zhuǎn)子側(cè)為旋轉(zhuǎn)壁面。湍流模型采用SST湍流模型，考慮定壓比熱容、動力粘性系數(shù)隨溫度變化情況。收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為均方根殘差小于1E-5.非定常計算轉(zhuǎn)靜交界面采用transientrotorsta-tor;一個周期兩側(cè)給定旋轉(zhuǎn)周期性邊界。動靜葉間封嚴(yán)氣及外環(huán)吹氣冷氣邊界直接給定進(jìn)氣流量、總溫和進(jìn)氣方向。其余設(shè)置與定常計算相同。非定常計算迭代至監(jiān)測參數(shù)出現(xiàn)明顯周期性認(rèn)為計算收斂。

3加工工藝改進(jìn)

3.1工裝夾具設(shè)計

在葉片緣板上有兩處輔助支撐。加工緣板時砂輪干涉，所以工藝安排兩道工序分別加工榫齒和緣板，增加了加工時間。

針對以上問題，對夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)思路是撤掉緣板上的輔助支撐，在零件測量用的預(yù)留方孔增加壓緊防松動機(jī)構(gòu)，直接壓緊至葉身，以防止葉身裝夾松動。工裝改進(jìn)后定位可靠，使用中未出現(xiàn)零件定位松動，因此補(bǔ)澆合金工序也不必進(jìn)行。且夾具改進(jìn)后即避免了砂輪干涉又實現(xiàn)了榫齒、緣板、齒頂一次裝夾完成，提高了加工效率。

3.2設(shè)備選用

渦輪工作葉片的工作環(huán)境為高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速，因此設(shè)計上一般采用強(qiáng)度高、耐高溫的鑄造高溫合金材料，高溫合金切削加工性很差，因此加工榫齒、緣板時采用強(qiáng)力緩進(jìn)給磨削。本次工藝改進(jìn)采用設(shè)備為五坐標(biāo)數(shù)控磨床，該設(shè)備配備砂輪修整裝置，可實現(xiàn)滾輪對砂輪的自動連續(xù)或斷續(xù)修整，確保砂輪在整個磨加工過程中刀刃鋒利，有利于提升零件加工精度以及表面完整性。還具備高壓冷卻隨動系統(tǒng)，分別有自適應(yīng)冷卻、沖洗噴嘴，并有壓力和流量監(jiān)控裝置，這些功能的應(yīng)用可以確保零件在磨削時冷卻充分、徹底且可控，能夠有效降低磨削裂紋的產(chǎn)生。冷卻液過濾系統(tǒng)可確保冷卻液在循環(huán)使用時不被污染。

3.3工藝參數(shù)優(yōu)化

（1）滾輪選擇

在加工緣板進(jìn)氣側(cè)和齒頂時，由于零件為了適應(yīng)滾輪的角度，擺放的角度較?。ㄏ鄬τ谒矫妫?，零件和砂輪架發(fā)生干涉，需要通過調(diào)整零件加工角度來避免干涉，但零件加工角度的改變就意味著滾輪角度的改變。為滿足加工需求，同時不增加成本投入，分別對比零件結(jié)構(gòu)和滾輪結(jié)構(gòu)，從現(xiàn)有滾輪中選擇一款與零件裝夾角度相適應(yīng)的滾輪，可以滿足零件對角度的要求，并根據(jù)加工零件尺寸，在使用時用一款較窄的砂輪，只用滾輪的右半部分進(jìn)行砂輪修整加工，保證加工要求。

（2）機(jī)械加工參數(shù)選擇

為提升高壓渦輪工作葉片的磨削加工質(zhì)量，結(jié)合試制中存在的問題以及積累的經(jīng)驗，對磨削加工中的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行提煉、總結(jié)，①滾棒尺寸公差±0.04mm，錯齒控制在0.013mm內(nèi)，榫齒形狀需經(jīng)投影檢驗。

②榫齒錐度沿滾棒在軸向長度上不大于0.02mm。

③榫齒工作面母線對葉身中心線直線度≤0.02mm，平行度≤0.02mm。

④榫齒的表面粗糙度控制在Ra0.8內(nèi)。

在加工參數(shù)選擇時，嚴(yán)格控制榫齒加工時的切削深度。進(jìn)給速度與砂輪切削深度進(jìn)行匹配選擇。經(jīng)過現(xiàn)場加工驗證，零件加工尺寸穩(wěn)定、表面質(zhì)量符合要求。

3.4整流葉片的加工關(guān)鍵工藝技術(shù)

在整流葉片加工的時候，最主要的加工工藝技術(shù)有兩種，首先是軋制加工工藝，其次是全切加工工藝，這兩種加工工藝的加工質(zhì)量能夠直接影響到葉片的最終加工質(zhì)量。

作為葉片加工工藝中的主要環(huán)節(jié)，冷扎工藝至關(guān)重要。通常情況下，葉片的加工是由毛坯直接進(jìn)行冷扎加工，在加工中不留余量。葉片的冷扎基礎(chǔ)就是毛坯件加工前期的預(yù)留的工藝凸起。在葉片軋制的過程中，測量基礎(chǔ)主要是軋制前加工的兩個錐形孔，同時錐形孔也是全切加工工藝的加工基礎(chǔ)。因此我們在進(jìn)行軋制加工的時候，要詳細(xì)的研讀試軋過程中的各項加工記錄數(shù)據(jù)，包括了開坯數(shù)據(jù)，粗軋精軋數(shù)據(jù)以及終軋數(shù)據(jù)等。我們要通過數(shù)據(jù)的對比來保障葉片加工截面的各項技術(shù)要求。在葉片軋制的過程中由于鋼件的能變較低，因此會存在應(yīng)力的殘留。為了有效的消除加工應(yīng)力，我們要在軋制完成之后進(jìn)行熱處理退火。沒有經(jīng)過退火的葉片會存在成型困難并且較硬的問題，會在加工的過程中對磨具造成損傷。正是由于這一原因，我們在葉片軋制的時候，要在每一個軋制工序后添加熱處理退火工序，保障葉片的后期加工質(zhì)量。

結(jié)語

對某型發(fā)動機(jī)高壓導(dǎo)葉控制原理計算，并在試驗器上通過液壓加載的方法驗證了負(fù)載力對高壓角度控制系統(tǒng)偏差的影響方向和量值，為在發(fā)動機(jī)實際交付試車時出現(xiàn)的控制規(guī)律偏差大問題的排查和改進(jìn)設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支撐。根據(jù)試驗結(jié)果和理論分析，提高主燃油泵齒輪泵后壓力，即提高導(dǎo)葉控制系統(tǒng)的輸入油源壓力，有助于減小控制偏差。

參考文獻(xiàn)

[1]? 趙明，劉維偉，李杰光.葉片精密加工彈性變形誤差分析及規(guī)律研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2009（6）：106-108.