平面葉柵試驗件加工工藝對性能測量影響的試驗研究

王 暉, 唐 凱, 代秋林, 劉志剛, 凌代軍

中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院, 四川 綿陽 621000

0 引 言

葉柵試驗作為研究葉型氣動性能的基礎平臺，可以經(jīng)濟、快捷地獲取各類渦輪和壓氣機葉柵的葉片表面馬赫數(shù)分布、攻角和損失特性。同時，應用紋影儀可以獲取葉柵槽道內(nèi)的激波波系形狀、位置及變化規(guī)律，可為先進葉型研制和改進提供重要支持。

作為研究載體，葉柵試驗件一般由葉片和固定安裝葉片的柵板構(gòu)成，其加工質(zhì)量的好壞必然會對試驗數(shù)據(jù)造成較大影響。為了獲取準確可靠的性能數(shù)據(jù)，

主觀上要盡可能提高試驗件加工精度，同時考慮到葉柵試驗研究的經(jīng)濟快捷性，應定量評估試驗件加工工藝對性能測量的影響，以便更好地控制加工質(zhì)量和成本，為今后葉輪機部件精細化設計提供技術(shù)支持。

由于壓氣機葉型型線復雜，在加工過程中受到裝夾定位、應力變形、加工振動等因素的影響，不可避免地造成實際葉型與理論葉型存在不同程度的偏差[1-2]。高麗敏等[3]通過數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)不同位置、不同大小的葉片加工誤差對壓氣機葉柵性能的影響程度不同；李正[4]和曹傳軍等[5]亦采用數(shù)值計算方法研究了葉型前緣形狀對壓氣機性能的影響規(guī)律;張偉昊等[6-7]通過定常和非定常數(shù)值模擬結(jié)合整機試驗的方法研究發(fā)現(xiàn),在整個工作范圍內(nèi)，葉型偏差都會造成渦輪性能的明顯下降，從而導致整臺發(fā)動機的工作點隨之改變。上述研究從側(cè)面佐證了葉片加工精度控制的重要性。

在葉型表面粗糙度對葉型氣動性能的影響研究方面，Back等[8]發(fā)現(xiàn)當雷諾數(shù)超過4×105后，粗糙度才會對葉片載荷分布及損失有影響，Schlichting等[9]則給出了不同的等效粗糙度Ks區(qū)間內(nèi)損失與雷諾數(shù)的關系，并給出了光滑表面粗糙度的判斷準則；Montis等[10]對某低壓渦輪葉柵的性能測量表明，在高雷諾數(shù)狀態(tài)下粗糙度增大會導致吸力面出現(xiàn)大面積分離并且總壓損失急劇增加。上述研究基于不同的試驗葉型和加工方法得出，充分說明了葉片表面粗糙度控制對性能測量影響的重要性，但適用性仍需要進一步確認。

在葉柵試驗葉片常用的線切割加工工藝方面，余心明等[11]概述了影響線切割加工表面粗糙度的因素及應對措施；楊蕾[12]、周桂蓮等[13]采用正交試驗法分析了線切割機各電參數(shù)對加工速度、表面粗糙度的影響，可為平面葉柵試驗葉片線切割加工工藝提供一定參考。

萬枝銘[14]針對有機玻璃零件加工過程中的刀具選擇、裝夾方法和切削參數(shù)選擇等進行了研究以提高有機玻璃的加工質(zhì)量；萬慶等[15]則對有機玻璃零件的數(shù)控加工工藝和拋光方法進行了改進以保證其加工精度和技術(shù)要求。上述研究可為葉柵試驗件有機玻璃柵板的加工提供參考，但有機玻璃柵板加工對葉柵試驗可視化測量的影響并不明確。

在檢測技術(shù)應用方面，國內(nèi)學者主要針對葉片檢測技術(shù)開展了廣泛的研究，其方法可應用于葉柵試驗葉片的檢測，但并未見葉柵試驗件成套關鍵參數(shù)檢測的相關文獻。本文以典型的有機玻璃柵板葉柵試驗件為例，從葉型線加工工藝、有機玻璃柵板加工工藝和試驗件關鍵參數(shù)檢測方法3個方面進行工藝試驗和試驗驗證，可為類似的葉柵試驗件加工檢測及其對葉柵性能測量的影響分析提供參考。本文中葉片表面粗糙度采用輪廓算術(shù)平均偏差Ra值評估，利用TIME 3200粗糙度儀進行檢測確定。

1 葉柵試驗器及測試方案

試驗在中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院超跨聲速葉柵試驗器上進行。該試驗器是一座連續(xù)吹入大氣式的超、跨聲速平面葉柵吹風試驗器，能進行亞、跨、超聲速壓氣機和渦輪平面葉柵吹風試驗。試驗器由氣源站供給高壓空氣，空氣經(jīng)凈化、干燥后直供設備。

試驗器測試系統(tǒng)包括氣流參數(shù)的測量和紋影觀測、錄像2部分。氣流參數(shù)測量系統(tǒng)由PSI電子掃描閥系統(tǒng)、VXI采集系統(tǒng)和數(shù)采計算機等組成。在穩(wěn)壓箱內(nèi)測取來流總壓和總溫，柵前柵后靜壓由布置于柵板上的靜壓孔測取，在葉柵中間通道的2個測壓葉片上測取葉片表面壓力，在葉柵出口測量平面利用探針步進采集計算出口流場參數(shù)。所有的被測參數(shù)均由數(shù)采計算機實時采集和處理，并將計算結(jié)果及時在屏幕上顯示出來。

試驗器配備了積木式結(jié)構(gòu)的WCL-450紋影儀、高性能圖像處理PC機、工業(yè)攝像機及圖像處理軟件組成的紋影圖像處理系統(tǒng),可以觀察試驗時氣流流經(jīng)葉柵模型所產(chǎn)生的激波波系紋影圖像，并用照相機拍攝穩(wěn)定狀態(tài)下的波系紋影照片。

2 直葉片加工工藝研究

常用的葉柵試驗件葉片加工一般有線切割和銑削加工2種，本文主要針對最常用的線切割加工方法進行研究。目前用于直葉片加工的線切割機根據(jù)加工精度分為高速往復走絲(俗稱“快走絲”)、低速單向走絲(俗稱“慢走絲”)和中走絲3類。快走絲采用的是可反復使用的鉬絲，加工過程中抖動大、易斷絲，加工精度和表面質(zhì)量較低。慢走絲采用的是一次性使用的黃銅電極絲，切割精度很高，精度可達到0.001 mm級，工作平穩(wěn)、抖動小，表面質(zhì)量好。而中走絲采用的電極絲材料與快走絲相同，工作相對平穩(wěn)、抖動小，并通過多次切割減少材料變形及鉬絲消耗帶來的誤差，使得加工質(zhì)量也相對較高。

3種線切割方式參數(shù)對比見表1，得到的樣件如

表1 不同線切割方式對比Table 1 Comparison of different wire-electrode cutting methods

圖1所示，從左至右依次為快走絲、中走絲和慢走絲樣件。從圖中可以看出：采用快走絲時，樣件表面可見加工紋路；采用中走絲時，情況明顯改善；采用慢走絲時，樣件表面較為光滑細膩。雖然快走絲設備目前在加工廠應用最廣泛，但對于平面葉柵試驗直葉片加工而言，直接采用快走絲方式得到的葉片表面粗糙度是偏大的。

圖1 不同走絲方式獲得的樣件Fig.1 Sample pieces from different processing methods

對于厚度較大的渦輪直葉片，可以采用銑削加工，表面粗糙度可達到Ra=0.8；但對于葉型較薄的壓氣機直葉片，受刀具切削力較大，一般仍采用線切割加工，采用慢走絲可達到Ra=0.8；而壓氣機葉片前緣和尾緣由于尺寸較小(當量半徑在0.1 mm量級)，相對于渦輪葉柵更容易出現(xiàn)超差情況，需要反復調(diào)整機床參數(shù)來確保葉型輪廓度達標。考慮到慢走絲需要專用設備，且費用較高，嘗試采用快走絲進行粗加工，然后采用拋光的工藝進行表面粗糙度提升，結(jié)果表明，雖然粗糙度滿足設計要求，但葉型輪廓度極難達到0.1 mm量級的要求。而對于渦輪直葉片，在粗加工時預留余量進行拋光雖然滿足葉型輪廓度的要求，但很難保證全葉高拋光的均勻性，可能會導致進行油流流跡顯示試驗時油流試劑無法吸附在葉片表面。因此，建議采用一次加工到位的工藝來加工直葉片。

在明確了各種加工方法可得到的粗糙度范圍后，為了確定試驗可用的葉片表面粗糙度設計取值范圍，對葉片表面粗糙度對性能測量的影響進行了研究。對某壓氣機葉柵在不同粗糙度、不同攻角和試驗雷諾數(shù)狀態(tài)下的葉片表面等熵馬赫數(shù)分布特性進行了試驗測量，0°攻角狀態(tài)下的葉片表面等熵馬赫數(shù)分布見圖2，圖中橫坐標為葉片表面測點坐標X與葉片弦長b的比值。從圖中可以看出,Re=0.9×106時，粗糙度變化對葉片表面等熵馬赫數(shù)分布影響較小。在Re=1.5×106時，當Ra≥6.2，吸力面分離位置由Ra=3.0時的70%左右相對弦長位置提前到40%，說明粗糙度較大時會誘發(fā)層流提前轉(zhuǎn)捩，導致吸力面出現(xiàn)大面積分離，從而導致?lián)p失急劇增加。但Ra=6.2和12.3的葉片表面等熵馬赫數(shù)分布差異不大，說明該狀態(tài)存在粗糙度臨界值，超過該值后葉片表面等熵馬赫數(shù)分布不受其影響。其余工況下，隨著雷諾數(shù)的增大，粗糙度的增大對吸力面和壓力面表面馬赫數(shù)分布的影響程度并不相同，吸力面峰值馬赫數(shù)降低，峰值位置也會隨著雷諾數(shù)的增大而逐漸前移，從而導致葉片載荷發(fā)生較大變化。圖3給出了i=0°、Re=1.29×106狀態(tài)下的油流圖片，印證了該雷諾數(shù)下粗糙度越大，分離位置越靠前。更詳細的相關研究見文獻[16]。

圖2 不同試驗雷諾數(shù)狀態(tài)下葉片表面等熵馬赫數(shù)分布Fig.2 Isentropic Mach number distribution at different Reynolds number states

圖3 i=0°、Re=1.29×106時吸力面油流圖片F(xiàn)ig.3 Suction side oil flow pictures at i=0°，Re=1.29×106

為了進一步明確粗糙度的加工技術(shù)要求，采用慢走絲和中走絲加工方法，對另一套壓氣機葉柵進行了對比研究，分別按照葉片表面粗糙度Ra=0.8和1.6各加工一套試驗件，并標識為A和B，獲得的葉片表面等熵馬赫數(shù)分布如圖4所示，其中Ma1為進口馬赫數(shù)，β1為試驗進口氣流角。在表面加工精度較高時，對該葉型來說表面等熵馬赫數(shù)分布受粗糙度影響較小。從圖5總壓損失系數(shù)隨進口馬赫數(shù)的變化曲線可以看出兩者的差異較小，粗糙度Ra=0.8的試驗件損失略低于粗糙度Ra=1.6的試驗件。

圖4 不同試驗馬赫數(shù)狀態(tài)下葉片表面等熵馬赫數(shù)分布Fig.4 Isentropic Mach number distribution at different Mach number states

圖5 總壓損失系數(shù)隨進口馬赫數(shù)的變化曲線Fig.5 Total pressure loss variation with inlet Mach number at different blade surface roughness states

從上述2套試驗件的對比研究可以看出，雖然葉片表面粗糙度對葉型的影響程度和規(guī)律與葉型有一定的關聯(lián)，但主要的影響機制在于在高雷諾數(shù)狀態(tài)下粗糙度的增大會導致層流提前轉(zhuǎn)捩，從而導致?lián)p失增加，載荷降低?；诙嗵兹~柵的對比試驗，從性能研究的角度來說，建議高速高負荷葉柵的葉片表面粗糙度不低于Ra=1.6，在加工條件允許時，粗糙度可取更小值。

3 有機玻璃柵板加工工藝研究

作為平面葉柵試驗件葉片固定安裝的柵板，一般可由45#鋼、不銹鋼和有流場可視化需求的航空有機玻璃或者光學玻璃材料加工而成，成品件見圖6。前兩者機械加工裝配技術(shù)已較為成熟，加工周期短并且質(zhì)量有保障。玻璃柵板加工難度較高，且加工質(zhì)量對后期紋影拍攝效果也有較大影響。

圖6 航空有機玻璃柵板平面葉柵試驗件Fig.6 Cascade test model with Aero-Plexiglass sidewall

作為常用的高分子材料，航空有機玻璃具有透光性能好、機械強度高、尺寸穩(wěn)定、易加工的特點；光學玻璃雖然具有更加穩(wěn)定的光學性質(zhì)和高度的光學均勻性，但加工費用較高?？紤]到葉柵試驗件的經(jīng)濟快捷性要求，本文主要對較為常用的航空有機玻璃加工過程進行研究。

首先，需要根據(jù)風口尺寸大小和試驗工況預估柵板受力情況，選擇合適厚度的有機玻璃板材進行柵板加工。試驗時，葉片受力很大，都通過榫頭傳遞給有機玻璃柵板，厚度不足容易產(chǎn)生裂紋甚至斷裂。

其次，從外觀上來說，有機玻璃柵板是透明的，但是存在透明但不透光的黑色區(qū)域，使用這些區(qū)域加工的柵板將無法滿足流場可視化需求。因此，加工前首先需要對柵板材料進行光學預檢查，確保透光區(qū)域的大小能夠滿足視窗尺寸要求。一般采用紋影儀對有機柵板進行預檢，模擬試驗時的安裝情況調(diào)節(jié)紋影儀的光路布置，將柵板置于檢測光場中，圖紙上要求的透光區(qū)域內(nèi)應當無劃痕、黑斑、氣泡、雜質(zhì)或應力紋等影響可視化測量效果的缺陷存在。

有機玻璃柵板加工工序一般有銑削加工平面和榫槽、鉆測壓孔或定位銷釘孔、拋光研磨表面3個步驟。由于有機玻璃的導熱性能較差，常溫狀態(tài)熱導率僅是不銹鋼的百分之一左右[17-18]，在銑削加工平面、榫槽和對需要進行紋影錄像拍攝的區(qū)域進行拋光精磨時，均應采取加大冷卻液流量和減小進刀量的辦法來避免有機玻璃表面局部過熱造成的應力紋。工藝試驗中發(fā)現(xiàn)冷卻液流量和進刀量控制不佳會導致柵板在完成加工靜置過程中出現(xiàn)大面積細小碎裂紋路，直接導致柵板報廢。在拋光的時候，對有劃痕和無劃痕的地方要同等對待，避免某個區(qū)域因拋得太多而產(chǎn)生凹陷，這種凹陷會在紋影相片中呈現(xiàn)出局部黑色不規(guī)則區(qū)域。如果拋光精磨時速度過快，將會導致表面呈磨砂玻璃狀，如圖7所示。

圖7 存在拋光精磨問題的航空有機玻璃柵板Fig.7 Cascade models with Aero-Plexiglass sidewall which have polishing and fine grinding problems

另外，加工工序也會對有機玻璃柵板的加工質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。比如用于固定葉片的榫槽和銷釘孔如在拋光精磨之前進行加工，能夠有效減小孔槽周邊位置的黑化情況。這主要是因為拋光精磨容易造成孔槽塌邊，使通過塌邊的光線發(fā)生折射、產(chǎn)生黑圈，如圖8所示。

圖8 孔槽塌邊造成的黑圈示意圖Fig.8 Schilieren picture with black areas due to the chamfer edge collapse

需要注意的是，應力紋和黑圈也可能是有機玻璃柵板在上臺裝配和試驗過程中操作不當造成的，主要體現(xiàn)在2個方面：一是采用壓框鑲嵌方式固定安裝柵板時，如果壓框螺釘過度擰緊或者拉緊兩柵板的螺栓過度擰緊，會導致局部出現(xiàn)明顯的應力紋；二是在試驗過程中如果流道中氣溫低于室內(nèi)溫度，由于有機玻璃導熱差從而只是靠近氣流側(cè)表面附近溫度降低，而槽中葉片導熱性好，與之接觸的有機玻璃榫槽溫度降低，長時間保持這種狀態(tài)會導致溫度分布不均勻從而產(chǎn)生應力，再加上葉片所受的氣動力作用也會傳遞給有機玻璃柵板，故在槽周圍出現(xiàn)黑圈。因此，應在氣流穩(wěn)定后盡快采集紋影圖像數(shù)據(jù)以降低氣流的影響，并通過靜態(tài)紋影儀調(diào)試和帶氣狀態(tài)下對比確認是否為裝配和受力原因?qū)е碌膽y和黑圈。

4 試驗件關鍵參數(shù)檢測方法研究

平面葉柵試驗件的加工和裝配一般根據(jù)試驗件設計圖紙完成。以往受計量檢測手段限制，對葉柵參數(shù)的檢查僅靠游標卡尺來實現(xiàn)。試驗葉型檢測是由加工方首先試切一個葉高為10～15 mm的樣件(如圖9所示)，采用投影檢測法分別抽檢20～30個葉盆葉背型面的坐標點，獲得其大致輪廓，并與圖紙上以輪廓度0.1 mm的要求做出的葉型允許偏離輪廓進行對比來判定葉型是否合格。該檢測方法存在以下3點不足：1) 試切件高度與真實試驗葉片高度相比偏離較大，無法反映真實葉片全葉高的葉型輪廓偏差；2) 抽檢點數(shù)較少導致覆蓋區(qū)域偏小，無法反映真實葉片全周的加工尺寸偏差，尤其是葉片前后緣等對氣動性能影響較大的區(qū)域，可能導致隱藏的輪廓度超差情況無法被發(fā)現(xiàn)；3) 試驗件葉片的葉型、安裝角、喉道尺寸等關鍵參數(shù)加工實際值與設計值的偏差程度對出口總壓、靜壓、氣流角周向分布試驗測量結(jié)果有較大影響，但缺少相應的檢測方法，導致試驗件交付時的技術(shù)狀態(tài)不明確。檢測方法的缺陷導致試驗件質(zhì)量參差不齊，從而很容易導致測得的試驗數(shù)據(jù)不準確。

葉型作為試驗的主體，其輪廓度的保證是確保試驗有效性的基礎。本文采用先進的三坐標測量機對試切的全葉高真實試驗葉片在不少于10個葉高截面處對葉型全周數(shù)據(jù)進行檢測。該方案利用測得的數(shù)據(jù)進行葉片全葉高建模,與理論葉型全葉高建模進行對比分析來獲得加工誤差，可以大大提高檢測的可靠性。為了確保檢測結(jié)果的準確性，將葉片準確固定安裝在基準平臺上就顯得尤為重要。經(jīng)過反復嘗試發(fā)現(xiàn)，必須對每個待檢葉型制作專門的工裝才能得到滿意的效果，即保證葉片的位置度并且在三坐標測量探頭于不同葉高截面處測量時可靠不晃動(見圖10)。

圖10 專用基本葉片工裝示意圖Fig.10 Special tooling for test blade detection

在采用該檢測方法的初期，試驗葉片檢測不合格率居高不下，主要是全葉高不同截面葉型全周輪廓度差異明顯，且前后緣輪廓度超差較普遍。加工方采取調(diào)整線切割機床加工基準、改變起刀位置和切割速度等措施進行了工藝試驗，最終得到了滿足檢測驗收要求的試驗葉片。

在完成試驗葉型和柵板的檢測后，考慮到成套葉柵試驗件的關鍵參數(shù)如柵距、安裝角、喉道寬度和前后緣額線直線度等對試驗數(shù)據(jù)的重要影響，參考渦輪級性能試驗件上對導葉喉道面積的檢測方法，進行了平面葉柵試驗件關鍵參數(shù)檢測方法研究。

前后緣額線直線度的測量是通過測量每個葉片前后緣最高點與柵板出口邊的距離偏差來實現(xiàn)的，一般在葉中截面測得。如圖11所示，將試驗件平放在測量臺上，以柵板的出口邊為基準，依次測量每個葉片前后緣在X軸方向的最小坐標值，即可檢測葉片前后緣額線的直線度和各葉片前后緣與額線的偏差值，同時利用該測量數(shù)據(jù)還可分析葉片前后緣額線與柵板邊緣的平行度，以評價柵板榫槽加工位置的偏差。

圖11 試驗件尾緣直線度及柵距檢測位置示意圖Fig.11 Schematic diagram of detection methods for trailing edge straightness and pitch

柵距是通過測量相鄰2個葉片Y方向的最高點(見圖11)間距值得到的，一般在葉中截面測得(探針一般在柵后葉中截面進行步進測量)。在比較關注的中間通道2～3個葉片(如圖11中的3～6號葉片)可沿葉高方向測量3個位置以確認柵距沿葉高方向的分布情況。測量時，所有葉片柵距的測量值都在同一坐標系下完成，即建立參考坐標系后，從1號葉片依次測量至8號葉片，柵距通過相鄰葉片Y方向最高點的坐標差值獲得。

如圖12所示，喉道寬度測量的是E點和G點的坐標差。坐標系XOY與額線夾角α為喉部尺寸的測量方向角，由設計方給出。測量時，用探頭分別測量X軸方向上葉片尾緣最高點E和相鄰葉背對應點G的坐標后，取X方向上的坐標差得到喉道寬度。

圖12 喉寬及安裝角測量示意圖Fig.12 Schematic diagram of detection methods for the throat width and stagger angle

測量安裝角需新建另一個坐標系X′O′Y′，該坐標系與前緣額線的夾角γ為葉柵試驗件的安裝角。該方法可以在試驗前確認試驗件的狀態(tài)能否滿足試驗需求，尤其是柵距、喉寬等關鍵參數(shù)是否有較大的偏差，可為后期的試驗數(shù)據(jù)分析提供有力支持。

通過明確和改進葉柵檢測方法以及細化試驗件的加工技術(shù)要求，試驗件加工質(zhì)量有了明顯提高。為了確認實施效果，對某葉柵進行了試驗驗證。圖13為某葉柵中間通道相鄰2個葉片的表面等熵馬赫數(shù)分布，圖例中Ma2為葉柵出口等熵馬赫數(shù)。從圖中可以看出，葉片表面等熵馬赫數(shù)分布的趨勢和峰值位置差異較小，說明相鄰2個葉片通道從性能上來說都可以滿足設計方試驗需求。

圖13 葉片表面等熵馬赫數(shù)分布對比Fig.13 Comparison of isentropic Mach number distribution between adjacent channels

5 結(jié) 論

通過平面葉柵加工工藝及其對性能測量影響的試驗研究，可得到以下結(jié)論：

1) 從性能研究的角度來說，在高試驗雷諾數(shù)狀態(tài)下，葉片表面粗糙度過大會導致相同工況下葉片載荷減小，損失增大。采用直接銑削或者線切割加工得到的葉片輪廓度更易得到保證；采用快走絲線切割加工得到的葉型粗糙度偏大。綜合考慮加工成本和性能測量的需求，建議高速高負荷葉柵的葉片表面粗糙度不低于Ra=1.6，在加工條件允許時，粗糙度可取更小值。

2) 航空有機玻璃柵板的加工和裝配均會對高速狀態(tài)下的葉柵流場可視化測量有重要影響。應先選料后加工，在加工過程中采取加大冷卻液流量和減小進刀量的辦法來避免有機玻璃表面局部過熱造成的應力紋；在拋光精磨之前進行孔槽加工以避免塌邊造成的黑圈，否則將無法獲取有效的可視化測量結(jié)果。

3) 成套葉柵試驗件的關鍵參數(shù)測量方法的改進使葉柵試驗件加工裝配質(zhì)量有了明顯提高，可為獲得更加準確可靠的性能數(shù)據(jù)提供保障。采用三坐標測量機實現(xiàn)了從葉片局部樣件檢測到全葉高檢測的改進，大大提高了葉型加工誤差檢測的準確性。