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某机涡轮导向器喉道面积测量技术分析 |
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作者：西安航空发动机集团 赵建 李晓红 宋迎军 |
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摘 要：喉道面积测量的准确性对发动机性能的影响至关重要。本文通过对喉道面积测量仪的原理及现场使用情况，对测量仪的校验程序进行合理设计，保证测量系统稳定性和测量数据的重复性，使测量精度满足设计要求。并对装机导向器叶片进行调整、规范测量操作步骤，保证喉道面积测量数据的准确性和可靠性。
关键词：喉道面积标准块校验方法喉道面积测量系统
0 引言
燃气流经导向器的收敛形通道中最小排气边面积，称之为导向器喉道面积。涡轮导向器喉道面积的大小直接影响发动机的性能，实践证明，高压涡轮I级导向器喉道面积及低压涡轮I 级导向器喉道面积的变化，对发动机高压转速、推力、M2 性能、T4 温度、耗油率都有影响，故在设计上通常允许调整高、低压涡轮I 级导向器叶片的排气边形态，改变喉道面积，提高发动机的性能。
喉道面积测量系统由喉道面积测量仪、标准件构成，测量系统误差对修正值产生直接影响。降低测量系统的误差，保证测量仪测量的重复性和提高测量的精度，直接影响到装机零件测量的准确性，对发动机性能产生直接影响。通过分析，确定测量标准流程、对测量数据进行分析，最终标准化校验方法、规范操作程序，有效的降低测量误差、提高测量精度。
1 喉道面积测量仪器及校验标准样件
1.1 导向器喉道面积测量原理
以某机高压涡轮I 级导向器叶片为例，冷态高压涡轮I 级导向器喉道面积基本值＝267.935cm2，将叶片定位在相对发动机中心的基本径向位置上，如图1 所示，测量喉道面积的宽度和高度。在测量喉道宽度时，所有叶片必须推向同一方向。
（a） 导向器叶片宽度示意图
（b）导向器叶片高度示意图
（c）排气边调整示意图
图1 导向器叶片结构示意图
假定在所有叶片上的截面1、2、3 测得的喉道宽度与基本尺寸之差的代数和分别为X、Y、Z，同时假定在所有叶片上测得的环形高度C与基本尺寸之差的代数和为H，然后从冷态喉道基本面积267.935cm2中加上或减去上述值，可求得所测量的导向器喉道面积值。
喉道宽度修正值A=系数×(X+Y+Z)
喉道高度修正值B=系数×H
所测得的喉道面积＝[267.935＋（A+B）] cm2
1.2 喉道面积测量仪的使用方法
喉道面积测量仪是用于测量导向器喉道面积的专用仪器。测量仪分两部分：一部分为标准块，标准块具有相当的硬度及稳定性，它表示的面积在一定周期内可视为恒定的，在使用喉道面积表测量工件前、后需在标准块上对零；另一部分为喉道面积测量表，其结构为直接接触、杠杆、柔性钢丝、齿轮传动、表盘示值形式的精密仪器。使用时将测量表在标准块上校零后，对喉道叶片构成的空间进行测量，即喉道面积测量表的5 个触点完全与导向器叶片型面相接触，其与标准块面积值的差值反映在仪器的表盘数上。根据标准块的标定面积值及仪器上的示值读数，通过计算即可得知喉道的实际面积。
1.3 导向器喉道面积测量用的标准样件
导向器喉道面积测量用标准样件，是用于验证喉道面积测量仪的测量重复性和测量精度的标准件，其标定的面积值S 标定是自身固有的特性，在排除外界环境后应是恒定的。
2 导向器喉道面积测量仪的校验过程
为保证导向器面积在批量生产过程装配状态的一致性，要求操作者熟悉测量表操作手法、具有良好测量手感，故需使用测量仪对标准件进行测量，对测量仪测量数据的重复性及测量精度进行校验。
2.1 确定标准块的面积值
标准块所示的实际面积，通过计量标准块测量点构成空间的宽度、高度，计算得到。
高压涡轮I 级导向器喉道面积测量仪标准块面积S
S=277.419+2.05ΔL+1.03（ΔA+ΔB+ΔC）]+（1.293Δh+1.303ΔH）
式中：ΔL－几何尺寸L 的变化量（大于名义值为正、小于为负）ΔA、ΔB、ΔC－几何尺寸
A、B、C 的变化量（大于名义值为负、小于为正）
Δh－几何尺寸h 的变化量（大于名义值为负、小于为正）
ΔH－几何尺寸H 的变化量（大于名义值为正、小于为负）
根据面积计算公式：当几何尺寸A、B、C、h 每增加0.001cm,面积S 高减小约0.065cm2；
尺寸H 增加0.001cm，面积S 高增加约0.065cm2；尺寸L 增加0.001cm，面积S 高增加约0.129cm2。反之，几何尺寸减小面积则相应的减小或增加。
由导向器喉道面积测量标准块的计算公式可见，外形几何尺寸的变化，对标准块面积的影响比较小，小于调整工件时所给定的公差范围，所以可在周期（半年）内认为其面积值时恒定不变的。根据每半年的测量数值计算出该周期内的标准块面积值S。
2.2 重复性测量精度校验
为保证喉道面积测量仪的使用稳定性，需对测量仪的重复性好坏进行校验。以高压涡轮I 级导向器喉道面积测量表与标准块为例：
当标准块的名义面积值S 确定后，且在周期内认为是恒定不变的。将导向器喉道面积表在标准块上对零位。对零过程应重复数次，要求每次都可以准确的对正零位，说明喉道面积测量表在标准块上对零的重复性好、稳定，可以满足测量需要。
为了验证喉道面积测量表的稳定性，对标准样件进行反复测量，要求测量重复性误差小于0.161cm2。
1）将标准样件高压涡轮I 级导向器20 组叶片安装到检验夹具上，高压涡轮I 级导向器叶片20 组相对于工装的位置必须是固定的，每次装夹都需要将叶片安装到初始标记的位置。这样安装有利于消除在测量中叶片定位销、固定块对喉道测量的影响。
2）调整每组叶片之间的间隙，使其均匀。
3）将喉道面积测量表支脚插在标准块上，反复轻微晃动确认测量表在标准块中的正确位置。用手指轻压测量表,以防止测量表摆动,将测量表的指针调整到“0”位。
4）测量标准样件，从导向器喉道面积测量表的读数上获得每个喉道相对与标准块零位的正、负值，表盘示值的最小刻度为0.0065cm2。测量过程中对每个喉道的测量值进行记录，整组叶片测量前、后在标准块上对零，保证测量过程测量表的稳定性。
5）对每次所测量的单个喉道数据进行对比，获得准确、有效的测量数据。
实践证明，在非接缝处的喉道10 次测量的数值偏差不应大于1 个最小刻度；接缝处的喉道，考虑到叶片内、外缘板的不连续、不光滑，不大于2 个最小刻度。若测量值偏离这个范围，须将偏差较大的无效数值剔除。无效数值的产生是由于测量表触点未能完全、正确的接触到测量喉道点。为了保证测量的准确性，可以在10 次测量后，对导向器叶组的接缝处叶片再次进行测量以获得满意的数值，将测量值偏离均值的点剔除。
6）通过公式计算出实际测量的面积值：
S 标实测=S +60个喉道正负表读数的代数和
7）通过反复的测量，得到10 次标准件的实测值。由于在测量过程中已经对偏离的值进行了剔除，计算所得的标准件的面积10 次偏差不应大于0.161cm2。这样的测量结果是符合要求的，测量的重复性好。
2.3 测量精度的修正
测量重复性满足后，需要对喉道面积测量仪的测量精度进行修正。
高压 I 级喉道面积测量仪标准块面积S公式中，可以看出当一个周期使用后，由于各个触点会有轻微的磨损，ΔA、ΔB、ΔC、Δh、ΔL、ΔH 是有变化的，引起S 变化。
由于导向器喉道面积测量表内部连线的松紧、内部齿轮的磨损、导向器喉道面积测量仪接触点的磨损、标准样件被测量点的磨损、每次装夹叶片时接缝处的位置、校验测量者的手感等等因素，引起了对标准样件导向器喉道面积值测量的差异。使得测量S 标实测的值不在标定的S 标定范围内。
为了解决标准样件测量值的变化，引入S 修正的概念，通过对实测值S 实测修正，使得S 标实测在标定的S 标定范围内。
S 标实测= S+60个喉道正负表读数的代数和+S 修正。
通过反复测量，将测量数据进行分析，计算出测量值相对标准值的标准差作为S 修正。实际工件的测量计算中，就需要将S 修正带入公式计算：
工件的实际值S 实际=S+60 个喉道正负表读数的代数和+S 修正。
3 对装机导向器的测量及其调整
为了满足发动机的试车性能，根据发动机压气机、涡轮部分的不同的状态，需要对高、低压涡轮I级导向器面积进行调整，以满足发动机性能要求。高、低压涡轮I 级导向器叶片在设计时，在一定范围内允许对排气边进行调整，以改变排气边角度，达到改变导向器喉道面积的要求。所谓调整就是使用与叶片排气边型面相吻合的卷边工具，从叶片的排气边插入，然后弯曲叶片的排气边缘。在叶片排气边L（见图1）范围内，将排气边1cm 的位置向叶盆部位掰以减小喉道，向叶背部位掰以增大喉道。
3.1 调整高压涡轮I级导向器叶片
3.1.1 对标准样件进行测量，熟悉喉道面积测量仪的性能，要求对标准件测量，通过修正值达到S 标定。若不能达到则需通过反复测量，以稳定的手劲达到要求值后方可对装机零件进行测量。
3.1.2 使用已校验合格的高压涡轮I 级导向器喉道面积测量仪对叶片进行测量，得到实际该组叶片的面积值S 初始=S+60 个喉道正负表读数的代数和+S 修正。
3.1.3 根据要求值计算出需要调整的面积值S 调整=S 初始－S 要求
根据叶片设计要求：调整排气边1cm 的位置（见图1），当增大喉道面积时每个喉道不得超出0.0968cm2,即反映在表盘上：最终表读数-初始表读数≤15 个最小刻度；当减小喉道面积时每个喉道不得超出0.168cm2,即：初始表读数-最终表读数≤26 个最小刻度。通过S 调整与叶片可以调整的量计算出需要调整叶片的数量。
3.2 对导向器叶片的调整的要求
1）在实际操作中，通常要求调整叶片的量在设计值的60％～70％左右，即增大时叶片调整(0.058～0.0645) cm2，反映在表盘读数(9～10)个最小刻度；减小面积同理。考虑到导向器影响流量的均匀性，在调整叶片时，尽量均匀分布对叶片进行调整且接缝处叶片尽量不做调整。
2）调整叶片排气边位置见图1(L 处)，叶片的排气边靠内、外缘板处的根部均不允许修正；调整过的叶片排气边边缘应同内、外缘板处的机体部分圆滑转接,排气边不应扭曲；放大镜进行检查，排气边不允许有裂纹出现。
3）在卷边工具上缓慢地施力,使叶片的排气边逐步变形，每调整一次排气边应用测量表检查一次喉道面积的变化量，不能超出允许调整范围。卷边工具只允许向一个方向调整叶片排气边。
4）最终测量喉道面积：考虑到叶片调整后，产生的变形会有一定量的“回弹”，通过反复验证，叶片在调整30min后叶片的反弹量可忽略，所以规定间隔30min后对导向器喉道进行测量，得到最终需要喉道面积要求值。
5）对20 组导向器叶片按顺序标记位置，完成对发动机高压涡轮I 级导向器叶片的测量、调整。
4 结论
测量喉道面积所使用的喉道面积测量仪的精度很高，对操作者有较高的要求，要求操作者的手法熟练，确保在校验、测量中保持稳定的手劲，以保证测量的准确性及重复性，保证导向器喉道面积测量、调整的准确性，对于发动机装配、试车有着及其重要的作用。
通过测量系统的标准化操作、测量数据的统计分析，此方法降低了操作者对测量结果的影响，提高了测量的准确性，对新研制的喉道面积测量仪测量系统的校验及投入生产提供了借鉴作用。通过推行标准操作对测量、装配过程数据控制，可提早发现异常情况，有利于提高航空发动机的装配质量。
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(7/17/2012) |
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