一种测量、计算涡轮导向叶片和导向器喉道面积的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及计算涡轮导向叶片和导向器喉道面积的方法，特别涉及了一种测量、 计算涡轮导向叶片和导向器喉道面积的方法。
【背景技术】
[0002] 涡轮导向器喉道面积的大小直接影响涡轮级前后温度、气流流场，发动机的流量、 推力、转速、耗油率等，对发动机的稳定工作、压气机同涡轮的匹配性能影响也很大，是决定 发动机整体性能的重要参数。
[0003]目前工程上多采用在叶身以及缘板上寻找喉道宽度、高度理论坐标点的方法，计 算叶栅窗口排气面积。由于叶片型面或流道面铸造差异，可能找不到此点，或者此点已并非 实际叶片喉道坐标点。因此测量得到的排气面积误差较大。且对于弯扭叶片，此方法计算 的窗口高度误差较大。另外现有方法还具有测量重复性差、导向叶片和导向器排气面积规 律性差等问题，影响涡轮叶片的调配、装配试车进度以及发动机的整体性能。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了克服上述缺点，特提供了一种测量、计算涡轮导向叶片和导 向器喉道面积的方法。
[0005] 本发明提供了一种测量、计算涡轮导向叶片和导向器喉道面积的方法，其特征在 于：所述的测量、计算涡轮导向叶片和导向器喉道面积的方法，具体为：
[0006] 建立坐标系，确定窗口、叶片排序
[0007] 根据叶片图纸，选择精密加工位置，确定坐标系，X轴为发动机轴线，Z轴为叶片径 向方向，如图2。
[0008] 假设导向器由k组叶片组成，每组叶片由e片叶片组成。定义相邻叶片之间的空 档为窗口，同一组叶片形成的窗口为全窗口，每两组叶片形成的窗口为半窗口。测量导向叶 片时，一组叶片的窗口总数为n，则η=e+Ι;对于导向器，贝lj一共形成m=k*e个窗口。
[0009] 从尾缘看起顺时针依次分别为窗口 1、2……，窗口 1应为此时叶片左侧的半窗口。 在导向器状态下，叶片坐标系Z轴所指定的叶片定义为叶片1，从尾缘看起顺时针依次为叶 片1、2……k，如图2。
[0010] 按顺序测量后续窗口时，需要依次将坐标系绕X轴旋转-360° /m。如图2,坐标系 对应的窗口为窗口 2,测量窗口 3、4时，分别将坐标系绕X轴旋转-360° /m、-720° /m。
[0011] 确定宽度型线，计算理论宽度、缘板的特征点
[0012] 将组成同一窗口的两个叶片在不同Z值下的平行于XY平面的用于表征窗口宽度 的叶片外型线，称为宽度型线，如图2。根据叶片在径向的叶型分布，确定宽度型线组数，记 为r，r不小于3。若叶片为直叶片，其外型线在Z轴方向上无变化，则可在叶片径向方向均 匀布置3组；叶片越扭曲，r应越大。如图2,在叶片径向布置4组宽度型线。
[0013] 确定各组宽度型线的分布，即Z轴坐标。选择时，应避开气膜孔、劈缝等内凹位置。 对于弯扭叶片，应尽量选择外型线凸近窗口方向的位置，此时通道两侧宽度型线的距离较 小。
[0014] 测量窗口同一Z值下，两个叶片宽度型线之间的最小距离，并创建其所在的线段 和所对应的坐标点。称此线段为宽度线段，将理论、实际叶片宽度型线对应点分别称为理论 宽度特征点、实际宽度特征点，通称为宽度特征点，见图3。从叶尖至叶根宽度线段分别编号 为线段1至线段r，对应长度为线段1、2的中点的连线同上缘板流道面的交点，记 为S点；线段r、r- 1的中点的连线同下缘板流道面的交点，记为G点。称S点和G点为缘 板特征点，对于理论叶片和实际叶片，分别称为理论缘板特征点、实际缘板特征点。相邻宽 度线段中点之间的距离分别为H2~HpS点同线段1中点的距离为氏，G点同线段r中点 的距离为Hr+1。将氏~!^+1称为窗口分段高度。
[0015] 计算导向叶片和导向器理论喉道面积
[0016] Μ』=(W』i+Wj)/% (j = 2~r)
[0017] ffff^ ff !
[0018] ffffr+1=ffr+1
[0019] ，'" =Σ勝'"/ /=.1.
[0020] Fg=eF，
[0021] F=mF，
[0022] 式中f--导向叶片中单个窗口的喉道面积。
[0023] Fg一一一组导向叶片的喉道面积。
[0024] F 导向器的喉道面积。
[0025] 确定并扫描宽度样本型线
[0026] 如图4所示，在理论叶片窗口的叶背侧型线方向上选取L1为15~20mm的型线， 作为宽度样本型线，使理论宽度特征点位于宽度样本型线中间。叶盆侧，将理论宽度特征点 沿型线向前缘方向延伸，同时另一侧跨越尾缘延伸至此叶片的叶背一小段，所形成的型线 作为宽度样本型线，L2长度为5~7mm。在测量前应固定L1、L2的长度，保证测量计算稳定 性。
[0027] 测量时，用三坐标扫描实际窗口不同Z值下两侧的宽度样本型线，要求相邻点间 距不大于0.005mm，点坐标精度达到lE-5mm。对于半窗口，只需扫描已有叶片叶身的宽度样 本型线。
[0028] 确定并扫描缘板样本型线
[0029] 如图5、图6所示，在理论叶片上、下缘板上，选取L3长8-10mm的缘板样本型线。 对于全窗口，理论缘板特征点S(G)应位于缘板样本型线的中间位置；对于半窗口，为保证 缘板样本型线完整位于同一个叶片的缘板上，可令其沿Y轴平移L4,L4应尽量小。实际测 量前应固定L3、L4长度，保证测量计算稳定性。
[0030] 测量时，用三坐标扫描窗口的缘板样本型线，要求点间距不大于0. 1mm，点坐标精 度达到0. 005mm。对于半窗口，每组叶片均需测量缘板样本型线，即在半窗口中，对于导向叶 片来说，有一组缘板样本型线，上、下缘板各一条；对于导向器来说，有两组缘板样本型线。
[0031] 计算实际叶片和导向器喉道面积：通过自编程序自动计算实际导向叶片以及导向 器的喉道面积，其原理为：
[0032] 步骤一：利用三次样条插值的方法对宽度样本型线进行加密插值；
[0033] 步骤二：求同一Z值下，盆背侧宽度型线数据点之间的最短距离，即宽度线段的长 度Wj(j=l~r);计算导向叶片排气面积时，半窗口中未知的宽度特征型线用理论型线代 替，理论型线指模拟导向器装配时，理论叶片两侧相邻叶片对应位置的型线；
[0034] 步骤三：计算宽度线段的中点坐标，以及相邻中点之间的距离H,(j= 2~r);
[0035] 步骤四：利用三次样条插值的方法对缘板样本型线进行加密插值；
[0036] 步骤五：将插值后的缘板样本型线坐标点转化为柱坐标系坐标形式；
[0037]步骤六：对每个缘板样本型线坐标点，沿X轴旋转0~土jd°，均匀分布n2个点， 形成缘板面坐标点集；
[0038] 步骤七：计算各缘板面坐标点到氏或t所在直线的距离，寻找最短距离d，记录此 点位置以及X坐标；
[0039] 步骤八：当距离d彡dl时，认为此点为直线同缘板面的交点S点或G点，计算直线 上点的X坐标所对应Y坐标和Z坐标，进而得到S点、G点的坐标；
[0040] 步骤九：若距离d>dl时，在距离此点X坐标±5%范围内截取不同半径高度缘 板样本型线，jd=jd/n3*10,n2 =n3,重复步骤四~步骤八，直到距离d<dl;若循环的 次数超过nl时，跳出循环，按照距离d<dl进行后续计算；
[0041] 步骤十：计算各窗口中的ffffjj= 1~r+Ι)、氏、札+1;导向器半窗口中，需要分别 计算两组缘板样本型线所对应的G点和S点，相应得到两组氏、札+1，分别将其平均后带入计 算；
[0042] 步骤十一：根据以下计算公式计算实际窗口、导向叶片、导向器的喉道面积以及超 差情况。
[0049] 式中$--导向叶片中单个窗口的喉道面积。
[0050]Fg 一组导向叶片的喉道面积。
[0051]F 导向器的喉道面积