一种测量、计算涡轮导向叶片和导向器喉道面积的方法

标题：一种测量、计算涡轮导向叶片和导向器喉道面积的方法

摘要：一种测量、计算涡轮导向叶片和导向器喉道面积的方法，具体为：建立坐标系、确定相邻叶片间的空档即窗口排序后，根据叶片形状，在理论窗口确定可表征窗口宽度的叶片外型线即宽度型线，求其最小距离及其所在线段即宽度线段，确定理论宽度特征点，计算宽度线段中点连线到缘板流道面的交点，据此分段求取缘板高度并计算叶片理论喉道面积；确定并利用三坐标扫描实际宽度、缘板样本型线；插值样本型线后，根据上述方法求取实际叶片排气面积，其中缘板流道面通过将缘板样本型线坐标点转化为柱坐标系并绕X轴旋转形成。本方法具有排气面积数值测量计算准确、稳定、重复性好，导向叶片同导向器排气面积之间规律较好，不依赖于测具等优点。

申请号：CN201410789263.5

申请日：2014/12/17

申请人：中国航空工业集团公司沈阳发动机设计研究所

首项权利要求：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：建立坐标系，确定窗口、叶片排序：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；假设导向器由k组叶片组成，每组叶片由e片叶片组成；定义相邻两片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n＝e+1；对于导向器，则一共形成m＝k*e个窗口；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；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；例如当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；确定宽度型线，计算理论宽度、缘板的特征点：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；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；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；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；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W1至Wr；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～Hr；S点同线段1中点的距离为H1，G点同线段r中点的距离为Hr+1；将H1～Hr+1称为窗口分段高度；计算导向叶片和导向器理论喉道面积：WWj＝(Wj-1+Wj)/2, (j＝2～r)WW1＝W1WWr+1＝Wr+1F′ =Σ j=1r+1WWjHjFg＝eF′F＝mF′式中：F′——导向叶片中单个窗口的喉道面积；Fg——一组导向叶片的喉道面积；F——导向器的喉道面积；确定并扫描宽度样本型线：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；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1E-5mm；对于半窗口，只需扫描已有叶片叶身的宽度样本型线；确定并扫描缘板样本型线：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；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；计算实际叶片和导向器喉道面积：通过自编程序计算实际导向叶片以及导向器的喉道面积，其原理为：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；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＝1～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；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Hj(j＝2～r)；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；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；步骤六：对每个缘板样本型线坐标点，沿X轴旋转0～±jd°，均匀分布n2个点，形成缘板面坐标点集；步骤七：计算各缘板面坐标点到H2或Hr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；步骤八：当距离d≤d1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；步骤九：若距离d＞d1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≤d1；若循环的次数超过n1时，跳出循环，按照距离d≤d1进行后续计算；步骤十：计算各窗口中的WWj(j＝1～r+1)、H1、Hr+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H1、Hr+1，分别将其平均后带入计算；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；WWj＝(Wj-1+Wj)/2, (j＝2～r)WW1＝W1WWr+1＝Wr+1Fi=Σ j=1r+1WWjHjFg=(F1+Fn)/2+Σ i=2n-1FiF=Σ i=1mFi式中：Fi——导向叶片中单个窗口的喉道面积；Fg——一组导向叶片的喉道面积；F——导向器的喉道面积；i——窗口序号；其中，jd、d1、n1、n2、n3可根据实际叶片情况，综合考虑计算精度和时间自由选取。

专利类型：发明申请