CN105180844A - 燃气涡轮一级导向叶片的辅助夹具及气膜孔的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气涡轮一级导向叶片气膜孔的辅助夹具及测量方法，辅助夹具用于在测量燃气涡轮一级导向叶片时辅助定位，辅助夹具包括用于装夹燃气涡轮一级导向叶片的支撑盘和用于夹持燃气涡轮一级导向叶片的夹柄。支撑盘包括一平整的顶面以及燃气涡轮一级导向叶片的外缘板贴合的端面，夹柄的一端连接于端面的相对面。一方面辅助夹具作为装夹工具，将燃气涡轮一级导向叶片引入复合式光学坐标机中。另一方面，夹柄指示燃气涡轮一级导向叶片的积叠轴中心，便于复合式光学坐标机找燃气涡轮一级导向叶片的积叠轴中心建立坐标系，辅助复合式光学坐标机进行定位。上述辅助夹具使得燃气涡轮一级导向叶片定位容易，便于确定坐标系，测量更为方便。

Description

燃气涡轮一级导向叶片的辅助夹具及气膜孔的测量方法

技术领域

本发明涉及发动机领域，特别地，涉及一种燃气涡轮一级导向叶片的辅助夹具。此外，本发明还涉及一种采用上述燃气涡轮一级导向叶片的辅助夹具的燃气涡轮一级导向叶片的气膜孔的测量方法。

背景技术

燃气涡轮一级导向叶片在工作中承受着燃烧后高温高压燃气的冲击，其燃烧温度会超过叶片材料的熔点。为了保证燃气涡轮一级导向叶片在超过材料熔点下还能正常工作，必须依靠气膜冷却技术。气膜冷却技术的主要结构特点就是在燃气涡轮一级导向叶片前缘及叶身等部位设计大量的气膜孔(也叫冷却孔)，孔径微小且空间位置及角度复杂。由于燃气涡轮一级导向叶片气膜孔的特殊结构，国内发动机行业一直在寻求着测量气膜孔几何参数的最佳方案。

燃气涡轮一级导向叶片多为复杂曲面，在测量时不容易确定坐标系。叶片结构的形状位置与尺寸是以积叠轴为基准设计的，包括气膜孔角度、内腔结构，但积叠轴中心难以直接确定，只有通过叶片上其它尺寸转换，从而造成定位基准复杂，目前只能通过三坐标测量装置来检测该叶片尺寸是否符合图纸要求。而燃气涡轮一级导向叶片气膜孔结构复杂，孔径微小，且带有空间位置和角度。如果单独借助三坐标机的接触测头，在测量微小形状时会有干涉，就算使用圆柱塞规间接测量，由于测力的影响也无法达到图纸测量精度要求。

发明内容

本发明提供了一种燃气涡轮一级导向叶片气膜孔的辅助夹具及测量方法，以解决燃气涡轮一级导向叶片测量坐标系难以确定、微小气膜孔测量不便的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明一方面提供了一种燃气涡轮一级导向叶片气膜孔的辅助夹具，用于在测量燃气涡轮一级导向叶片时辅助定位，辅助夹具包括用于装夹燃气涡轮一级导向叶片的支撑盘和用于夹持燃气涡轮一级导向叶片的夹柄。

支撑盘包括一平整的顶面以及燃气涡轮一级导向叶片的外缘板贴合的端面，夹柄的一端连接于端面的相对面。

进一步地，端面为与外缘板配合的圆弧端面。

支撑盘还设有两个与燃气涡轮一级导向叶片的定位孔配合固定的定位销。

进一步地，两个定位销的轴心与积叠轴中心的距离相等。

本发明另一方面提供了采用复合式光学坐标机对燃气涡轮一级导向叶片的气膜孔进行测量，包括以下步骤：

用圆柱塞规测量气膜孔的直径，并将对应直径的圆柱塞规插入气膜孔中。

将插有圆柱塞规的燃气涡轮一级导向叶片装夹在上述辅助夹具上，并将辅助夹具的夹柄装夹在复合式光学坐标机的B转台上；

使用复合式光学坐标机的接触测头采集辅助夹具的基准参数，并以基准参数建立夹具坐标系。

根据辅助夹具的基准和燃气涡轮一级导向叶片的积叠轴的关系，将夹具坐标系变换得到叶片测量坐标系。

使用复合式光学坐标机的光学测头对气膜孔中的圆柱塞规进行测量，得到气膜孔在叶片测量坐标系下的轴心线位置和角度。

进一步地，燃气涡轮一级导向叶片气膜孔的测量方法还包括：

校准接触测头和光学测头，并将接触测头和光学测头进行位置关联以得到二者的位置关系。

依次校准C转台和B转台，对C转台在0°、45°、90°、135°、180°五个位置进行校准，对B转台在180°、225°、270°、315°、360°五个位置进行校准。

进一步地，使用复合式光学坐标机的接触测头采集辅助夹具的基准参数，并以基准参数建立夹具坐标系包括：

使用接触测头对辅助夹具的基准以减少测力的模式进行手动测量，并根据手动测量结果运用3-2-1法建立夹具初始坐标系。

使用接触测头对辅助夹具的基准进行自动测量，根据自动测量的结果运用3-2-1法建立精确的夹具坐标系，自动测量的路径点数大于手动测量的路径点数。

进一步地，将辅助夹具的夹柄装夹在B转台上的操作和使用接触测头采集辅助夹具的基准参数的操作之间还包括：

在测量前将支撑盘调平使之平行于复合式光学坐标机的工作台。

进一步地，使用光学测头对气膜孔中的圆柱塞规轴线位置和角度进行测量具体包括：

使圆柱塞规相对复合式光学坐标机的工作台调平。

使用光学测头对气膜孔中的圆柱塞规轴线位置和角度进行测量。

进一步地，使圆柱塞规相对复合式光学坐标机的工作台调平具体为：

根据气膜孔与经过燃气涡轮一级导向叶片积叠轴且平行于支撑盘的顶面之间的理论投影角旋转B转台，使得气膜孔中的圆柱塞规相对复合式光学坐标机的工作台基本平行。

进一步地，接触测头所用传感器类型为TP200。

本发明具有以下有益效果：辅助夹具包括支撑盘和夹柄，燃气涡轮一级导向叶片装夹在支撑盘上并通过夹柄夹持在复合式坐标光学机的转台上。一方面辅助夹具作为装夹工具，将燃气涡轮一级导向叶片引入复合式光学坐标机中。另一方面，夹柄指示燃气涡轮一级导向叶片的积叠轴中心，便于复合式光学坐标机找燃气涡轮一级导向叶片的积叠轴中心建立坐标系，辅助复合式光学坐标机进行定位。上述辅助夹具使得燃气涡轮一级导向叶片定位容易，便于确定坐标系，测量更为方便。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的辅助夹具装夹燃气涡轮一级导向叶片的示意图；

图2是本发明优选实施例的辅助夹具装夹燃气涡轮一级导向叶片的另一视角示意图。

附图标记说明：100、夹柄；200、支撑盘；210、端面；220、顶面；300、定位销；400、外缘板；500、气膜孔；600、圆柱塞规。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

燃气涡轮一级导向叶片的形状位置与尺寸是以积叠轴为基准设计的，包括气膜孔角度、内腔结构，但积叠轴中心难以直接确定，只有通过叶片上其它尺寸转换，从而造成定位基准复杂，目前只能通过复合式光学坐标机来检测该叶片尺寸是否符合图纸要求。而燃气涡轮一级导向叶片气膜孔结构复杂，孔径微小，且带有空间位置和角度。如果单独借助三坐标机的接触测头，在测量微小形状时会有干涉，即使用圆柱塞规间接测量，由于测力的影响也无法达到图纸测量精度要求。为了实现燃气燃气涡轮一级导向叶片气膜孔尺寸的测量，本发明设计了一套专用的测量定位夹具，通过利用复合式光学坐标机的B、C转台，并且将其接触测头与光学测头相结合，解决了测量叶片气膜孔的难题，实现了燃气燃气涡轮一级导向叶片气膜孔测量时的装夹、找正以及气膜孔的空间位置和角度。

参照图1，本发明的优选实施例提供了一种燃气涡轮一级导向叶片的辅助夹具，用于在测量燃气涡轮一级导向叶片时辅助定位，辅助夹具包括用于装夹燃气涡轮一级导向叶片的支撑盘200和用于指示燃气涡轮一级导向叶片的积叠轴的夹柄100。支撑盘200包括一平整的顶面220以及燃气涡轮一级导向叶片的外缘板400贴合的端面210，夹柄100的一端连接于支撑盘200的端面210的相对面。

燃气涡轮一级导向叶片一般包括多排气膜孔500，每一排气膜孔500包括数个气膜孔500。如某一型号的燃气涡轮一级导向叶片包括9排共108个气膜孔500。支撑盘200可通过螺接、卡接或其它活动连接方式装夹燃气涡轮一级导向叶片。夹柄100可活动连接在支撑盘200上也可固接在支撑盘200上，可以理解的是，采取固接的方式连接，稳定性更好可减少测量误差。设置夹柄100可将燃气涡轮一级导向叶片连接在转台上。由于各排气膜孔500的空间角度差异较大，通过旋转转台使得燃气涡轮一级导向叶片的气膜孔500尽量与复合式光学坐标机的工作平台平行。夹柄100一端连接在支撑盘200上，另一端用于夹持在复合式光学坐标机的转台上。支撑盘200装夹燃气涡轮一级导向叶片时，夹柄100的中轴线经过燃气涡轮一级导向叶片的积叠轴中心，以指示积叠轴。支撑盘200的顶面220便于设立坐标系。

辅助夹具包括支撑盘200和夹柄100，燃气涡轮一级导向叶片装夹在支撑盘200上并通过夹柄100夹持在复合式光学坐标机的转台上。一方面辅助夹具作为装夹工具，将燃气涡轮一级导向叶片引入复合式光学坐标机中。另一方面，夹柄100指示导向叶片的积叠轴，便于复合式光学坐标机找燃气涡轮一级导向叶片的积叠轴中心建立坐标系，辅助复合式光学坐标机进行定位。

可选地，端面210为与燃气涡轮一级导向叶片的外缘板400配合的圆弧端面。支撑盘200还设有两个与燃气涡轮一级导向叶片的定位孔配合固定的定位销300。

支撑盘200的圆弧端面支靠在外缘板400上。外缘板400为圆弧结构，燃气涡轮一级导向叶片的积叠轴经过圆弧结构的圆心，积叠轴的原点在圆弧结构圆心上。圆弧端面的径向截面的圆弧与外缘板400的圆弧结构配合，圆弧端面的径向截面的圆心与外缘板400的圆弧结构的圆心重合。夹柄100的中轴线或中轴线的延长线经过圆弧端面的径向截面的圆心。圆弧端面可使支撑盘200与外缘板400贴合紧密，同时更为稳定。定位销300可以固设或活动连接在定位盘上。可以理解的是，固设方式的辅助夹具稳定性更好。如为固设方式连接，定位销300可以与支撑盘200一体成型，或者通过焊接、粘接等固接方式。如为活动连接，定位销300可通过螺接方式连接在支撑盘200的螺孔内。定位销300可保证支撑盘200和外缘板400结合稳固，不容易发生位移，可保证定位准确，使得夹柄100的中轴线经过燃气涡轮一级导向叶片的积叠轴中心。

可选地，两个定位销300的轴心与积叠轴中心的距离相等。以燃气涡轮一级导向叶片的积叠轴中心为圆心做一圆柱，两定位销300的轴心在该圆柱的圆柱面上。

本发明另一方面提供了一种燃气涡轮一级导向叶片的气膜孔的测量方法，采用复合式光学坐标机对燃气涡轮一级导向叶片的气膜孔500进行测量，包括以下步骤：

用圆柱塞规600测量燃气涡轮一级导向叶片的气膜孔500的直径，并将对应直径的圆柱塞规600插入气膜孔500中。

将插有圆柱塞规600的燃气涡轮一级导向叶片装夹在上述辅助夹具上，并将辅助夹具的夹柄100装夹在B转台上。

使用接触测头采集辅助夹具的基准参数，并以基准参数建立夹具坐标系。

根据辅助夹具的基准和燃气涡轮一级导向叶片的积叠轴的关系，将夹具坐标系变换得到叶片测量坐标系。

使用光学测头对气膜孔500中的圆柱塞规600的轴线位置和角度进行测量，得到气膜孔500在叶片测量坐标系下的轴心线位置和角度。

在一实施例中，坐标测量装置可以为复合式光学坐标机。本实施例中使用的型号为德国MARH公司生产的OMS600复合式光学坐标机，包括B转台、C转台、接触测头和光学测头，其中C转台可在仪器机械坐标系的ZOX平面的0°～180°内进行旋转，B转台可在仪器机械坐标系的YOZ平面的0°～360°内进行旋转。选择合适直径的圆柱塞规600插入气膜孔500中可测得气膜孔500的直径，同时圆柱塞规600延伸在气膜孔500外，测量圆柱塞规600的角度可间接测量气膜孔500的角度，测量更为方便。通过辅助夹具将燃气涡轮一级导向叶片引入复合式光学坐标机中。使用接触测头采集辅助夹具的基准参数，并以基准参数建立夹具坐标系。然后使用光学测头测量气膜孔中的圆柱塞规，可以逐排对燃气涡轮一级导向叶片的气膜孔500进行处理，当测量完一排气膜孔500后，再测量另一排气膜孔500。

辅助夹具和燃气涡轮一级导向叶片具有一定关联。可根据辅助夹具设计图和燃气涡轮一级导向叶片的设计图确定辅助夹具的基准和燃气涡轮一级导向叶片的虚拟基准之间的关系，燃气涡轮一级导向叶片的虚拟基准即积叠轴。根据辅助夹具的基准和积叠轴的关系通过一系列平移、旋转得到叶片测量坐标系。

叶片测量坐标系建立之前调用的是接触测头，当建立叶片测量坐标系后改用光学测头。后续测量过程中无需使用接触测头，因此可将接触测头设置为无效状态如将C转台转到180°或者还可以将接触测头取下，以避免接触测头干涉转台。

上述燃气涡轮一级导向叶片的气膜孔的测量方法，借助辅助夹具的定位作用可直接确定积叠轴，便于建立坐标系。同时采用圆柱塞规600测量气膜孔500的直径，并采用光学测头对圆柱塞规600进行测量，其为非接触测量间接测得气膜孔500的角度，在测量小孔更有优势。

可选地，燃气涡轮一级导向叶片的气膜孔的测量方法还包括：

校准接触测头和光学测头，并将接触测头和光学测头进行位置关联以得到二者的位置关系。依次校准C转台和B转台，对C转台在0°、45°、90°、135°、180°五个位置进行校准，对B转台在180°、225°、270°、315°、360°五个位置进行校准。

校准接触测头和光学测头使得测量结果更为准确，将接触测头和光学测头进行位置关联得到二者的位置关系，以使两测头测得数据进行关联和转换，提高测量结果的准确性。

可选地，使用接触测头采集辅助夹具的基准参数，并以基准参数建立夹具坐标系包括：

使用接触测头对辅助夹具的基准以减少测力的模式进行手动测量，并根据手动测量结果运用3-2-1法建立夹具初始坐标系；

使用接触测头对辅助夹具的基准进行自动测量，根据自动测量的结果运用3-2-1法建立精确的夹具坐标系，自动测量的路径点数大于手动测量的路径点数。

如图1和图2所示，手动测量时，在测量过程中按住减少测力的相应按键，选择测力模式。自动测量时选择程序单步执行命令让复合式三坐标机自动测量基准参数。在辅助夹具上选择L、M和N三个基准，用复合式光学坐标机的接触测头对其进行手动测量得到基准参数，基准参数为位置参数，以3-2-1法建立夹具初始坐标系。具体为用面L定空间基准，面L、M的交线定交向，交线与面N的交点定坐标系的原点。3-2-1法是测量和定位过程常用法则，在此不再赘述。再次使用接触测头对L、M和N基准进行测量，应加入足够的CLP点，并开启减少测力功能。复合式光学坐标机自动测量L、M和N基准，建立夹具精确坐标系。

可选地，将辅助夹具的夹柄100装夹在B转台上的操作和使用接触测头采集辅助夹具的基准参数的操作之间还包括：

在测量将支撑盘200调平使支撑盘200的顶面220平行于复合式光学坐标机的工作台。

在辅助夹具的夹柄100装夹在B转台后，调节辅助夹具使得B转台在零位时支撑盘200平行复合式光学坐标机的工作台，然后再使用接触测头采集辅助夹具的基准参数，如可用高度尺的靠尺靠压支撑盘200，使得支撑盘200的顶面220与复合式光学坐标机的工作台平行。如图1和图2所示，调平之后以辅助夹具为基准建立初始坐标系。建立的初始坐标系的一个基准面与工作台平行，另一个基准面与B转台的旋转面平行，剩下一个基准面与C转台的旋转面平行；且初始坐标系的原点在夹柄100的中轴线上。可如图1和图2所示，建立的初始坐标系。YOZ为水平面，XOY与B转台旋转面平行，XOZ与C转台旋转面平行。且Z轴在夹柄100的中轴线上，X轴与顶面220垂直。在该初始坐标系下，采集到数据更为直观。当顶面220未与工作台平行建立初始坐标系时，初始坐标系不存在与工作台平行的基准面，测量的数据不直观。

可选地，使用光学测头对气膜孔500中的圆柱塞规600轴线位置和角度进行测量具体包括：

使圆柱塞规600相对复合式光学坐标机的工作台调平；

使用光学测头对气膜孔500中的圆柱塞规600轴线位置和角度进行测量。

当圆柱塞规600与复合式光学坐标机的工作台的水平面夹角过大时，光学镜头在测量三维角度时存在较大的投影误差。调平之后使得测量时圆柱塞规600与复合式光学坐标机的工作台的倾角基本接近与零，这样用光学镜头测出的角度精度较高。

可选地，使圆柱塞规600相对复合式光学坐标机的工作台调平具体为：

根据气膜孔500与经过燃气涡轮一级导向叶片积叠轴且平行于支撑盘的顶面220之间的理论投影角旋转B转台，使得气膜孔500中的圆柱塞规600相对复合式光学坐标机的工作台调平。

如图2所示。根据设计的理论投影角旋转B转台，使得气膜孔500中的圆柱塞规600相对复合式光学坐标机的工作台调平，测得角度值，将测得的角度值再加上旋转角度即得到气膜孔500实际的角度值。

可选地，接触测头所用传感器类型为TP200。该测头具有减少测力的功能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮一级导向叶片气膜孔的辅助夹具，用于在测量燃气涡轮一级导向叶片时辅助定位，其特征在于，所述辅助夹具包括用于装夹所述燃气涡轮一级导向叶片的支撑盘(200)和用于夹持所述燃气涡轮一级导向叶片的夹柄(100)；

所述支撑盘(200)包括一平整的顶面(220)以及所述燃气涡轮一级导向叶片的外缘板(400)贴合的端面(210)，所述夹柄(100)的一端连接于所述端面(210)的相对面。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮一级导向叶片气膜孔的辅助夹具，其特征在于，所述端面(210)为与所述外缘板(400)配合的圆弧端面；

所述支撑盘(200)还设有两个与所述燃气涡轮一级导向叶片的定位孔配合固定的定位销(300)。

3.根据权利要求2所述的燃气涡轮一级导向叶片气膜孔的辅助夹具，其特征在于，两个所述定位销(300)的轴心与所述积叠轴中心的距离相等。

4.一种燃气涡轮一级导向叶片的气膜孔的测量方法，采用复合式光学坐标机对所述燃气涡轮一级导向叶片的所述气膜孔(500)进行测量，其特征在于，包括以下步骤：

用圆柱塞规(600)测量所述气膜孔(500)的直径，并将对应直径的圆柱塞规(600)插入所述气膜孔(500)中；

将插有圆柱塞规(600)的燃气涡轮一级导向叶片装夹在权利要求1～3中任一项所述辅助夹具上，并将所述辅助夹具的所述夹柄(100)装夹在所述复合式光学坐标机的B转台上；

使用所述复合式光学坐标机的接触测头采集所述辅助夹具的基准参数，并以所述基准参数建立夹具坐标系；

根据所述辅助夹具的基准和所述燃气涡轮一级导向叶片的积叠轴的关系，将所述夹具坐标系变换得到叶片测量坐标系；

使用所述复合式光学坐标机的光学测头对所述气膜孔(500)中的圆柱塞规(600)进行测量，得到所述气膜孔(500)在所述叶片测量坐标系下的轴心线位置和角度。

5.根据权利要求4所述的燃气涡轮一级导向叶片气膜孔的测量方法，其特征在于，所述燃气涡轮一级导向叶片气膜孔的测量方法还包括：

校准所述接触测头和所述光学测头，并将所述接触测头和所述光学测头进行位置关联以得到二者的位置关系；

依次校准所述C转台和所述B转台，对所述C转台在0°、45°、90°、135°、180°五个位置进行校准，对所述B转台在180°、225°、270°、315°、360°五个位置进行校准。

6.根据权利要求4所述的燃气涡轮一级导向叶片气膜孔的测量方法，其特征在于，所述使用所述复合式光学坐标机的接触测头采集所述辅助夹具的基准参数，并以所述基准参数建立夹具坐标系包括：

使用所述接触测头对所述辅助夹具的基准以减少测力的模式进行手动测量，并根据手动测量结果运用3-2-1法建立夹具初始坐标系；

使用所述接触测头对所述辅助夹具的基准进行自动测量，根据自动测量的结果运用3-2-1法建立精确的夹具坐标系，所述自动测量的路径点数大于所述手动测量的路径点数。

7.根据权利要求4所述的燃气涡轮一级导向叶片的气膜孔的测量方法，其特征在于，将所述辅助夹具的所述夹柄(100)装夹在B转台上的操作和所述使用所述接触测头采集所述辅助夹具的基准参数的操作之间还包括：

在测量前将所述支撑盘(200)调平使所述支撑盘(200)的顶面(220)平行于所述复合式光学坐标机的工作台。

8.根据权利要求7所述的燃气涡轮一级导向叶片的气膜孔的测量方法，其特征在于，所述使用所述光学测头对所述气膜孔(500)中的圆柱塞规(600)轴线位置和角度进行测量具体包括：

使所述圆柱塞规(600)相对所述复合式光学坐标机的工作台调平；

使用所述光学测头对所述气膜孔(500)中的圆柱塞规(600)轴线位置和角度进行测量。

9.根据权利要求8所述的燃气涡轮一级导向叶片的气膜孔的测量方法，其特征在于，所述使所述圆柱塞规(600)相对所述复合式光学坐标机的工作台调平具体为：

根据所述气膜孔(500)与经过所述燃气涡轮一级导向叶片积叠轴且平行于所述支撑盘(200)的顶面(220)之间的理论投影角旋转所述B转台，使得所述气膜孔(500)中的圆柱塞规(600)相对所述复合式光学坐标机的工作台调平。

10.根据权利要求4～9中任一项所述的燃气涡轮一级导向叶片的气膜孔的测量方法，其特征在于，所述接触测头所用传感器类型为TP200。