CN107506519A - 一种精铸涡轮叶片气膜冷却孔的参数化加工方法 - Google Patents
一种精铸涡轮叶片气膜冷却孔的参数化加工方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种精铸涡轮叶片气膜冷却孔的参数化加工方法，涉及涡轮叶片。提供包括组件铸造变形、装夹定位误差以及小孔加工过程中叶片的移动及变形在内的误差，可实现空心涡轮叶片气膜孔的参数化精确加工。通过求解与计算气膜孔加工过程中的误差传递与积累，对气膜孔的设计参数修正，根据修正后的气膜孔形位参数：气膜孔的中心点，气膜孔的法矢，与气膜孔的孔深，对气膜孔进行加工，提高气膜孔的加工精度，提高涡轮叶片的冷却效率。对空心涡轮叶片的精确成形具有重要的理论意义和应用价值，避免了当前气膜孔加工领域由于仅根据设计参数直接加工而造成的气冷效率降低现状，保证了保证了气膜孔成形精度，可实现叶片气冷效果与设计要求保持一致。
Description
技术领域
本发明涉及涡轮叶片，尤其是涉及一种精铸涡轮叶片气膜冷却孔的参数化加工方法。
背景技术
涡轮叶片是航空发动机的关键零件，为使其能够长期可靠服役在强烈热冲击与复杂循环热应力工况条件下，必须采用有效的冷却措施。其中气膜冷却技术作为提高叶片承温承载能力的有效手段得到了广泛应用。
气膜冷却是在空心叶片曲面轮廓上设计呈线性排列的大量微小孔，利用涡轮内部释放的冷空气，通过数排直径在0.3～0.8mm的微小孔在叶片表面形成薄层冷气膜来达到隔离高温燃气流保护叶片的目的。气膜冷却效率与气膜孔的形状与位置参数息息相关。通常，气膜孔入口直径公差范围为±0.05mm。因此，保证气膜孔的制造质量与精度对于提高冷却效率与叶片寿命至关重要。
目前，空心涡轮叶片气膜孔的制造方式主要有机械加工、激光打孔、电火花打孔、电液束打孔等。然而，工程实践表明，在当前涡轮叶片气膜孔的加工实践中仍普遍采用人工试错与参数修正相结合的方法，气膜孔的加工质量难以预测和控制，形位精度及保持性差，气冷效率损失严重。
产生此问题的原因主要有：首先，空心涡轮叶片一般采用定向结晶或单晶无余量精密铸造，此过程是一个几何、材料和边界条件三重高度非线性耦合的复杂物理过程；且由于涡轮叶片为大量自由曲面和复杂内腔组成的病态薄壁结构(壁厚0.5～2mm)，使得叶片铸件的型面精度低、壁厚尺寸漂移大、质量不稳、废品率很高，一直是制约我国新型航空发动机研制的瓶颈。其次，叶片装夹位置的不合理也导致铸件固定在机床上时会产生定位误差。另外，在气膜孔加工小孔过程中由于工件的移动与变形也会造成气膜孔的形位偏差。由此，与气膜孔的设计形位参数相比，气膜孔的实际加工位置会产生形位偏差，致使加工过程中易出现盲孔、背面损伤及精度不稳等一系列缺陷。
通过多年的发展，美、英等西方国家均已掌握高性能气膜冷却空心涡轮叶片的制造技术，如英国罗罗(RR)、美国普惠(PW)与美国通用(GE)三家公司均已实现了航空发动机涡轮叶片的高精高效制造，但包括气膜孔加工在内的关键制造技术对我国严格“禁运”与封锁。
为打破国外技术封锁，攻克涡轮叶片气膜孔高精高效加工难题，国内开展了大量科研工作，主要集中在对气膜孔成形微裂纹与重铸层等加工缺陷的预测上，进而对加工工艺参数进行优化。北京航空材料研究院、中科院金属所、西北工业大学等单位在此问题上做了大量研究工作，并取得丰硕成果。但是大部分研究者对气膜孔的成形几何精度控制方面的研究几乎没有涉及，在叶片气膜孔的高精加工问题上，目前还未有理想的解决方案。
针对气膜孔成形几何精度控制，必须分析计算导致气膜孔形位变化的误差源与误差积累。专利U.S.Pat.No.0,229,759.A1描述了一种适用于燃气涡轮叶片的参数化加工方法，通过测量气膜孔加工点的实际叶片壁厚以校正加工气膜孔的孔深；专利U.S.Pat.No.0183,325.A1公开了一种适用于航空发动机涡轮部件微小孔的加工方法，在部件设计模型上确定确定微小孔的实际加工位置参数，进而通过分析部件的整体变形计算每个气膜孔的位置参数，从而提高加工质量效率；专利U.S.Pat.No.6,339,879.B1则涉及到一种基于逆向叠加法提高微小孔成形精度的方法，通过测量微小孔成形过程中重铸层的厚度，并将其厚度数据逆向叠加入小孔的加工孔径中，以提高微小孔的几何精度。然而这些研究都没有涉及到对气膜孔成形过程中的形位参数误差分析，也未实现对孔形位参数的精确描述及参数化的加工方法。
发明内容
为了克服现有的气膜孔加工过程中无法对其形位参数变化进行精确描述，从而导致气膜孔成形精度偏低、质量不稳的问题，本发明提供包括组件铸造变形、装夹定位误差以及小孔加工过程中叶片的移动及变形在内的误差，可实现空心涡轮叶片气膜孔的参数化精确加工的一种精铸涡轮叶片气膜冷却孔的参数化加工方法。
本发明包括以下步骤：
1)根据涡轮叶片设计模型获取气膜孔的几何参数；
在步骤1)中，所述气膜孔的几何参数包括气膜孔的孔径、孔深、气膜孔中心点坐标。
2)获得叶片铸件的实际三维模型；
在步骤2)中，所述获得叶片铸件的实际三维模型，可通过ATOS光学扫描仪或三坐标测量设备获得叶片铸件的实际三维模型，或通过热力耦合有限元模拟商用软件，如法国ESIGroup的ProCAST对空心涡轮叶片的精铸过程进行模拟，获得叶片的实际三维模型。
3)将由步骤2)获取的叶片铸件模型与叶片的设计模型进行三维配准，对配准后的模型沿高度方向截取表征模型三维特征的截面，将每条截面线离散成型值点，则设计模型与铸件模型具有相同型值参数的点为对应点，计算对应点之间的位移，即得到涡轮叶片精铸过程中产生的精铸位移场；
4)对步骤3)中建立的精铸位移场进行变形特征分解，分解出为扭转变形Dti，弯曲变形Dbi以及收缩变形Dsi，则位移场Di＝Dsi+Dbi+Dti，具体步骤如下：
(1)基于二维截面线的离散点计算截面形心点，设离散点集为p1,p2,...pn，离散点坐标为pi(xi,yi,zi)，其中i＝1,2,...,n。则截面形心点M的计算公式为：将扭转变形Dti定义为叶片铸件模型与叶片设计模型对应截面形心点的位移量。利用公式Pi'＝Pi+Dti补偿扭转变形量，式中，Pi为叶片铸件模型二维截面的离散点集，Pi'为补偿扭转变形后的截面点集；
(2)连接二维截面线的形心点与截面线的前缘点得到一条直线，将弯曲变形量Dbi定义为叶片铸造模型与设计模型对应截面上两条直线间的夹角θ，求得旋转矩阵：
利用公式Pi”＝Pi'·R补偿弯曲变形量，其中，Pi”为点集Pi'经过弯曲变形补偿的截面点集；
5)基于六点定位原则，采用6个定位元件将叶片铸件装夹固定，定位器沿着叶片表面某点的法线方向紧贴该点，由于定位元件的制造与安装误差，定位点处会产生定位误差δr＝[δr1,δr2,...δri,...δrn]T，会对叶片装夹参考坐标系CSω产生误差δq＝[δxω,δyω,δzω,δαω,δβω,δγω]T，其中δri是第i个定位元件的位移，[δxω,δyω,δzω]为坐标系CSω在X,Y,Z方向上的位移变化，[δαω,δβω,δγω]为坐标系CSω的旋转角度，基于刚体运动学公式δr＝Gδq确定装夹坐标系CS'ω，其中：
6)叶片铸件表面任意点i在装夹定位过程中的位移eli由公式eli＝T(δαω)·T(βω)·T(δγω)·R(ri)-Pi，其中，T(δαω)，T(δβω)，T(δγω)为3×3的旋转矩阵。Pi＝[xi,yi,zi]T，R(ri)＝[xi+δxω,yi+δyω,zi+δzω]T；
7)采用时域离散法求解气膜孔在加工过程中的叶片铸件变形量，由于气膜孔加工过程中应力应变与加工时间和气膜孔的坐标相关，将单孔加工过程按照时间间隔Δt进行划分，根据静态平衡条件求得铸件变形误差，式中，K为气膜孔加工系统结构刚度矩阵，r(ti)为铸件位移向量，f(ti)为钻孔的瞬时力向量，其中，瞬时力F可表征为：
8)根据步骤3)～7)得到的叶片铸造过程中的变形量、叶片定位误差，以及气膜孔加工过程中的误差，对气膜孔设计参数进行修正，首先修正气膜孔小孔中心点Pc＝[xc,yc,zc]T与气膜孔孔的法矢求解Pc的步骤为：
(1)利用公式求出经过叶片铸造产生变形后的孔中心点其中Re1与Te1为根据步骤4)求得的旋转矩阵与平移矩阵，i为叶片铸件表面上的离散点编号；
(2)利用公式求出叶片铸件装夹后在装夹坐标系CS'ω中孔中心点的坐标其中Re2，Te2为根据步骤5)和6)求得的旋转矩阵与平移矩阵；
(3)根据步骤7)中求得的铸变形误差修正孔中心点为
9)孔的法矢的求解步骤为：在孔中心点周围取四个临近点P1，P2，P3，P4，按顺序连接，取线段的中心点分别为M1，M2，M3，M4。根据运动学几何理论，且M1，M2，M3，M4位于同一平面上，则孔的法矢的求解方法为：
10)确定气膜孔的孔深：垂直于叶片高度方向截取一系列二维截面，将外轮廓线进行离散得到离散点Pi(i＝1,2,...,n)，Ni(i＝1,2,..n)为沿该点内法线方向的单位向量，直线Li＝Pi+tNi(i＝1,2,...,n)与内轮廓线r＝r(μ)的两个交点为Qi1与Qi2，则叶片该点的垂直壁厚Ti＝|PiQi1|；由此，根据垂直壁厚T与小孔法矢可求得小孔深度L。
本发明的有益效果是：通过求解与计算气膜孔加工过程中的误差传递与积累，对气膜孔的设计参数进行修正，根据修正后的气膜孔形位参数：气膜孔的中心点，气膜孔的法矢，与气膜孔的孔深，对气膜孔进行加工，大幅提高了气膜孔的加工精确度，从而提高涡轮叶片的冷却效率。该方法对空心涡轮叶片的精确成形具有重要的理论意义和应用价值，该方法避免了当前气膜孔加工领域由于仅根据设计参数直接加工而造成的气冷效率降低现状，保证了保证了气膜孔成形精度，可实现叶片气冷效果与设计要求保持一致。该方法尤其适用于新型号精铸涡轮叶片气膜冷却孔的加工。
附图说明
图1是带有气膜孔的空心涡轮叶片设计模型。
图2是叶片截面线截取示意图。
图3是叶片截面示意图。
图4是涡轮叶片扭转变形示意图。
图5是涡轮叶片弯曲变形示意图。
图6是涡轮叶片六点装夹定位示意图。
图7是气膜孔法矢计算示意图。
图8是气膜孔孔深计算示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程。但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
步骤1
某型气膜冷却空心涡轮叶片如图1所示。该空心涡轮叶片设计模型1的主要几何参数为叶身长101mm，最大弦长59.21mm，最大内切圆半径5.67mm，后缘半径1.27mm。模型1中包括满足气动要求的叶片型面2，橼板3，榫头4，气膜孔5。从其设计部门给出的模型1中获取气膜孔5的几何信息，包括：气膜孔的孔径、孔深，与气膜孔中心点坐标。
步骤2
通过ATOS光学扫描仪获得叶片铸件的实际三维模型，并与设计模型进行精确配准。
步骤3
将由步骤2获取的铸件三维模型，将得到的精确配准后的设计模型与测量模型沿着叶片高度方向Z方向，截取如图2中标记6所示的8条截面线。
步骤4
将每条截面线等参数离散200个离散点，如图3中标记7所示。通过两点距离公式求解建立对应点之间的位移。其中，Sxi,Syi,Szi表示测量模型离散点坐标，Cxi,Cyi,Czi表示与测量模型离散点对应的理论模型离散点的坐标。
步骤5
将由步骤4建立的位移场模型进行变形特征分解。基于8条二维截面线的200个离散点计算截面形心点M，设离散点坐标pi(xi,yi,zi)，则如图4所示，基于位移计算公式计算叶片设计模型8的形心10与测量模型9的形心11之间的位移量Dti12，即为扭转变形。利用公式Pi'＝Pi+Dti将扭转变形量12进行补偿。其中，Pi为叶片铸件模型二维截面的离散点集，Pi'为补偿扭转变形后的截面点集。如图5所示，取涡轮叶片截面中弧线延长线与前缘的交点为前缘点，图5中标记15为设计模型截面前缘点，16为测量模型截面前缘点。将8条截面线形心点M 13与前缘点相连得到一条直线，求解叶片测量模型与设计模型对应截面上两条直线间的夹角θ14，即为Dbi。利用公式Pi”＝Pi'·R补偿弯曲变形量，其中，Pi”为点集Pi'经过弯曲变形补偿的截面点集，
步骤6
根据定位3-2-1原则，采用如图6中所示的6个紧贴叶片的定位元件17将铸件装夹固定。求解叶片装夹参考坐标系CSω产生的误差δq＝[δxω,δyω,δzω,δαω,δβω,δγω]T，[δxω,δyω,δzω]为坐标系CSω在X,Y,Z方向上的位移变化，[δαω,δβω,δγω]为坐标系CSω的旋转角度，基于刚体运动学公式δr＝Gδq确定装夹坐标系CS'ω。
其中：δq＝[δxω,δyω,δzω,δαω,δβω,δγω]T
步骤7
基于步骤6结果计算叶片铸件表面任意点在装夹定位过程中的位移：eli＝T(δαω)·T(βω)·T(δγω)·R(ri)-Pi，其中，T(δαω)，T(δβω)，T(δγω)为3×3的旋转矩阵。Pi＝[xi,yi,zi]T，R(ri)＝[xi+δxω,yi+δyω,zi+δzω]T。
步骤8
采用激光对叶片铸件进行气膜孔加工。针对诸如激光、电火花、电液束流的特种加工工艺，由于特种加工的热应力与残余应力相比传统机械钻孔工艺均比较小。因此，钻孔瞬时力F与为铸件位移向量r(ti)为：[F]＝0，r(ti)＝0。
步骤9
针对步骤4～8得到的叶片铸造过程中的变形量、叶片定位误差，以及气膜孔加工过程中的误差，利用对气膜孔的中心坐标进行修正，为修正后气膜孔心坐标。其中Rej与Tej为分别为求得的叶片铸造过程中的变形量、叶片定位误差，以及气膜孔加工过程中的旋转误差矩阵与平移误差矩阵。
步骤10
如图7所示，求解气膜孔h0修正后的法矢在孔中心点周围取四个临近点P1，P2，P3，P4，取线段的中心点分别为M1，M2，M3，M4，
步骤11
确定气膜孔的孔深，图8所示为气膜孔孔深计算示意图。直线18与叶片内轮廓线19与外轮廓线20的两个交点为Q1与Q2，则叶片该点的垂直壁厚21T＝|Q1Q2|。由此，根据垂直壁厚21与小孔法矢可求得小孔的深度23L。由此，可确定修正后气膜孔的几何参数。
Claims (3)
1.一种精铸涡轮叶片气膜冷却孔的参数化加工方法，其特征在于包括以下步骤：
1)根据涡轮叶片设计模型获取气膜孔的几何参数；
2)获得叶片铸件的实际三维模型；
3)将由步骤2)获取的叶片铸件模型与叶片的设计模型进行三维配准，对配准后的模型沿高度方向截取表征模型三维特征的截面，将每条截面线离散成型值点，则设计模型与铸件模型具有相同型值参数的点为对应点，计算对应点之间的位移，即得到涡轮叶片精铸过程中产生的精铸位移场；
4)对步骤3)中建立的精铸位移场进行变形特征分解，分解出为扭转变形Dti，弯曲变形Dbi以及收缩变形Dsi，则位移场Di＝Dsi+Dbi+Dti，具体步骤如下：
(1)基于二维截面线的离散点计算截面形心点，设离散点集为p1,p2,...pn，离散点坐标为pi(xi,yi,zi)，其中i＝1,2,...,n；则截面形心点M的计算公式为：将扭转变形Dti定义为叶片铸件模型与叶片设计模型对应截面形心点的位移量；利用公式Pi'＝Pi+Dti补偿扭转变形量，式中，Pi为叶片铸件模型二维截面的离散点集，Pi'为补偿扭转变形后的截面点集；
(2)连接二维截面线的形心点与截面线的前缘点得到一条直线，将弯曲变形量Dbi定义为叶片铸造模型与设计模型对应截面上两条直线间的夹角θ，求得旋转矩阵：
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利用公式Pi”＝Pi'·R补偿弯曲变形量，其中，Pi”为点集Pi'经过弯曲变形补偿的截面点集；
5)基于六点定位原则，采用6个定位元件将叶片铸件装夹固定，定位器沿着叶片表面某点的法线方向紧贴该点，由于定位元件的制造与安装误差，定位点处会产生定位误差δr＝[δr1,δr2,...δri,...δrn]T，会对叶片装夹参考坐标系CSω产生误差δq＝[δxω,δyω,δzω,δαω,δβω,δγω]T，其中δri是第i个定位元件的位移，[δxω,δyω,δzω]为坐标系CSω在X,Y,Z方向上的位移变化，[δαω,δβω,δγω]为坐标系CSω的旋转角度，基于刚体运动学公式δr＝Gδq确定装夹坐标系CS'ω，其中：
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6)叶片铸件表面任意点i在装夹定位过程中的位移eli由公式eli＝T(δαω)·T(βω)·T(δγω)·R(ri)-Pi，其中，T(δαω)，T(δβω)，T(δγω)为3×3的旋转矩阵；Pi＝[xi,yi,zi]T，R(ri)＝[xi+δxω,yi+δyω,zi+δzω]T；
7)采用时域离散法求解气膜孔在加工过程中的叶片铸件变形量，由于气膜孔加工过程中应力应变与加工时间和气膜孔的坐标相关，将单孔加工过程按照时间间隔Δt进行划分，根据静态平衡条件[K]r(ti)＝f(ti)，求得铸件变形误差，式中，K为气膜孔加工系统结构刚度矩阵，r(ti)为铸件位移向量，f(ti)为钻孔的瞬时力向量，其中，瞬时力F可表征为：
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8)根据步骤3)～7)得到的叶片铸造过程中的变形量、叶片定位误差，以及气膜孔加工过程中的误差，对气膜孔设计参数进行修正，首先修正气膜孔小孔中心点Pc＝[xc,yc,zc]T与气膜孔孔的法矢求解Pc的步骤为：
(1)利用公式求出经过叶片铸造产生变形后的孔中心点其中Re1与Te1为根据步骤4)求得的旋转矩阵与平移矩阵，i为叶片铸件表面上的离散点编号；
(2)利用公式求出叶片铸件装夹后在装夹坐标系CS'ω中孔中心点的坐标其中Re2，Te2为根据步骤5)和6)求得的旋转矩阵与平移矩阵；
(3)根据步骤7)中求得的铸变形误差修正孔中心点为
9)孔的法矢的求解步骤为：在孔中心点周围取四个临近点P1，P2，P3，P4，按顺序连接，取线段的中心点分别为M1，M2，M3，M4；根据运动学几何理论，且M1，M2，M3，M4位于同一平面上，则孔的法矢的求解方法为：
10)确定气膜孔的孔深：垂直于叶片高度方向截取一系列二维截面，将外轮廓线进行离散得到离散点Pi(i＝1,2,...,n)，Ni(i＝1,2,..n)为沿该点内法线方向的单位向量，直线Li＝Pi+tNi(i＝1,2,...,n)与内轮廓线r＝r(μ)的两个交点为Qi1与Qi2，则叶片该点的垂直壁厚Ti＝|PiQi1|；由此，根据垂直壁厚T与小孔法矢可求得小孔深度L。
2.如权利要求1所述一种精铸涡轮叶片气膜冷却孔的参数化加工方法，其特征在于在步骤1)中，所述气膜孔的几何参数包括气膜孔的孔径、孔深、气膜孔中心点坐标。
3.如权利要求1所述一种精铸涡轮叶片气膜冷却孔的参数化加工方法，其特征在于在步骤2)中，所述获得叶片铸件的实际三维模型，通过ATOS光学扫描仪或三坐标测量设备获得叶片铸件的实际三维模型，或通过热力耦合有限元模拟商用软件，获得叶片的实际三维模型。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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