CN112414330A - 一种用于叶片小微孔角度测量的气体装置 - Google Patents

Abstract

一种用于叶片小微孔角度测量的气体装置，其包括，用于安装在数字式卧式投影仪的工作台上的底座，所述底座上固定安装有用于调整水平旋转角度的第一轴转台，所述第一轴转台通过第一连接臂固定连接有用于调整垂直旋转角度的第二轴转台，所述第二轴转台安装有第二连接臂，所述第二连接臂可拆卸连接有叶片夹座，所述叶片夹座与航空发动机叶片可拆卸连接，所述叶片夹座可通过设置有压力阀的管道与一个气溶胶储箱连接，所述底座可升降连接有气体汇聚装置。本发明所提供的一种用于叶片小微孔角度测量的气体装置，可在数字式卧式投影仪上快速直观的对叶片气膜孔角度进行直接测量，获得真实的气膜孔角度数据，大大提升了测量效率。

Description

一种用于叶片小微孔角度测量的气体装置

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种对航空发动机叶片上的小微孔的真实角度进行测量的装置。

背景技术

对现代航空发动机来说，随着性能的日益提升，各部件，特别是叶片的工作环境也越来越恶劣，因此需要利用各种技术手段来应对，例如，对于涡轮叶片来说，为保证其在高温、高压环境下还保有良好的力学性能，需要在将叶片铸造成空心结构，通过在内腔设置排气通道，并在叶片的叶身上，特别是叶身排气边上加工出多个气膜孔接通内腔，从而使得进入内腔的冷空气可以从叶身的气膜孔中喷出，在带走一定叶身热量的同时，在叶身上形成一层冷空气保护层，从而进一步降低叶身温度，保证叶片不被高温、高压的燃气烧蚀。因此，每一个气膜孔的角度均有严格要求，这样才能确保冷空气能均匀覆盖叶身所有区域，

图1a为一种航空发动机叶片的立体结构示意图；图1b为图1a的叶片的另一个视角的立体结构原理示意图；图1c为图1a的叶片的剖视结构原理示意图；图1d为图1a的叶片的叶身的剖面结构原理示意图；图1e为图1d的A-A剖面结构原理示意图；其中，图1c、图1d和图1e中标示的X、Y、Z为叶片测量坐标系，其依据中国航空工业部标准中的定义，在此不再赘述。参见图1a-1e所示，该航空发动机叶片100采用空心内冷结构，叶片底部设置铸造成型的与内腔连通的靠近前缘一侧的第一进气口11和靠近后缘一侧的第二进气口12，在叶尖设置有深2mm的叶尖槽30，所述叶尖槽30设置有出气口，所述后缘设置有Z轴平行的加工面20，所述加工面20上设置有多个与所述内腔连通的气膜孔21。

所述第一进气口11、所述第二进气口12以及所述叶尖槽30内的出气口均在铸造时直接成型，所述加工面20和所述气膜孔21在后继机加工序成型，其中先加工出所述加工面20，然后所述气膜孔21通过电火花加工方式在所述加工面20打孔成型后接通所述航空发动机叶片100的内腔。

所述气膜孔21的孔径一般为φ0.25mm～φ0.5mm之间，深度不小于6mm，所述加工面20至少设置有一组所述气膜孔21，每一组所述气膜孔21的孔径及倾斜角度相同。也就是说，所述加工面20可能会设置有不止一组的不同孔径的所述气膜孔21，在图1e中显示的是在所述加工面20上设置的是孔径相同的同一组所述气膜孔21的情况。

对于所述气膜孔21，在所述航空发动机叶片100的生产加工过程中，其与内腔的连通性可通过水流实验方式验证，也即是，利用一个可封闭的柔性接头与所述航空发动机叶片100的榫头部(也即是与所述第一进气口11和所述第二进气口12)密封连通，通过输入加压的水流，观察检测是否所有的所述气膜孔21能够排水，从而判断所述气膜孔21与内腔的连通与否。此外，如发明人在中国专利ZL2017112497983中提供的一种涡轮叶片机加孔空气流量测量方法所述，还可直接测量获得所述气膜孔21的流量数据。

但是，如图1d和图1e所示，所述气膜孔21相对于叶片测量坐标系的X轴的夹角α和与Z轴的夹角β，在设计上也有一定的要求，例如，所述气膜孔21相对于叶片测量坐标系的X轴的夹角α可设计为61.5°±30′，所述气膜孔21相对于叶片测量坐标系的Z轴的夹角β可设计为80°±30′。由于所述气膜孔21的孔径过小，目前，尚未有公开的技术方案可用于对所述气膜孔21的角度进行直接测量。

现有的生产工艺中，只能是通过在电火花加工设备的参数设定之后，在代加工的所述航空发动机叶片100上加工出φ1mm的大孔，使用φ1的标准量棒插入所加工的打孔中，再通过三坐标机测量标准量棒的角度，角度合格则表示机床和/或夹具调整角度合格，再加工要求图纸要求孔径的小孔。

上述现有工艺保障方法存在如下缺陷：

1、只能判断夹具和/或机床调整的角度(也即是加工参数)是否正确，例如，通过加工φ1的大孔配合量棒测量角度，角度合格后默认加工直径φ0.25的小孔角度合格，但实际φ1的大孔与直径φ0.25无直接关联(电火花加工设备的参数设置不同)，这种测量方法误差大，通常误差在1°～1.5°之间。

2、所述航空发动机叶片100的内腔均有复杂的回路和加强筋，量棒进入内腔后容易产生干涉，导致量棒向一边倾斜，测量角度不准确。

3、所述航空发动机叶片100均采用的是高温合金材料，因此加工难度大，加工时间长，通常加工一个φ1的孔需要15分钟左右。

4、加工完φ1孔的所述航空发动机叶片100只能报废，每批次叶片加工均需要报废2～3件叶片，每件叶片的价格均在1万到3万，造成的浪费极大。

发明人团队通过实验研究分析，在2019年11月13日提交了“2019111027142一种叶片小微孔角度测量方法”、“2019111032761用于叶片小微孔角度测量的测量针”以及“2019111032776用于叶片小微孔角度测量的测量针的使用方法”叁件发明专利申请，提供了一套完整的利用刚性测量针实现对叶片气膜孔角度的直接测量的技术方案，可获得真实的气膜孔角度数据，而且测量过程不会对叶片造成物理损伤。从而可对每一个叶片都进行检测，也就可以大大提高成品的合格率。

但是在上述利用刚性测量针进行测量的方案，虽然数据准确性高，但在每一批次的每一片叶片上，要在每一组所述气膜孔21中的至少一个所述气膜孔21上装配测量针，而测量针的装配又比较繁琐，因此工人的劳动强度还是比较大，且由于测量针的装配耗时较长，因此整体的测量效率还有待提升。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于叶片小微孔角度测量的气体装置，以减少或避免前面所提到的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于叶片小微孔角度测量的气体装置，其用于在数字式卧式投影仪上通过着色气流测量航空发动机叶片的气膜孔参数，其包括，用于安装在所述数字式卧式投影仪的工作台上的底座，所述底座上固定安装有用于调整水平旋转角度的第一轴转台，所述第一轴转台通过第一连接臂固定连接有用于调整垂直旋转角度的第二轴转台，所述第二轴转台安装有第二连接臂，所述第二连接臂可拆卸连接有叶片夹座，所述叶片夹座与所述航空发动机叶片可拆卸连接，所述叶片夹座可通过设置有压力阀的管道与一个气溶胶储箱连接，所述底座可升降连接有气体汇聚装置。

优选地，所述气溶胶储箱内预先存储有压力在0.4Mpa的气溶胶气体。

优选地，所述压力阀控制进入所述航空发动机叶片的着色气体的压力为0.04Mpa。

优选地，所述气体汇聚装置设置有U型腔体，所述U型腔体的截面积可以是渐大的，所述U型腔体的开口处的宽度略大于所述加工面的宽度，所述开口处与底边的夹角β1的大小设置为不小于所述气膜孔相对于Z轴的夹角β的大小的一半。

优选地，所述U型腔体的尾部设置有排气口，所述排气口通过管道与排风设备连接。

优选地，所述第一连接臂是一个套接在所述所述第一轴转台的转轴上的L型连接臂。

优选地，所述第二连接臂包括顺序连接的第一连接部，第一延伸部以及第二延伸部，所述第一连接部用于连接所述第二轴转台的转轴，所述第一延伸部与所述第一连接部不同轴，所述第二延伸部的轴线与所述第一连接部的轴线平行，所述第二延伸部的端部设置有安装部。

优选地，所述安装部设置有带有卡簧片的安装孔。

优选地，所述叶片夹座设置有一个连接有进气接头的可密封的缓冲腔。

优选地，所述叶片夹座设置有一个与所述安装孔连接的安装柱。

优选地，所述安装孔设置有定位槽，对应的，所述安装柱设置有定位齿。

优选地，所述第一轴转台和第二轴转台均设置有精确刻度。

本发明所提供的一种用于叶片小微孔角度测量的气体装置，可在数字式卧式投影仪上快速直观的对叶片气膜孔角度进行直接测量，获得真实的气膜孔角度数据，大大提升了测量效率。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1a为一种航空发动机叶片的立体结构示意图；

图1b为图1a的叶片的另一个视角的立体结构原理示意图；

图1c为图1a的叶片的剖视结构原理示意图；

图1d为图1a的叶片的叶身的剖面结构原理示意图；

图1e为图1d的A-A剖面结构原理示意图；

图2为根据本发明的一个具体实施例的一种用于叶片小微孔角度测量的气体装置在使用状态的结构原理示意图；

图3为图2的投影成像的屏幕显示效果示意图；

图4为图2的装置在另一个使用状态的结构原理示意图；

图5为图4的投影成像的屏幕显示效果示意图；

图6为图2的第二连接臂的立体结构原理示意图；

图7为图2的气体汇聚装置的立体结构原理示意图；

图8为图2的叶片夹座的部分剖视结构原理示意图；

图9为图7的气体汇聚装置的半剖结构原理示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。

图1a为一种航空发动机叶片的立体结构示意图；图1b为图1a的叶片的另一个视角的立体结构原理示意图；图1c为图1a的叶片的剖视结构原理示意图；图1d为图1a的叶片的叶身的剖面结构原理示意图；图1e为图1d的A-A剖面结构原理示意图；图2为根据本发明的一个具体实施例的一种用于叶片小微孔角度测量的气体装置在使用状态的结构原理示意图；图3为图2的投影成像的屏幕显示效果示意图；图4为图2的装置在另一个使用状态的结构原理示意图；图5为图4的投影成像的屏幕显示效果示意图；图6为图2的第二连接臂的立体结构原理示意图；图7为图2的气体汇聚装置的立体结构原理示意图；图8为图2的叶片夹座的部分剖视结构原理示意图。图9为图7的气体汇聚装置的半剖结构原理示意图。其中图3和图5中的虚线表示所喷出的气柱，参见图1a至图9所示，

如背景技术所述，针对现有的孔径一般为φ0.25mm～φ0.5mm之间，深度不小于6mm，的所述气膜孔21的角度无法进行直接测量的问题，发明人对其原理进行了深入的分析，提供了一套完整的利用刚性测量针实现对叶片气膜孔角度的直接测量的技术方案，可获得真实的气膜孔角度数据，而且测量过程不会对叶片造成物理损伤。从而可对每一个叶片都进行检测，也就可以大大提高成品的合格率。该使用刚性测量针进行测量的方案，虽然数据准确性高，但由于单个叶片上可能会有不止一组所述气膜孔21，对于每一批次的每一片叶片，都要在每一组所述气膜孔21中的至少一个所述气膜孔21上装配测量针，而测量针的装配又比较繁琐，因此工人的劳动强度还是比较大，且由于测量针的装配耗时较长，因此整体的测量效率还有待提升。

发明人通过测试、验证和优化，在与本申请同日提交的发明专利申请“一种利用气体进行叶片小微孔角度测量的方法”中，提供了一种通过向所述航空发动机叶片100供给具有一定压力的着色气体，从而利用从所述气膜孔21喷出的气柱保持有轴向线性的特点，实现对所述气膜孔21的参数进行测量的方法。但该申请主要是从原理上对实现的过程进行表述，虽然明确了对用于夹持所述航空发动机叶片100的部件的要求以及发明人团队通过实验得到的生成着色气体的方法，但由于现有的光学测量设备包括数字式测量投影仪或者非接触式三坐标测量机。且数字式测量投影仪按结构形式还具体分为数字式立式投影仪(物镜光轴垂直于工作台面)；和数字式卧式投影仪(物镜光轴平行于工作台面)。因此，在该申请中并未对于应用于某一类型具体光学测量设备的装置以及某一类型着色气体的生成装置进行进一步详细限定。

在本申请中，对于常用的数字式卧式投影仪，在选用采用气溶胶作为着色气体的情况下，发明人提供了较为详细的可利用上述气态法的装置的技术方案，

具体来说，本发明提供了一种用于叶片小微孔角度测量的气体装置，其用于在数字式卧式投影仪上通过着色气体测量航空发动机叶片100的气膜孔21参数，所述航空发动机叶片100采用空心内冷结构，叶片底部设置铸造成型的与内腔连通的靠近前缘一侧的第一进气口11和靠近后缘一侧的第二进气口12，在叶尖设置有深2mm的叶尖槽30，所述叶尖槽30设置有出气口，所述后缘设置有Z轴平行的加工面20，所述加工面20上设置有多个与所述内腔连通的气膜孔21。其包括，

用于安装在所述数字式卧式投影仪的工作台上的底座4，所述底座4上固定安装有用于调整水平旋转角度的第一轴转台5，所述第一轴转台5通过第一连接臂51固定连接有用于调整垂直旋转角度的第二轴转台6，所述第二轴转台6安装有第二连接臂7，所述第二连接臂7可拆卸连接有叶片夹座8，所述叶片夹座8与所述航空发动机叶片100可拆卸连接，所述叶片夹座8可通过设置有压力阀301的管道与一个气溶胶储箱300连接，所述底座4可升降连接有气体汇聚装置9。

由于本发明所提供的装置是需要在数字式卧式投影仪的使用过程中，向所述航空发动机叶片100供给着色气体，且需要进行汇集处理，这样才能避免气体散射而给测量现场环境周边带来影响。因此，本发明特别针对两轴转台的连接结构做出了特殊设计。

参见图2、图4和图6所示，所述第一连接臂51可以是一个套接在所述所述第一轴转台5的转轴上的L型连接臂，这样可以使得所述第二轴转台6的轴线与所述第一轴转台5的轴线在水平方向上具有一定的间距。

所述第二连接臂7的主要结构可以是一个Z型结构，这样可以使得安装所述叶片夹座8后，所述航空发动机叶片100的Z轴也能与所述第二轴转台6的轴线具有一定的间距，从而可确保测量时，光线投射的区域不会受到两轴转台的结构的影响。具体来说，所述第二连接臂7可以包括顺序连接的第一连接部71，第一延伸部72以及第二延伸部73，所述第一连接部71用于连接所述第二轴转台6的转轴，所述第一延伸部72与所述第一连接部71不同轴，例如，所述第一延伸部72的轴线可以与所述第一连接部71的轴线垂直，所述第二延伸部73的轴线可以设置为与所述第一连接部71的轴线平行，所述第二延伸部73的端部设置有安装部74，所述安装部74可以设置有带有卡簧片的安装孔75，这样可以方便的将在外部完成所述航空发动机叶片100装配的所述叶片夹座8快速卡接装配在所述安装孔75内。

在所述航空发动机叶片100的生产过程中，加工坐标系和测量坐标系的保障均通过对所述航空发动机叶片100的榫头部的夹持来完成。正如发明人团队的在先申请“2019111027142一种叶片小微孔角度测量方法”中所述，如何对装配刚性测量针的所述航空发动机叶片100进行装夹，方式有多种，具体可见发明人团队的若干在先申请专利文献，如201610873006.9、201811495958.7等文献记载的现有的叶片装夹方式和技术方案。

为了能够利用气体进行测量，发明人团队在现有装夹结构的基础上进行了改造，本发明的关键点在于如何对现有装夹结构改造后，在保障装夹坐标系重复精度前提下，保障密封性以及尺寸最小化。参见图8所示，改造的核心是在榫齿装夹结构处要提供一个连接有进气接头81的可密封的缓冲腔82，这样就可以在测量时向所述航空发动机叶片100供给恒定压力的气体。具体来说，本发明所提供的叶片夹座8可以包括一个与所述安装孔75连接的安装柱83，所述叶片夹座8的主体结构可以在现有弹性榫齿夹头基础上进行改造而成，参见图1a所示，所述加工面20靠近所述航空发动机叶片100的缘板的一侧的边缘，只要夹持所述航空发动机叶片100的榫头部分的结构的尺寸能够控制的足够小，则可有效防止夹持结构对光线投射的区域的影响，而现有的高强度合金材料有较多的选择可保证最小壁厚1-2mm的情况下，连接强度和刚度的要求。因此，所述叶片夹座8的榫齿夹持结构部分可选择高强度合金材料，根据缘板的外围尺寸来制备，在缘板的长度方向上，也即是所述航空发动机叶片100的测量坐标系的X轴的方向上的长度则可以略长一些，这样，当所述航空发动机叶片100沿X轴方向装夹进所述叶片夹座8的主体结构后，X轴的方向上暴露的部分可以利用黄蜡或者橡胶块进行封闭，从而可以保障所述缓冲腔43的密封性。在图8中未示出紧固螺钉等现有榫齿装夹结构的部件，本领域技术人员应当理解，这些为了保障所述航空发动机叶片100装夹稳定准确的紧固结构均可采用多种现有技术实现，故在本发明中不再赘述，

由于所述叶片夹座8是根据所述航空发动机叶片100的榫头作为装夹基准，因此，在所述叶片夹座8可预先对X-Y轴做一定的标识，所述安装孔75可设置有定位槽(图中未示出)，对应的，所述安装柱83可设置有定位齿(图中未示出)，这样一来，当所述叶片夹座8按照在所述第二连接臂7后，可以对所述航空发动机叶片100的X-Y轴位置有一定的直观感知。从而利于后继在所述数字式卧式投影仪进行调整。

所述第一轴转台5和第二轴转台6均可设置有精确刻度，这样可便于重复精密定位。

参见图2-图4所示，由于本发明所提供的装置是用于气态法，为了最小化测量过程中重力对气柱的影响，本装置在使用过程中，最优的方式都是使得所述加工面20位于水平面，这样就可以保障气柱均是朝向下方喷出。

所述气溶胶储箱300内可预先存储有压力在0.4Mpa左右的气溶胶气体，所述气溶胶气体可以是由例如美国ATI公司的TDA-5C气溶胶发生器这样的设备生成,当需要供给着色气体时，可通过所述压力阀301控制进入所述航空发动机叶片100的着色气体的压力为0.04Mpa，这样既可以控制气溶胶的用量，又可以避免从所述气膜孔21喷出的气柱的压力过大。

为了确保从所述气膜孔21喷出的气柱不会溅射散落，本发明特别设置了气体汇聚装置9，参见图2、图4、图7、图9所示，所述气体汇聚装置9设置有U型腔体，且所述U型腔体的截面积可以是渐大的，所述U型腔体的开口处91的宽度可以略大于所述加工面20的宽度，在半剖视图中，所述开口处91与底边的夹角β1的大小可以是设置为不小于所述气膜孔21相对于Z轴的夹角β的大小的一半，这样当气柱射入所述U型腔体后，会最大可能的朝向所述U型腔体的尾部的反射。所述U型腔体的尾部设置有排气口93，所述排气口93通过管道与排风设备(图中未示出)连接。

在工作状态，使所述U型腔体的开口处91远离所述加工面20至少6mm，同时开启排风设备，使得所述U型腔体内形成有一定的负压，这样一来，从所述气膜孔21喷出的气柱即可全部被吸附进入所述U型腔体，并集中汇流，经由管道被排风设备统一排放出厂房。微量的气溶胶对大气并不会造成影响，因此废气可直接排入大气。所述U型腔体的开口处91远离所述加工面20至少6mm，也就不会影响光学测量设备对靠近所述气膜孔21的5mm范围内的气柱的测量。所述气体汇聚装置9可以通过升降装置92可拆卸的连接在所述底座4上，这样可以方便的根据所述航空发动机叶片100的位置来调整所述气体汇聚装置9的位置。

在对批量所述航空发动机叶片100进行测量时，可以是按照发明人团队在2019年11月13日提交了“2019111027142一种叶片小微孔角度测量方法”、“2019111032761用于叶片小微孔角度测量的测量针”以及“2019111032776用于叶片小微孔角度测量的测量针的使用方法”等方案中的记载，对于每一组所述气膜孔21，仅测量其中的一个所述气膜孔21，测量时对其他所述气膜孔21进行封堵，也可以是按发明人团队在与本申请同日提交的发明专利申请“一种利用气体进行叶片小微孔角度测量的方法”中所记载，通过分析了气流测量的数据范围后，对全部所述气膜孔21进行测量。具体使用方法可根据所使用的的所述数字式卧式投影仪的能力来选择。

本发明所提供的一种用于叶片小微孔角度测量的气体装置，可在数字式卧式投影仪上快速直观的对叶片气膜孔角度进行直接测量，获得真实的气膜孔角度数据，大大提升了测量效率。

本领域技术人员应当理解，虽然本发明是按照多个实施例的方式进行描述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式来理解本发明的保护范围。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于叶片小微孔角度测量的气体装置，其特征在于，其用于在数字式卧式投影仪上通过着色气流测量航空发动机叶片的气膜孔参数，其包括，用于安装在所述数字式卧式投影仪的工作台上的底座，所述底座上固定安装有用于调整水平旋转角度的第一轴转台，所述第一轴转台通过第一连接臂固定连接有用于调整垂直旋转角度的第二轴转台，所述第二轴转台安装有第二连接臂，所述第二连接臂可拆卸连接有叶片夹座，所述叶片夹座与所述航空发动机叶片可拆卸连接，所述叶片夹座可通过设置有压力阀的管道与一个气溶胶储箱连接，所述底座可升降连接有气体汇聚装置。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气溶胶储箱内预先存储有压力在0.4Mpa的气溶胶气体。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述压力阀控制进入所述航空发动机叶片的着色气体的压力为0.04Mpa。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体汇聚装置设置有U型腔体，所述U型腔体的截面积可以是渐大的，所述U型腔体的开口处的宽度略大于所述加工面的宽度，所述开口处与底边的夹角β1的大小设置为不小于所述气膜孔相对于Z轴的夹角β的大小的一半。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述U型腔体的尾部设置有排气口，所述排气口通过管道与排风设备连接。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一连接臂是一个套接在所述所述第一轴转台的转轴上的L型连接臂。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二连接臂包括顺序连接的第一连接部，第一延伸部以及第二延伸部，所述第一连接部用于连接所述第二轴转台的转轴，所述第一延伸部与所述第一连接部不同轴，所述第二延伸部的轴线与所述第一连接部的轴线平行，所述第二延伸部的端部设置有安装部。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述安装部设置有带有卡簧片的安装孔。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述叶片夹座设置有一个连接有进气接头的可密封的缓冲腔。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述叶片夹座设置有一个与所述安装孔连接的安装柱。

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