CN113059515B - 航空发动机涡轮叶片叶冠弦宽的测量夹具及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了航空发动机涡轮叶片叶冠弦宽的测量夹具及测量方法，航空发动机涡轮叶片叶冠弦宽的测量夹具包括底座、第一榫头座、第二榫头座和锁紧机构；第一榫头座和第二榫头座的上部相对面上分别设有与叶片榫头两侧曲面相匹配的第一限位面和第二限位面。本发明利用第一榫头座和第二榫头座上的第一限位面和第二限位实现夹具与叶片榫头曲面的紧密贴合，本发明可快速将航空发动机叶片定位和固定到测定夹具上；本发明通过设定坐标系，将叶冠弦宽的测量方式由对曲面的测量转变为对线与弦长的测量，能够精确测量非平面叶冠的弦宽；并且本发明中的测量夹具能够通过对第一榫头座和第二榫头座的更换来适应不同尺寸的航空发动机叶片，适用性较广。

Description

航空发动机涡轮叶片叶冠弦宽的测量夹具及测量方法

技术领域

本发明涉及航天发动机生产技术领域，尤其是一种航空发动机涡轮叶片叶冠弦宽的测量夹具以及一种航空发动机涡轮叶片叶冠弦宽的测量方法。

背景技术

带锯齿冠涡轮叶片在国外航空发动机广泛使用，国内对锯齿冠的研究还没有形成完整、系统设计理论和可靠的设计方法。国内其他型号航空发动机带叶冠涡轮叶片在使用过程中也曾经出现过因锯齿冠工作面严重磨损或断裂造成的发动机事故。为了提高振动强度和减小流体损失，在叶片上设置围带，围带叶片以过盈量装配于涡轮盘；通常情况下，接触压力可作为叶冠啮合面之间过盈量的量度，范围为20～40Mpa。接触应力一般与叶冠预扭角即叶冠旋转轴线与轮盘轴线夹角以及叶冠的啮合面弦宽有关。

航空发动机动力涡轮叶片锯齿形叶冠的啮合面无焊接耐磨涂层，如图1所示，叶冠的啮合面为非平面，叶冠的啮合面A面(110)与叶身积叠中心轴线间角度为0°，啮合面B面(120)与叶身积叠中心轴线间角度为7°，在修理恢复及研制过程中，难以确定叶冠的啮合面弦宽尺寸，并且其尺寸精度要求极高，1微米的误差就会导致发动机振动或叶片变形，更可能使得叶片断裂。但由于叶冠的啮合面为非平面，并且啮合面的面积较小，现有的测量手段无法对其进行精确测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种操作方便、测量精度高的航空发动机涡轮叶片叶冠弦宽的测量夹具。

为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：航空发动机涡轮叶片叶冠弦宽的测量夹具，包括底座、第一榫头座、第二榫头座和锁紧机构；所述第一榫头座可拆卸设置在底座上，第一榫头座与第二榫头座相对设置并可通过锁紧机构夹紧；所述第一榫头座和第二榫头座的上部相对面上分别设有与叶片榫头两侧曲面相匹配的第一限位面和第二限位面。

进一步的是：所述锁紧机构由锁紧螺杆和活动手柄组成，锁紧螺杆的一端设有外螺纹，另一端与活动手柄连接；第一榫头座和第二榫头座的上部设有与锁紧螺杆螺纹配合的螺纹孔。

进一步的是：所述锁紧螺杆与活动手柄相连接的一端设有径向贯穿锁紧螺杆的通孔，活动手柄穿过通孔并于通孔间隙配合；活动手柄的两端设有直径大于通孔孔径的挡板。

进一步的是：所述第一榫头座的底部固定有横截面为“U”形的限位卡座，限位卡座中部设有宽度与第二榫头座底部宽度相匹配的卡槽，第二榫头座插入限位卡座的卡槽中并与限位卡座可拆卸连接。

进一步的是：所述限位卡座上设有至少一个纵向贯穿限位卡座的定位孔，底座固定有竖直设置并与定位孔一一对应的定位销。

进一步的是：还包括可拆卸连接在底座上的限位座，所述限位座可朝向限位卡座水平移动；限位座的上部设有水平朝向限位卡座上方伸出的限位台。

进一步的是：所述限位座上设有限位孔，限位座通过穿过限位孔的螺钉与底座可拆卸连接；所述限位孔为长度大于螺钉螺杆外径的长圆孔。

进一步的是：所述限位座上还固定有限位座轴。

进一步的是：还包括套在螺钉上的弹簧垫圈和平垫圈。

本发明还公开了一种采用上述航空发动机涡轮叶片叶冠弦宽的测量夹具进行的航空发动机涡轮叶片叶冠弦宽的测量方法，包括以下步骤：

步骤一、确定叶片的测量基准，建立坐标系；坐标系的X轴平行于发动机的轴线，叶片前缘朝向后缘的方向为X轴的正向，X轴与发动机轴线之间夹角为18°±5′；Z轴垂直于发动机轴线并与叶片的积叠轴重合，发动机半径增大方向为Z轴的正向；

步骤二、确定叶冠啮合面的测量位置及Z轴截面位置，以过叶冠啮合面轴向高度方向的中心位置的截面作为测量位置；

步骤三、利用测量夹具对叶片进行固定，将叶片榫头夹紧在第一榫头座和第二榫头座之间，使截面位置保持水平；

步骤四、根据设定的坐标系对叶片叶冠弦宽进行测量；

步骤五、根据测量的叶片叶冠弦宽尺寸对叶片叶冠的紧度进行计算和验证，计算公式为轴向紧度ΔS＝B*sinβ-S，弦长S＝πD/Z，其中S为叶冠周向长度，D为截面位置，Z为叶片数量，B为叶冠接触面之间的垂直距离，β为啮合面与旋转平面之间的夹角。

本发明的有益效果是：本发明通过第一榫头座和第二榫头座的配合可对叶片榫头进行固定，利用第一榫头座和第二榫头座上的第一限位面和第二限位实现夹具与叶片榫头曲面的紧密贴合，本发明可快速将航空发动机叶片定位和固定到测定夹具上，操作方便快捷；本发明通过设定坐标系，将叶冠弦宽的测量方式由对曲面的测量转变为对线与弦长的测量，能够精确测量非平面叶冠的弦宽；并且本发明中的测量夹具能够通过对第一榫头座和第二榫头座的更换来适应不同尺寸的航空发动机叶片，适用性较广。

附图说明

图1为叶片叶冠的结构示意图；

图2为本发明中测量夹具的侧面剖视图；

图3为本发明中测量夹具的正面半剖图；

图4为本发明中测量夹具的俯视图；

图5为本发明中测量夹具的俯视半剖图；

图6为发动机叶片的示意图；

图7为叶片榫头的示意图；

图中标记为：110-啮合面A面、120-啮合面B面、200-叶片、210-叶片榫头、310-底座、311-定位销、320-第一榫头座、321-第一限位面、330-第二榫头座、331-第二限位面、340-限位卡座、341-定位孔、410-锁紧螺杆、420-活动手柄、421-挡板、510-限位座、520-限位台、530-限位孔、540-螺钉、550-限位座轴、560-弹簧垫圈、570-平垫圈。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

如图2至图5所示，本发明所公开的航空发动机涡轮叶片叶冠弦宽的测量夹具由底座310、第一榫头座320、第二榫头座330、锁紧机构和限位座510组成，其中第一榫头座320和第二榫头座330用于固定叶片200的叶片榫头210。第一榫头座320和第二榫头座330相对设置，在第一榫头座320和第二榫头座330的相对面上分别设置有第一限位面321和第二限位面331，第一限位面321和第二限位面331为多段曲面，其形状分别与如图7所示的叶片榫头210的两侧曲面相匹配；第一榫头座320可拆卸设置在底座310上，利用锁紧机构可将第二榫头座330压紧在第一榫头座320上，使第一榫头座320与第二榫头座330紧贴，第一榫头座320上的第一限位面321和第二榫头座330上的第二限位面331对齐并组合成可夹紧叶片榫头210的卡槽，从而可实现对叶片200的固定，以便于后续对叶片的叶冠弦宽进行测量。

如图2至图4所示，本发明中所采用的锁紧机构由锁紧螺杆410和活动手柄420组成，锁紧螺杆410的一端设有外螺纹，另一端端头处设有径向贯穿锁紧螺杆410的通孔，将活动手柄420插入此通孔中；在第一榫头座320和第二榫头座330上设置同轴相对的通孔，在第一榫头座320的通孔内壁上设置与锁紧螺杆410螺纹配合的内螺纹，将锁紧螺杆410带有外螺纹的一端依次穿过第二榫头座330和第一榫头座320的通孔，然后转动活动手柄420使锁紧螺杆410旋转，即可将锁紧螺杆410旋入第一榫头座320的内螺纹孔中，使第一榫头座320和第二榫头座330夹紧固定。为了便于进行活动手柄420的转动，锁紧螺杆410端头的通孔孔径要大于活动手柄420的外径，使活动手柄420与锁紧螺杆410之间为间隙配合，活动手柄420可在锁紧螺杆410端头的通孔中活动；另外，还可在活动手柄420的两端端头处设置挡板421，挡板421的直径要大于锁紧螺杆410端头通孔的孔径，通过挡板421对活动手柄420进行限位以避免活动手柄420从锁紧螺杆410端头的通孔中掉出。

本发明中除了通过锁紧机构对第二榫头座330进行锁紧外，还设置了限位卡座340对第二榫头座330的两侧侧面进行限位。如图3至图5所示，限位卡座340的横截面为“U”形，限位卡座340固定在第一榫头座320的底部，限位卡座340和第一榫头座320可采用一体结构以提高整体强度；限位卡座340中部设有宽度与第二榫头座330底部宽度相匹配的卡槽，在利用锁紧机构对第一榫头座320和第二榫头座330进行锁紧前先将第二榫头座330插入限位卡座340的卡槽，利用限位卡座340的卡槽对第二榫头座330的左右两侧进行限位，以阻止第二榫头座330发生偏移，保证第一限位面321和第二限位面331准确对齐。为了进一步提高第一榫头座320和第二榫头座330组合后的稳定性，可利用螺栓或螺钉类紧固件将第二榫头座330的底部与限位卡座340进行连接固定，同时也便于进行第二榫头座330和限位卡座340之间的拆装。

限位卡座340与底座310之间通过定位销311和定位孔341的配合实现快速定位和水平方向上的限位，如图4和图5所示，限位卡座340上设有至少一个纵向贯穿限位卡座340的定位孔341，底座310固定有竖直设置并与定位孔341一一对应的定位销311；将限位卡座340上的定位孔341与底座310上相对应的定位销311对齐即可完成第一榫头座320的快速定位安装，另外可通过螺栓或螺钉类紧固件将限位卡座340固定在底座310上以提高整体结构的稳定性。

本发明的上述结构中对第一榫头座320和第二榫头座330进行了水平方向上的限位，而进一步的为了对第一榫头座320和第二榫头座330进行竖直方向上的限位，本发明中还设置了限位座510，如图3至图5所示，限位座510安装在底座310上并位于第一榫头座320和第二榫头座330的侧方，限位座510的上部设有水平朝向限位卡座340上方伸出的限位台520，限位座510可朝向限位卡座340在一定距离内进行水平移动；将限位座510朝向限位卡座340移动，使凸出的限位台520抵靠在限位卡座340的顶面上即可在竖直方向上对第一榫头座320进行限位，避免第一榫头座320受力后在竖直方向上发生窜动和位移。

限位座510在水平方向上的位移依靠限位孔530和螺钉540实现，如图3至图5所示，限位孔530设置在限位座510上，限位孔530采用长圆孔结构，限位孔530的长度大于螺钉540的螺杆外径，在底座310上设置与螺钉540螺纹配合的内螺纹孔，将螺钉540穿过限位孔530后旋入内螺纹孔中，由于长圆孔结构的限位孔530的长度大于螺钉540的螺杆外径，限位孔530和螺钉540之间可发生相对位移，使限位孔530的长度方向垂直于限位卡座340的侧边，则限位座510可在水平方向上进行位移的。另外，在螺钉540上套上弹簧垫圈560和平垫圈570进行竖直方向上的高度补偿，转动螺杆540可将限位台520压紧在限位卡座340的顶面上。还可在限位座510上固定一个便于人员对限位座510进行移动操作的限位座轴550，测试人员可手握限位座轴550对限位座510进行移动。

本发明中采用上述航空发动机涡轮叶片叶冠弦宽的测量夹具对叶冠弦宽进行测量时，按照以下步骤进行：

步骤一、确定叶片的测量基准，建立坐标系；如图6所示，坐标系的X轴平行于发动机的轴线，叶片前缘朝向后缘的方向为X轴的正向，X轴与发动机轴线之间夹角为18°±5′；Z轴垂直于发动机轴线并与叶片的积叠轴重合，发动机半径增大方向为Z轴的正向；Y轴的正向根据X轴和Z轴的正向通过右手法则进行确定；

步骤二、确定叶冠啮合面的测量位置及Z轴截面位置，以过叶冠啮合面轴向高度方向的中心位置的截面作为测量位置；

步骤三、利用测量夹具对叶片进行固定，将叶片榫头210夹紧在第一榫头座320和第二榫头座330之间，使截面位置保持水平；

步骤四、根据设定的坐标系对叶片叶冠弦宽进行测量；

步骤五、根据测量的叶片叶冠弦宽尺寸对叶片叶冠的紧度进行计算和验证，计算公式为轴向紧度ΔS＝B*sinβ-S，弦长S＝πD/Z，其中S为叶冠周向长度，D为截面位置，Z为叶片数量，B为叶冠接触面之间的垂直距离，β为啮合面与旋转平面之间的夹角。

实施例

采用本发明中上述的航空发动机涡轮叶片叶冠弦宽的测量夹具以及海克斯康的三坐标测量机，对随机选取的某型航空发动机动力涡轮57叶片叶冠的啮合面进行测量，测试使用测量精度为0.003mm的三坐标，探头直径为0.5mm。利用Minitab软件计算、分析了数据分布，得出了叶冠啮合面弦宽尺寸。依据《机械零件强度计算手册》中有关叶冠过盈量的计算，按确定的弦宽等尺寸，以b/cosβ-t计算过盈量为0.144，满足设计规范，计算出接触压力为32Mpa，满足20～40Mpa的行业规范要求。

本发明通过设计全新的测量夹具以及设定全新的测量方法，对航空发动机动力涡轮叶片叶冠弦宽进行测量，能够满足航空发动机叶片紧度及修理的技术要求。本发明通过测量夹具中榫头座、锁紧机构和限位座的配合，结合高精度三坐标测量机，可以快速将叶片固支和定位在测量夹具上，操作简单方便，能够对非平行小平面的叶冠弦宽进行高精度测量，解决传统修理方法中利用百分表测量叶冠弦宽难以精度测量尺寸的问题，进一步解决了修理恢复叶冠尺寸及自制磨削叶冠的难题，保证适合的紧度。同时本发明中的测量夹具可通过对榫头座的尺寸进行改进，使其能够对不同尺寸的涡轮叶片的弦宽进行测试，适用性很强。

Claims (8)

1.航空发动机涡轮叶片叶冠弦宽的测量夹具，其特征在于：包括底座(310)、第一榫头座(320)、第二榫头座(330)和锁紧机构；所述第一榫头座(320)可拆卸设置在底座(310)上，第一榫头座(320)与第二榫头座(330)相对设置并可通过锁紧机构夹紧；所述第一榫头座(320)和第二榫头座(330)的上部相对面上分别设有与叶片榫头(210)两侧曲面相匹配的第一限位面(321)和第二限位面(331)；所述第一榫头座(320)的底部固定有横截面为“U”形的限位卡座(340)，限位卡座(340)中部设有宽度与第二榫头座(330)底部宽度相匹配的卡槽，第二榫头座(330)插入限位卡座(340)的卡槽中并与限位卡座(340)可拆卸连接；还包括可拆卸连接在底座(310)上的限位座(510)，所述限位座(510)可朝向限位卡座(340)水平移动；限位座(510)的上部设有水平朝向限位卡座(340)上方伸出的限位台(520)。

2.如权利要求1所述的航空发动机涡轮叶片叶冠弦宽的测量夹具，其特征在于：所述锁紧机构由锁紧螺杆(410)和活动手柄(420)组成，锁紧螺杆(410)的一端设有外螺纹，另一端与活动手柄(420)连接；第一榫头座(320)和第二榫头座(330)的上部设有与锁紧螺杆(410)螺纹配合的螺纹孔。

3.如权利要求2所述的航空发动机涡轮叶片叶冠弦宽的测量夹具，其特征在于：所述锁紧螺杆(410)与活动手柄(420)相连接的一端设有径向贯穿锁紧螺杆(410)的通孔，活动手柄(420)穿过通孔并于通孔间隙配合；活动手柄(420)的两端设有直径大于通孔孔径的挡板(421)。

4.如权利要求1所述的航空发动机涡轮叶片叶冠弦宽的测量夹具，其特征在于：所述限位卡座(340)上设有至少一个纵向贯穿限位卡座(340)的定位孔(341)，底座(310)固定有竖直设置并与定位孔(341)一一对应的定位销(311)。

5.如权利要求1所述的航空发动机涡轮叶片叶冠弦宽的测量夹具，其特征在于：所述限位座(510)上设有限位孔(530)，限位座(510)通过穿过限位孔(530)的螺钉(540)与底座(310)可拆卸连接；所述限位孔(530)为长度大于螺钉(540)螺杆外径的长圆孔。

6.如权利要求1所述的航空发动机涡轮叶片叶冠弦宽的测量夹具，其特征在于：所述限位座(510)上还固定有限位座轴(550)。

7.如权利要求5所述的航空发动机涡轮叶片叶冠弦宽的测量夹具，其特征在于：还包括套在螺钉(540)上的弹簧垫圈(560)和平垫圈(570)。

8.航空发动机涡轮叶片叶冠弦宽的测量方法，采用如权利要求1至7任意一项所述航空发动机涡轮叶片叶冠弦宽的测量夹具，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、确定叶片的测量基准，建立坐标系；坐标系的X轴平行于发动机的轴线，叶片前缘朝向后缘的方向为X轴的正向，X轴与发动机轴线之间夹角为18°±5′；Z轴垂直于发动机轴线并与叶片的积叠轴重合，发动机半径增大方向为Z轴的正向；

步骤二、确定叶冠啮合面的测量位置及Z轴截面位置，以过叶冠啮合面轴向高度方向的中心位置的截面作为测量位置；

步骤三、利用测量夹具对叶片进行固定，将叶片榫头(210)夹紧在第一榫头座(320)和第二榫头座(330)之间，使截面位置保持水平；

步骤四、根据设定的坐标系对叶片叶冠弦宽进行测量；

步骤五、根据测量的叶片叶冠弦宽尺寸对叶片叶冠的紧度进行计算和验证，计算公式为轴向紧度ΔS＝B*sinβ-S，弦长S＝πD/Z，其中S为叶冠周向长度，D为截面位置，Z为叶片数量，B为叶冠接触面之间的垂直距离，β为啮合面与旋转平面之间的夹角。

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