CN113639700B - 一种涡轮导向器喉部面积三坐标测量方法 - Google Patents

一种涡轮导向器喉部面积三坐标测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种涡轮导向器喉部面积三坐标测量方法，包括如下步骤：步骤一，积叠轴Z轴的获得；步骤二，确定测量的基准坐标系；步骤三，测量坐标系X'Y'Z的获得；步骤四，喉部曲面5面积的获得；采用局部叶型和机匣的实际形貌建立测量坐标系，避免通过机匣和叶片之间的理论尺寸建立测量坐标系，排除了焊接和装配变形带来的偏差；通过选定能代表理论三维喉部面的近似喉部测量平面，提高测量的可操作性，并通过足够多的离散测量点，以获得更多的喉部实物形貌信息，提高测量结果的精度；在测量点数据处理时，细化对局部不规则平面面积的计算，提高测量结果精度。

Description

一种涡轮导向器喉部面积三坐标测量方法
技术领域
本发明涉及一种涡轮导向器喉部面积三坐标测量方法，属于涡轮导向器测量方法技术领域。
背景技术
涡轮作为航空燃气涡轮风扇发动机关键的核心部件之一，其功能是将发动机的热能和动能转换为机械能，通过连接轴将机械能传递给风扇和压气机，以实现整机的不间断工作。涡轮部件主要由涡轮转子和导向器组成，导向器功能是实现气流的膨胀加速和偏转，以满足下游转子进口所需的气流条件，同时对整机流量分配、整机工作状态有重要影响。特别是对固定喷口的发动机，各级涡轮导向器喉部面积大小是否匹配，将严重影响发动机整机性能是否达标。因此，如何准确测量涡轮导向器喉部面积是一项关键技术。目前常用的涡轮导向器喉部面积测量方法有专用测具和三坐标测量两种方法，专用测具一般用于产品喉部面积要求和制造工艺稳定后，而三坐标测量方法主要用于型号定型前，面积验收要求和制造工艺尚未稳定之前。
三坐标测量步骤一般如下：通过涡轮导向器机匣安装边和导向叶片的实物位置，建立喉部面积测量坐标系；测量与理论喉部三维曲面近似的喉部测量面上的若干测量点；通过各测点坐标计算出近似喉部平面的面积。由于涡轮导向器由数十件叶片和固定环焊接而成，存在难以控制的变形，造成叶片与固定环实际位置关系偏离理论位置，导致建立的测量坐标系准确度不足，影响测量结果，另外，测量时由于测量面选取不当和测量点选取较少，以及数据处理差异，也会导致测量结果精度降低。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种涡轮导向器喉部面积三坐标测量方法。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种涡轮导向器喉部面积三坐标测量方法，包括如下步骤：
步骤一，积叠轴Z轴的获得：利用三坐标测量仪器扫描叶片的尾缘时，可以沿叶片排气边的不同半径，取多个截面进行扫描，针对一处截面的叶片排气边附近尾缘进行扫描，获取足够多的测量点后，可以拟合出一处截面排气边的实际尾缘中心O1，重复该步骤可以测得其它高度截面的实际尾缘中心，通过求取各截面尾缘实际圆心点的拟合平均点，并做垂直于发动机的X轴线的垂线，可以获得积叠轴Z轴的方向向量。
步骤二，确定测量的基准坐标系:在步骤一的基础上取各截面尾缘圆心中X坐标最小的点作为X＝0，使建立的ZOY平面通过该点，即可确定测量的基准坐标系。
步骤三，测量坐标系X'Y'Z的获得：喉部曲面5用过积叠轴Z轴且与发动机的轴线X轴成α度夹角的平面M代替，通过测量平面M来反映流道的实际喉部曲面5面积大小，通过将基准坐标系旋转α度后，获得测量坐标系X'Y'Z。
步骤四，喉部曲面5面积的获得：将平面M分割成若干梯形和上下两块不规则多边形，通过取n个等距的等Z线，将平面M分割成(n-1)个梯形和Ashroud、Ahub，共(n+1)个面积，测量时通过依次测取测量点B1到Bn、P1到Pn、H1和H2的实际坐标，可以根据如下公式计算(n+1)个小平面的实际面积，其总和就是三坐标测得的该通道喉部曲面5面积，重复该步骤，测量每两个相邻两叶片形成的通道喉部曲面5面积后，可以获得整个导向器的喉部曲面5面积；
已知4个顶点坐标值，计算A1面积时，按下式进行计算，同理可计算其它四边形面积：
当计算Ashroud和Ahub时，按下式进行计算：
Ashroud＝Hshroud/Hs'hroud*Lshroud/L'shroud*As'hroud
Ahub＝Hhub/H'hub*Lhub/L'hub*A'hub
式中Hs'hroud、L'shroud、As'hroud、H'hub、L'hub和A'hub为采用UG模型建模软件中测出的理论喉道测量面上的相应长度和面积。
本发明的有益效果在于：本申请采用局部叶型和机匣的实际形貌建立测量坐标系，避免通过机匣和叶片之间的理论尺寸建立测量坐标系，排除了焊接和装配变形带来的偏差；通过选定能代表理论三维喉部面的近似喉部测量平面，提高测量的可操作性，并通过足够多的离散测量点，以获得更多的喉部实物形貌信息，提高测量结果的精度；在测量点数据处理时，细化对局部不规则平面面积的计算，提高测量结果精度。
附图说明
图1为叶型示意图；
图2为建立基准坐标系示意图；
图3为扫描尾缘拟合圆心示意图；
图4为喉部测量平面M示意图；
图5为实施例喉部面积分隔示意图。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
如图1至图5所示。
涡轮导向器的流道是两相邻叶片的叶盆面、叶背面、上缘板4以及下缘板3包围而成的气流通道，如图1，通常导向器流道面积由进口到出口是逐渐收缩的，其中截面积最小的位置就是涡轮导向器的喉部，其喉部面积即喉部位置的曲面面积；由于现行涡轮导向器，基本都是尾缘圆心的积叠方式，而积叠轴为不同叶高截面的叶型排气边圆弧中心的连线，即图1中Z轴为2号叶片的积叠轴，两相邻的1号叶片和2号叶片间的喉部曲面5，是2号叶片2积叠轴在1号叶片1叶背面上的投影线包围而成，因此，测量喉部曲面5面积首先要建立过积叠轴Z和发动机轴线X的基准坐标。
导向器加工时，容易通过机匣的安装边基准，确定发动机轴线X，即找正基准面B的轴线，如图2所示。由于装配和焊接等影响，每个叶片的积叠轴都可能与理论位置有一定偏移，而喉部曲面5面积与每个叶片排气边实际位置关联很大，如果根据理论位置确定每个叶片的积叠轴Z，则会带来较大的测量误差和累计误差。
本发明的一种涡轮导向器喉部面积三坐标测量方法，包括如下步骤：
步骤一，积叠轴Z轴的获得：利用三坐标测量仪器扫描叶片的尾缘时，可以沿叶片排气边的不同半径，取多个截面进行扫描，如取图2中的①和②位置截面进行说明。通过利用三坐标测量仪器的连续扫描型面的采点功能，对①截面的叶片排气边附近尾缘进行扫描，如图3所示，获取足够多的测量点后，可以拟合出①截面排气边的实际尾缘中心O1，重复该步骤可以测得其它高度截面的实际尾缘中心，通过求取各截面尾缘实际圆心点的拟合平均点，并做垂直于发动机的X轴线的垂线，可以获得积叠轴Z轴的方向向量。
步骤二，确定测量的基准坐标系:在步骤一的基础上取各截面尾缘圆心中X坐标最小的点作为X＝0，使建立的ZOY平面通过该点，即可确定测量的基准坐标系。
步骤三，测量坐标系X'Y'Z的获得：由于涡轮导向器通常叶型扭曲不大，其理论的喉部曲面5可用过积叠轴Z轴且与发动机的轴线X轴成α度夹角的平面M代替，如图4，平面M的面积与理论喉部曲面5面积基本相当，平面M的位置也与理论喉部面十分接近，故可以通过测量平面M来反映流道的实际喉部曲面5面积大小，即平面M成为近似喉部曲面5测量平面，利用平面代替曲面，可以大大简化取点过程和计算过程，增加测量效率，通过将基准坐标系旋转α度后，获得测量坐标系X'Y'Z，图中的Z轴垂直于图中的X'Y'与观察视角一致，并未标出。
步骤四，喉部曲面5面积的获得：为尽可能准确测量平面M的面积，可以将平面M分割成若干梯形和上下两块不规则多边形，如图5中的M平面分割示意图所示，通过取n个等距的等Z线，将平面M分割成(n-1)个梯形和Ashroud、Ahub，共(n+1)个面积，测量时通过依次测取测量点B1到Bn、P1到Pn、H1和H2的实际坐标，可以根据如下公式计算(n+1)个小平面的实际面积，其总和就是三坐标测得的该通道喉部曲面5面积，重复该步骤，测量每两个相邻两叶片形成的通道喉部曲面5面积后，可以获得整个导向器的喉部曲面5面积；
当计算A1～A(N-1)面积时，以A1为例，已知4个顶点坐标值，按下式进行计算，同理可计算其它四边形面积：
当计算Ashroud和Ahub时，由于涉及上缘板4、下缘板5型线和倒圆角，无法根据测点直接算出面积，故采用与理论Ashroud和Ahub面积的关系进行换算，如图5的图形所示，算Ashroud和Ahub的面积主要取决于高度Hshroud＝(ZH1-ZB1)或Hhub＝(ZBN-ZH2)和宽度Lshroud＝(Y'P1-Y'B1)或Lhub＝(Y'PN-Y'BN)，Ashroud和Ahub与高度Hshroud和宽度Lshroud成正比例关系，则可按下式进行计算：
Ashroud＝Hshroud/Hs'hroud*Lshroud/L'shroud*As'hroud
Ahub＝Hhub/H'hub*Lhub/L'hub*A'hub
式中Hs'hroud、L'shroud、As'hroud、H'hub、L'hub和A'hub为采用UG模型建模软件中测出的理论喉道测量面上的相应长度和面积。
本申请采用局部叶型和机匣的实际形貌建立测量坐标系，避免通过机匣和叶片之间的理论尺寸建立测量坐标系，排除了焊接和装配变形带来的偏差；通过选定能代表理论三维喉部面的近似喉部测量平面，提高测量的可操作性，并通过足够多的离散测量点，以获得更多的喉部实物形貌信息，提高测量结果的精度；在测量点数据处理时，细化对局部不规则平面面积的计算，提高测量结果精度。

Claims (4)

1.一种涡轮导向器喉部面积三坐标测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，积叠轴Z轴的获得；
所述步骤一，积叠轴Z轴的获得为：利用三坐标测量仪器扫描叶片的尾缘时，沿叶片排气边的不同半径，取多个截面进行扫描，针对一处截面的叶片排气边附近尾缘进行扫描，获取足够多的测量点后，拟合出一处截面排气边的实际尾缘中心O1，重复该步骤测得其它高度截面的实际尾缘中心，通过求取各截面尾缘实际圆心点的拟合平均点，并做垂直于发动机的X轴线的垂线，获得积叠轴Z轴的方向向量；
步骤二，确定测量的基准坐标系；
所述步骤二，确定测量的基准坐标系为:在步骤一的基础上取各截面尾缘圆心中X坐标最小的点作为X＝0，使建立的ZOY平面通过该点，即可确定测量的基准坐标系；
步骤三，测量坐标系X'Y'Z的获得；
所述步骤三，测量坐标系X'Y'Z的获得为：喉部曲面用过积叠轴Z轴且与发动机的轴线X轴成α度夹角的平面M代替，通过测量平面M来反映流道的实际喉部曲面面积大小，通过将基准坐标系旋转α度后，获得测量坐标系X'Y'Z；
步骤四，喉部曲面面积的获得；
所述步骤四，喉部曲面面积的获得为：将平面M分割成若干梯形和上下两块不规则多边形，通过取n个等距的等Z线，将平面M分割成(n-1)个梯形和Ashroud、Ahub，共(n+1)个面积，测量时通过依次测取测量点B1到Bn、P1到Pn、H1和H2的实际坐标，根据公式计算(n+1)个小平面的实际面积，其总和就是三坐标测得的该通道喉部曲面面积，重复该步骤，测量每两个相邻两叶片形成的通道喉部曲面面积后，获得整个导向器的喉部曲面面积。
2.如权利要求1所述的涡轮导向器喉部面积三坐标测量方法，其特征在于，所述(n-1)个梯形四边面积参照计算A1面积计算，计算所述A1面积时，已知4个顶点坐标值，按下式进行计算，同理可计算其它四边形面积：
3.如权利要求1所述的涡轮导向器喉部面积三坐标测量方法，其特征在于，当计算所述Ashroud和Ahub时，按下式进行计算：
Ashroud＝Hshroud/H'shroud*Lshroud/L'shroud*A'shroud
Ahub＝Hhub/H'hub*Lhub/L'hub*A'hub。
4.如权利要求3所述的涡轮导向器喉部面积三坐标测量方法，其特征在于，所述式中H'shroud、L'shroud、A'shroud、H'hub、L'hub和A'hub为模型建模软件中测出的理论喉道测量面上的相应长度和面积。
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