CN114719801A - 一种涡轮导向叶片焊接定位方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空发动机生产技术领域，为一种涡轮导向叶片焊接定位方法，在对涡轮导向叶片进行焊接定位时，通过建立三维直角坐标系，测量等圆柱切面半径下的相邻两组叶片之间的最小距离，而后找到叶片对应最小距离处的理论测量点，再找到等圆柱切面半径下尾缘处的理论测量点，再找到理论测量点对应的辅助定位点，完成理论计算；进行叶片的实际定位与调整时，通过辅助定位点找到叶片的实际测量点，而后通过对比理论测量点与实际测量点之间的两个距离差值，从而能够进行有效的坐标定位和坐标系校核；利用矢量定位法，解决了实际叶片定位时由于叶片铸造偏差无法在叶片外型面上找到对应的理论测量点所导致的定位误差大的问题，提高定位准确度。

Description

一种涡轮导向叶片焊接定位方法

技术领域

本申请属于航空发动机生产技术领域，特别涉及一种涡轮导向叶片焊接定位方法。

背景技术

在进行涡轮导向叶片的铸造时，为了减少铸造难度，涡轮导向叶片往往采用单个叶片铸造，两个或三个叶片焊接成组的方式进行加工。

目前叶片铸造一般采用六点定位的方法进行坐标系的建立。即在叶片上选取六点来确定叶片的六个自由度，定位点一般设置在叶身与缘板流道表面，然后采用逐次逼近法，通过不断迭代来找正这六个定位点，从而建立起坐标系。将叶片焊接成组时，一般沿用六点定位方法设计工装夹具或使用三坐标测量机定位。

由于叶片型面往往铸造偏差较大，需要打磨；叶片表面存在较多需要机加的位置，其尺寸均留有裕量，采用六点定位误差较大。且由于实际叶片尾缘经常会被打磨，而叶片的喉道面积作为影响性能的关键尺寸往往位于尾缘，因此采用六点定位不易保证此尺寸。综上，六点定位仅可被作为一种粗定位方式。

另外由于铸造误差，理论坐标点很难同实际坐标点完全重合，使用三坐标测量机或工装夹具测量位于实际叶片的给定坐标点时，往往会带来误差。

因此如何更准确地对涡轮导向叶片焊接成组前进行定位、校核是一个需要解决的问题。

发明内容

本申请的目的是提供了一种涡轮导向叶片焊接定位方法，以解决现有技术中采用六点定位方法对涡轮叶片进行定位时误差较大的问题。

本申请的技术方案是：一种涡轮导向叶片焊接定位方法，包括：建立直角坐标系，其中X轴为发动机轴线，Z轴为叶片的径向方向；获取叶片在直角坐标系上不同位置处的圆柱切面半径r，建立k组不同圆柱切面半径r下的圆柱切面，使用等r值下的圆柱切面切割叶片，得到圆柱切面与叶片外型面的k组交线；测量等r值下的相邻两组叶片之间的最小距离W_i，i＝1～k，获取最小距离所在直线与相邻两组叶片交线的交点，记为点A_i、点B_i，

在等r值叶片交线的尾缘位置确定理论测量点C_i，并选取A_i、B_i点所在直线的辅助定位点D_i、E_i，测量点C_i的辅助定位点F_i；将需要焊接成组的叶片进行初步定位；利用三坐标测量机确定辅助定位点D_i、E_i、F_i，利用辅助定位点的矢量方向确定叶片实际测量点；根据实际测量点计算铸造后的等r值下的坐标定位距离，根据距离差值调整叶片坐标系和相邻两组叶片之间的相对位置；检查是否满足设计要求，如果满足则合格，如不满足则调整叶片坐标系和相邻两组叶片之间的相对位置，直至满足要求。

作为一种具体实施方式，所述辅助定位点的选取方法为：在线段A_iB_i上选取辅助定位点E_i、F_i，

选取同点C_i位于叶片外型面同一侧的点记为点D_i，保证

作为一种具体实施方式，λ_e＝0.2～0.45；λ_f＝0.55～0.8；λ_d＝0.2～0.8。

作为一种具体实施方式，对需要焊接成组的所述叶片的初步定位方法为：通过六点定位系统确定坐标系，将机加后的叶片缘板周向接触面进行周向接触、轴向对齐，叶片缘板流道面进行径向对齐。

作为一种具体实施方式，所述理论测量点C_i的确定方法为：过点B_i，以

为法向量建立平面β_i；获取等r值叶片交线的尾缘位置距离平面β_i最大的点，记为点C_i，计算点C_i到平面β_i的距离记为S_i，

作为一种具体实施方式，所述叶片实际测量点A′_i、B′_i、C′_i的确定方法为：测量E_i、F_i所在直线同叶片外型面的交点，分别记为点A′_i、B′_i；测量过点D_i沿

方向的直线同与叶片外型面的交点，记为点C′_i。

作为一种具体实施方式，所述叶片坐标系与相邻两组叶片之间相对位置的调整方法为：确定点A、点B理论与实际的距离差值d_wi＝|W_i′-W_i|；确定点C与过B点的

法向量平面的理论与实际的距离差值d_si＝|S′_i-S_i|；按照

来调整坐标系，按照

来调整两个叶片之间的相对位置。

作为一种具体实施方式，所述叶片定位误差的设计要求为：d_wi≤0.15、d_si≤0.2。

本申请为一种涡轮导向叶片焊接定位方法，在对涡轮导向叶片进行焊接定位时，通过建立三维直角坐标系，测量等圆柱切面半径下的相邻两组叶片之间的最小距离，而后找到叶片对应最小距离处的理论测量点，而后找到等圆柱切面半径下尾缘处的理论测量点，再找到理论测量点对应的辅助定位点，完成理论计算；进行叶片的实际定位与调整时，通过辅助定位点找到叶片的实际测量点，而后通过对比理论测量点与实际测量点之间的两个距离差值，从而能够进行有效的坐标定位和坐标系校核；利用矢量定位法，能够通过辅助定位点同理论测量点的对应关系，准确找到实际测量点，解决了实际叶片定位时由于叶片铸造偏差无法在叶片外型面上找到对应的理论测量点所导致的定位误差大的问题，提高定位准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1为本申请整体流程示意图；

图2为本申请直角坐标系结构示意图；

图3为本申请叶片单个窗口测量点示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

一种涡轮导向叶片焊接定位方法，如图1所示，包括理论数值计算和叶片的实际定位与调整两大步骤，具体为：

1、叶片的理论数值计算

如图2所示，步骤S100，定义理论叶片的直角坐标系为(X、Y、Z)，其中X轴为发动机轴线，Z轴为叶片的径向方向；

获取叶片在直角坐标系上不同位置处的圆柱切面半径r，r为原点O到点M在平面YOZ上投影点M′的距离，r∈[0,∞)，根据叶片在径向的叶型分布，确定不同组r值及其分布，组数为k，从叶尖至叶根分别编号为1至k；

建立k组不同圆柱切面半径r下的圆柱切面，使用等r值下的圆柱切面切割叶片，得到圆柱切面与叶片外型面的k组交线；

通过利用三维直角坐标系来对叶片的各个点位进行定位，得到不同圆柱切面与叶片外型面的k组交线，这样所有测量点均位于等半径下的圆柱切面与叶片外型面的交线上，各测量点的位置能够准确确定，以方便后续的计算。

如图3所示，步骤S200，测量等r值下的相邻两组叶片之间的最小距离W_i(i＝1～k，下同)，获取最小距离所在直线与相邻两组叶片交线的交点，记为点A_i、点B_i，

通过获取两组叶片最小距离所在的交点A_i、B_i，在理论与实际制造的叶片位置产生误差时，误差的比例在数据上能够最大幅度地体现出来。

步骤S300，在等r值叶片交线的尾缘位置确定理论测量点C_i，并选取A_i、B_i点所在直线的辅助定位点D_i、E_i，测量点C_i的辅助定位点F_i；

叶片理论测量点C_i的确定方法为：

过点B_i，以

为法向量建立平面β_i。

在等r值叶片交线的尾缘位置寻找距离平面β_i最大的点，记为点C_i，点C_i到平面β_i的距离记为S_i，

辅助定位点的具体选取方法为：

在线段A_iB_i上选取辅助定位点E_i、F_i，

λ_e＝0.2～0.45；

λ_f＝0.55～0.8；

选取同点C_i位于叶片外型面同一侧的点记为点D_i，保证

λ_d＝0.2～0.8。

通过获取尾缘位置处的理论测量点C_i，来建立叶片制造误差与尾缘尺寸的关系，也即是建立了叶片制造误差与喉道面积的对应关系，从而能够对叶片关键尺寸的误差进行有效控制；设置辅助定位点以方便后续测量点的找寻与误差的计算。

2、叶片的实际定位与调整

步骤S400，将需要焊接成组的叶片进行初步定位；

初步定位的具体方法为：单个涡轮导向叶片制造后，机加缘板周向接触面去除裕量，将需要焊接成组的叶片按照六点定位系数初步确定坐标系，而后结合以下方法进行初步定位：1)机加后的叶片缘板周向接触面进行周向接触、轴向对齐；2)叶片缘板流道面进行径向对齐。采用该方式，能够有效保证初步定位的精度。

步骤S500，利用三坐标测量机确定辅助定位点D_i、E_i、F_i，利用辅助定位点的矢量方向确定叶片实际测量点；

利用辅助定位点找出叶片实际测量点的具体方法为：

测量E_i、F_i所在直线同叶片外型面的交点，分别记为点A′_i、B′_i；

测量过点D_i沿

方向的直线同与叶片外型面的交点，记为点C′_i。

由于铸造误差，理论测量点不一定位于叶片的外壁面，因此设置辅助定位点，来找到实际测量点。也就是说：能够通过辅助定位点同理论测量点的对应关系，准确找到实际测量点，解决了实际叶片定位时由于叶片铸造偏差无法在叶片外型面上找到对应的理论测量点所导致的定位误差大的问题，提高定位准确度。

步骤S600，根据实际测量点计算铸造后的等r值下的坐标定位距离，根据距离差值调整叶片坐标系和相邻两组叶片之间的相对位置；

测量点A′_i、B′_i之间的距离，记为W′_i，

过点B′_i，以

为法向量建立平面β_i′；

计算点C′_i到平面β′_i的距离，记为S′_i，

叶片坐标系与相邻两组叶片之间相对位置的调整方法为：

确定点A、点B理论与实际的距离差值d_wi＝|W′_i-W_i|；

确定点C与过B点的

法向量平面的理论与实际的距离差值d_si＝|S′_i-S_i|；

调整坐标系，使得

调整两个叶片之间的相对位置，使得

通过计算两个理论与实际的差值，其中包括尾缘位置的距离差值，能够准确地获取叶片的制造误差，特别是尾缘的关键位置，从而能够对叶片进行有效的调整。

步骤S700，调整至最优状态，检查d_si、d_wi是否同时满足：d_wi≤0.15、d_si≤0.2。如满足，认为合格，否则应调整叶片坐标系和相邻两组叶片之间的相对位置，直至满足以上要求。

在对涡轮导向叶片进行焊接定位时，通过建立三维直角坐标系，测量等圆柱切面半径下的相邻两组叶片之间的最小距离，而后找到叶片对应最小距离处的理论测量点，而后找到等圆柱切面半径下尾缘处的理论测量点，再找到理论测量点对应的辅助定位点，完成理论计算；进行叶片的实际定位与调整时，通过辅助定位点找到叶片的实际测量点，而后通过对比理论测量点与实际测量点之间的两个距离差值，完成测量点的精准定位，从而能够进行有效的坐标定位和坐标系校核；利用矢量定位法，能够通过辅助定位点同理论测量点的对应关系，准确找到实际测量点，解决了实际叶片定位时由于叶片铸造偏差无法在叶片外型面上找到对应的理论测量点所导致的定位误差大的问题，提高定位准确度。

作为一种具体实施方式，下文选取某两个叶片焊接成组的高压涡轮导向叶片进行说明，按照以下方法进行焊接前定位。

1.计算理论数值

定义理论叶片的直角坐标系为(X、Y、Z)，X轴为发动机轴线，Z轴为叶片的径向方向。圆柱切面半径r为原点O到点M在平面YOZ上投影点M′的距离，r∈[0,∞)。

根据叶片在径向的叶型分布，确定3组r值，从叶尖至叶根分别编号为1至3，r₁＝340mm、r₂＝330mm、r₃＝320mm。

分别用r₁、r₂、r₃值下的圆柱切面切割叶片，得到其同叶片外型面的3组交线。

测量等r值下相邻两个叶片交线之间的最小距离，记为W_i(i＝1～3，下同)；最小距离所在直线同叶片交线的交点分别记为点A_i、点B_i，

过点B_i，以

为法向量建立平面β_i。

在等r值叶片交线的尾缘位置寻找距离平面β_i最大的点，记为点C_i，点C_i到平面β_i的距离记为S_i，

在线段A_iB_i上选取点E_i、点F_i，

λ_e＝0.3；

λ_f＝0.6。

选取点D_i，点D_i和点C_i位于叶片外型面的同一侧，且

λ_d＝0.5。

2.叶片定位与调整

进行初步定位，利用三坐标系测量机，按照理论点坐标，在坐标系中找到点D_i、E_i、F_i。

测量E_i、F_i所在直线同叶片外型面的交点，分别记为点A′_i、B′_i。

测量过点D_i沿

方向的直线同与叶片外型面的交点，记为点C′_i。

测量点A′_i、B′_i之间的距离，记为W′_i，

d_wi＝|W′_i-W_i|。

过点B′_i，以

为法向量建立平面β_i′。

点C′_i平面β′_i的距离记为S′_i，

d_si＝|S′_i-S_i|。

调整坐标系，使得

调整两个叶片之间的相对位置，使得

调整至最优状态，检查d_si、d_wi，各值均满足：d_wi≤0.15、d_si≤0.2，认为合格。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种涡轮导向叶片焊接定位方法，其特征在于，包括：

建立直角坐标系，其中X轴为发动机轴线，Z轴为叶片的径向方向；获取叶片在直角坐标系上不同位置处的圆柱切面半径r，建立k组不同圆柱切面半径r下的圆柱切面，使用等r值下的圆柱切面切割叶片，得到圆柱切面与叶片外型面的k组交线；

测量等r值下的相邻两组叶片之间的最小距离W_i，i＝1～k，获取最小距离所在直线与相邻两组叶片交线的交点，记为点A_i、点B_i，

在等r值叶片交线的尾缘位置确定理论测量点C_i，并选取A_i、B_i点所在直线的辅助定位点D_i、E_i，测量点C_i的辅助定位点F_i；

将需要焊接成组的叶片进行初步定位；

利用三坐标测量机确定辅助定位点D_i、E_i、F_i，利用辅助定位点的矢量方向确定叶片实际测量点；

根据实际测量点计算铸造后的等r值下的坐标定位距离，根据距离差值调整叶片坐标系和相邻两组叶片之间的相对位置；

检查是否满足设计要求，如果满足则合格，如不满足则调整叶片坐标系和相邻两组叶片之间的相对位置，直至满足要求。

2.如权利要求1所述的涡轮导向叶片焊接定位方法，其特征在于，所述辅助定位点的选取方法为：

在线段A_iB_i上选取辅助定位点E_i、F_i，

选取同点C_i位于叶片外型面同一侧的点记为点D_i，保证

3.如权利要求2所述的涡轮导向叶片焊接定位方法，其特征在于，λ_e＝0.2～0.45；λ_f＝0.55～0.8；λ_d＝0.2～0.8。

4.如权利要求1所述的涡轮导向叶片焊接定位方法，其特征在于，对需要焊接成组的所述叶片的初步定位方法为：

通过六点定位系统确定坐标系，将机加后的叶片缘板周向接触面进行周向接触、轴向对齐，叶片缘板流道面进行径向对齐。

5.如权利要求1所述的涡轮导向叶片焊接定位方法，其特征在于，所述叶片理论测量点C_i的确定方法为：

过点B_i，以

为法向量建立平面β_i；

获取等r值叶片交线的尾缘位置距离平面β_i最大的点，记为点C_i，计算点C_i到平面β_i的距离记为S_i，

6.如权利要求5所述的涡轮导向叶片焊接定位方法，其特征在于，所述叶片实际测量点A′_i、B′_i、C′_i的确定方法为：

测量E_i、F_i所在直线同叶片外型面的交点，分别记为点A′_i、B′_i；测量过点D_i沿

方向的直线同与叶片外型面的交点，记为点C′_i。

7.如权利要求6所述的涡轮导向叶片焊接定位方法，其特征在于，所述叶片坐标系与相邻两组叶片之间相对位置的调整方法为：

确定点A、点B理论与实际的距离差值d_wi＝|W_i′-W_i|；

确定点C与过B点的

法向量平面的理论与实际的距离差值d_si＝|S′_i-S_i|；

按照

来调整坐标系，按照

来调整两个叶片之间的相对位置。

8.如权利要求7所述的涡轮导向叶片焊接定位方法，其特征在于，所述叶片定位误差的设计要求为：d_wi≤0.15、d_si≤0.2。

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