CN114871860B - 实现叶轮磨粒流处理过程中叶片前缘棱边效应控制方法的装置 - Google Patents

Abstract

为了克服现有用于减小叶片前缘相较叶身的棱边效应明显所引起的叶片缺陷的方法，使得叶片整体磨粒流光整处理的光整表面的粗糙度等级低无法满足要求，或者光整表面粗糙度等级达到要求时叶片前缘光整后质量容易超差的技术问题，本发明提供了一种离心叶轮磨粒流处理过程的叶片前缘棱边效应控制方法和装置，可降低叶片前缘的流场压力，减弱叶片前缘的棱边效应，控制叶片前缘轮廓变形、尺寸超差、微观凹痕明显等问题。本发明在磨粒流介质正向流动时对叶片前缘的流场压力进行分压，在磨粒流介质反向流动时对叶片前缘的流场压力进行扩压，使得叶片前缘流场压力降低，减弱了叶片前缘棱边效应，提高了叶片前缘的加工精度。

Description

实现叶轮磨粒流处理过程中叶片前缘棱边效应控制方法的装置

技术领域

本发明涉及发动机离心叶轮表面光整领域，涉及一种控制叶轮磨粒流处理叶片时导致的前缘棱边效应的方法和装置。

背景技术

当前采用磨粒流工艺对离心叶轮叶片及流道光整处理，实现了叶轮叶盆（叶身向内凹的表面）和叶背（叶身向外凸的表面）的光整，但由于叶片前缘（叶身进气边连接叶盆和叶背的部分）处于高压流场中，叶片前缘曲率变化大，导致叶片前缘相较叶身的棱边效应明显，叶片前缘与叶身的余量去除不一致，引起叶片前缘轮廓变形、尺寸超差、明显微观凹痕等问题。

针对上述问题，目前常采用调整磨粒流加工的工艺参数的方法来克服，例如通过降低磨粒流压力和循环次数以减小超差几率，但这样限制了磨粒流加工对叶轮叶片表面光整处理的表面粗糙度极限值范围，若机加表面粗糙度为Ra0.8，磨粒流处理后表面粗糙度只能到Ra0.6左右，无法达到Ra0.3左右，但如果继续磨粒流处理，当叶片的叶身部位达到Ra0.3左右时，叶片前缘就会在棱边效应的作用下而产生超差。

发明内容

为了克服现有用于减小叶片前缘相较叶身的棱边效应明显所引起的叶片缺陷的方法，使得叶片整体磨粒流光整处理的光整表面的粗糙度等级低无法满足要求，或者光整表面粗糙度等级达到要求时叶片前缘光整后质量容易超差的技术问题，本发明提供了一种离心叶轮磨粒流处理过程的叶片前缘棱边效应控制方法和装置，可降低叶片前缘的流场压力，减弱叶片前缘的棱边效应，控制叶片前缘轮廓变形、尺寸超差、微观凹痕明显等问题。

本发明的技术方案是：

叶轮磨粒流处理过程中叶片前缘棱边效应控制方法，其特殊之处在于：在磨粒流介质正向流动时对叶片前缘的流场压力进行分压，在磨粒流介质反向流动时对叶片前缘的流场压力进行扩压。

进一步地，分压比例为15-30%，扩压比例为5-10%。

进一步地，还包括步骤：根据磨粒流流场分析结果，调整磨粒流处理的工艺参数，包括调整磨料和/或加工条件；调整磨料包括调整磨粒的种类、粒径、形状、硬度和/或磨料的浓度、粘度、添加剂；调整加工条件包括调整加工压力、加工次数和/或加工温度。

实现上述叶轮磨粒流处理过程中叶片前缘棱边效应控制方法的装置，其特殊之处在于：包括叶轮底座、叶轮外罩体、分压导流环、前引流环、连接套和分压导流舌板；

叶轮底座用于支撑限位待加工叶轮，且其上设有介质流道腔；

叶轮体的内流道面与叶轮外罩体的内壁之间、叶轮外罩体的内侧壁与叶轮底座的外侧壁之间形成介质流动腔，该介质流动腔与所述介质流道腔相连通；

叶轮外罩体与叶轮底座上下对接，二者之间形成叶轮体的安装腔体；

分压导流环安装在叶轮外罩体上部，用于为所述分压导流舌板提供机械安装接口；

前引流环设置在叶轮外罩体的上端；

连接套设置在叶轮主轴上端，用于为所述分压导流舌板提供机械安装接口；

分压导流舌板有多个，数目与待加工叶轮的叶片数目相同，均布设置在所述连接套与分压导流环之间；

磨料在所述介质流动腔内正向流动时，所述分压导流舌板用于对叶片前缘的流场压力进行分压；磨料在所述介质流动腔内反向流动时，所述分压导流舌板用于对叶片前缘的流场压力进行扩压。

进一步地，每个所述分压导流舌板的一端与分压导流环止口配合，另一端与连接套止口配合，并与叶轮体具有确定角向。

进一步地，单个分压导流舌板包括第一弧形板、第二弧形板、第一支架和第二支架；第一支架的下部用于将第一弧形板和第二弧形板靠近叶轮主轴的端部相连，第一支架的上部用于与设置在叶轮主轴上端的连接套相连接；第二支架的下部用于将第一弧形板和第二弧形板远离叶轮主轴的端部相连，第二支架的上部用于与分压导流环相连；第一弧形板与第二弧形板之间的间距自内端向外端逐渐增大；沿磨粒流介质正向流动方向，属于同一个分压导流舌板的第一弧形板和第二弧形板的迎流面形成正向分压导流角；

沿磨粒流介质反向流动方向，位于同一个叶片两侧相邻的两块分压导流舌板之间的形成反向扩压角。

进一步地，所述正向分压角和反向扩压角的具体确定方法为：

步骤1、在位于叶片前缘及沿着叶片前缘光滑过渡的方向延伸一定长度区域处的介质流动腔内放置工业样膏，进行分压分流腔体定型取样；

步骤2、对步骤1定型取样得到的分压分流腔体定型样膏进行三维扫描，得到分压分流腔体的三维CAD模型；

步骤3、基于步骤2得到的分压分流腔体的三维CAD模型进行磨粒流介质流场分析，计算叶片前缘在流场中的棱边效应强弱；

步骤4、根据步骤3的磨粒流介质流场分析结果，获取最优正向分压导流角和最优反向扩压角。

本发明的优点是：

1.本发明在磨粒流介质正向流动时对叶片前缘的流场压力进行分压，在磨粒流介质反向流动时对叶片前缘的流场压力进行扩压，使得叶片前缘流场压力降低，减弱了叶片前缘棱边效应，提高了叶片前缘的加工精度。

2.叶片前缘尺寸小，叶片前缘部位的空间小，且叶片前缘的结构为不规则曲线，这些特点都增加了叶片前缘流场的控制难度，因此本发明通过逆向设计思路对磨粒流介质流场进行分析，根据分析结果设计最优的正向分压角和反向扩压角，对叶片前缘与叶盆、叶背不同区域表面流场压力按照最优的分流比例进行再分配，能够有效实现对叶片前缘处的压力控制，降低棱边效应对前缘在流场中过渡磨损伤，获得叶片前缘与叶片叶盆、叶背光整一致的效果。

3.传统磨粒流装置受到常规设计思路限制，无法突破磨粒流加工质量上限，而本发明打破了传统磨粒流工艺对提升叶轮表面粗糙度的极限值，通过控制叶片前缘在磨粒流处理的流场介质中的棱边效应强弱，抑制了高流场压力对叶片前缘精度的损坏，实现了叶轮表面完整性要求参量工艺调控，包含叶轮表面粗糙度和表面微观形貌等参量在磨粒流工艺中的最优值获取。

附图说明

图1为本发明的叶轮磨粒流处理过程中叶片前缘棱边效应控制装置的结构示意图。

图2是本发明控制装置中叶轮底座的结构示意图。

图3是本发明控制装置中分压导流舌板和分压导流环的配合关系示意图。

图4是本发明控制装置中分压导流舌板的立体示意图。

图5是本发明控制装置中分压导流舌板的俯视图。

图6是本发明控制装置中相邻两个分压导流舌板的位置关系示意图。

图7是本发明控制装置中分压导流舌板所形成的正向分压导流角和反向扩压角的示意图。

图8为叶片前缘正向分压导流角与反向扩压角示意图（图8是图1沿轴线剖开平铺的后的栅图标识方法得到的示意图）。

附图标记说明：

1-叶轮底座；2-叶轮外罩体；3-分压导流环；4-前引流环；5-分压导流舌板； 6-叶轮体；7-介质流动腔；8-叶背；9-前缘；10-主流道；11-叶片；12-辅流道；13-连接套；14-叶轮尾缘底面；15-介质流道腔；16-叶轮底部限位槽；17- 叶轮出口腹板支撑限位槽；18-减重孔； 20-第一弧形板，21-第二弧形板；22-第一支架；23-第二支架；24-间隙；α-正向分压导流角；β-反向扩压角；A-叶片前缘分压导流功能区域。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的叶轮磨粒流处理过程中叶片前缘棱边效应控制方法，包括步骤：在磨粒流介质正向流动时对叶片前缘的流场压力进行分压，在磨粒流介质反向流动时对叶片前缘的流场压力进行扩压，以降低叶片前缘的流场压力，减弱叶片前缘棱边效应，从而控制叶片前缘磨粒流处理质量。优选的，磨粒流介质正向流动时，磨粒流经叶片前缘上部位置时，进行前缘流场分压处理，考虑到分压比例过大会影响介质流场的通顺性，过小起不到分压控制作用无法减弱棱边效应，因此优选的分压比例为15%~30%范围，即将来流压力分走15%~30%，能够使前缘与叶片或其他部位流场压力基本均等，具体分压比例可以根据流场分析结果进行适当调整；当磨粒流介质反向流动时，在磨粒流经叶片前缘下部3~5mm距离时进行前缘流场扩压处理，与分压时原理类似，优选的扩压比例为5%~10%范围，即在来流压力基础上扩压5%~10%。

进一步地，还可以根据磨粒流流场分析结果，调整磨粒流处理的工艺参数，包括调整磨料和/或加工条件；调整磨料包括调整磨粒的种类、粒径、形状、硬度和/或磨料的浓度、粘度、添加剂；调整加工条件包括调整加工压力、加工次数和/或加工温度。

如图1所示，本发明所提供的叶轮磨粒流处理过程中叶片前缘棱边效应控制装置，包括叶轮底座1、叶轮外罩体2、分压导流环3、前引流环4、连接套13和分压导流舌板5。

如图2所示，叶轮底座1上沿径向从外向内依次设置有介质流道腔15、叶轮出口腹板支撑限位槽17和叶轮底部限位槽16；介质流道腔15有多个，沿同一圆周均布；叶轮底部限位槽16位于叶轮底座1的中部，用于对叶轮体6的底部进行支撑限位；叶轮出口腹板支撑限位槽17用于对叶轮尾缘出口底面进行支撑限位，同时构成与叶轮内流道连接的磨粒流介质通道面。

叶轮外罩体2与叶轮底座1上下对接，二者之间形成叶轮体6的安装腔体，叶轮体6安装在该安装腔体内，叶轮体6的底部支撑在叶轮底座1的叶轮底部限位槽16内，叶轮体6的叶轮尾缘底面14支撑在叶轮底座1的叶轮出口腹板支撑限位槽17处；装配完成后，叶轮体6的内流道面与叶轮外罩体2的内壁之间、叶轮外罩体2的内侧壁与叶轮底座1的上部外侧壁之间形成介质流动腔7（自叶轮外罩体7的上端延伸至下端），且该介质流动腔7与叶轮底座1上的介质流道腔15相连通，磨料流介质可以在介质流动腔7和介质流道腔15中作往复流体运动。通过设计叶轮外罩体2、分压导流环3、分压导流舌头板5和叶轮体6的轴向和周向的定位接口 ，精确控制介质流动腔7的结构精度，提高叶片前缘流场中棱边效应强弱的控制稳定性。叶轮外罩体2上部内侧壁上还设有用于安装分压导流环3的环形槽。

分压导流环3安装在叶轮外罩体2上部内侧壁上的环形槽内，用于为分压导流舌板5提供机械安装接口，对其进行支撑连接。

前引流环4设置在叶轮外罩体2的上端，用于对分压导流环3和分压导流舌板5进行轴向约束。

连接套13安装在叶轮主轴上端，用于为分压导流舌板提供机械安装接口。

如图1、3所示，分压导流舌板5有多个，均布安装在连接套13与分压导流环3之间，且位于叶轮外罩体2内腔上部；每个分压导流舌板5的一端与分压导流环3止口配合连接，另一端与连接套13止口配合连接，并与叶轮体6之间具有确定角向，即分压导流舌板5与叶轮叶片以叶轮体6的主轴轴线为中心线，存在以主轴轴线为中心的周向对应角向关系；分压导流舌板5的数目与叶轮体6的叶片数目相等，使得装配叶轮体6至本发明控制装置内后，每个叶片两侧均有一个分压导流舌板5。

分压导流舌板5为本发明中的核心功能结构，如图4、5所示，单个分压导流舌板5包括第一弧形板20、第二弧形板21、第一支架22和第二支架23；第一支架22的下部用于将第一弧形板20和第二弧形板21靠近叶轮主轴的端部相连，第一支架22的上部用于与设置在叶轮主轴上端的连接套13相连接；第二支架23的下部用于将第一弧形板20和第二弧形板21远离叶轮主轴的端部相连，第二支架23的上部用于与分压导流环3相连；第一弧形板20与第二弧形板21之间的间距自内端（靠近叶轮主轴处）向外端（远离叶轮主轴处）逐渐增大。

如图6所示，相邻两个分压导流舌板5之间具有间隙24，装配到位后，叶片前缘位于该间隙24处。

如图7、8所示，沿磨粒流介质正向流动方向，属于同一个分压导流舌板5的第一弧形板20和第二弧形板21的迎流面形成正向分压导流角α；沿磨粒流介质反向流动方向，位于同一个叶片两侧相邻的两块分压导流舌板5之间的形成反向扩压角β。在磨粒流介质正向流动时，正向分压导流角α起主作用，控制主流道10（叶片与叶片之间形成主流道）与辅流道12（叶片前缘与分压导流舌板5之间形成辅流道）之间的流量与压力，减少辅流道12的介质流量，从而控制介质正向流动时对叶片11前缘棱边效应影响；在磨粒流介质反向流动时，反向扩压角β起主作用，对流入辅流道12中的介质进行扩压，减小介质流入辅流道12时对叶片11前缘的棱边效应影响，从而控制叶片前缘在流场中的棱边效应。

正向分压导流角α和反向扩压角β的大小可通过三维模型设计、逆行流场棱边效应分析确定，具体方法如下：

步骤1、在本发明控制装置中位于叶片前缘及沿着叶片前缘光滑过渡的方向延伸5mm长度区域处的介质流动腔内放置工业样膏，进行分压分流腔体定型取样。

步骤2、对步骤1定型取样得到的分压分流腔体定型样膏进行三维扫描，得到分压分流腔体的三维CAD模型。

步骤3、基于步骤2得到的分压分流腔体的三维CAD模型进行磨粒流介质流场分析，计算叶片前缘在流场中的棱边效应强弱。

步骤4、根据步骤3的磨粒流介质流场分析结果，获取最优正向分压导流角8和最优反向扩压角9。

本发明的叶轮磨粒流处理过程中叶片前缘棱边效应控制装置在使用时，将待加工的叶轮安装在本发明内，然后将本发明安装于具有数字控制的磨粒流驱动设备中，磨粒流驱动设备为本发明装置提供流动介质的动力参数，包括介质压力和介质往复运动次数。

在对离心叶轮进行磨粒流加工期间，采用本发明提供的叶轮磨粒流棱边效应控制方法或装置，能够实现在提升离心叶轮叶片表面的光洁度同时，最大限度的消除了流场中的棱边效应对叶片前缘轮廓精度产生的影响，从而能获得表面完整性状态好的叶轮产品。以TC11钛合金离心叶轮为例，常规磨粒流处理介质压力为300参量、循环次数为6个循环、工作时长17分钟，获得叶轮表面粗糙度Ra0.6。而在磨粒流处理期间通过采用本发明，TC11钛合金离心叶轮磨粒流介质压力可提升到700参量、循环次数可达到20个循环、获得叶轮表面粗糙度Ra0.2~Ra0.3等级，叶片前缘轮廓精度±0.035mm，叶片前缘表面未见明显损伤，表明本发明有效提高叶片的叶盆和叶背表面粗糙度等级的同时，能保证叶片前缘轮毂精度和表面微观质量。

Claims (2)

1.实现叶轮磨粒流处理过程中叶片前缘棱边效应控制方法的装置，其特征在于：包括叶轮底座、叶轮外罩体、分压导流环、前引流环、连接套和分压导流舌板；

叶轮底座用于支撑限位待加工叶轮，且其上设有介质流道腔；

叶轮体的内流道面与叶轮外罩体的内壁之间、叶轮外罩体的内侧壁与叶轮底座的外侧壁之间形成介质流动腔，该介质流动腔与所述介质流道腔相连通；

叶轮外罩体与叶轮底座上下对接，二者之间形成叶轮体的安装腔体；

分压导流环安装在叶轮外罩体上部，用于为所述分压导流舌板提供机械安装接口；

前引流环设置在叶轮外罩体的上端；

连接套设置在叶轮主轴上端，用于为所述分压导流舌板提供机械安装接口；

分压导流舌板有多个，数目与待加工叶轮的叶片数目相同，均布设置在所述连接套与分压导流环之间；

磨料在所述介质流动腔内正向流动时，所述分压导流舌板用于对叶片前缘的流场压力进行分压；磨料在所述介质流动腔内反向流动时，所述分压导流舌板用于对叶片前缘的流场压力进行扩压；

每个所述分压导流舌板的一端与分压导流环止口配合，另一端与连接套止口配合，并与叶轮体具有确定角向；

单个分压导流舌板包括第一弧形板、第二弧形板、第一支架和第二支架；第一支架的下部用于将第一弧形板和第二弧形板靠近叶轮主轴的端部相连，第一支架的上部用于与设置在叶轮主轴上端的连接套相连接；第二支架的下部用于将第一弧形板和第二弧形板远离叶轮主轴的端部相连，第二支架的上部用于与分压导流环相连；第一弧形板与第二弧形板之间的间距自内端向外端逐渐增大；沿磨粒流介质正向流动方向，属于同一个分压导流舌板的第一弧形板和第二弧形板的迎流面形成正向分压导流角；

沿磨粒流介质反向流动方向，位于同一个叶片两侧相邻的两块分压导流舌板之间的形成反向扩压角。

2.根据权利要求1所述的叶轮磨粒流处理过程中叶片前缘棱边效应控制方法的装置，其特征在于：所述正向分压角和反向扩压角的具体确定方法为：

步骤1、在位于叶片前缘及沿着叶片前缘光滑过渡的方向延伸一定长度区域处的介质流动腔内放置工业样膏，进行分压分流腔体定型取样；

步骤2、对步骤1定型取样得到的分压分流腔体定型样膏进行三维扫描，得到分压分流腔体的三维CAD模型；

步骤3、基于步骤2得到的分压分流腔体的三维CAD模型进行磨粒流介质流场分析，计算叶片前缘在流场中的棱边效应强弱；

步骤4、根据步骤3的磨粒流介质流场分析结果，获取最优正向分压导流角和最优反向扩压角。

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