CN116164695A - 一种涡轮导向器及其排气面积测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种涡轮导向器及其排气面积测量方法，属于航空发动机技术领域，该测量方法在进行排气窗口宽度测量时，左、右叶片的测量平面分别垂直于各自积叠轴，左、右叶片相互对应的扫描曲线径向高度一致，窗口宽度是基于同一径向高度叶型之间的最短距离求得，与排气窗口实际宽度方向更吻合。该方法宽度测量时可选取的径向高度不因测量方法受限，可根据实际需要任意选取宽度测量平面，对于弯扭叶片和排气窗口宽度沿径向分布规律较复杂的叶片适用性更好，提升了宽度测量精度。

Description

一种涡轮导向器及其排气面积测量方法

技术领域

本申请属于航空发动机技术领域，特别涉及一种涡轮导向器及其排气面积测量方法。

背景技术

涡轮导向器喉部面积是影响航空发动机及燃气轮机性能状态的重要参数，但由于导向器叶片（简称导叶）呈弯扭状，导向器喉部面积不易直接测量，无法直接作为整机性能调试中的控制参数。目前多采用靠近导向器出口的某一可测截面面积作为导向器喉部面积的表征（称这个面积为排气面积），将两个相邻导叶尾缘及上、下缘板组成的窗口称为排气窗口，若导向器有n片叶片，则共有n个窗口，依次测量所有排气窗口的面积，将所有窗口面积累加得到整个导向器的排气面积。大多数导向器中的叶片均在相同理论叶型的基础上生产出来，各排气窗口的理论形状和面积也近似相同，因此对排气面积的测量方法可以抽离成对一个窗口的测量。排气面积为各窗口面积之和。

然而现有的测量方法在测量排气窗口时，以垂直于右叶片（后视）积叠轴的方式建立若干个宽度测量平面，这些测量平面互相平行，所处径向位置不同。每个测量平面与叶身相交的交线均为类似叶型的型线，根据在各平面内测量两叶片交线之间的最短距离计算窗口宽度，交线之间最短距离点连线为宽度线，再将各宽度线中点相连并向两端延伸至导叶上、下缘板得到窗口高度线，高度线长度即为窗口高度，根据窗口宽度和高度计算窗口排气面积。依次测量导向器所有排气窗口面积累加得到导向器排气面积。

现有的测量方法所测的每一截面宽度是左右叶片不同径向位置叶型之间的最短距离，与窗口的实际宽度方向不同，而以同一径向高度叶型之间的距离表征窗口宽度与窗口实际宽度方向吻合度更高，所测宽度更精确，但现有方法无法实现。如图1所示，图中点划线所示为现有单平面方法测量的宽度线，虚线所示为排气窗口实际形状，实线所示为排气窗口实际宽度线。

此外，现有的测量方法在同一测量平面下测量左右两叶片型线时，右叶片型线径向高度势必低于左叶片，这将导致当测量平面取在靠近右叶片顶部区域时，该测量平面可能出现高于左叶片顶部的情况，与左叶片无交线，此时无法测量窗口宽度，如图2。现有方法对高半径位置的宽度测量受限，实际可测量宽度的径向区域有限，并且叶片稠度越小，对应叶片间距越大时，可测量的径向区域越小。而导向器叶片多为弯扭叶片，其排气窗口宽度沿径向的分布规律越来越复杂，测量宽度的截面数越多，得到的排气窗口宽度越精确，现有测量方法只可测量有限的径向区域，其所得窗口宽度的精确度也相应受限。

发明内容

本申请的目的是提供了一种涡轮导向器及其排气面积测量方法，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。

本申请的技术方案是：一种涡轮导向器排气面积测量方法，其特征在于，包括：

根据涡轮导向器叶片数量将排气面积分成若干个由两相邻叶片构成的排气窗口，对于任一排气窗口，建立以其任一叶片积叠轴为第一轴、发动机轴线为第二轴的坐标系；

垂直于左叶片积叠轴和右叶片积叠轴分别选定数量相同的多个不同径向位置的测量平面，按径向从高至低排序，通过测量仪在以左叶片积叠轴方向选定的多个测量平面上对左叶片外型面尾缘盆侧部分点坐标和右叶片积叠方向轴选定的多个测量平面上对右叶片外型面叶背部分点坐标进行扫描测量，形成该排气窗口坐标系下的点集；

基于所述坐标系建立相邻叶片的排气窗口理论模型，基于所述理论模型求解得到左右叶片的叶身与上、下缘板的交线，分别连接左右叶片下缘板两交线的尾缘点和上缘板两交线的尾缘点得到内、外端壁两条连线，取两条连线中点的理论坐标，采用测量仪根据理论坐标定位其在上缘板和下缘板表面的实际坐标，以所述实际坐标为起点，沿与发动机轴线预定角度的直线逆流向扫描上缘板和下缘板表面点坐标形成上缘板和下缘板特征型线点集；

将扫描左右叶片形成的特征型线点集还原成样条曲线，同一径向高度下，两段样条曲线之间的最短距离即为该径向高度下的排气窗口宽度，依次扫描所有高度下的排气窗口宽度计算得到该排气窗口的平均宽度

；

将内、外端壁扫描测量的特征型线点集还原成样条曲线，并将两样条曲线绕发动机轴线旋转成曲面，将径向位置最高和最低两条宽度线的中点连接成线段，并向两端延长交内、外回转面于两端点，两端点的长度H表征排气窗口高度，计算排气窗口的测量面积

；

重复上述步骤，测量得到涡轮导向器所有排气窗口面积，累加所有排气窗口面积得到涡轮导向器排气面积。

进一步的，每个排气窗口均建立第一轴和第二轴相同位置的坐标系。

进一步的，所述测量平面的选取数量大于4。

进一步的，左叶片和右叶片上缘板表面的实际坐标与发动机轴线的预定角度为叶片顶部叶型弦长方向与发动机轴线的夹角；

左叶片和右叶片下缘板表面的实际坐标与发动机轴线的预定角度为叶片根部叶型弦长方向与发动机轴线的夹角。

进一步的，所述排气窗口的平均宽度

，式中，W1，W2，…，Wi为i个测量平面下的宽度线。

进一步的，所述涡轮导向器排气面积S=A1+A2+…+An，式中，A1~An为各个排气窗口的测量面积。

另外，本申请还提供了一种涡轮导向器，所述涡轮导向器的排气窗口面积通过如上中任一所述的涡轮导向器排气面积测量方法得到。

本申请提供的涡轮导向器排气面积测量方法在进行排气窗口宽度测量时，左、右叶片的测量平面分别垂直于各自积叠轴，左、右叶片相互对应的扫描曲线径向高度一致，窗口宽度是基于同一径向高度叶型之间的最短距离求得，与排气窗口实际宽度方向更吻合。该方法宽度测量时可选取的径向高度不因测量方法受限，可根据实际需要任意选取宽度测量平面，对于弯扭叶片和排气窗口宽度沿径向分布规律较复杂的叶片适用性更好，提升了宽度测量精度。

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为现有技术中的测量方法宽度线示意图。

图2为现有技术中的测量方法可能存在无法在高半径位置测量宽度示意图。

图3为本申请的测量方法示意图。

图4为本申请中的左、右叶片测量平面示意图。

图5为本申请中的三坐标仪扫描测量叶片表面的轨迹。

图6为本申请中的导叶上缘板扫描测量轨迹。

图7为本申请中的下缘板扫描测量轨迹。

图8为本申请中的高度线示意图。

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。

为了使测量宽度与排气窗口实际宽度尽可能吻合，扩大可测量排气窗口宽度的径向范围，实现最大程度增加排气窗口宽度测量的截面数目，本申请提供了一种涡轮导向器排气面积测量方法，该测量方法根据导向器叶片数量将排气面积分成若干个由两相邻叶片组成的排气窗口的面积，通过三坐标仪扫描测量两叶片型线点和内外端壁型线点，得到窗口的宽度和高度，从而计算排气窗口面积，依次对所有排气窗口测量面积，累加得到导向器排气面积。

具体的，如图3所示，本申请提供的涡轮导向器排气面积测量方法包括如下步骤：

步骤S1、根据导向器叶片数量将排气面积分成若干个由两个相邻叶片组成的排气窗口，其中，两个相邻导叶尾缘及上、下缘板组成的窗口即为排气窗口。导向器所有叶片均在相同的理论叶型基础上加工而来，因此各排气窗口面积测量方法相同，对于任一窗口，以右叶片积叠轴方向为Z轴方向，发动机轴线方向为X轴，叶片积叠轴与发动机轴线的交点为坐标原点，建立该排气窗口的直角坐标系。

需要说明的是，每个排气窗口的坐标系应分别建立，都是以排气窗口内的右叶片积叠轴为Z轴。

步骤S2：垂直于左叶片积叠轴选定i个不同径向位置的左叶片测量平面，按径向从高至低依次为测量平面编号L1，L2，L3，…，Li。垂直于右叶片积叠轴选定i个与左叶片测量平面径向高度相同的右叶片测量平面，按径向从高至低依次为测量平面编号R1，R2，R3，…，Ri。

测量平面的选取数量i可以根据三坐标仪的测量能力和实际需求选取，一般大于4。

具体的，如图4所示的测量平面示意图，采用三坐标仪分别在以左叶片积叠轴选定的i个测量平面上对左叶片外型面尾缘盆侧部分点坐标进行扫描测量，形成该排气窗口坐标系下的点集。再分别在右叶片积叠轴选定的i个测量平面上对右叶片外型面叶背部分点坐标进行扫描测量，形成该排气窗口坐标系下的点集，三坐标仪扫描测量的轨迹如图5所示。

步骤S3：采用步骤S1中的坐标系建立两个相邻导叶的排气窗口理论模型，在理论模型中求解两叶片叶身与上、下缘板的交线，连接下缘板两交线的尾缘点，取连线的中点C，提取C点理论坐标；连接上缘板两交线的尾缘点，取连线的中点B，提取B点理论坐标。

采用三坐标仪根据理论坐标定位理论点B在导叶上缘板表面的实际点B’，以B’点为起点，沿与X轴夹角为α的直线，逆流向扫描上缘板表面点坐标，形成上缘板特征型线点集，如图6。其中α为导叶顶部叶型弦长方向与X轴的夹角。

可采用同样的方法定位理论点C在导叶下缘板上的实际点C’，以C’点为起点，沿与X轴夹角为β的直线，逆流向扫描下缘板表面点坐标，形成下缘板特征型线点集。其中β为导叶根部叶型弦长方向与X轴的夹角，如图7所示。

步骤S4：将扫描左、右叶片形成的点集还原成样条曲线。同一径向高度下，两段样条曲线之间的最短距离即为该径向高度下的排气窗口宽度。两条样条曲线上的最短距离点连线，即为该高度下的宽度线。依次扫描所有高度下的排气窗口宽度和宽度线（共需求i次）计算得到该排气窗口的平均宽度，该排气窗口的平均宽度计算方式为

，式中，W1，W2，…，Wi为i个测量平面下的宽度线。

步骤S5：将内、外端壁扫描测量的点集还原成样条曲线，并将两样条曲线绕发动机轴线X旋转成曲面，将径向位置最高和最低两条宽度线的中点连接成线段，并向两端延长，交内、外回转面于点D、点E，用线段DE的长度H表征排气窗口高度，如图8所示，则该排气窗口的测量面积

。

步骤S6：重复上述步骤S1～步骤S5，完成涡轮导向器所有排气窗口面积的测量，将所有面积累加即为涡轮导向器排气面积S，S=A1+A2+…+An，A1~An为各个排气窗口的测量面积。

本申请提供的涡轮导向器排气面积测量方法在进行排气窗口宽度测量时，左、右叶片的测量平面分别垂直于各自积叠轴，左、右叶片相互对应的扫描曲线径向高度一致，窗口宽度是基于同一径向高度叶型之间的最短距离求得，与排气窗口实际宽度方向更吻合。该方法宽度测量时可选取的径向高度不因测量方法受限，可根据实际需要任意选取宽度测量平面，对于弯扭叶片和排气窗口宽度沿径向分布规律较复杂的叶片适用性更好，提升了宽度测量精度。

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 (7)

1.一种涡轮导向器排气面积测量方法，其特征在于，包括：

根据涡轮导向器叶片数量将排气面积分成若干个由相邻两叶片及其上下端壁构成的排气窗口，对于任一排气窗口，建立以其任一叶片积叠轴为第一轴、发动机轴线为第二轴的坐标系；

垂直于左叶片积叠轴和右叶片积叠轴分别选定数量相同的多个不同径向位置的测量平面，按径向从高至低排序，通过测量仪以左叶片积叠轴方向选定的多个测量平面上对左叶片外型面尾缘盆侧部分点坐标和右叶片积叠方向轴选定的多个测量平面上对右叶片外型面叶背部分点坐标进行扫描测量，形成该排气窗口坐标系下的点集；

基于所述坐标系建立相邻叶片的排气窗口理论模型，基于所述理论模型求解得到左右叶片的叶身与上、下缘板的交线，分别连接左右叶片下缘板两交线的尾缘点和上缘板两交线的尾缘点得到内、外端壁上两条连线，得到缘板上中点理论坐标，采用测量仪根据理论坐标定位其在上缘板和下缘板表面的实际坐标，以所述实际坐标为起点，沿与发动机轴线预定角度的直线逆流向扫描上缘板和下缘板表面点坐标形成上缘板和下缘板特征型线点集；

将扫描左右叶片形成的特征型线点集还原成样条曲线，同一径向高度下，两段样条曲线之间的最短距离即为该径向高度下的排气窗口宽度，依次扫描所有高度下的排气窗口宽度计算得到该排气窗口的平均宽度

；

将内、外端壁扫描测量的特征型线点集还原成样条曲线，并将两样条曲线绕发动机轴线旋转成曲面，将径向位置最高和最低两条宽度线的中点连接成线段，并向两端延长交内、外回转面于两端点，两端点的长度H表征排气窗口高度，计算排气窗口的测量面积

；

重复上述步骤，测量得到涡轮导向器所有排气窗口面积，累加得到涡轮导向器排气面积。

2.如权利要求1所述的涡轮导向器排气面积测量方法，其特征在于，每个排气窗口均建立第一轴和第二轴相同位置的坐标系。

3.如权利要求1或2所述的涡轮导向器排气面积测量方法，其特征在于，所述测量平面的选取数量大于4。

4.如权利要求3所述的涡轮导向器排气面积测量方法，其特征在于，左叶片和右叶片上缘板表面的实际坐标与发动机轴线的预定角度为叶片顶部叶型弦长方向与发动机轴线的夹角；

左叶片和右叶片下缘板表面的实际坐标与发动机轴线的预定角度为叶片根部叶型弦长方向与发动机轴线的夹角。

5.如权利要求4所述的涡轮导向器排气面积测量方法，其特征在于，所述排气窗口的平均宽度

，式中，W1，W2，…，Wi为i个测量平面下的宽度线。

6.如权利要求5所述的涡轮导向器排气面积测量方法，其特征在于，所述涡轮导向器排气面积S=A1+A2+…+An，式中，A1~An为各个排气窗口的测量面积。

7.一种涡轮导向器，其特征在于，所述涡轮导向器的排气窗口面积通过如权利要求1至6中任一所述的涡轮导向器排气面积测量方法得到。

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