基于小偏差对比技术的导向器排气面积检测技术研究与应用

曹 艳，王 彤，韩晓娇，吕玉红

（中航工业沈阳发动机研究所，辽宁 沈阳 110015）

1 引言

涡轮导向器排气面积大小直接影响涡轮燃气流通能力等，尤其对发动机排气温度等参数有影响。据相关资料介绍，高压涡轮导向器排气面积每增长1%，对发动机EGT的影响约为2.5℃。所以，设计上通过换装不同组别排气边形态的叶片来改变喉道面积，以提高发动机性能。因装配间隙等因素，导向器排气面积不是单纯的导向叶片面积之和，为了获得排气面积这一重要参数，必须对装配状态的导向器进行面积测量；如果上述关系不成立，则在已知导向叶片排气面积情况下难以准确通过选配叶片严格保证排气面积，只能在导向器装配完成后测量获得面积数值，往往会经历多次“换装叶片→测量面积”的反复装配。因此，实现叶片排气面积的准确、快速和方便测量对有效控制导向器排气面积是极其重要的。

2 现状

从有限资料了解到美国GE公司是采用一种多触头测量仪检测涡轮导向器排气面积，通过设备自身直接获取面积值。国内行业有多种技术手段，多数制造厂利用杠杆表和简单测具或三坐标测量仪对导叶窗口的3个宽度、1个高度多次单独测量再计算。这些技术存在多个测量点定位基准不同步、重复性差和效率偏低问题。

3 小偏差对比排气面积检测技术研究

3.1 总体设计思想

高压涡轮导向器排气面积测量是一项比较特殊的测量。分析其特点，导向叶片本身是一个扭曲的空间型面，它使喉道排气面积为一个不规则空间截面，真实测量其面积大小有很大困难，因此国内外都规定在某一个位置上测量一个当量面积来代替真实面积；其次窗口尺寸小，类似一元硬币大小，还要满足8个点的测量。为解决空间尺寸狭小与测量点多的矛盾，研究基于小偏差对比结合一次同步定位、同步测量技术实现涡轮导向器排气面积的高精度和高效测量。

3.2 技术研究

3．2．1 多测点同步定位基准技术

要确保测量面积的准确，必须实现多个单值尺寸的准确测量，即叶片与检测系统间的可靠定位问题。该技术直接测量面积大小，其4个空间结构尺寸（如图1所示，3个宽度Tw、1个高度H）的定位点综合考虑、同步实施，解决了由4个尺寸单独定位而使定位基准不同步所引入的误差问题。

图1 空间结构尺寸

同步定位方式如图2所示，同时依据每个叶片形状相同的特点，在测量任意两个相邻叶片的喉道面积（如通道1）时，设计用任意两相邻叶片（如叶片1、叶片2）的三个截面排气边缘三点定一平面，其中一个叶片（如叶片1）的两个截面排气边缘四点定周向，另一个叶片（如叶片2）的一个截面排气边缘一点定角向；同时高度测量截面下缘板D点定高度，形成“六点”可靠定位。

图2 同步定位方式

检测系统的实现结构如图3所示，是通过2个定位杆的4个定位面、1个定位柱底面，加1个高度固定点实现“六点”定位。操作时，量具定位在叶片上，当检测下一个窗口时，量件再移动到叶片2和叶片3上，从而依次测量两个叶片间每个窗口的喉道面积，且仅需依靠自重和手扶进行，测量方便，测量点位置清晰可见。

3．2．2 小偏差对比同步测量技术

按照设计思路，要求利用检测系统自身综合联动机构实现窗口多个单值尺寸数值到面积的转换。分析单个窗口排气面积公式，是个多参数的乘积，推导其微分方程，将其转化为实际可执行的，结果如下：

由结果可知，忽略高阶无穷小项后，关系式是一个多项式的代数和。可设定单个窗口排气面积的变化量，等于各单值尺寸分值变化量的代数和。按关系式设计检测系统，可以通过其内部机构实现自动运算面积增值的目的。具体方式为：计算各单值尺寸增量将几项所测得之积加起来；将所测得结果放大显示出来。该方法即为小偏差对比法，它将窗口所有测点的数值进行同步测量，解决了分散测量累积误差大问题，缩短了测量时间。

图3 与叶片“六点”定位实现结构

3．2．3 检测系统研究与应用

研制了涡轮导向器排气面积测量仪，如图4所示。由标准校准窗口Master、量具Gage和窗口面积标准件组成。测量仪是基于液压介质实现的差分测量原理设计，实现了狭小空间、多截面最小喉道面积的直接测量。

图4 测量仪研制

测量仪通过“六点”与叶片定位，通过8个触点与叶片径向和弦向接触测量3个宽度和1个高度的变化量，再利用杠杆、液压装置将多个单值尺寸的变化转换为面积的偏差，按照“杠杆绕过阻碍它的工件的一部分”特性将空间内部测量引至外部，实现狭小空间排气面积测量，如图5所示。

图5 测量原理示意图

4 总结

基于小偏差对比的导向器排气面积检测技术研究实现了狭小测量空间、多截面的叶片排气面积一次性直接测量，解决了传统工艺多次测量计算法重复性差、效率低和使用零散等弱点，避免了三坐标法采用理论设计点计算拼接窗口引起的误差问题，使得工作效率提高了约75%，是发动机整机性能改善的重要技术保障。