基于激光测距原理的叶片气膜孔检测技术探讨

李其 马毅力 张丽

中国航发西安航空发动机有限公司 陕西 西安 710021

引言

航空发动机发展中，提高涡轮前温度一直是改进发动机性能的重要途径，然而，受金属材料耐热性能的制约，该温度却不能无限提高，随着涡轮叶片冷却技术的发展，才允许该温度有较高数值，从而使发动机性能得到提高。为了不断提高发动机性能，设计者对冷却效果的追求从未停止，随着机械制造与模拟实验技术的提升，对气膜孔的排列、孔径、方向等提出了更高的要求，因此，准确检测成为冷却效果提升的基础要求。

1 发动机设计对涡轮叶片冷却的要求

发动机设计者一直在孜孜追求优越的发动机性能，在材料未获得突破的前提下，航空发动机涡轮叶片上加工气膜冷却孔，可降低叶片表面温度（约400～500℃），从而提升涡轮叶片的温度裕度，使提高涡轮前温度来获得较大的推重比得以实现。航空发动机叶片气膜孔直径和坐标位置尺寸是保持叶片在高温高速状态下机械性能的重要参数，是发动机故障点之一，已引起业界专家和工程技术人员的高度关注。在加工冷却气膜孔的叶片中，高压涡轮叶片是结构最复杂、气膜孔角度最多、最具有代表性的叶片。为了提高叶片的承温能力，有的叶片除叶身上设计了气膜孔之外，在缘板上也设计了形状和角度不同的气膜孔。实践证明：叶片的冷却效果与叶身曲面气膜孔的数量、直径和实际空间角度有着极其重要的关系[1]。

文献显示，涡轮进口温度每年平均提高约22K，在涡轮进口温度的提升发展中，材料的改善仅占40%，涡轮冷却技术的贡献则占到60%，其中TBC涂层（热障涂层）可使叶片表面温度降低100～150K，而气膜冷却可降低400～500K。图1为发动机涡轮前温度发展趋势图。因此，对叶片气膜孔的准确检测，几何技术状态的实时监控，确保加工的气膜孔符合设计要求对提高燃气涡轮发动机推重比，提高航空发动机的性能有着非常重要的意义。

图1 发动机涡轮前温度发展趋势图

2 气膜孔检测的难点

传统的影像检测方法属二维评价方式，不但受孔口形状的影响难以准确测量，更无法实现正投影来实现对孔方向的检测。普通的坐标测量机虽可实现绝大多数零件的三维检测，但对孔径只有不到一毫米的气膜孔，其传感器无法深入孔内实现多截面测量，亦无法对气膜孔的直径、位置和方向进行准确检测。而不管是国外的图像检测还是国内的影像法、接触法检测，由于气膜孔在制孔时有加工误差以及对成像法检测影响最大的孔口倒圆、孔口不全（俗称簸箕孔）等因素，使得孔的参数无法准确测量，尤其是孔的方向。在一个叶片上通常分布着大量的孔径和方向各异的气膜孔，如图2所示，即使采用设计与工艺基准也无法在影像法测量时准确找到孔的正投影，而采用普通坐标测量机，又存在测针无法进入孔内的困扰[2]。

图2 几种典型涡轮叶片示意图

3 激光测距传感器的特点与优势

传统的接触式传感器，由于测力因素，测杆最细也在0.2mm以上，测球最小也只能到0.3mm，普通坐标测量机测针测球与被测孔如图3所示。

图3 普通坐标测量机测针测球与被测孔示意

图4 传感器工作原理图

如图4所示，激光测距传感器采用激光干涉测距原理，光点直径不足11μm，又由于是非接触测量，无任何测力，测杆直径只受半透镜和反射镜制约，可做到足够细小，能深入气膜孔内部对内壁进行扫描，按圆柱体进行孔径、位置、方向的评定，可实现细小孔、极短孔的按圆柱测量[3]。

4 基于激光测距传感器的测量系统总体方案设计

4.1 系统方案

针对气膜孔测量任务，拟采用某四轴坐标测量机为平台，增配激光干涉测距传感器、OP光学控制器、光学数据采集软件构成测量系统，图5为系统组织方案。坐标测量机作为实施平台，提供空间测量的基础框架结构，激光干涉测距传感器主要负责完成气膜孔的测量点的获取，集成在坐标测量机上实现三维测量数据的捕获。控制器和测量软件负责驱动坐标测量机和光学传感器，实现三维数据的捕获、测量数据的处理，计算气膜孔的相关尺寸和位置。

图5 系统组成方案

4.2 系统结构

气膜孔专用测量装置，由激光测距传感器、坐标测量机主体、控制系统、传感器、软件构成，图6为系统结构示意图。

系统组成：

图6 系统结构示意图

4.3 工作流程

首先建立零件坐标系，坐标系特征根据具体检测要求进行选择，再使用激光干涉测距原理的扫描测头获取气膜孔内壁测点信息，计算得到圆柱，对实测的圆柱特征进行评价，评判孔径、位置、方向等特征要素，生成测量报告。绘制出孔径、位置的偏差情况，清晰地表达出测量和计算分析的结论。图7为工作流程图[4]。

图7 工作流程图

5 测量与评价

气膜孔的检测，根据工艺要求主要检测内容为孔径、位置和方向。

采用专用工装对涡轮叶片进行装夹定位，测量设备为增配了激光干涉测距传感器的某四轴坐标测量机。

5.1 测量基准的建立

测量基准是实现测量和评价的基础，也是实现制定孔的测量的参考系。在工序检测中，为了与加工基准吻合，采用夹具定位建立测量基准，从而确保检测基准与加工基准一致。使用这种基准的意义是，检测的结论，反映了加工制造过程的误差，加工的调整可依据检测结论进行。

在最终检测中，根据叶片的安装基准，确定检测坐标系，确保与设计基准统一。涡轮叶片的安装基准，一般选择榫齿，坐标系建立在榫齿上，需要根据榫齿设计要求，测量榫齿的工作面，计算榫齿定位的方向和坐标系原点，在榫齿定位坐标系下，气膜孔的位置则反映的是装配后的实际工作状态。

5.2 数据采集

确定了测量基准也就确定了被测量气膜孔的参考坐标系，然而，任何精密加工，都不可能做到绝对准确，对气膜孔的加工来说，制造误差主要是孔径以及孔中心轴线的位置和方向偏差。由于激光测距传感器的测杆足够细，采样距离足够大，测量系统采用了带回转轴的坐标测量机，所配激光测距传感器的测杆方向可在空间实现旋转，能够确保在被测件数模的引导下使测杆基本位于被测孔的轴线上，加工误差不构成对测量过程的影响，系统可在数字模型引导下进入孔内完成扫描测量，并按圆柱体计算评价各孔的直径、空间位置和方向[5]。

6 结束语

基于激光测距传感器的气膜孔测量系统，所采用的激光测距传感器的光学测杆属非接触测量、无测力、直径小，能够在程序控制下进入孔内扫描到气膜孔内壁表面获取足够的测量点，点采集的准确度在微米级，具有纳米级的分辨率，亚微米级的重复性。通过大量密集取点，获得气膜孔内表面的轮廓，从而按圆柱进行计算评价，可得到孔径、位置和方向数据，还可获取孔口的倒圆情况。

搭载传感器的某高精度四轴坐标测量机，其空间测量最大误差MPEE=0.9μm +10-6L，高速的运行平台单轴运行速度在数百毫米每秒的水平，足够支持激光干涉测距传感器实现高速的扫描测量，保证测量气膜孔时的准确性和测量效率。

该技术可提供准确的气膜孔检测数据，有助于发现和解决工艺问题，提升加工质量，将显著提升发动机涡轮叶片气膜孔检测技术水平。