一种利用气体进行叶片小微孔角度测量的方法转让专利
申请号 : CN202011219120.2
文献号 : CN112414333B
文献日 : 2021-10-22
发明人 : 黄文俊 , 卢喜怀 , 彭盛佳 , 刘京轩 , 邹沙 , 袁曼
申请人 : 中国航发南方工业有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种利用气体进行叶片小微孔角度测量的方法,其用于对航空发动机叶片的气膜孔的实际角度进行直接测量,其特征在于,其包括如下步骤,步骤A,对于每一批次的所述航空发动机叶片,选取至少一片所述航空发动机叶片,在每一组所述气膜孔中的至少一个所述气膜孔上装配刚性测量针,在光学测量设备上进行调试测量,从而一方面确定所述航空发动机叶片的测量坐标系在光学测量设备上的准确位置,另一方面获得所述刚性测量针的测量影像,步骤B,取下所述刚性测量针,向所述航空发动机叶片供着色气体,调节供气压力,使靠近所述气膜孔的至少5mm范围内的气柱保持线性,采集从步骤A中装配刚性测量针的所述气膜孔喷出的气柱的测量影像数据,并与步骤A获得的所述刚性测量针的测量影像数据进行比对,获得气柱在光学测量中的影像数据与刚性测量针的测量影像数据的换算关系,从而可计算出所述气膜孔加工所允许的公差范围与气柱在光学测量中的影像数据的对应关系,对于其他没有装配刚性测量针的所述气膜孔以及其他的所述航空发动机叶片,只要喷出的气柱所获得的测量数据与步骤A中装配过刚性测量针的所述气膜孔喷出的气柱所获得的测量数据一致或者在加工公差对应的影像数据范围内,则可判断为符合加工要求,若超出加工公差对应的影像数据范围,则判断为不符合加工要求。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤A中,用于装夹述航空发动机叶片的装夹结构包括一个与光学测量设备连接的底座以及一个与所述底座可拆卸连接的叶片夹座。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤B中,所述着色气体为加压空气先进入一个装有大颗粒物质的容器,再通过管道携带大颗粒物质形成。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,在步骤B中,所述大颗粒物质包括粉笔灰或打印机墨粉或水泥。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤B中,所述着色气体为先向一个容器内充入一定压力的气溶胶,再使通过一个压力阀控制从该容器释放的气溶胶的压力之后,通过管道形成。
说明书 :
一种利用气体进行叶片小微孔角度测量的方法
技术领域
背景技术
温、高压环境下还保有良好的力学性能,需要在将叶片铸造成空心结构,通过在内腔设置排
气通道,并在叶片的叶身上,特别是叶身排气边上加工出多个气膜孔接通内腔,从而使得进
入内腔的冷空气可以从叶身的气膜孔中喷出,在带走一定叶身热量的同时,在叶身上形成
一层冷空气保护层,从而进一步降低叶身温度,保证叶片不被高温、高压的燃气烧蚀。因此,
每一个气膜孔的角度均有严格要求,这样才能确保冷空气能均匀覆盖叶身所有区域,
叶身的剖面结构原理示意图;图1e为图1d的A‑A剖面结构原理示意图;其中,图1c、图1d和图
1e中标示的X、Y、Z为叶片测量坐标系,其依据中国航空工业部标准中的定义,在此不再赘
述。参见图1a‑1e所示,该航空发动机叶片100采用空心内冷结构,叶片底部设置铸造成型的
与内腔连通的靠近前缘一侧的第一进气口11和靠近后缘一侧的第二进气口12,在叶尖设置
有深2mm的叶尖槽30,所述叶尖槽30设置有出气口,所述后缘设置有Z轴平行的加工面20,所
述加工面20上设置有多个与所述内腔连通的气膜孔21。
20,然后所述气膜孔21通过电火花加工方式在所述加工面20打孔成型后接通所述航空发动
机叶片100的内腔。
说,所述加工面20可能会设置有不止一组的不同孔径的所述气膜孔21,在图1e中显示的是
在所述加工面20上设置的是孔径相同的同一组所述气膜孔21的情况。
片100的榫头部(也即是与所述第一进气口11和所述第二进气口12)密封连通,通过输入加
压的水流,观察检测是否所有的所述气膜孔21能够排水,从而判断所述气膜孔21与内腔的
连通与否。此外,如发明人在中国专利ZL2017112497983中提供的一种涡轮叶片机加孔空气
流量测量方法所述,还可直接测量获得所述气膜孔21的流量数据。
轴的夹角α可设计为61.5°±30′,所述气膜孔21相对于叶片测量坐标系的Z轴的夹角β可设
计为80°±30′。由于所述气膜孔21的孔径过小,目前,尚未有公开的技术方案可用于对所述
气膜孔21的角度进行直接测量。
再通过三坐标机测量标准量棒的角度,角度合格则表示机床和/或夹具调整角度合格,再加
工要求图纸要求孔径的小孔。
φ1的大孔与直径φ0.25无直接关联(电火花加工设备的参数设置不同),这种测量方法误
差大,通常误差在1°~1.5°之间。
“2019111032776用于叶片小微孔角度测量的测量针的使用方法”叁件发明专利申请,提供
了一套完整的利用刚性测量针实现对叶片气膜孔角度的直接测量的技术方案,可获得真实
的气膜孔角度数据,而且测量过程不会对叶片造成物理损伤。从而可对每一个叶片都进行
检测,也就可以大大提高成品的合格率。
的装配又比较繁琐,因此工人的劳动强度还是比较大,且由于测量针的装配耗时较长,因此
整体的测量效率还有待提升。
发明内容
进行调试测量,从而一方面确定所述航空发动机叶片的测量坐标系在光学测量设备上的准
确位置,另一方面获得所述刚性测量针的测量影像。
述气膜孔喷出的气柱的测量影像数据,并与步骤A获得的所述刚性测量针的测量影像数据
进行比对,获得气柱在光学测量中的影像数据与刚性测量针的测量影像数据的换算关系,
从而可计算出所述气膜孔加工所允许的公差范围与气柱在光学测量中的影像数据的对应
关系,对于其他没有装配刚性测量针的所述气膜孔以及其他的所述航空发动机叶片,只要
喷出的气柱所获得的测量数据与步骤A中装配过刚性测量针的所述气膜孔喷出的气柱所获
得的测量数据一致或者在加工公差对应的影像数据范围内,则可判断为符合加工要求。若
不一致且超出加工公差对应的影像数据范围,则判断为不符合加工要求。
附图说明
具体实施方式
析,提供了一套完整的利用刚性测量针实现对叶片气膜孔角度的直接测量的技术方案,可
获得真实的气膜孔角度数据,而且测量过程不会对叶片造成物理损伤。从而可对每一个叶
片都进行检测,也就可以大大提高成品的合格率。该使用刚性测量针进行测量的方案,虽然
数据准确性高,但由于单个叶片上可能会有不止一组所述气膜孔21,对于每一批次的每一
片叶片,都要在每一组所述气膜孔21中的至少一个所述气膜孔21上装配测量针,而测量针
的装配又比较繁琐,因此工人的劳动强度还是比较大,且由于测量针的装配耗时较长,因此
整体的测量效率还有待提升。
明人在先申请的中国专利ZL2017112497983一种涡轮叶片机加孔空气流量测量方法所记载
的技术方案,在该技术方案中,使用了加压至0.09Mpa的空气对所述气膜孔21的流量进行测
量,发明人所在团队发现,在利用加压空气对所述气膜孔21的流量,每个所述气膜孔21所产
生的气流都是按照所述气膜孔21的轴向喷出,但加压空气无色,因此不能通过光学方式直
接进行观测。如能使得从所述气膜孔21喷出的气柱带有一定的颜色,也即是能对光造成一
定的反射或折射,能够在光线投射时产生投影,即可利用光学设备对气柱进行测量,从而可
获得所述气膜孔21的参数。也即是获得所述气膜孔21相对于叶片测量坐标系的X轴的夹角α
和与Z轴的夹角β的数据。
片底部设置铸造成型的与内腔连通的靠近前缘一侧的第一进气口11和靠近后缘一侧的第
二进气口12,在叶尖设置有深2mm的叶尖槽30,所述叶尖槽30设置有出气口,所述后缘设置
有Z轴平行的加工面20,所述加工面20上设置有多个与所述内腔连通的气膜孔21。其包括如
下步骤,
量设备上进行调试测量,从而一方面确定所述航空发动机叶片100的测量坐标系在光学测
量设备上的准确位置,另一方面获得所述刚性测量针的测量影像。
角度相同,这也就意味着,对于每一组所述气膜孔21,只需要测量其中一个所述气膜孔21即
可。
夹角α和与Z轴的夹角β满足精度要求,则即可将通过刚性测量针获得的测量影像记录下来
作为比较样板。
例,参见图2和图1e所示,只要能够使得所述加工面20(也即是Z轴)与数字式卧式投影仪的
投射光线垂直,则可轻松的测量出所述刚性测量针与所述加工面20的夹角β。参见图1d所
示,在测量所述气膜孔21相对于叶片测量坐标系的X轴的夹角α时,则需要使得叶片测量坐
标系的X‑Y平面与投射光线垂直,在现有的对所述刚性测量针的测量中,用于装夹所述航空
发动机叶片100的基座只要在叶片测量坐标系的X‑Y平面的投影不遮挡住所述加工面20以
及所述刚性测量针的投影,即可直接测量获得所述气膜孔21相对于叶片测量坐标系的X轴
的夹角α。也即是说,当使用数字式测量投影仪进行测量时,夹具的空间结构需要有一定的
限定,才能确保测量获得所述气膜孔21相对于叶片测量坐标系的X轴的夹角α。
待测工件通过摄像头在电脑显示器上成像,然后通过电脑中的软件对待测尺寸进行测量。
因此对于装夹所述航空发动机叶片100的基座即可没有像使用数字式测量投影仪的基座那
样的限制。
“2019111027142一种叶片小微孔角度测量方法”中所述,如何对装配刚性测量针的所述航
空发动机叶片100进行装夹,方式有多种,具体可见发明人团队的若干在先申请专利文献,
如201610873006.9、201811495958.7等文献记载的现有的叶片装夹方式和技术方案。例如,
现有的用于装夹所述航空发动机叶片100的基座可以是包括设置在一个分度盘上的榫齿装
夹结构,这样通过榫齿装夹结构可以在装夹后保障所述航空发动机叶片100的Z轴方向,通
过分度盘可以调整所述航空发动机叶片100的X‑Y轴方向。
用的装夹底座的结构原理示意图;参见图2所示,改造的核心是在榫齿装夹结构处要提供一
个连接有进气接头的可密封的缓冲腔,这样就可以在测量时向所述航空发动机叶片100供
给恒定压力的气体。具体来说,本发明所使用的装夹结构可以包括一个与光学测量设备连
接的底座41以及一个与所述底座41可拆卸连接的叶片夹座42,所述底座41可以是设置有分
度盘结构也可以设置有多轴系统,只要能够方便的调整所述叶片夹座42的空间位置即可,
所述叶片夹座42用于夹持所述航空发动机叶片100的榫头部分,其可以如图2所示,叶片夹
座42包括一个定榫齿面和一个动榫齿面,当定榫齿面和动榫齿面夹持住所述航空发动机叶
片100的榫齿后,在所述航空发动机叶片100的榫齿底部形成有一个封闭的缓冲腔43,所述
叶片夹座42设置有与所述缓冲腔43连通的进气接头44,所述定榫齿面和所述动榫齿面的轴
向长度要略大于所述航空发动机叶片100的榫齿的长度,当所述定榫齿面和所述动榫齿面
夹持住所述航空发动机叶片100的榫齿后,榫齿轴向(即长度方向上)两端的空间可以利用
黄蜡或者橡胶块进行封闭,这样可以保障所述缓冲腔43的密封性。所述叶片夹座42的用于
与所述底座41连接的结构可以是设置为柱状(图中未示出),这样,所述底座41就可以设置
一个市售的“3R工装夹具”结构,从而可以对于每个待测的所述航空发动机叶片100,在外部
完成所述叶片夹座42的装夹后,很容易的装配到所述底座41上。
针的所述气膜孔21喷出的气柱的测量影像数据,并与步骤A获得的所述刚性测量针的测量
影像数据进行比对,获得气柱在光学测量中的影像数据与刚性测量针的测量影像数据的换
算关系,从而可计算出所述气膜孔21加工所允许的公差范围与气柱在光学测量中的影像数
据的对应关系,对于其他没有装配刚性测量针的所述气膜孔21以及其他的所述航空发动机
叶片100,只要喷出的气柱所获得的测量数据与步骤A中装配过刚性测量针的所述气膜孔21
喷出的气柱所获得的测量数据一致或者在加工公差对应的影像数据范围内,则可判断为符
合加工要求。若不一致且超出加工公差对应的影像数据范围,则判断为不符合加工要求。
叶片100供给着色气体,也即是通过进气接头向所述航空发动机叶片100供给着色气体,从
而使得具有恒定压力的气体能够从所述气膜孔21喷出。
持轴向线性,即可用于精确测量。
叶片100的内腔即可承受0.09Mpa的空气压力。
做了实验,包括,
0.3Mpa时,所述气膜孔21喷出的烟柱可以在至少5mm的距离上保持轴向线性,且凝聚性较
好,但距离远了之后粉尘即会散落。
火器喷出,也可以是由例如美国ATI公司的TDA‑5C气溶胶发生器这样的设备生成。在与上一
种方案相同的压力下,气溶胶从所述气膜孔21喷出形成的烟柱的凝聚性更好,且轴向线性
会长至少1mm。
的情况下,气柱在光学测量时,可能会有一定的影像偏差,为解决这个问题,在本发明中,待
从所述气膜孔21喷出的气柱稳定后,采集从步骤A中装配刚性测量针的所述气膜孔21喷出
的气柱的测量影像数据,并与步骤A获得的所述刚性测量针的测量影像数据进行比对,即可
获知特定条件下(气柱压力和收集装置的负压在恒定值的情况下),气柱在光学测量中的影
像数据与刚性测量针的测量影像数据的差别,也即是可以获知,气柱在光学测量中的影像
数据与刚性测量针的测量影像数据的换算关系,从而可计算出所述气膜孔21加工所允许的
公差范围与气柱在光学测量中的影像数据的对应关系,也即是可以获得气柱在光学测量中
的影像数据的范围。对于每个批次的所述航空发动机叶片100,可以选取3‑5片所述航空发
动机叶片100来装配刚性测量针进行测量后,记录刚性测量针的测量数据,再对这些装配过
刚性测量针的所述气膜孔21喷出的气柱进行测量,这样可以用3‑5组对比数据获得更加准
确的换算关系。
的气柱所获得的测量数据一致或者在加工公差对应的影像数据范围内,则可判断为符合加
工要求。若不一致且超出加工公差对应的影像数据范围,则判断为不符合加工要求。
人团队在2019年11月13日提交了“2019111027142一种叶片小微孔角度测量方法”、
“2019111032761用于叶片小微孔角度测量的测量针”以及“2019111032776用于叶片小微孔
角度测量的测量针的使用方法”等方案中的记载,对于每一组所述气膜孔21,仅测量其中的
一个所述气膜孔21,测量时对其他所述气膜孔21进行封堵,当然,也可以是不封堵,但对于
每一组所述气膜孔21,仅测量其中特定位置的所述气膜孔21。
接有负压装置的U型腔体,所述U型腔体的开口处的宽度可以略大于所述加工面20的宽度,
所述U型腔体在供气之前,可以使所述U型腔体的开口处贴近所述加工面20,待供气压力稳
定后,使所述U型腔体的开口处远离所述加工面20至少6mm,这样一来,从所述气膜孔21喷出
的气柱即可在负压作用下全部进入所述U型腔体,并通过管路被负压装置集中汇集,所述U
型腔体的开口处远离所述加工面20至少6mm,也就不会影响光学测量设备对靠近所述气膜
孔21的5mm范围内的气柱的测量。
第一进气口11和所述第二进气口12的面积之和的比值为依据,根据输入的着色气体的压力
进行调整,例如,当只连通一个所述气膜孔21(即其他的气膜孔21均封堵住),一个气膜孔21
的面积与叶片底部两个进气口面积之和的比值为1:30,则所述气体回收装置处的负压可调
整为进气压力的10倍左右,当然,负压数值的设定还与所述气体回收装置与所述气膜孔21
的距离,所述气体回收装置的结构有关,在此不一一列举。
上。
在X‑Y平面的投影为垂直向下。
性测量针的测量影像。之后利用从所述气膜孔21喷出的气柱的测量影像与所述刚性测量针
的测量影像进行比对分析,从而计算出所述气膜孔21加工所允许的公差范围与气柱在光学
测量中的影像数据的对应关系,这样就可以直观的直接利用从所述气膜孔21喷出的气柱进
行影像测量,获知所述气膜孔21是否满足加工要求。
本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解,并将各实施例中所涉及的技术方案
看作是可以相互组合成不同实施例的方式来理解本发明的保护范围。
均应属于本发明保护的范围。