王 暉, 唐 凱, 代秋林, 劉志剛, 凌代軍

中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院, 四川 綿陽 621000

0 引 言

葉柵試驗(yàn)作為研究葉型氣動(dòng)性能的基礎(chǔ)平臺(tái)，可以經(jīng)濟(jì)、快捷地獲取各類渦輪和壓氣機(jī)葉柵的葉片表面馬赫數(shù)分布、攻角和損失特性。同時(shí)，應(yīng)用紋影儀可以獲取葉柵槽道內(nèi)的激波波系形狀、位置及變化規(guī)律，可為先進(jìn)葉型研制和改進(jìn)提供重要支持。

作為研究載體，葉柵試驗(yàn)件一般由葉片和固定安裝葉片的柵板構(gòu)成，其加工質(zhì)量的好壞必然會(huì)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)造成較大影響。為了獲取準(zhǔn)確可靠的性能數(shù)據(jù)，

主觀上要盡可能提高試驗(yàn)件加工精度，同時(shí)考慮到葉柵試驗(yàn)研究的經(jīng)濟(jì)快捷性，應(yīng)定量評(píng)估試驗(yàn)件加工工藝對(duì)性能測(cè)量的影響，以便更好地控制加工質(zhì)量和成本，為今后葉輪機(jī)部件精細(xì)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

由于壓氣機(jī)葉型型線復(fù)雜，在加工過程中受到裝夾定位、應(yīng)力變形、加工振動(dòng)等因素的影響，不可避免地造成實(shí)際葉型與理論葉型存在不同程度的偏差[1-2]。高麗敏等[3]通過數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)不同位置、不同大小的葉片加工誤差對(duì)壓氣機(jī)葉柵性能的影響程度不同；李正[4]和曹傳軍等[5]亦采用數(shù)值計(jì)算方法研究了葉型前緣形狀對(duì)壓氣機(jī)性能的影響規(guī)律;張偉昊等[6-7]通過定常和非定常數(shù)值模擬結(jié)合整機(jī)試驗(yàn)的方法研究發(fā)現(xiàn),在整個(gè)工作范圍內(nèi)，葉型偏差都會(huì)造成渦輪性能的明顯下降，從而導(dǎo)致整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)隨之改變。上述研究從側(cè)面佐證了葉片加工精度控制的重要性。

在葉型表面粗糙度對(duì)葉型氣動(dòng)性能的影響研究方面，Back等[8]發(fā)現(xiàn)當(dāng)雷諾數(shù)超過4×105后，粗糙度才會(huì)對(duì)葉片載荷分布及損失有影響，Schlichting等[9]則給出了不同的等效粗糙度Ks區(qū)間內(nèi)損失與雷諾數(shù)的關(guān)系，并給出了光滑表面粗糙度的判斷準(zhǔn)則；Montis等[10]對(duì)某低壓渦輪葉柵的性能測(cè)量表明，在高雷諾數(shù)狀態(tài)下粗糙度增大會(huì)導(dǎo)致吸力面出現(xiàn)大面積分離并且總壓損失急劇增加。上述研究基于不同的試驗(yàn)葉型和加工方法得出，充分說明了葉片表面粗糙度控制對(duì)性能測(cè)量影響的重要性，但適用性仍需要進(jìn)一步確認(rèn)。

在葉柵試驗(yàn)葉片常用的線切割加工工藝方面，余心明等[11]概述了影響線切割加工表面粗糙度的因素及應(yīng)對(duì)措施；楊蕾[12]、周桂蓮等[13]采用正交試驗(yàn)法分析了線切割機(jī)各電參數(shù)對(duì)加工速度、表面粗糙度的影響，可為平面葉柵試驗(yàn)葉片線切割加工工藝提供一定參考。

萬枝銘[14]針對(duì)有機(jī)玻璃零件加工過程中的刀具選擇、裝夾方法和切削參數(shù)選擇等進(jìn)行了研究以提高有機(jī)玻璃的加工質(zhì)量；萬慶等[15]則對(duì)有機(jī)玻璃零件的數(shù)控加工工藝和拋光方法進(jìn)行了改進(jìn)以保證其加工精度和技術(shù)要求。上述研究可為葉柵試驗(yàn)件有機(jī)玻璃柵板的加工提供參考，但有機(jī)玻璃柵板加工對(duì)葉柵試驗(yàn)可視化測(cè)量的影響并不明確。

在檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用方面，國內(nèi)學(xué)者主要針對(duì)葉片檢測(cè)技術(shù)開展了廣泛的研究，其方法可應(yīng)用于葉柵試驗(yàn)葉片的檢測(cè)，但并未見葉柵試驗(yàn)件成套關(guān)鍵參數(shù)檢測(cè)的相關(guān)文獻(xiàn)。本文以典型的有機(jī)玻璃柵板葉柵試驗(yàn)件為例，從葉型線加工工藝、有機(jī)玻璃柵板加工工藝和試驗(yàn)件關(guān)鍵參數(shù)檢測(cè)方法3個(gè)方面進(jìn)行工藝試驗(yàn)和試驗(yàn)驗(yàn)證，可為類似的葉柵試驗(yàn)件加工檢測(cè)及其對(duì)葉柵性能測(cè)量的影響分析提供參考。本文中葉片表面粗糙度采用輪廓算術(shù)平均偏差Ra值評(píng)估，利用TIME 3200粗糙度儀進(jìn)行檢測(cè)確定。

1 葉柵試驗(yàn)器及測(cè)試方案

試驗(yàn)在中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院超跨聲速葉柵試驗(yàn)器上進(jìn)行。該試驗(yàn)器是一座連續(xù)吹入大氣式的超、跨聲速平面葉柵吹風(fēng)試驗(yàn)器，能進(jìn)行亞、跨、超聲速壓氣機(jī)和渦輪平面葉柵吹風(fēng)試驗(yàn)。試驗(yàn)器由氣源站供給高壓空氣，空氣經(jīng)凈化、干燥后直供設(shè)備。

試驗(yàn)器測(cè)試系統(tǒng)包括氣流參數(shù)的測(cè)量和紋影觀測(cè)、錄像2部分。氣流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)由PSI電子掃描閥系統(tǒng)、VXI采集系統(tǒng)和數(shù)采計(jì)算機(jī)等組成。在穩(wěn)壓箱內(nèi)測(cè)取來流總壓和總溫，柵前柵后靜壓由布置于柵板上的靜壓孔測(cè)取，在葉柵中間通道的2個(gè)測(cè)壓葉片上測(cè)取葉片表面壓力，在葉柵出口測(cè)量平面利用探針步進(jìn)采集計(jì)算出口流場(chǎng)參數(shù)。所有的被測(cè)參數(shù)均由數(shù)采計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集和處理，并將計(jì)算結(jié)果及時(shí)在屏幕上顯示出來。

試驗(yàn)器配備了積木式結(jié)構(gòu)的WCL-450紋影儀、高性能圖像處理PC機(jī)、工業(yè)攝像機(jī)及圖像處理軟件組成的紋影圖像處理系統(tǒng),可以觀察試驗(yàn)時(shí)氣流流經(jīng)葉柵模型所產(chǎn)生的激波波系紋影圖像，并用照相機(jī)拍攝穩(wěn)定狀態(tài)下的波系紋影照片。

2 直葉片加工工藝研究

常用的葉柵試驗(yàn)件葉片加工一般有線切割和銑削加工2種，本文主要針對(duì)最常用的線切割加工方法進(jìn)行研究。目前用于直葉片加工的線切割機(jī)根據(jù)加工精度分為高速往復(fù)走絲(俗稱“快走絲”)、低速單向走絲(俗稱“慢走絲”)和中走絲3類?？熳呓z采用的是可反復(fù)使用的鉬絲，加工過程中抖動(dòng)大、易斷絲，加工精度和表面質(zhì)量較低。慢走絲采用的是一次性使用的黃銅電極絲，切割精度很高，精度可達(dá)到0.001 mm級(jí)，工作平穩(wěn)、抖動(dòng)小，表面質(zhì)量好。而中走絲采用的電極絲材料與快走絲相同，工作相對(duì)平穩(wěn)、抖動(dòng)小，并通過多次切割減少材料變形及鉬絲消耗帶來的誤差，使得加工質(zhì)量也相對(duì)較高。

3種線切割方式參數(shù)對(duì)比見表1，得到的樣件如

表1 不同線切割方式對(duì)比Table 1 Comparison of different wire-electrode cutting methods

圖1所示，從左至右依次為快走絲、中走絲和慢走絲樣件。從圖中可以看出：采用快走絲時(shí)，樣件表面可見加工紋路；采用中走絲時(shí)，情況明顯改善；采用慢走絲時(shí)，樣件表面較為光滑細(xì)膩。雖然快走絲設(shè)備目前在加工廠應(yīng)用最廣泛，但對(duì)于平面葉柵試驗(yàn)直葉片加工而言，直接采用快走絲方式得到的葉片表面粗糙度是偏大的。

圖1 不同走絲方式獲得的樣件Fig.1 Sample pieces from different processing methods

對(duì)于厚度較大的渦輪直葉片，可以采用銑削加工，表面粗糙度可達(dá)到Ra=0.8；但對(duì)于葉型較薄的壓氣機(jī)直葉片，受刀具切削力較大，一般仍采用線切割加工，采用慢走絲可達(dá)到Ra=0.8；而壓氣機(jī)葉片前緣和尾緣由于尺寸較小(當(dāng)量半徑在0.1 mm量級(jí))，相對(duì)于渦輪葉柵更容易出現(xiàn)超差情況，需要反復(fù)調(diào)整機(jī)床參數(shù)來確保葉型輪廓度達(dá)標(biāo)?？紤]到慢走絲需要專用設(shè)備，且費(fèi)用較高，嘗試采用快走絲進(jìn)行粗加工，然后采用拋光的工藝進(jìn)行表面粗糙度提升，結(jié)果表明，雖然粗糙度滿足設(shè)計(jì)要求，但葉型輪廓度極難達(dá)到0.1 mm量級(jí)的要求。而對(duì)于渦輪直葉片，在粗加工時(shí)預(yù)留余量進(jìn)行拋光雖然滿足葉型輪廓度的要求，但很難保證全葉高拋光的均勻性，可能會(huì)導(dǎo)致進(jìn)行油流流跡顯示試驗(yàn)時(shí)油流試劑無法吸附在葉片表面。因此，建議采用一次加工到位的工藝來加工直葉片。

在明確了各種加工方法可得到的粗糙度范圍后，為了確定試驗(yàn)可用的葉片表面粗糙度設(shè)計(jì)取值范圍，對(duì)葉片表面粗糙度對(duì)性能測(cè)量的影響進(jìn)行了研究。對(duì)某壓氣機(jī)葉柵在不同粗糙度、不同攻角和試驗(yàn)雷諾數(shù)狀態(tài)下的葉片表面等熵馬赫數(shù)分布特性進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量，0°攻角狀態(tài)下的葉片表面等熵馬赫數(shù)分布見圖2，圖中橫坐標(biāo)為葉片表面測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)X與葉片弦長(zhǎng)b的比值。從圖中可以看出,Re=0.9×106時(shí)，粗糙度變化對(duì)葉片表面等熵馬赫數(shù)分布影響較小。在Re=1.5×106時(shí)，當(dāng)Ra≥6.2，吸力面分離位置由Ra=3.0時(shí)的70%左右相對(duì)弦長(zhǎng)位置提前到40%，說明粗糙度較大時(shí)會(huì)誘發(fā)層流提前轉(zhuǎn)捩，導(dǎo)致吸力面出現(xiàn)大面積分離，從而導(dǎo)致?lián)p失急劇增加。但Ra=6.2和12.3的葉片表面等熵馬赫數(shù)分布差異不大，說明該狀態(tài)存在粗糙度臨界值，超過該值后葉片表面等熵馬赫數(shù)分布不受其影響。其余工況下，隨著雷諾數(shù)的增大，粗糙度的增大對(duì)吸力面和壓力面表面馬赫數(shù)分布的影響程度并不相同，吸力面峰值馬赫數(shù)降低，峰值位置也會(huì)隨著雷諾數(shù)的增大而逐漸前移，從而導(dǎo)致葉片載荷發(fā)生較大變化。圖3給出了i=0°、Re=1.29×106狀態(tài)下的油流圖片，印證了該雷諾數(shù)下粗糙度越大，分離位置越靠前。更詳細(xì)的相關(guān)研究見文獻(xiàn)[16]。

圖2 不同試驗(yàn)雷諾數(shù)狀態(tài)下葉片表面等熵馬赫數(shù)分布Fig.2 Isentropic Mach number distribution at different Reynolds number states

圖3 i=0°、Re=1.29×106時(shí)吸力面油流圖片F(xiàn)ig.3 Suction side oil flow pictures at i=0°，Re=1.29×106

為了進(jìn)一步明確粗糙度的加工技術(shù)要求，采用慢走絲和中走絲加工方法，對(duì)另一套壓氣機(jī)葉柵進(jìn)行了對(duì)比研究，分別按照葉片表面粗糙度Ra=0.8和1.6各加工一套試驗(yàn)件，并標(biāo)識(shí)為A和B，獲得的葉片表面等熵馬赫數(shù)分布如圖4所示，其中Ma1為進(jìn)口馬赫數(shù)，β1為試驗(yàn)進(jìn)口氣流角。在表面加工精度較高時(shí)，對(duì)該葉型來說表面等熵馬赫數(shù)分布受粗糙度影響較小。從圖5總壓損失系數(shù)隨進(jìn)口馬赫數(shù)的變化曲線可以看出兩者的差異較小，粗糙度Ra=0.8的試驗(yàn)件損失略低于粗糙度Ra=1.6的試驗(yàn)件。

圖4 不同試驗(yàn)馬赫數(shù)狀態(tài)下葉片表面等熵馬赫數(shù)分布Fig.4 Isentropic Mach number distribution at different Mach number states

圖5 總壓損失系數(shù)隨進(jìn)口馬赫數(shù)的變化曲線Fig.5 Total pressure loss variation with inlet Mach number at different blade surface roughness states

從上述2套試驗(yàn)件的對(duì)比研究可以看出，雖然葉片表面粗糙度對(duì)葉型的影響程度和規(guī)律與葉型有一定的關(guān)聯(lián)，但主要的影響機(jī)制在于在高雷諾數(shù)狀態(tài)下粗糙度的增大會(huì)導(dǎo)致層流提前轉(zhuǎn)捩，從而導(dǎo)致?lián)p失增加，載荷降低?；诙嗵兹~柵的對(duì)比試驗(yàn)，從性能研究的角度來說，建議高速高負(fù)荷葉柵的葉片表面粗糙度不低于Ra=1.6，在加工條件允許時(shí)，粗糙度可取更小值。

3 有機(jī)玻璃柵板加工工藝研究

作為平面葉柵試驗(yàn)件葉片固定安裝的柵板，一般可由45#鋼、不銹鋼和有流場(chǎng)可視化需求的航空有機(jī)玻璃或者光學(xué)玻璃材料加工而成，成品件見圖6。前兩者機(jī)械加工裝配技術(shù)已較為成熟，加工周期短并且質(zhì)量有保障。玻璃柵板加工難度較高，且加工質(zhì)量對(duì)后期紋影拍攝效果也有較大影響。

圖6 航空有機(jī)玻璃柵板平面葉柵試驗(yàn)件Fig.6 Cascade test model with Aero-Plexiglass sidewall

作為常用的高分子材料，航空有機(jī)玻璃具有透光性能好、機(jī)械強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定、易加工的特點(diǎn)；光學(xué)玻璃雖然具有更加穩(wěn)定的光學(xué)性質(zhì)和高度的光學(xué)均勻性，但加工費(fèi)用較高?？紤]到葉柵試驗(yàn)件的經(jīng)濟(jì)快捷性要求，本文主要對(duì)較為常用的航空有機(jī)玻璃加工過程進(jìn)行研究。

首先，需要根據(jù)風(fēng)口尺寸大小和試驗(yàn)工況預(yù)估柵板受力情況，選擇合適厚度的有機(jī)玻璃板材進(jìn)行柵板加工。試驗(yàn)時(shí)，葉片受力很大，都通過榫頭傳遞給有機(jī)玻璃柵板，厚度不足容易產(chǎn)生裂紋甚至斷裂。

其次，從外觀上來說，有機(jī)玻璃柵板是透明的，但是存在透明但不透光的黑色區(qū)域，使用這些區(qū)域加工的柵板將無法滿足流場(chǎng)可視化需求。因此，加工前首先需要對(duì)柵板材料進(jìn)行光學(xué)預(yù)檢查，確保透光區(qū)域的大小能夠滿足視窗尺寸要求。一般采用紋影儀對(duì)有機(jī)柵板進(jìn)行預(yù)檢，模擬試驗(yàn)時(shí)的安裝情況調(diào)節(jié)紋影儀的光路布置，將柵板置于檢測(cè)光場(chǎng)中，圖紙上要求的透光區(qū)域內(nèi)應(yīng)當(dāng)無劃痕、黑斑、氣泡、雜質(zhì)或應(yīng)力紋等影響可視化測(cè)量效果的缺陷存在。

有機(jī)玻璃柵板加工工序一般有銑削加工平面和榫槽、鉆測(cè)壓孔或定位銷釘孔、拋光研磨表面3個(gè)步驟。由于有機(jī)玻璃的導(dǎo)熱性能較差，常溫狀態(tài)熱導(dǎo)率僅是不銹鋼的百分之一左右[17-18]，在銑削加工平面、榫槽和對(duì)需要進(jìn)行紋影錄像拍攝的區(qū)域進(jìn)行拋光精磨時(shí)，均應(yīng)采取加大冷卻液流量和減小進(jìn)刀量的辦法來避免有機(jī)玻璃表面局部過熱造成的應(yīng)力紋。工藝試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)冷卻液流量和進(jìn)刀量控制不佳會(huì)導(dǎo)致柵板在完成加工靜置過程中出現(xiàn)大面積細(xì)小碎裂紋路，直接導(dǎo)致柵板報(bào)廢。在拋光的時(shí)候，對(duì)有劃痕和無劃痕的地方要同等對(duì)待，避免某個(gè)區(qū)域因拋得太多而產(chǎn)生凹陷，這種凹陷會(huì)在紋影相片中呈現(xiàn)出局部黑色不規(guī)則區(qū)域。如果拋光精磨時(shí)速度過快，將會(huì)導(dǎo)致表面呈磨砂玻璃狀，如圖7所示。

圖7 存在拋光精磨問題的航空有機(jī)玻璃柵板Fig.7 Cascade models with Aero-Plexiglass sidewall which have polishing and fine grinding problems

另外，加工工序也會(huì)對(duì)有機(jī)玻璃柵板的加工質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。比如用于固定葉片的榫槽和銷釘孔如在拋光精磨之前進(jìn)行加工，能夠有效減小孔槽周邊位置的黑化情況。這主要是因?yàn)閽伖饩ト菀自斐煽撞鬯?，使通過塌邊的光線發(fā)生折射、產(chǎn)生黑圈，如圖8所示。

圖8 孔槽塌邊造成的黑圈示意圖Fig.8 Schilieren picture with black areas due to the chamfer edge collapse

需要注意的是，應(yīng)力紋和黑圈也可能是有機(jī)玻璃柵板在上臺(tái)裝配和試驗(yàn)過程中操作不當(dāng)造成的，主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：一是采用壓框鑲嵌方式固定安裝柵板時(shí)，如果壓框螺釘過度擰緊或者拉緊兩柵板的螺栓過度擰緊，會(huì)導(dǎo)致局部出現(xiàn)明顯的應(yīng)力紋；二是在試驗(yàn)過程中如果流道中氣溫低于室內(nèi)溫度，由于有機(jī)玻璃導(dǎo)熱差從而只是靠近氣流側(cè)表面附近溫度降低，而槽中葉片導(dǎo)熱性好，與之接觸的有機(jī)玻璃榫槽溫度降低，長(zhǎng)時(shí)間保持這種狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致溫度分布不均勻從而產(chǎn)生應(yīng)力，再加上葉片所受的氣動(dòng)力作用也會(huì)傳遞給有機(jī)玻璃柵板，故在槽周圍出現(xiàn)黑圈。因此，應(yīng)在氣流穩(wěn)定后盡快采集紋影圖像數(shù)據(jù)以降低氣流的影響，并通過靜態(tài)紋影儀調(diào)試和帶氣狀態(tài)下對(duì)比確認(rèn)是否為裝配和受力原因?qū)е碌膽?yīng)力紋和黑圈。

4 試驗(yàn)件關(guān)鍵參數(shù)檢測(cè)方法研究

平面葉柵試驗(yàn)件的加工和裝配一般根據(jù)試驗(yàn)件設(shè)計(jì)圖紙完成。以往受計(jì)量檢測(cè)手段限制，對(duì)葉柵參數(shù)的檢查僅靠游標(biāo)卡尺來實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)葉型檢測(cè)是由加工方首先試切一個(gè)葉高為10～15 mm的樣件(如圖9所示)，采用投影檢測(cè)法分別抽檢20～30個(gè)葉盆葉背型面的坐標(biāo)點(diǎn)，獲得其大致輪廓，并與圖紙上以輪廓度0.1 mm的要求做出的葉型允許偏離輪廓進(jìn)行對(duì)比來判定葉型是否合格。該檢測(cè)方法存在以下3點(diǎn)不足：1) 試切件高度與真實(shí)試驗(yàn)葉片高度相比偏離較大，無法反映真實(shí)葉片全葉高的葉型輪廓偏差；2) 抽檢點(diǎn)數(shù)較少導(dǎo)致覆蓋區(qū)域偏小，無法反映真實(shí)葉片全周的加工尺寸偏差，尤其是葉片前后緣等對(duì)氣動(dòng)性能影響較大的區(qū)域，可能導(dǎo)致隱藏的輪廓度超差情況無法被發(fā)現(xiàn)；3) 試驗(yàn)件葉片的葉型、安裝角、喉道尺寸等關(guān)鍵參數(shù)加工實(shí)際值與設(shè)計(jì)值的偏差程度對(duì)出口總壓、靜壓、氣流角周向分布試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果有較大影響，但缺少相應(yīng)的檢測(cè)方法，導(dǎo)致試驗(yàn)件交付時(shí)的技術(shù)狀態(tài)不明確。檢測(cè)方法的缺陷導(dǎo)致試驗(yàn)件質(zhì)量參差不齊，從而很容易導(dǎo)致測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

葉型作為試驗(yàn)的主體，其輪廓度的保證是確保試驗(yàn)有效性的基礎(chǔ)。本文采用先進(jìn)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)試切的全葉高真實(shí)試驗(yàn)葉片在不少于10個(gè)葉高截面處對(duì)葉型全周數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)。該方案利用測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行葉片全葉高建模,與理論葉型全葉高建模進(jìn)行對(duì)比分析來獲得加工誤差，可以大大提高檢測(cè)的可靠性。為了確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，將葉片準(zhǔn)確固定安裝在基準(zhǔn)平臺(tái)上就顯得尤為重要。經(jīng)過反復(fù)嘗試發(fā)現(xiàn)，必須對(duì)每個(gè)待檢葉型制作專門的工裝才能得到滿意的效果，即保證葉片的位置度并且在三坐標(biāo)測(cè)量探頭于不同葉高截面處測(cè)量時(shí)可靠不晃動(dòng)(見圖10)。

圖10 專用基本葉片工裝示意圖Fig.10 Special tooling for test blade detection

在采用該檢測(cè)方法的初期，試驗(yàn)葉片檢測(cè)不合格率居高不下，主要是全葉高不同截面葉型全周輪廓度差異明顯，且前后緣輪廓度超差較普遍。加工方采取調(diào)整線切割機(jī)床加工基準(zhǔn)、改變起刀位置和切割速度等措施進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，最終得到了滿足檢測(cè)驗(yàn)收要求的試驗(yàn)葉片。

在完成試驗(yàn)葉型和柵板的檢測(cè)后，考慮到成套葉柵試驗(yàn)件的關(guān)鍵參數(shù)如柵距、安裝角、喉道寬度和前后緣額線直線度等對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重要影響，參考渦輪級(jí)性能試驗(yàn)件上對(duì)導(dǎo)葉喉道面積的檢測(cè)方法，進(jìn)行了平面葉柵試驗(yàn)件關(guān)鍵參數(shù)檢測(cè)方法研究。

前后緣額線直線度的測(cè)量是通過測(cè)量每個(gè)葉片前后緣最高點(diǎn)與柵板出口邊的距離偏差來實(shí)現(xiàn)的，一般在葉中截面測(cè)得。如圖11所示，將試驗(yàn)件平放在測(cè)量臺(tái)上，以柵板的出口邊為基準(zhǔn)，依次測(cè)量每個(gè)葉片前后緣在X軸方向的最小坐標(biāo)值，即可檢測(cè)葉片前后緣額線的直線度和各葉片前后緣與額線的偏差值，同時(shí)利用該測(cè)量數(shù)據(jù)還可分析葉片前后緣額線與柵板邊緣的平行度，以評(píng)價(jià)柵板榫槽加工位置的偏差。

圖11 試驗(yàn)件尾緣直線度及柵距檢測(cè)位置示意圖Fig.11 Schematic diagram of detection methods for trailing edge straightness and pitch

柵距是通過測(cè)量相鄰2個(gè)葉片Y方向的最高點(diǎn)(見圖11)間距值得到的，一般在葉中截面測(cè)得(探針一般在柵后葉中截面進(jìn)行步進(jìn)測(cè)量)。在比較關(guān)注的中間通道2～3個(gè)葉片(如圖11中的3～6號(hào)葉片)可沿葉高方向測(cè)量3個(gè)位置以確認(rèn)柵距沿葉高方向的分布情況。測(cè)量時(shí)，所有葉片柵距的測(cè)量值都在同一坐標(biāo)系下完成，即建立參考坐標(biāo)系后，從1號(hào)葉片依次測(cè)量至8號(hào)葉片，柵距通過相鄰葉片Y方向最高點(diǎn)的坐標(biāo)差值獲得。

如圖12所示，喉道寬度測(cè)量的是E點(diǎn)和G點(diǎn)的坐標(biāo)差。坐標(biāo)系XOY與額線夾角α為喉部尺寸的測(cè)量方向角，由設(shè)計(jì)方給出。測(cè)量時(shí)，用探頭分別測(cè)量X軸方向上葉片尾緣最高點(diǎn)E和相鄰葉背對(duì)應(yīng)點(diǎn)G的坐標(biāo)后，取X方向上的坐標(biāo)差得到喉道寬度。

圖12 喉寬及安裝角測(cè)量示意圖Fig.12 Schematic diagram of detection methods for the throat width and stagger angle

測(cè)量安裝角需新建另一個(gè)坐標(biāo)系X′O′Y′，該坐標(biāo)系與前緣額線的夾角γ為葉柵試驗(yàn)件的安裝角。該方法可以在試驗(yàn)前確認(rèn)試驗(yàn)件的狀態(tài)能否滿足試驗(yàn)需求，尤其是柵距、喉寬等關(guān)鍵參數(shù)是否有較大的偏差，可為后期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析提供有力支持。

通過明確和改進(jìn)葉柵檢測(cè)方法以及細(xì)化試驗(yàn)件的加工技術(shù)要求，試驗(yàn)件加工質(zhì)量有了明顯提高。為了確認(rèn)實(shí)施效果，對(duì)某葉柵進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。圖13為某葉柵中間通道相鄰2個(gè)葉片的表面等熵馬赫數(shù)分布，圖例中Ma2為葉柵出口等熵馬赫數(shù)。從圖中可以看出，葉片表面等熵馬赫數(shù)分布的趨勢(shì)和峰值位置差異較小，說明相鄰2個(gè)葉片通道從性能上來說都可以滿足設(shè)計(jì)方試驗(yàn)需求。

圖13 葉片表面等熵馬赫數(shù)分布對(duì)比Fig.13 Comparison of isentropic Mach number distribution between adjacent channels

5 結(jié) 論

通過平面葉柵加工工藝及其對(duì)性能測(cè)量影響的試驗(yàn)研究，可得到以下結(jié)論：

1) 從性能研究的角度來說，在高試驗(yàn)雷諾數(shù)狀態(tài)下，葉片表面粗糙度過大會(huì)導(dǎo)致相同工況下葉片載荷減小，損失增大。采用直接銑削或者線切割加工得到的葉片輪廓度更易得到保證；采用快走絲線切割加工得到的葉型粗糙度偏大。綜合考慮加工成本和性能測(cè)量的需求，建議高速高負(fù)荷葉柵的葉片表面粗糙度不低于Ra=1.6，在加工條件允許時(shí)，粗糙度可取更小值。

2) 航空有機(jī)玻璃柵板的加工和裝配均會(huì)對(duì)高速狀態(tài)下的葉柵流場(chǎng)可視化測(cè)量有重要影響。應(yīng)先選料后加工，在加工過程中采取加大冷卻液流量和減小進(jìn)刀量的辦法來避免有機(jī)玻璃表面局部過熱造成的應(yīng)力紋；在拋光精磨之前進(jìn)行孔槽加工以避免塌邊造成的黑圈，否則將無法獲取有效的可視化測(cè)量結(jié)果。

3) 成套葉柵試驗(yàn)件的關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量方法的改進(jìn)使葉柵試驗(yàn)件加工裝配質(zhì)量有了明顯提高，可為獲得更加準(zhǔn)確可靠的性能數(shù)據(jù)提供保障。采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)實(shí)現(xiàn)了從葉片局部樣件檢測(cè)到全葉高檢測(cè)的改進(jìn)，大大提高了葉型加工誤差檢測(cè)的準(zhǔn)確性。