涡轮叶片叶冠扭转角三坐标测量方法研究

农宏海 曾令嫄 吴学岗 宋丙新/ 成都航利（集团）实业有限公司 空装驻成都地区第二军代表室

0 引言

某型发动机修理中需要测量低压涡轮叶片的叶冠扭转角52°30′（见图1），根据测得的扭转角度判断叶片的扭转情况是否合格。从图1 可以看出，需要测量的角度是基于叶片坐标系某个固定方向上的角度，是空间角度，如果采用平台或专用工装测量，由于叶片的坐标系不在叶片本身，无法找到相应的测量基准，因此难以测量。而三坐标测量机能够实现空间复杂尺寸的测量，精度可达微米级别。海克斯康公司生产的EXPLOER 05.07.05 型三坐标测量机的测量精度为（2.5+3.5L/1000）μm，本文利用该型设备，研究一种测量方法，以解决叶冠扭转角度的测量难题。

1 测量方案A 的研究过程

1.1 测量方案的设计与实施

将叶片的UG 数学模型导进PCDMIS 测量软件中，使用迭代法采集叶片叶身上的点，建立与图纸一致的零件坐标系，测量啮合面与榫头对称面的角度，测量方案如下。

1）测量对象：涡轮叶片啮合面。

2）测量指标：新旧两种叶片的平面度对比和各自的测量数据重复性，与叶片制造厂的数据对比。

3）测量数量：38 片（新品27 片，旧品11 片）。

4）测量条件：在同一时间段内测量，温度保持在（20±2）℃内。

5）测量方法：由同一操作人员运行测量程序，测量38 片叶片，每片测量5 次，每次啮合面采点位置均不相同，记录角度和平面度数据，共190 组数据。

1.2 测量结果分析

针对测量得到的啮合面扭转角度数据和平面度数据，使用极差法计算试验标准偏差（见表1），从表1 可以得出以下结果。

1）11 片旧品叶片的角度试验标准偏差普遍比新品大，范围从0.073 到0.744，重复性较差。27 片新品叶片的角度试验标准偏差范围从0.018 到0.101。由此可见，新品和旧品的角度试验标准偏差值呈两极分化。

图1 低压涡轮一级工作叶片扭转角简图

2）11 片旧品叶片的平面度试验标准偏差范围从0.0021 到0.0120。27 片新品叶片的平面度试验标准偏差范围从0.0004 到0.0116。两者相差并不大，但从图2 的新旧叶片平面度数据分布情况可以看出，旧品叶片平面度分布在0 ～0.08mm 范围内，而新品叶片的平面度95%分布在0 ～0.01mm 范围内，平面度最大未超过0.03mm，对比后发现，新品叶片啮合面的平面度总体更好。

选择8 片叶片（5 片旧品和3 片新品）送往叶片制造厂家进行数据对比（见表2），从表2 可知，我司的测量结果与叶片制造厂的数据存在差异，相对来说，旧品叶片差异性更大，旧品叶片测量5 次的数据平均值与叶片制造厂数据差值最大相差0.7932°，新品叶片5 次测量数据的平均值与叶片制造厂数据差值最大相差0.0776°。

表1 叶片啮合面扭转角度的测量重复性

表2 啮合面扭转角度与叶片制造厂数据比对

图2 新旧叶片啮合面平面度数据范围分布

综上所述，旧品叶片啮合面存在磨损，直接测量啮合面得到的扭转角度无法反映叶片真实扭转角度情况。

2 测量方案B 的研究过程

2.1 测量方案的设计与实施

由于啮合面存在磨损，测量方案需重新设计，前提是找到一个不存在磨损且能够反映扭转角情况的测量面。从图1 可知，非啮合面与啮合面理论角度为95°，因此可以通过测量非啮合面再经过换算得到叶冠扭转角52°30′的数据，转换公式为：扭转角=180°-95°-非啮合面测量角度。

表3 叶片非啮合面扭转角度的测量重复性

图3 新旧叶片非啮合面平面度数据范围分布

新的测量方案如下。

1）测量对象：涡轮叶片非啮合面。

2）测量指标：非啮合面是否存在磨损。

3）测量数量：22 片（新品12 片，旧品10 片）。

4）测量条件：在同一时间段内测量，温度保持在（20±2）℃内。

5）测量方法：由同一操作人员运行测量程序，测量22 片叶片，每片测量5 次，每次非啮合面采点位置均不相同，记录角度和平面度数据，两种方法共110 组数据。

2.2 结果分析

针对测得的角度数据和平面度数据，使用极差法计算试验标准偏差（见表3），从表3 可以看出，新品叶片或旧品叶片的测量重复性都在一个区间内分布，不存在两级分化情况。

从表3 的平面度重复性和图3 叶片平面度数据分布可以看出，新旧叶片的非啮合面平面度数据区间分布较为均匀，甚至在平面度0 ～0.005mm 范围内旧品叶片所占的比例更大，并不像啮合面平面度那样有明显的阶梯分布。根据上述分析以及涡轮叶片装机使用时的工作状态可以得出，新旧叶片的非啮合面都不存在磨损。

3 结束语

经过两种测量方案的比对可以得出，旧品叶片的啮合面存在磨损，非啮合面不存在磨损。在测量旧品叶片时，测量非啮合面得到的角度更能反映叶片的扭转变形情况。

目前该测量方法已应用于某型发动机低压涡轮叶片的修理中。修理前先测量叶片非啮合面，初步判断叶片的扭转情况，修理后再测量叶片啮合面，最终判断扭转角度是否合格。

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