航空發動機高導葉片水流量測試系統改進研究

蔡文波，李釗

(海軍裝備部，陜西西安710021)

0 引言

隨著航空發動機向高流量比、高推重比和低油耗方向發展，發動機渦輪前溫度不斷提高，大大超過了渦輪葉片材料本身能承受的溫度［1-3］。為了適應不斷提高的渦輪進口溫度，發動機高渦葉片通常設計成空心氣冷式葉片，利用引自壓氣機的空氣對葉片進行冷卻，其中對流冷卻和對流- 氣膜復合冷卻用得最廣。通過渦輪葉片內腔冷卻氣體流量的大小，無疑是冷卻效果的關鍵，因此渦輪葉片生產出來后需要對內腔的流通能力進行檢測［4-5］。目前渦輪葉片內腔空氣流量測量的主要方法是空氣流量測量或水流量測量，由于空氣的可壓縮性，在壓力、溫度變化時，其流量值也會有較大變化，因此對環境要求較高;水不可壓縮，較之空氣在壓力、溫度變化時受影響小，因此目前渦輪葉片多采用水流量測量間接測量空氣流量［6-8］。

本文針對某型發動機高壓渦輪導向葉片水流量檢測中穩定性及準確性較差這一現狀，通過系統查找分析影響測試系統穩定性和準確性的因素，對水循環試驗器、高導葉片兩端的密封墊結構和葉片夾具等進行了設計改進，并對改進后的水流量測試系統進行了試驗驗證。

1 高導葉片結構特點

某型發動機高壓渦輪導向葉片為雙聯組空心氣冷式葉片，由上下緣板、左右葉身四個主要零件分別通過真空釬焊連接在一起，采用對流-氣膜復合冷卻及涂覆熱障涂層方法提升葉片耐高溫性能，如圖1所示;葉片緣板外側面結構復雜，如圖2所示。葉片的導管口形狀復雜，且有手工氬弧焊形成的焊點，平面凹凸不平，形狀與位置相對不固定，導致密封難度大，葉片的這些特點均對水流量的準確測量產生了不利影響。

圖1 高導葉片

圖2 葉片緣板外側面

2 測試系統研究

2.1 試驗器設計

高壓渦輪導向葉片進行水流量測試時，給定的水流壓力較大，約為0.15 MPa，而且要求精度較高(0.5級)。在實際測量中，由于高壓渦輪導向葉片上、下緣板結構復雜，造成水流量測量時試驗器的壓力和流量不穩定。經分析其主要原因是:試驗器設計精度為0.5級，較為敏感，當測量過程中密封不嚴，出現少量漏水時，壓力就會發生變化，造成系統的不穩定;高壓渦輪導向葉片雙聯成組，測具的進口封嚴困難，影響葉片水流測量精度。

通過大量調研、分析，對測試系統進行了改進，增加了閉環控制系統，實現了水流量測試自動調壓、穩壓，水流量系統工作壓力范圍達到0.15 ～0.6 MPa，流量計測量誤差為±0.3%(FL)。導向葉片測試壓力為0.15 MPa±0.005 MPa，流量計測量范圍為10 ～100 L/min，其精度完全滿足設計要求。

為保障更換測量葉片或測量工位時水流量系統壓力穩定，在測量系統中增加了與葉片流量測量通道對應的當量回路。更換裝夾葉片時，關閉測量葉片進水口，水流通過當量回路進行自動調壓、穩壓;測量時葉片進水口開啟，當量回路關閉，系統自動調壓、穩壓時間不超過2min 即可測量，試驗器原理如圖3所示。

圖3 試驗器原理圖

2.2 密封結構改進

密封墊是水流量測試系統的主要部件，是用來保證測試夾具與葉片密封效果的關鍵件，密封墊設計的質量直接影響封嚴的效果。初期，根據零件結構以及水流量器設計結構，設計水流量夾具系統。該套系統密封設計時僅關注葉片冷氣入口處，當引導頭插入葉片內腔時，通過引導頭上套的密封墊進行封嚴，試圖達到密封要求，具體結構如圖4所示。

圖4 導向葉片水量測試用引導頭

但是該方案實際測試過程中根本無法滿足密封要求，分析原因為:葉片冷氣入口邊沿寬度僅為2 ～3mm，表面凹凸不平，其上還有φ2 的焊點，因此密封墊與入口邊沿的貼合部位會產生間隙，水流受壓，從間隙流出;導管翻邊與葉片安裝端面存在間隙，當加壓時，介質水從間隙中滲漏。最終認為對葉片局部也就是入口邊沿部位封嚴是無法達到密封效果。

針對水流量密封難點，反復進行各種密封結構試驗及分析得出:進水口周邊面窄且不規則、密封墊材料軟硬程度及密封墊外形輪廓等原因，是密封不嚴的主要原因，因此決定放棄先前密封方案，改變思路，采用整體橡膠墊設計方案。

在經過現場實際使用，考慮到葉片年產量及對整機安全可靠性的需求，需要更為精確的測量數據用以評判葉片的實際狀態，最后使用三維模具設計與制造技術，根據葉片上下緣板的輪廓逆向設計完成了整體密封墊的設計與制造，密封墊三維圖如圖5所示。

圖5 整體密封墊三維圖

整體密封墊不僅僅靠進水口周邊部位進行密封，同時依靠整個的密封墊大面與葉片上下緣板緊密貼合進行密封，增加密封墊的有效密封區域，并且可以解決導管安裝邊與葉片結合部的縫隙中滲漏問題，從而達到密封目的。

2.3 密封夾具的設計改進

改進前的高壓渦輪導向葉片水流量密封夾具結構如圖6所示，夾具只有兩個進水口，測量時需裝夾兩次才能完成葉片四個內腔的水流量測量，而且每次裝夾都需要再次目視找正孔位，易造成遮擋截流或串流現象。

圖6 改進前水流量夾具示意圖

根據整體密封墊的結構特點，重新設計水流量夾具。改進后的夾具具有四個進水口，如圖7所示，只需一次裝夾即可完成葉片四個內腔的水流量測量，而且夾具上有密封墊的限位塊，即更換測量葉片后也可以實現密封墊的快速準確定位。

圖7 改進后水流量夾具示意圖

改進后的水流量密封夾具由于密封墊與導葉的外輪廓配合，因此導葉不需要定位裝置，可以直接安裝到密封墊中，簡化了結構;與外輪廓配合的橡膠墊可以使零件在壓緊過程中，傳遞到密封墊與零件之間的受力均勻，提高密封的可靠性。同時也可避免對導葉的磕、碰、壓傷;操作簡單，方便，將導葉直接安裝進相配合的密封墊中，然后壓緊即可，大大提高了水流量測試的效率。

2.4 空氣導管裝配工藝優化

導管安裝后，需用電弧釬焊的方法進行加固，因此在導管周邊有突起的焊點，這會對密封產生一定的影響。為此對焊接工序進行調整，將焊接工序調整至水流量工序后，這樣避免了焊點突起對密封效果的影響。

3 測試結果分析

經過對測試系統的試驗器、密封墊和夾具的改進以及空氣導管裝配的優化后，在改進后的測試系統中對同一批次10 件葉片進行了測試試驗，在測試過程中壓力穩定，葉片與夾具之間的結合面也未出現漏水現象。

在改進后的測試系統中，對10 件高導葉片的左右葉片(從葉片方向看)的水流量分別進行了兩次測試(堵住葉片上緣板冷氣進口，將水從下緣板冷氣進口通入葉片，測得的水流量記為G2;堵住葉片下緣板冷氣進口，將水從上緣板冷氣進口通入葉片，測得的水流量記為G3)。根據測試結果，計算10 件高導葉片G2，G3流量的平均值，分析同一批葉片水流量的分散度，并對比分析了重復測量誤差，測試及計算結果分別見表1 和表2。

表1 水流量測量值 L·min-1

表2 兩次重復測量誤差

從表1 中可以看出，同一批次10 件高導葉片的左右葉片水流量上偏差最大值為6.20%，下偏差最大值為6.04%，符合分散度小于±15%的設計要求;從表2 可以看出，10 件高導葉片的左右葉片水流量先后兩次的重復測量誤差最大為0.67%，達到了重復測量誤差不大于±1%的設計指標，滿足了渦輪葉片水流量測量要求。

4 結論

1)在水流量測試系統中采用閉環系統控制可實現試驗器系統自動調壓、穩壓，有助于降低重復測量誤差;增加當量回路設計，可以大大縮短系統調壓、穩壓時間，提高試驗效率。

2)葉片與夾具之間，僅僅在入口邊沿部位封嚴無法達到密封效果;采用整體密封裝置，按緣板外型進行隨型密封，增加密封墊的有效密封區域，可有效解決因密封端面結構復雜，局部密封造成泄露或截流的現象。

3)對雙聯組葉片來說，采用具有四個進水口的夾具可有效提高水流量測量的準確性和效率。

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