負載力對高壓導葉控制偏差影響試驗研究

劉婕　郭末凱

摘? 要：現階段，科學技術的發展迅速，現代化建設的發展也突飛猛進。航空發動機的工作過程是復雜的氣動熱力過程，在其工作范圍內隨著發動機的工作條件和工作狀態的變化，發動機的氣動熱力過程將發生很大變化。為了保證壓氣機工作的穩定性以發揮發動機的最優性能，需對高壓壓氣機進口可調靜子葉片角度進行實時的控制。通過對葉片角度的調整，可以優化壓氣機的工作特性，提高發動機的喘振裕度，同時也對發動機的性能提升有積極影響。目前國內外常見的航空發動機控制系統包括機械液壓式控制系統、帶機械液壓備份的全權限數字式電子控制系統以及不帶液壓備份的全權限數字式電子控制系統等。機械液壓式控制系統采用機械液壓式調節器加模擬式綜合電子調節器共同控制發動機的可控變量。某型發動機采用的就是此種類型的控制系統，此種控制系統易于實現，可靠性較高，能夠保證發動機在一定使用范圍內具有較好的性能。但受控制系統特性影響，無法實現復雜的控制計劃和控制規律，因此在使用過程中也暴露了一些問題。

關鍵詞：負載力;高壓導葉控制;偏差影響試驗研究

引言

葉輪機械內部存在各種各樣的流動損失，其中端區二次流損失是渦輪葉柵內重要的損失來源。對于小展弦比渦輪，端區損失占總損失的比例可達30%～50%，在大展弦比渦輪中隨著葉片負荷的逐漸增大，二次流問題也變得越來越突出，減少端區二次流損失是高效率渦輪設計的必要途徑。葉片彎曲設計正是控制葉柵內二次流動損失的一種有效手段。彎曲葉片成型方法自上世紀60年代初首次提出以來，受到世界各國研究人員的廣泛關注，并對其進行了大量的理論探討和試驗研究。盡管彎曲葉片技術在葉輪機械上的應用前景得到了一定的驗證，但是由于葉柵的幾何和子午流道結構等的差異，對不同葉片應用彎葉片設計后取得的氣動性能的收益也各不相同，此外，彎曲形式和彎曲參數的選擇也會帶來截然不同的效果。

1高壓導葉控制原理和偏差情況

主燃油泵調節器齒輪泵后壓力Pn為驅動高壓導葉作動筒工作的油源壓力，P0為低壓回油壓力;導葉控制系統平衡時，活門處于中立位置。換算轉速變化時，換算轉速形成桿將換算轉速信號轉化為高壓活門的位移，高壓活門移動，從而改變導葉作動筒有桿腔和無桿腔的壓力，推動作動筒運動;反饋鋼索與導葉作動筒連接，作動筒運動帶動反饋凸輪轉動，將高壓活門拉回至中立位置，導葉在新的位置平衡，實現導葉角度按換算轉速變化的控制規律。在對某發動機按程序檢查高壓導葉轉速上升和下降過程的控制規律一致性時，出現角度偏差大的問題。

2計算設置

定常計算渦輪進口給定平均總溫、總壓和進氣方向，出口給定平均靜壓;壁面采用絕熱無滑移設置;轉靜交界面采用stage方式;周向兩側給定旋轉周期性邊界，邊界上對應點參數相等;計算時考慮了轉靜間封嚴腔及葉片外環吹氣，冷氣邊界給定進口流量、總溫及進氣方向，封嚴腔周向兩側給定旋轉周期邊界，軸向靠近靜子側為固定壁面，靠近轉子側為旋轉壁面。湍流模型采用SST湍流模型，考慮定壓比熱容、動力粘性系數隨溫度變化情況。收斂標準設定為均方根殘差小于1E-5.非定常計算轉靜交界面采用transientrotorsta-tor;一個周期兩側給定旋轉周期性邊界。動靜葉間封嚴氣及外環吹氣冷氣邊界直接給定進氣流量、總溫和進氣方向。其余設置與定常計算相同。非定常計算迭代至監測參數出現明顯周期性認為計算收斂。

3加工工藝改進

3.1工裝夾具設計

在葉片緣板上有兩處輔助支撐。加工緣板時砂輪干涉，所以工藝安排兩道工序分別加工榫齒和緣板，增加了加工時間。

針對以上問題，對夾具結構進行改進。改進思路是撤掉緣板上的輔助支撐，在零件測量用的預留方孔增加壓緊防松動機構，直接壓緊至葉身，以防止葉身裝夾松動。工裝改進后定位可靠，使用中未出現零件定位松動，因此補澆合金工序也不必進行。且夾具改進后即避免了砂輪干涉又實現了榫齒、緣板、齒頂一次裝夾完成，提高了加工效率。

3.2設備選用

渦輪工作葉片的工作環境為高溫、高壓、高轉速，因此設計上一般采用強度高、耐高溫的鑄造高溫合金材料，高溫合金切削加工性很差，因此加工榫齒、緣板時采用強力緩進給磨削。本次工藝改進采用設備為五坐標數控磨床，該設備配備砂輪修整裝置，可實現滾輪對砂輪的自動連續或斷續修整，確保砂輪在整個磨加工過程中刀刃鋒利，有利于提升零件加工精度以及表面完整性。還具備高壓冷卻隨動系統，分別有自適應冷卻、沖洗噴嘴，并有壓力和流量監控裝置，這些功能的應用可以確保零件在磨削時冷卻充分、徹底且可控，能夠有效降低磨削裂紋的產生。冷卻液過濾系統可確保冷卻液在循環使用時不被污染。

3.3工藝參數優化

（1）滾輪選擇

在加工緣板進氣側和齒頂時，由于零件為了適應滾輪的角度，擺放的角度較小（相對于水平面），零件和砂輪架發生干涉，需要通過調整零件加工角度來避免干涉，但零件加工角度的改變就意味著滾輪角度的改變。為滿足加工需求，同時不增加成本投入，分別對比零件結構和滾輪結構，從現有滾輪中選擇一款與零件裝夾角度相適應的滾輪，可以滿足零件對角度的要求，并根據加工零件尺寸，在使用時用一款較窄的砂輪，只用滾輪的右半部分進行砂輪修整加工，保證加工要求。

（2）機械加工參數選擇

為提升高壓渦輪工作葉片的磨削加工質量，結合試制中存在的問題以及積累的經驗，對磨削加工中的關鍵點進行提煉、總結，①滾棒尺寸公差±0.04mm，錯齒控制在0.013mm內，榫齒形狀需經投影檢驗。

②榫齒錐度沿滾棒在軸向長度上不大于0.02mm。

③榫齒工作面母線對葉身中心線直線度≤0.02mm，平行度≤0.02mm。

④榫齒的表面粗糙度控制在Ra0.8內。

在加工參數選擇時，嚴格控制榫齒加工時的切削深度。進給速度與砂輪切削深度進行匹配選擇。經過現場加工驗證，零件加工尺寸穩定、表面質量符合要求。

3.4整流葉片的加工關鍵工藝技術

在整流葉片加工的時候，最主要的加工工藝技術有兩種，首先是軋制加工工藝，其次是全切加工工藝，這兩種加工工藝的加工質量能夠直接影響到葉片的最終加工質量。

作為葉片加工工藝中的主要環節，冷扎工藝至關重要。通常情況下，葉片的加工是由毛坯直接進行冷扎加工，在加工中不留余量。葉片的冷扎基礎就是毛坯件加工前期的預留的工藝凸起。在葉片軋制的過程中，測量基礎主要是軋制前加工的兩個錐形孔，同時錐形孔也是全切加工工藝的加工基礎。因此我們在進行軋制加工的時候，要詳細的研讀試軋過程中的各項加工記錄數據，包括了開坯數據，粗軋精軋數據以及終軋數據等。我們要通過數據的對比來保障葉片加工截面的各項技術要求。在葉片軋制的過程中由于鋼件的能變較低，因此會存在應力的殘留。為了有效的消除加工應力，我們要在軋制完成之后進行熱處理退火。沒有經過退火的葉片會存在成型困難并且較硬的問題，會在加工的過程中對磨具造成損傷。正是由于這一原因，我們在葉片軋制的時候，要在每一個軋制工序后添加熱處理退火工序，保障葉片的后期加工質量。

結語

對某型發動機高壓導葉控制原理計算，并在試驗器上通過液壓加載的方法驗證了負載力對高壓角度控制系統偏差的影響方向和量值，為在發動機實際交付試車時出現的控制規律偏差大問題的排查和改進設計提供了數據支撐。根據試驗結果和理論分析，提高主燃油泵齒輪泵后壓力，即提高導葉控制系統的輸入油源壓力，有助于減小控制偏差。

參考文獻

[1]? 趙明，劉維偉，李杰光.葉片精密加工彈性變形誤差分析及規律研究[J].機械設計與制造，2009（6）：106-108.