负载力对高压导叶控制偏差影响试验研究

刘婕　郭末凯

摘  要：现阶段，科学技术的发展迅速，现代化建设的发展也突飞猛进。航空发动机的工作过程是复杂的气动热力过程，在其工作范围内随着发动机的工作条件和工作状态的变化，发动机的气动热力过程将发生很大变化。为了保证压气机工作的稳定性以发挥发动机的最优性能，需对高压压气机进口可调静子叶片角度进行实时的控制。通过对叶片角度的调整，可以优化压气机的工作特性，提高发动机的喘振裕度，同时也对发动机的性能提升有积极影响。目前国内外常见的航空发动机控制系统包括机械液压式控制系统、带机械液压备份的全权限数字式电子控制系统以及不带液压备份的全权限数字式电子控制系统等。机械液压式控制系统采用机械液压式调节器加模拟式综合电子调节器共同控制发动机的可控变量。某型发动机采用的就是此种类型的控制系统，此种控制系统易于实现，可靠性较高，能够保证发动机在一定使用范围内具有较好的性能。但受控制系统特性影响，无法实现复杂的控制计划和控制规律，因此在使用过程中也暴露了一些问题。

关键词：负载力;高压导叶控制;偏差影响试验研究

引言

叶轮机械内部存在各种各样的流动损失，其中端区二次流损失是涡轮叶栅内重要的损失来源。对于小展弦比涡轮，端区损失占总损失的比例可达30%～50%，在大展弦比涡轮中随着叶片负荷的逐渐增大，二次流问题也变得越来越突出，减少端区二次流损失是高效率涡轮设计的必要途径。叶片弯曲设计正是控制叶栅内二次流动损失的一种有效手段。弯曲叶片成型方法自上世纪60年代初首次提出以来，受到世界各国研究人员的广泛关注，并对其进行了大量的理论探讨和试验研究。尽管弯曲叶片技术在叶轮机械上的应用前景得到了一定的验证，但是由于叶栅的几何和子午流道结构等的差异，对不同叶片应用弯叶片设计后取得的气动性能的收益也各不相同，此外，弯曲形式和弯曲参数的选择也会带来截然不同的效果。

1高压导叶控制原理和偏差情况

主燃油泵调节器齿轮泵后压力Pn为驱动高压导叶作动筒工作的油源压力，P0为低压回油压力;导叶控制系统平衡时，活门处于中立位置。换算转速变化时，换算转速形成杆将换算转速信号转化为高压活门的位移，高压活门移动，从而改变导叶作动筒有杆腔和无杆腔的压力，推动作动筒运动;反馈钢索与导叶作动筒连接，作动筒运动带动反馈凸轮转动，将高压活门拉回至中立位置，导叶在新的位置平衡，实现导叶角度按换算转速变化的控制规律。在对某发动机按程序检查高压导叶转速上升和下降过程的控制规律一致性时，出现角度偏差大的问题。

2计算设置

定常計算涡轮进口给定平均总温、总压和进气方向，出口给定平均静压;壁面采用绝热无滑移设置;转静交界面采用stage方式;周向两侧给定旋转周期性边界，边界上对应点参数相等;计算时考虑了转静间封严腔及叶片外环吹气，冷气边界给定进口流量、总温及进气方向，封严腔周向两侧给定旋转周期边界，轴向靠近静子侧为固定壁面，靠近转子侧为旋转壁面。湍流模型采用SST湍流模型，考虑定压比热容、动力粘性系数随温度变化情况。收敛标准设定为均方根残差小于1E-5.非定常计算转静交界面采用transientrotorsta-tor;一个周期两侧给定旋转周期性边界。动静叶间封严气及外环吹气冷气边界直接给定进气流量、总温和进气方向。其余设置与定常计算相同。非定常计算迭代至监测参数出现明显周期性认为计算收敛。

3加工工艺改进

3.1工装夹具设计

在叶片缘板上有两处辅助支撑。加工缘板时砂轮干涉，所以工艺安排两道工序分别加工榫齿和缘板，增加了加工时间。

针对以上问题，对夹具结构进行改进。改进思路是撤掉缘板上的辅助支撑，在零件测量用的预留方孔增加压紧防松动机构，直接压紧至叶身，以防止叶身装夹松动。工装改进后定位可靠，使用中未出现零件定位松动，因此补浇合金工序也不必进行。且夹具改进后即避免了砂轮干涉又实现了榫齿、缘板、齿顶一次装夹完成，提高了加工效率。

3.2设备选用

涡轮工作叶片的工作环境为高温、高压、高转速，因此设计上一般采用强度高、耐高温的铸造高温合金材料，高温合金切削加工性很差，因此加工榫齿、缘板时采用强力緩进给磨削。本次工艺改进采用设备为五坐标数控磨床，该设备配备砂轮修整装置，可实现滚轮对砂轮的自动连续或断续修整，确保砂轮在整个磨加工过程中刀刃锋利，有利于提升零件加工精度以及表面完整性。还具备高压冷却随动系统，分别有自适应冷却、冲洗喷嘴，并有压力和流量监控装置，这些功能的应用可以确保零件在磨削时冷却充分、彻底且可控，能够有效降低磨削裂纹的产生。冷却液过滤系统可确保冷却液在循环使用时不被污染。

3.3工艺参数优化

（1）滚轮选择

在加工缘板进气侧和齿顶时，由于零件为了适应滚轮的角度，摆放的角度较小（相对于水平面），零件和砂轮架发生干涉，需要通过调整零件加工角度来避免干涉，但零件加工角度的改变就意味着滚轮角度的改变。为满足加工需求，同时不增加成本投入，分别对比零件结构和滚轮结构，从现有滚轮中选择一款与零件装夹角度相适应的滚轮，可以满足零件对角度的要求，并根据加工零件尺寸，在使用时用一款较窄的砂轮，只用滚轮的右半部分进行砂轮修整加工，保证加工要求。

（2）机械加工参数选择

为提升高压涡轮工作叶片的磨削加工质量，结合试制中存在的问题以及积累的经验，对磨削加工中的关键点进行提炼、总结，①滚棒尺寸公差±0.04mm，错齿控制在0.013mm内，榫齿形状需经投影检验。

②榫齿锥度沿滚棒在轴向长度上不大于0.02mm。

③榫齿工作面母线对叶身中心线直线度≤0.02mm，平行度≤0.02mm。

④榫齿的表面粗糙度控制在Ra0.8内。

在加工参数选择时，严格控制榫齿加工时的切削深度。进给速度与砂轮切削深度进行匹配选择。经过现场加工验证，零件加工尺寸稳定、表面质量符合要求。

3.4整流叶片的加工关键工艺技术

在整流叶片加工的时候，最主要的加工工艺技术有两种，首先是轧制加工工艺，其次是全切加工工艺，这两种加工工艺的加工质量能够直接影响到叶片的最终加工质量。

作为叶片加工工艺中的主要环节，冷扎工艺至关重要。通常情况下，叶片的加工是由毛坯直接进行冷扎加工，在加工中不留余量。叶片的冷扎基础就是毛坯件加工前期的预留的工艺凸起。在叶片轧制的过程中，测量基础主要是轧制前加工的两个锥形孔，同时锥形孔也是全切加工工艺的加工基础。因此我们在进行轧制加工的时候，要详细的研读试轧过程中的各项加工记录数据，包括了开坯数据，粗轧精轧数据以及终轧数据等。我们要通过数据的对比来保障叶片加工截面的各项技术要求。在叶片轧制的过程中由于钢件的能变较低，因此会存在应力的残留。为了有效的消除加工应力，我们要在轧制完成之后进行热处理退火。没有经过退火的叶片会存在成型困难并且较硬的问题，会在加工的过程中对磨具造成损伤。正是由于这一原因，我们在叶片轧制的时候，要在每一个轧制工序后添加热处理退火工序，保障叶片的后期加工质量。

结语

对某型发动机高压导叶控制原理计算，并在试验器上通过液压加载的方法验证了负载力对高压角度控制系统偏差的影响方向和量值，为在发动机实际交付试车时出现的控制规律偏差大问题的排查和改进设计提供了数据支撑。根据试验结果和理论分析，提高主燃油泵齿轮泵后压力，即提高导叶控制系统的输入油源压力，有助于减小控制偏差。

参考文献

[1]  赵明，刘维伟，李杰光.叶片精密加工弹性变形误差分析及规律研究[J].机械设计与制造，2009（6）：106-108.