平面叶栅试验件加工工艺对性能测量影响的试验研究

王 晖, 唐 凯, 代秋林, 刘志刚, 凌代军

中国航发四川燃气涡轮研究院, 四川 绵阳 621000

0 引 言

叶栅试验作为研究叶型气动性能的基础平台，可以经济、快捷地获取各类涡轮和压气机叶栅的叶片表面马赫数分布、攻角和损失特性。同时，应用纹影仪可以获取叶栅槽道内的激波波系形状、位置及变化规律，可为先进叶型研制和改进提供重要支持。

作为研究载体，叶栅试验件一般由叶片和固定安装叶片的栅板构成，其加工质量的好坏必然会对试验数据造成较大影响。为了获取准确可靠的性能数据，

主观上要尽可能提高试验件加工精度，同时考虑到叶栅试验研究的经济快捷性，应定量评估试验件加工工艺对性能测量的影响，以便更好地控制加工质量和成本，为今后叶轮机部件精细化设计提供技术支持。

由于压气机叶型型线复杂，在加工过程中受到装夹定位、应力变形、加工振动等因素的影响，不可避免地造成实际叶型与理论叶型存在不同程度的偏差[1-2]。高丽敏等[3]通过数值研究发现不同位置、不同大小的叶片加工误差对压气机叶栅性能的影响程度不同；李正[4]和曹传军等[5]亦采用数值计算方法研究了叶型前缘形状对压气机性能的影响规律;张伟昊等[6-7]通过定常和非定常数值模拟结合整机试验的方法研究发现,在整个工作范围内，叶型偏差都会造成涡轮性能的明显下降，从而导致整台发动机的工作点随之改变。上述研究从侧面佐证了叶片加工精度控制的重要性。

在叶型表面粗糙度对叶型气动性能的影响研究方面，Back等[8]发现当雷诺数超过4×105后，粗糙度才会对叶片载荷分布及损失有影响，Schlichting等[9]则给出了不同的等效粗糙度Ks区间内损失与雷诺数的关系，并给出了光滑表面粗糙度的判断准则；Montis等[10]对某低压涡轮叶栅的性能测量表明，在高雷诺数状态下粗糙度增大会导致吸力面出现大面积分离并且总压损失急剧增加。上述研究基于不同的试验叶型和加工方法得出，充分说明了叶片表面粗糙度控制对性能测量影响的重要性，但适用性仍需要进一步确认。

在叶栅试验叶片常用的线切割加工工艺方面，余心明等[11]概述了影响线切割加工表面粗糙度的因素及应对措施；杨蕾[12]、周桂莲等[13]采用正交试验法分析了线切割机各电参数对加工速度、表面粗糙度的影响，可为平面叶栅试验叶片线切割加工工艺提供一定参考。

万枝铭[14]针对有机玻璃零件加工过程中的刀具选择、装夹方法和切削参数选择等进行了研究以提高有机玻璃的加工质量；万庆等[15]则对有机玻璃零件的数控加工工艺和抛光方法进行了改进以保证其加工精度和技术要求。上述研究可为叶栅试验件有机玻璃栅板的加工提供参考，但有机玻璃栅板加工对叶栅试验可视化测量的影响并不明确。

在检测技术应用方面，国内学者主要针对叶片检测技术开展了广泛的研究，其方法可应用于叶栅试验叶片的检测，但并未见叶栅试验件成套关键参数检测的相关文献。本文以典型的有机玻璃栅板叶栅试验件为例，从叶型线加工工艺、有机玻璃栅板加工工艺和试验件关键参数检测方法3个方面进行工艺试验和试验验证，可为类似的叶栅试验件加工检测及其对叶栅性能测量的影响分析提供参考。本文中叶片表面粗糙度采用轮廓算术平均偏差Ra值评估，利用TIME 3200粗糙度仪进行检测确定。

1 叶栅试验器及测试方案

试验在中国航发四川燃气涡轮研究院超跨声速叶栅试验器上进行。该试验器是一座连续吹入大气式的超、跨声速平面叶栅吹风试验器，能进行亚、跨、超声速压气机和涡轮平面叶栅吹风试验。试验器由气源站供给高压空气，空气经净化、干燥后直供设备。

试验器测试系统包括气流参数的测量和纹影观测、录像2部分。气流参数测量系统由PSI电子扫描阀系统、VXI采集系统和数采计算机等组成。在稳压箱内测取来流总压和总温，栅前栅后静压由布置于栅板上的静压孔测取，在叶栅中间通道的2个测压叶片上测取叶片表面压力，在叶栅出口测量平面利用探针步进采集计算出口流场参数。所有的被测参数均由数采计算机实时采集和处理，并将计算结果及时在屏幕上显示出来。

试验器配备了积木式结构的WCL-450纹影仪、高性能图像处理PC机、工业摄像机及图像处理软件组成的纹影图像处理系统,可以观察试验时气流流经叶栅模型所产生的激波波系纹影图像，并用照相机拍摄稳定状态下的波系纹影照片。

2 直叶片加工工艺研究

常用的叶栅试验件叶片加工一般有线切割和铣削加工2种，本文主要针对最常用的线切割加工方法进行研究。目前用于直叶片加工的线切割机根据加工精度分为高速往复走丝(俗称“快走丝”)、低速单向走丝(俗称“慢走丝”)和中走丝3类。快走丝采用的是可反复使用的钼丝，加工过程中抖动大、易断丝，加工精度和表面质量较低。慢走丝采用的是一次性使用的黄铜电极丝，切割精度很高，精度可达到0.001 mm级，工作平稳、抖动小，表面质量好。而中走丝采用的电极丝材料与快走丝相同，工作相对平稳、抖动小，并通过多次切割减少材料变形及钼丝消耗带来的误差，使得加工质量也相对较高。

3种线切割方式参数对比见表1，得到的样件如

表1 不同线切割方式对比Table 1 Comparison of different wire-electrode cutting methods

图1所示，从左至右依次为快走丝、中走丝和慢走丝样件。从图中可以看出：采用快走丝时，样件表面可见加工纹路；采用中走丝时，情况明显改善；采用慢走丝时，样件表面较为光滑细腻。虽然快走丝设备目前在加工厂应用最广泛，但对于平面叶栅试验直叶片加工而言，直接采用快走丝方式得到的叶片表面粗糙度是偏大的。

图1 不同走丝方式获得的样件Fig.1 Sample pieces from different processing methods

对于厚度较大的涡轮直叶片，可以采用铣削加工，表面粗糙度可达到Ra=0.8；但对于叶型较薄的压气机直叶片，受刀具切削力较大，一般仍采用线切割加工，采用慢走丝可达到Ra=0.8；而压气机叶片前缘和尾缘由于尺寸较小(当量半径在0.1 mm量级)，相对于涡轮叶栅更容易出现超差情况，需要反复调整机床参数来确保叶型轮廓度达标。考虑到慢走丝需要专用设备，且费用较高，尝试采用快走丝进行粗加工，然后采用抛光的工艺进行表面粗糙度提升，结果表明，虽然粗糙度满足设计要求，但叶型轮廓度极难达到0.1 mm量级的要求。而对于涡轮直叶片，在粗加工时预留余量进行抛光虽然满足叶型轮廓度的要求，但很难保证全叶高抛光的均匀性，可能会导致进行油流流迹显示试验时油流试剂无法吸附在叶片表面。因此，建议采用一次加工到位的工艺来加工直叶片。

在明确了各种加工方法可得到的粗糙度范围后，为了确定试验可用的叶片表面粗糙度设计取值范围，对叶片表面粗糙度对性能测量的影响进行了研究。对某压气机叶栅在不同粗糙度、不同攻角和试验雷诺数状态下的叶片表面等熵马赫数分布特性进行了试验测量，0°攻角状态下的叶片表面等熵马赫数分布见图2，图中横坐标为叶片表面测点坐标X与叶片弦长b的比值。从图中可以看出,Re=0.9×106时，粗糙度变化对叶片表面等熵马赫数分布影响较小。在Re=1.5×106时，当Ra≥6.2，吸力面分离位置由Ra=3.0时的70%左右相对弦长位置提前到40%，说明粗糙度较大时会诱发层流提前转捩，导致吸力面出现大面积分离，从而导致损失急剧增加。但Ra=6.2和12.3的叶片表面等熵马赫数分布差异不大，说明该状态存在粗糙度临界值，超过该值后叶片表面等熵马赫数分布不受其影响。其余工况下，随着雷诺数的增大，粗糙度的增大对吸力面和压力面表面马赫数分布的影响程度并不相同，吸力面峰值马赫数降低，峰值位置也会随着雷诺数的增大而逐渐前移，从而导致叶片载荷发生较大变化。图3给出了i=0°、Re=1.29×106状态下的油流图片，印证了该雷诺数下粗糙度越大，分离位置越靠前。更详细的相关研究见文献[16]。

图2 不同试验雷诺数状态下叶片表面等熵马赫数分布Fig.2 Isentropic Mach number distribution at different Reynolds number states

图3 i=0°、Re=1.29×106时吸力面油流图片Fig.3 Suction side oil flow pictures at i=0°，Re=1.29×106

为了进一步明确粗糙度的加工技术要求，采用慢走丝和中走丝加工方法，对另一套压气机叶栅进行了对比研究，分别按照叶片表面粗糙度Ra=0.8和1.6各加工一套试验件，并标识为A和B，获得的叶片表面等熵马赫数分布如图4所示，其中Ma1为进口马赫数，β1为试验进口气流角。在表面加工精度较高时，对该叶型来说表面等熵马赫数分布受粗糙度影响较小。从图5总压损失系数随进口马赫数的变化曲线可以看出两者的差异较小，粗糙度Ra=0.8的试验件损失略低于粗糙度Ra=1.6的试验件。

图4 不同试验马赫数状态下叶片表面等熵马赫数分布Fig.4 Isentropic Mach number distribution at different Mach number states

图5 总压损失系数随进口马赫数的变化曲线Fig.5 Total pressure loss variation with inlet Mach number at different blade surface roughness states

从上述2套试验件的对比研究可以看出，虽然叶片表面粗糙度对叶型的影响程度和规律与叶型有一定的关联，但主要的影响机制在于在高雷诺数状态下粗糙度的增大会导致层流提前转捩，从而导致损失增加，载荷降低。基于多套叶栅的对比试验，从性能研究的角度来说，建议高速高负荷叶栅的叶片表面粗糙度不低于Ra=1.6，在加工条件允许时，粗糙度可取更小值。

3 有机玻璃栅板加工工艺研究

作为平面叶栅试验件叶片固定安装的栅板，一般可由45#钢、不锈钢和有流场可视化需求的航空有机玻璃或者光学玻璃材料加工而成，成品件见图6。前两者机械加工装配技术已较为成熟，加工周期短并且质量有保障。玻璃栅板加工难度较高，且加工质量对后期纹影拍摄效果也有较大影响。

图6 航空有机玻璃栅板平面叶栅试验件Fig.6 Cascade test model with Aero-Plexiglass sidewall

作为常用的高分子材料，航空有机玻璃具有透光性能好、机械强度高、尺寸稳定、易加工的特点；光学玻璃虽然具有更加稳定的光学性质和高度的光学均匀性，但加工费用较高。考虑到叶栅试验件的经济快捷性要求，本文主要对较为常用的航空有机玻璃加工过程进行研究。

首先，需要根据风口尺寸大小和试验工况预估栅板受力情况，选择合适厚度的有机玻璃板材进行栅板加工。试验时，叶片受力很大，都通过榫头传递给有机玻璃栅板，厚度不足容易产生裂纹甚至断裂。

其次，从外观上来说，有机玻璃栅板是透明的，但是存在透明但不透光的黑色区域，使用这些区域加工的栅板将无法满足流场可视化需求。因此，加工前首先需要对栅板材料进行光学预检查，确保透光区域的大小能够满足视窗尺寸要求。一般采用纹影仪对有机栅板进行预检，模拟试验时的安装情况调节纹影仪的光路布置，将栅板置于检测光场中，图纸上要求的透光区域内应当无划痕、黑斑、气泡、杂质或应力纹等影响可视化测量效果的缺陷存在。

有机玻璃栅板加工工序一般有铣削加工平面和榫槽、钻测压孔或定位销钉孔、抛光研磨表面3个步骤。由于有机玻璃的导热性能较差，常温状态热导率仅是不锈钢的百分之一左右[17-18]，在铣削加工平面、榫槽和对需要进行纹影录像拍摄的区域进行抛光精磨时，均应采取加大冷却液流量和减小进刀量的办法来避免有机玻璃表面局部过热造成的应力纹。工艺试验中发现冷却液流量和进刀量控制不佳会导致栅板在完成加工静置过程中出现大面积细小碎裂纹路，直接导致栅板报废。在抛光的时候，对有划痕和无划痕的地方要同等对待，避免某个区域因抛得太多而产生凹陷，这种凹陷会在纹影相片中呈现出局部黑色不规则区域。如果抛光精磨时速度过快，将会导致表面呈磨砂玻璃状，如图7所示。

图7 存在抛光精磨问题的航空有机玻璃栅板Fig.7 Cascade models with Aero-Plexiglass sidewall which have polishing and fine grinding problems

另外，加工工序也会对有机玻璃栅板的加工质量产生较大影响。比如用于固定叶片的榫槽和销钉孔如在抛光精磨之前进行加工，能够有效减小孔槽周边位置的黑化情况。这主要是因为抛光精磨容易造成孔槽塌边，使通过塌边的光线发生折射、产生黑圈，如图8所示。

图8 孔槽塌边造成的黑圈示意图Fig.8 Schilieren picture with black areas due to the chamfer edge collapse

需要注意的是，应力纹和黑圈也可能是有机玻璃栅板在上台装配和试验过程中操作不当造成的，主要体现在2个方面：一是采用压框镶嵌方式固定安装栅板时，如果压框螺钉过度拧紧或者拉紧两栅板的螺栓过度拧紧，会导致局部出现明显的应力纹；二是在试验过程中如果流道中气温低于室内温度，由于有机玻璃导热差从而只是靠近气流侧表面附近温度降低，而槽中叶片导热性好，与之接触的有机玻璃榫槽温度降低，长时间保持这种状态会导致温度分布不均匀从而产生应力，再加上叶片所受的气动力作用也会传递给有机玻璃栅板，故在槽周围出现黑圈。因此，应在气流稳定后尽快采集纹影图像数据以降低气流的影响，并通过静态纹影仪调试和带气状态下对比确认是否为装配和受力原因导致的应力纹和黑圈。

4 试验件关键参数检测方法研究

平面叶栅试验件的加工和装配一般根据试验件设计图纸完成。以往受计量检测手段限制，对叶栅参数的检查仅靠游标卡尺来实现。试验叶型检测是由加工方首先试切一个叶高为10～15 mm的样件(如图9所示)，采用投影检测法分别抽检20～30个叶盆叶背型面的坐标点，获得其大致轮廓，并与图纸上以轮廓度0.1 mm的要求做出的叶型允许偏离轮廓进行对比来判定叶型是否合格。该检测方法存在以下3点不足：1) 试切件高度与真实试验叶片高度相比偏离较大，无法反映真实叶片全叶高的叶型轮廓偏差；2) 抽检点数较少导致覆盖区域偏小，无法反映真实叶片全周的加工尺寸偏差，尤其是叶片前后缘等对气动性能影响较大的区域，可能导致隐藏的轮廓度超差情况无法被发现；3) 试验件叶片的叶型、安装角、喉道尺寸等关键参数加工实际值与设计值的偏差程度对出口总压、静压、气流角周向分布试验测量结果有较大影响，但缺少相应的检测方法，导致试验件交付时的技术状态不明确。检测方法的缺陷导致试验件质量参差不齐，从而很容易导致测得的试验数据不准确。

叶型作为试验的主体，其轮廓度的保证是确保试验有效性的基础。本文采用先进的三坐标测量机对试切的全叶高真实试验叶片在不少于10个叶高截面处对叶型全周数据进行检测。该方案利用测得的数据进行叶片全叶高建模,与理论叶型全叶高建模进行对比分析来获得加工误差，可以大大提高检测的可靠性。为了确保检测结果的准确性，将叶片准确固定安装在基准平台上就显得尤为重要。经过反复尝试发现，必须对每个待检叶型制作专门的工装才能得到满意的效果，即保证叶片的位置度并且在三坐标测量探头于不同叶高截面处测量时可靠不晃动(见图10)。

图10 专用基本叶片工装示意图Fig.10 Special tooling for test blade detection

在采用该检测方法的初期，试验叶片检测不合格率居高不下，主要是全叶高不同截面叶型全周轮廓度差异明显，且前后缘轮廓度超差较普遍。加工方采取调整线切割机床加工基准、改变起刀位置和切割速度等措施进行了工艺试验，最终得到了满足检测验收要求的试验叶片。

在完成试验叶型和栅板的检测后，考虑到成套叶栅试验件的关键参数如栅距、安装角、喉道宽度和前后缘额线直线度等对试验数据的重要影响，参考涡轮级性能试验件上对导叶喉道面积的检测方法，进行了平面叶栅试验件关键参数检测方法研究。

前后缘额线直线度的测量是通过测量每个叶片前后缘最高点与栅板出口边的距离偏差来实现的，一般在叶中截面测得。如图11所示，将试验件平放在测量台上，以栅板的出口边为基准，依次测量每个叶片前后缘在X轴方向的最小坐标值，即可检测叶片前后缘额线的直线度和各叶片前后缘与额线的偏差值，同时利用该测量数据还可分析叶片前后缘额线与栅板边缘的平行度，以评价栅板榫槽加工位置的偏差。

图11 试验件尾缘直线度及栅距检测位置示意图Fig.11 Schematic diagram of detection methods for trailing edge straightness and pitch

栅距是通过测量相邻2个叶片Y方向的最高点(见图11)间距值得到的，一般在叶中截面测得(探针一般在栅后叶中截面进行步进测量)。在比较关注的中间通道2～3个叶片(如图11中的3～6号叶片)可沿叶高方向测量3个位置以确认栅距沿叶高方向的分布情况。测量时，所有叶片栅距的测量值都在同一坐标系下完成，即建立参考坐标系后，从1号叶片依次测量至8号叶片，栅距通过相邻叶片Y方向最高点的坐标差值获得。

如图12所示，喉道宽度测量的是E点和G点的坐标差。坐标系XOY与额线夹角α为喉部尺寸的测量方向角，由设计方给出。测量时，用探头分别测量X轴方向上叶片尾缘最高点E和相邻叶背对应点G的坐标后，取X方向上的坐标差得到喉道宽度。

图12 喉宽及安装角测量示意图Fig.12 Schematic diagram of detection methods for the throat width and stagger angle

测量安装角需新建另一个坐标系X′O′Y′，该坐标系与前缘额线的夹角γ为叶栅试验件的安装角。该方法可以在试验前确认试验件的状态能否满足试验需求，尤其是栅距、喉宽等关键参数是否有较大的偏差，可为后期的试验数据分析提供有力支持。

通过明确和改进叶栅检测方法以及细化试验件的加工技术要求，试验件加工质量有了明显提高。为了确认实施效果，对某叶栅进行了试验验证。图13为某叶栅中间通道相邻2个叶片的表面等熵马赫数分布，图例中Ma2为叶栅出口等熵马赫数。从图中可以看出，叶片表面等熵马赫数分布的趋势和峰值位置差异较小，说明相邻2个叶片通道从性能上来说都可以满足设计方试验需求。

图13 叶片表面等熵马赫数分布对比Fig.13 Comparison of isentropic Mach number distribution between adjacent channels

5 结 论

通过平面叶栅加工工艺及其对性能测量影响的试验研究，可得到以下结论：

1) 从性能研究的角度来说，在高试验雷诺数状态下，叶片表面粗糙度过大会导致相同工况下叶片载荷减小，损失增大。采用直接铣削或者线切割加工得到的叶片轮廓度更易得到保证；采用快走丝线切割加工得到的叶型粗糙度偏大。综合考虑加工成本和性能测量的需求，建议高速高负荷叶栅的叶片表面粗糙度不低于Ra=1.6，在加工条件允许时，粗糙度可取更小值。

2) 航空有机玻璃栅板的加工和装配均会对高速状态下的叶栅流场可视化测量有重要影响。应先选料后加工，在加工过程中采取加大冷却液流量和减小进刀量的办法来避免有机玻璃表面局部过热造成的应力纹；在抛光精磨之前进行孔槽加工以避免塌边造成的黑圈，否则将无法获取有效的可视化测量结果。

3) 成套叶栅试验件的关键参数测量方法的改进使叶栅试验件加工装配质量有了明显提高，可为获得更加准确可靠的性能数据提供保障。采用三坐标测量机实现了从叶片局部样件检测到全叶高检测的改进，大大提高了叶型加工误差检测的准确性。