摘 要：针对涡轮转子叶片内腔冷却效果的检测，该文简要介绍了通过对涡轮叶片水流量检测继而得到涡轮叶片内腔冷却数值的一种较为简便的检测方法。以涡轮叶片为例介绍检测方法的同时，对水流量实验器的重复性、准确性以及试验器校验用标准样件如何选取也进行了分析。

关键词：涡轮叶片 水流量 水流量试验器

中图分类号：V231.3文献标识码：A文章编号：1674-098X（2013）05（c）-0044-04

在航空发动机和燃气轮机的设计中，随着科学技术的不断发展，如何更为有效地提高涡轮叶片工作时的冷却效果，确保涡轮叶片更为有效的工作，这不仅依赖工艺水平的提升，也要求结构设计的改进[1，2]。

涡轮叶片作为发动机的关键零件，无论在航机或者燃机上都有着举足轻重的作用。在工作时需承受着高温、高离心载荷，且需要保证长使用寿命。因此，近年来涡轮叶片均采用了结构复杂的空心交叉肋式冷却，以增强叶片的冷却效果。

为了得到准确的冷却流量数据，确保更为有效地进行产品质量的判断，或者进行设计工艺改进采用何种检测方法及手段就显得尤为重要。

1 涡轮转子叶片流量检测方法

目前，发动机涡轮工作叶片常采用检测水流量或空气流量，以便检查叶片内腔流通能力。两种检测方法均是在叶片的冷却气流进口处施加一定压力，测量单位时间内通过内腔的水流量或者空气流量，从而验证涡轮叶片内腔流通能力。空气流量主要的检测介质为“空气”，众所周知空气的状态是很容易被改变的，遇热膨胀、遇冷压缩，为满足空气流量数据的可靠性，必须对测量环境有相对较高的要求从而导致检测成本的增加；而水流量检测其主要的检测介质为“水”，水的稳定性较高，所受环境局限性小，相比空气流量检测而言水流量检测更为方便更适合生产现场使用。

2 水流量检测原理

涡轮叶片水流量检测采用的方法是在规定的压力下，水流通过试验器管路、工装后流经叶片内腔，并计量单位时间内流经叶片的水流重量，对计量值进行修正，最终得出被检测叶片的实际水流量。叶片水流量检测原理示意如见图1所示。

每次使用试验器检测待检叶片水流量之前，用流量标准样件校验试验器，当测量值在标准样件的流量范围时，认为试验器工作正常，再检测待检叶片的水流量，最后修正待检叶片水流量得出实际水流量。试验器测量水流量修正方法为：

待检叶片流量值（试验器测量值）÷修正系数=待检叶片实际流量值。

3 水流量检测的方法和技术改进

3.1 水流量试验器简介

水流量试验器是用于测量发动机涡轮导向叶片和涡轮工作叶片内部冷却空气通道流通能力的专用试验设备。

以下以某燃汽轮机涡轮叶片为例对水流量试验器进行介绍。

主要使用的参数有：

试验介质、试验压力、试验拉力测量仪表精度、介质温度、介质过滤精度、

流量计测量范围、流量计测量精度、流量泵参数。

为检测涡轮叶片内部冷却空气通道的流通能力，需要测量每个叶片在相同水流工况下的流量。水流量测量用于综合评价叶片结构的合理性，并为流量检测标准的制定提供数据积累。

在针对涡轮叶片水流量检测的初期，也就是涡轮叶片处在试加工的阶段，所使用的水流量试验器采用限高的水箱提供水压，首先在工作台的夹具上将涡轮叶片固定，打开水泵及控制开关供水，水面上升到固定高度出现溢流现象，溢流窗口就会有水流出，此时就可以进行水流量检测。使用浮子流量计进行数据检测，检测过程均由操作者手工控制。

上述方法检测过程繁琐，不适用于批量生产时的检测。随着检测技术的不断提高，水流量试验器的检测方法有了较大的改进。对数据采集系统、检测系统以及试验器内部的过滤与循环系统进行了改进，并且增加了检测数据电子输出系统。所采用的检测系统是多处理器分布式系统，处理速度快、模块功能清晰、维护升级方便测量精度高、数据采集速度快。

进行水流量检测时，启动容积泵，向高位水箱注水，然后观察溢流指示器，当有水流流过表明水箱水位达到预定高度；将检测夹具固定在试验器上，然后将涡轮叶片正确安装；打开阀门使水流通过涡轮叶片内腔，观察溢流指示器，必须有水流过溢流指示器；起动称重切换机构进入称重状态，称重过程中系统将判断流量变化，当变化较小即稳定后电极计量，开始采集并记录数据，系统根据预设的标准流量自动判断流量是否合格并给出报警信息；称重结束后，切换机构推出称重状态，并将称重台水槽中的水放掉，准备进入下一次称重。

3.2 检测夹具的设计原理

水流量检测是否能够顺利进行，不仅依靠水流量试验器的可靠性，与检测夹具的关系也是密不可分的。下面我们以某燃气轮机涡轮叶片为例，对其水流量检测夹具设计思路及原理进行介绍。

如图2所示涡轮叶片入水口为条形孔，入水口的旁边有一个圆孔此处是不允许进水的。在设计水流量检测夹具时，如何保证在不漏水的情况下入水口不会出现堵孔的现象就显得尤为重要。

在设计水流量检测夹具时以涡轮叶片榫齿齿形定位，引流块的形状与下缘板底部形状一致成凹槽状，涡轮叶片下缘板底部正好装入凹槽中。如图3所示，检测夹具与涡轮叶片进水口之间装有密封垫，用以防止漏水。

实际的检测过程中不仅要在涡轮叶片最终状态进行，在涡轮叶片铸造过程中也需要进行水流量检测。在实际的检测过程中最常出现的问题是，涡轮叶片的入水口与引流块上的入水口位置交错，致使入水口面积减少水流量检测不准确。为了最大限度的避免此种情况的发生，首先在引流块上增加定位孔（定位孔位置与涡轮叶片榫齿底部的圆孔位置相同）；其次在入水口处增加限位销（限位销的尺寸与入水口尺寸紧配合），进行水流量检测时限位销从夹具顶部穿过，进入引流块及涡轮叶片入水口将涡轮叶片与引流块的入水口位置调整至最佳状态，此时就可进行水流量检测。

3.3 水流量试验器校验

水流量试验器设计制造完成之后，能否达到设计要求并且保证正常使用还需要对其校验。经校验合格后的水流量试验器才能用于设计实验或生产现场的实际使用。

3.3.1 试验器重复性校验

随机抽取了23件涡轮叶片进行重复性校验见图4。

蓝色标识为第一次检测值，红色标识为第二次检测值，横坐标为第一次零件序号纵坐标为涡轮叶片水流量流量值。由图4中可以看出同一个零件两次所采集的流量值之差最大为40 g/min，仅为该级叶片水流量名义值的0.9%。由此可得出此水流量试验器具有可靠的重复性。

3.3.2 试验器校验标准样件的确定

使用水流量试验器进行检测之前，需要判断实验器的状态是否合格，此时是否可以进行水流量检测，如何最为简洁的判断水流量试验器的状态，一般是使用校验标准样件进行试验器的校验，具体操作方法是使用校验标准样件在水流量试验器上进行检测，在校验标准样件合格值范围内，就认为水流量试验器合格可用于进行水流量检测。

校验标准样件的选取方法：

①抽取不少于30件涡轮叶片在水流量试验器上进行水流量检测；

②针对上述涡轮叶片在模拟实验室检测真值；

③两组数据进行对比，计算出具体差异数值；

④使用专用工具去除差异数值歧义点后，求出平均值

下面就以某机涡轮叶片为例进行简要说明：

使用86片涡轮叶片在水流量试验器上进行流量检测，并将水流量试验器检测的流量值与实验室检测值进行比较，如图5。

由图5可以看出，水流量试验器所检测的流量值与实验室检测值之间存在差异，将数据一一对应求出每个涡轮叶片的差异值，再使用Shewhart控制图进行修正，得到该批标准叶片的平均流量修正系数。（图6）

使用shewhart控制图对全部叶片流量值的修正系数仅去除了极少数歧义点，求得流量修正系数平均值为0.9085。由此可见，水流量试验器的检测数据与标准叶片流量值虽有差异，但是趋势一致。

依据所得出的修正系数，任意选取一片涡轮叶片以修正后的流量值为标准值，公差范围的选取所遵循的原则是设计公差的十分之一，综上所述，水流量试验器校验用标准样件的选取就完成了。

4 结语

本文以涡轮叶片为例对水流量试验器的检测方法进行了简要的介绍，针对水流量试验器的校验，介绍了使用Shewhart控制图选取涡轮转子叶片的校验用标准样件的方法，总结出用于采用标准件校验的试验器选取标准件的流程，为今后校验其它试验器提供了可借鉴方法。

参考文献

[1]张宗卫，朱惠人，刘聪，等.全气膜冷却叶片表面换热系数和冷却效率研究[J].西安交通大学学报，2012，46（7）：103-107.

[2]邓宏武，肖俊，李国庆，等.吹风比对旋转涡轮叶片气膜冷却的影响[J].航空动力学报，2011，26（7）：1452-1457.