航空发动机叶片进排气边缘形状自动评价方法_陈雷.pdf

文章编号：1000-8055（2023）04-0986-08doi：10.13224/ki.jasp.20210461航空发动机叶片进排气边缘形状自动评价方法陈雷1，李大力1，王婧雯2，3，张旭2（1.中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，沈阳110043；2.华中科技大学无锡研究院，江苏无锡214174；3.上海大学机电工程与自动化学院，上海200444）摘要：针对目前对航空发动机叶片进排气边缘形状的评价主要依赖人工目测，主观性强、效率低等问题。提出一种叶片进排气边缘形状自动评价方法，通过非均匀有理 B 样条（NURBS）曲线拟合、最小二乘椭圆拟合、等半径法等算法拟合叶型并提取相关型面参数，针对 5 类叶片进排气边缘不合格形状给出了定性的定义，根据叶片进排气边缘在不同形状时的曲率特征以及偏差值变化特征对其形状做出评价。通过实例验证表明：该方法能够实现对尖头、钝头、歪头、缩颈及大小大/小大小（LSL/SLS）5 类叶片进排气边缘形状的自动判读，对于不同叶片型号和验收标准的应用场景具有较好的通用性，有效提高了叶片进排气边缘形状评价的效率。关键词：进排气边缘；形状评价；叶型参数；特征提取；等半径法中图分类号：V263.1+4；TB9文献标志码：AAutomaticshapeevaluationmethodofaeroenginebladeinletandexhaustedgesCHENLei1，LIDali1，WANGJingwen2，3，ZHANGXu2（1.ShenyangLimingAeroEngineCorporationLimited，AeroEngineCorporationofChina，Shenyang110043，China；2.WuxiResearchInstitute，HuazhongUniversityofScienceandTechnology，WuxiJiangsu214174，China；3.SchoolofMechatronicEngineeringandAutomation，ShanghaiUniversity，Shanghai200444，China）Abstract:Atpresent，theevaluationofbladeinletandexhaustedgeshapemainlyreliesonmanualvisualinspection，whichhastheproblemsofstrongsubjectivityandlowdetectionefficiency.Anautomaticevaluationmethodofbladeinletandexhaustedgeshapewasproposed.Thebladeprofilewasfittedandtherelevantprofileparameterswereextractedbynon-uniformrationalB-splines（NURBS）curvefitting，leastsquareellipticfittingandequalradiusmethod.Aqualitativedefinitionwasgivenfortheunqualifiedshapesoffivetypesofbladeinletandexhaustedge.Theshapeofthebladewasevaluatedaccordingtothecurvature characteristics of the blade inlet and exhaust edges in different shapes and the variationcharacteristics of deviation values.Experiments showed that the proposed method can realize theautomaticevaluationoffiveedgeshapes:cusp，blunt，inclined，neckingandlargesmalllarge/smalllargesmall（LSL/SLS）.Themethodhasstrongversatilityfordifferentbladetypesandacceptancestandards，收稿日期：2021-08-20作者简介：陈雷（1978），男，研究员级高级工程师，硕士，主要从事整体叶盘先进制造工艺方面的研究。通信作者：王婧雯（1997），女，硕士生，主要从事视觉检测方面的研究。E-mail：jingwen_引用格式：陈雷,李大力,王婧雯,等.航空发动机叶片进排气边缘形状自动评价方法J.航空动力学报,2023,38（4）：986-993.CHENLei,LIDali,WANGJingwen,etal.AutomaticshapeevaluationmethodofaeroenginebladeinletandexhaustedgesJ.JournalofAerospacePower,2023,38（4）：986-993.第38卷第4期航空动力学报Vol.38No.42023年4月JournalofAerospacePowerApr.2023therebyimprovingtheefficiencyoftheshapeevaluationofbladeinletandexhaustedges.Keywords:inletandexhaust；shapeevaluation；bladeprofileparameters；featureextraction；equalradiusmethod叶片是航空发动机的重要零部件之一，也是涉及发动机安全性能的关键动部件，其曲面形状和制造精度很大程度上决定了发动机的推进效率，因此在航空发动机零部件的检测中，叶片型面的检测具有十分重要的意义1-2。叶片型面中进排气边缘（即叶片的前/后缘）的形状误差对发动机的推进效率有着不可忽视的影响。其中，叶片进气边的形状误差会使叶型损失明显增加，且增压能力有所下降；叶片排气边形状尺寸对于叶排出口尾迹有很大影响，因而影响下游叶排的进口气流条件3-4。由于叶片的进排气边缘是叶片最薄的部位，在加工时极易超差。理想的前/后缘一般设计为圆弧或椭圆弧，由于加工工艺的影响，在实际生产中或出现一些非理想的圆弧形状。即使是微小的形状误差也会改变叶型的中弧线形状、厚度分布、叶型弯角、几何进出气角、叶型弦长等决定叶型气动性能的关键几何参数，从而影响发动机的推进效率5。虽然标准 HB5647-1998叶片叶型的标注、公差与叶身表面粗糙度6中对“前/后缘圆弧形状控制”进行了定义，并提出了几种典型的不合格工艺形状，但并没有给出明确的定量标准和定义，这对叶片进排气边缘形状自动评价方法的研究造成了巨大的难度。目前，现有的叶片型面专用评价软件，如海克斯康的 PC-DMISblade，仅可分析计算叶片前/后缘厚度、前/后缘半径、弦长、扭转角、轮廓度等参数，而无法对叶片进排气边缘的不合格工艺形状进行识别。曹斌等提出了一种基于厚度偏差趋势评价前/后缘削边形状的方法，利用叶型中弧分割叶片边缘厚度，通过评价厚度偏差趋势的各项特征值来实现叶片前/后缘削边形状的自动分析，该方法能够实现对理想前/后缘和削边前/后缘的分类判断，但对于其他种类的不合格工艺形状并未给出判断方法7。目前，叶片进排气边缘形状的评价主要依赖人工，质检人员将叶片进排气边缘的轮廓放大图与不合格工艺形状的标准图样进行对比，通过目测得出评价结论7。该检测方法存在图像放大倍数无标准、判断结果主观性强等弊端，易出现不同人员检测结果不一致的问题;当生产批量较大时，人工评价叶片进排气边缘形状的方式会造成极高的人力成本和时间成本，严重降低了叶片质量综合评定的效率。因此，设计一种叶片前/后缘形状的自动评价方法，对于提高叶片生产、质检效率具有重要意义。1理论基础在标准 HB5647-1998叶片叶型的标注、公差与叶身表面粗糙度6中第 21 页第 6.6 项，专门对“前/后缘圆弧形状控制”进行了定义。前/后缘的形状，前/后缘圆弧与叶盆、叶背型线转接的圆滑程度以及前/后缘圆弧叶展方向变化的平滑程度是需要控制的。根据某型号整体叶盘的实际生产经验，如图 1 所示，叶片进排气边缘容易出现以下几种不合格的工艺形状：尖头、钝头、歪头、缩颈和大小大/小大小。(b)钝头形状(c)歪头形状(d)缩颈形状(e)大小大/小大小形状(a)尖头形状上极限叶型轮廓下极限叶型轮廓中弧线实际叶型轮廓图1叶片前/后缘的 5 种不合格工艺形状Fig.1Fivenonconformingprocessshapesatthefront/backedgeoftheblade叶片前/后缘的形状误差体现了实际叶型与理论叶型在几何形状上的偏差，而这种偏差将对发动机的气动性能产生不同方面以及不同程度的影响。有研究表明，对于钝头前缘，由于极大地增加了吸力面附面层厚度和尾迹宽度，因此钝头前缘对马赫数分布的影响较大，造成叶型损失的大幅度增加。对于偏头前缘，由于改变了喉道面第4期陈雷等：航空发动机叶片进排气边缘形状自动评价方法987积，因此偏头前缘对堵塞流量和正负攻角范围的影响较大。类似的，由于其几何特性，其他几类前后缘的不合格工艺形状也将对发动机的气动性能产生不同程度的影响3-4。叶片的型面参数是其加工质量控制的参考要素之一，包括前/后缘半径、弦线、中弧线、叶型厚度等。本文提出的叶片进排气边缘形状评价方法所涉及的叶片型面参数包括叶型中弧线、前/后缘点以及型线交点。其中，中弧线是叶型内切圆圆心的连线，并在前后缘圆心按切线方向延伸到同前、后缘相交的线；前/后缘点是叶型中弧线与前/后缘圆弧的交点；型线交点是叶型理论轮廓与实际轮廓的一系列交点。2叶片型面参数计算本文获取的叶片测量数据来源于三坐标测量机测量软件，为叶片在不同等高线截面上的离散点数据，包括叶型的测量点和理论点。且数据已被大致分割为前缘（LE）、后缘（TE）、叶盆（CC）、叶背（CV）四个部分。具体划分范围依据设计要求而定。在对叶片进排气边缘的形状做出评价前需要对叶型中弧线、前/后缘点以及进排气边缘型线的曲率半径模型进行计算，流程如图 2 所示。叶片截面理论点云计算中弧线建立叶片进排气边缘曲率半径模型叶片截面测量点云NURBS方法拟合叶盆/背型线提取前/后缘点NURBS方法拟合前/后缘曲线最小二乘法拟合前/后缘(椭)圆弧图2叶片型面参数计算流程图Fig.2Flowchartofbladeprofileparametercalculation2.1叶型分割及分段曲线拟合叶片测量数据通常是离散的点云数据，在求解叶片型面参数之前需要将获取的离散数据点拟合为连续曲线。叶片前/后缘的理论形状一般是圆弧或椭圆弧，利用基于最小二乘的椭圆拟合方法对前/后缘理论数据点云进行拟合8-9，如图 3 所示，可以得到叶片前/后缘的理论（椭）圆弧。具体方法如下：步骤 1提取缘头的极值点作为初始缘头点，然后向叶盆、叶背两侧各提取 2 个点。以这 5 个点作为初始的缘头范围。EEEE步骤 2对缘头范围内的所有点进行最小二乘椭圆拟合，并计算拟合误差（缘头点到椭圆曲线距离平方和的均值）。将缘头范围向叶盆、叶背两侧各增加一点，分别进行椭圆拟合并计算拟合误差，将得到的 值较小的一侧且 值不超过阈值的点增加为缘头范围内。E步骤 3重复步骤 2 直到盆背两侧所求的值都大于阈值，则结束循环。此时完成前/后缘的分割。步骤 4若所求椭圆的长短轴之差小于设定的阈值，则重新对缘头范围内的点进行最小二乘圆拟合得到圆心和半径。x、y对于存在形状误差的叶片来说，其前/后缘的实际形状为非理想的圆弧，因此不能用圆弧拟合的方法构造其曲线。故可利用自由曲线构造的方法来拟合实际前/后缘曲线和叶盆、叶背的型线。在目前应用较广泛的自由曲线构造方法中，非均匀有理 B 样条（NURBS）是 Bezier 和有理样条的适当推广，由于其在数