[发明专利]一种空心涡轮叶片气膜冷却孔背壁损伤主动防护方法

说明书

一种空心涡轮叶片气膜冷却孔背壁损伤主动防护方法，涉及空心涡轮叶片加工领域。提供可获取基于叶片模型配准与误差分析的气膜孔加工深度，可应用于背壁损伤的主动控制防护的一种空心涡轮叶片气膜冷却孔背壁损伤主动防护方法。通过叶片设计模型与测量模型的精确配准，结合误差分析与修正，提出一种涡轮叶片的气膜孔壁厚及加工深度获取方法，可有效防止对空腔背壁的误加工，属于背壁损伤的主动控制防护，无需额外的加工工艺，具有一定的实用意义。尤其适用于精铸涡轮叶片的气膜孔高精度加工。

技术领域

本发明涉及空心涡轮叶片加工领域，尤其是涉及空心涡轮叶片气膜孔加工过程中的背壁损伤防护方法。

背景技术

现代航空发动机普遍具有较高的燃气温度，往往超过涡轮叶片材料承受极限，为保证叶片在高温高压条件下的正常工作，常用气膜冷却方法。气膜冷却需要在空心叶片上加工大量的气膜孔，气膜冷却效率由气膜孔的几何造型精度以及定位精度来保证。

在气膜孔加工过程中，加工深度普遍以拟打孔点处叶片的设计厚度为参考。但是通过精密铸造得到的叶片由于自身复杂的非线性物理成形过程，将产生相对于设计模型的非均匀变形，加之装夹及定位误差，待打孔点处叶片实际壁厚往往与设计壁厚存在偏差，而壁厚又与加工深度直接相关。在打孔过程中，由于事先无法准确得知加工深度，可能加工出盲孔，或者在孔打通后进一步对孔背壁进行误加工，在背壁产生微裂纹等不可逆转损伤，即背壁损伤。背壁损伤将影响叶片性能，影响叶片服役寿命，必须采取适当措施进行防护。

专利CN104801857A及专利US5222617A分别提出通过在叶片空腔中填充其它材料来防止背壁的误加工的方法，此类办法虽有成效，但增加了额外的多道工序，操作时间成本较高，属于被动防护措施。考虑采用主动防护措施，更高效地防止空心叶片打孔的背壁损伤。专利CN108747060A公开了一种空腔结构零件打孔背壁防护方法，通过激光能量调控使空腔零件背壁的激光辐照能量低于烧蚀阈值，进而防止背壁损伤。此方法虽然可以有效防止超快激光加工空腔零件造成的背壁损伤，但需要测量空腔的距离，这在实际涡轮叶片中具有一定困难。

发明内容

本发明针对空心涡轮叶片打孔的背壁损伤问题，提供可获取基于叶片模型配准与误差分析的气膜孔加工深度，可应用于背壁损伤的主动控制防护的一种空心涡轮叶片气膜冷却孔背壁损伤主动防护方法。

本发明包括以下步骤：

1)通过光学扫描仪对拟进行气膜孔加工的空心涡轮叶片进行点云数据采集，建立点云数据的拓扑关系，对点云模型的几何特征进行提取；

2)运用基于特征的预配准方法对点云模型及设计模型进行预配准，以保证后续精确配准算法的收敛性；

在步骤2)中，所述运用基于特征的预配准方法对点云模型及设计模型进行预配准，以保证后续精确配准算法的收敛性的具体步骤可为：

(1)运用均匀采样法对原始测量点云{P}进行简化，得到{P'}；

(2)计算简化后点云和设计模型的重心，分别记为O₁、O₂，平移两模型使二者的重心与坐标原点O重合；

(3)估算简化后测量模型和设计模型的高斯曲率K与平均曲率H；

(4)根据所求得的高斯曲率K、平均曲率H和法矢，提取两模型中相对应的特征面，分别记为L₁、L₂，并求取两特征面的形心P₁、Q₁；

(5)把P₁、Q₁沿所在特征面的法线方向移动一定距离d，得点P₂、Q₂，计算公式为：

其中，与分别为特征面的单位法矢；