CN104132796A - 一种定子叶轮内部流场粒子图像测速试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种定子叶轮内部流场粒子图像测速试验装置，由被测模块、支撑模块、工作台运动模块、相机运动模块及水循环模块组成，所述的被测模块固定在具有三自由度的工作台运动模块上，所述的水循环模块对被测模块测试所需的高压水进行循环，具有两自由度的相机运动模块设有两个PIV相机，分别固定在被测模块两侧，对被测模块进行流场监测；所述的支撑模块对上述模块进行支撑。所述的被测模块包括有机玻璃箱，通过导轮固定装置固定在有机玻璃箱内部的导轮，以及进水管；所述的导轮的外环去掉，或者导轮采用透明的材质。本发明解决了某些定子叶轮内部流动不可视的测量难题，能够模拟出定子叶轮的真实工况，测量结果具有工程应用价值。

Description

一种定子叶轮内部流场粒子图像测速试验装置
技术领域
本发明属于流场测试技术领域，特别涉及一种定子叶轮内部流场粒子图像测速试验装置。
背景技术
粒子图像测速(Particle Image Velocimetry，简称PIV)技术是一种可以同时获得流场中多点测量流体或粒子速度矢量的光学图像技术，主要通过记录流场中示踪粒子在很短时间段内的位移来计算粒子的速度。PIV技术是在传统流动显示基础上，利用图形图像处理技术和计算机技术发展起来的一种新的流动测量技术，它可以保证较高精度的要求下，无接触地测量流场中一个截面上的二维流速分布。它是通过在流场中播入跟随性和反光性良好的示踪粒子，用激光片光源照射流场，采用多次曝光记录粒子场在不同时刻的图像，测出在已知时间间隔内示踪粒子在某切面的位移，即可得到全场的速度分布。PIV技术克服了以往单点测速技术的局限性，已成为流体力学中最重要的测量仪器，广泛地应用于与流动测量相关的各个领域，极大推动了流体力学、传热学等相关领域的科学发展。
但是对于某些元件固定的叶轮，目前常规的PIV测量设备却难以测量，即使利用激光测量也难以将其照亮。例如，对于液力变矩器的导轮来说，液力变矩器导轮结构上被泵轮和涡轮包围，这就对PIV的测量造成了很大的困难，甚至无法进行测量。但导轮的特点是在各个工况下它是固定不动的，因此可以将其拿出固定进行测量，只要模拟出真实工作的工况，得到的测量结果就具有意义。导轮中没有能量转化，只有速度方向发生变化，因此可以用真实工作的流量来模拟其工况。至于每一工况流量的确定，可利用CFD软件或者实验模拟整个液力变矩器循环流动来确定，该方法的准确性与有效性已经得到了很多实际开发产品的验证。
发明内容
本发明克服了现有PIV试验装置的不足，提出了一种操作简单、精度高、适应性强并且可实现可视化的固定叶轮的PIV内部流场试验装置。下面以液力变矩器的导轮29作为被测定子叶轮为例进行说明。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种定子叶轮内部流场粒子图像测速试验装置，由被测模块、支撑模块、工作台运动模块、相机运动模块及水循环模块组成，所述的被测模块固定在具有三自由度的工作台运动模块上，所述的水循环模块对被测模块测试所需的高压水进行循环，具有两自由度的相机运动模块设有两个PIV相机13，分别固定在被测模块两侧，对被测模块进行流场监测；所述的支撑模块对上述模块进行支撑。
所述的被测模块包括有机玻璃箱14，通过导轮固定装置26固定在有机玻璃箱14内部的导轮29，以及进水管22；所述的导轮29的外环去掉，或者导轮29采用透明的材质。所述的被测模块还包括立柱28和横板25；
所述的进水管22通过立柱28和横板25固定在有机玻璃箱14的侧壁上，所述的立柱28和横板25之间活性连接，可上下、左右移动，进而调节进水管22的高度、调节进水管22相对于导轮29流道进水口的液流冲角；所述的液流冲角的大小可由立柱28上的指针在横板25的坐标板上的坐标得出；
所述的工作台运动模块包括转台气缸机构16和多个滚珠丝杠机构；所述的工作台运动模块具有三个自由度，分别为沿着x轴的平动、沿着y轴的平动和绕着z轴的转动；
所述的绕着z轴的转动由转台气缸机构16实现，转台气缸机构16上设有可自由旋转的负载转台30，通过调节转台气缸机构16侧壁上的螺钉17，使转台气缸机构16中两齿条在与其相连活塞的往复推动下驱动负载转台30按设定的角度作摆动，从而带动固定在负载转台30上的被测模块绕着z轴转动；被测模块中的导轮29按照相同的角度和方向作摆动，进而调节导轮29进口的液流冲角；
所述的沿着x轴的平动和沿着y轴的平动均由滚珠丝杠机构实现，其中，沿着x轴的平动由固定在工作台19上的转台气缸丝杠5、转台气缸机构16底部的滚珠螺母实现，通过操作工作台控制面板20调节转台气缸机构16沿着转台气缸丝杠5沿着x轴平动；所述的沿着y轴的平动由工作台横向导轨8.、工作台横向丝杠9以及工作台19侧面的滚珠螺母实现，在电机21的控制下工作台19以及被测模块可沿着y轴平动。
所述的相机运动模块设有圆柱导轨4以及两个PIV相机13，所述的两个PIV相机13均具有两个自由度，分别为沿着圆柱导轨4的上下平动以及绕着圆柱导轨4的旋转；
所述的沿着圆柱导轨4的上下平动由圆柱导轨4、竖直丝杠3、相机导轨2以及步进电机1实现，所述的相机导轨2设有沿着圆柱导轨4滑动的光孔和沿着竖直丝杠3进行滚珠啮合移动的滚珠螺母，通过操作控制面板6，步进电机1驱动竖直丝杠3转动，使得相机导轨2带动PIV相机13上下平动；
所述的绕着圆柱导轨4的旋转是通过圆柱导轨4绕着自身中心线作回转运动实现的，进而带动相机导轨2以及PIV相机13作圆周进给运动；
所述的相机运动模块还包括万向支臂12；所述的PIV相机13通过万向支臂12连接在相机导轨2上，可以任何角度进行固定，对被测模块中的导轮29进行三维流动测量。
所述的水循环模块包括设置在水箱23内部的水泵24、连接在水泵24出口的进水管22以及从有机玻璃箱14回流的出水管11，组成一个封闭的回路；
所述的进水管22上安装有流量计15和阀门18，其中，阀门18改变系统当前流量的大小，流量计15测量当前系统流量的大小。
本发明的有益效果在于：解决了某些定子叶轮(例如液力变矩器的导轮)内部流动不可视的测量难题，能够模拟出真实工作的工况，使得测量的结果具有意义。同时，测量过程采用两个相机从不同的角度拍摄，并且使两个PIV相机都获得聚焦成像，将两个PIV相机拍摄的投影图像进行重构，就能够再现被测流体中粒子的真实位移，以实现三维流动测量。
附图说明
图1是本发明的整体示意图
图2是有机玻璃箱装置内部示意图
图3是转台气缸机构示意图
图中：
1.步进电机，2.相机导轨，3.竖直丝杠，4.圆柱导轨，5.转台气缸丝杠，
6.控制面板，7.激光器，8.工作台横向导轨，9.工作台横向丝杠，
10.支架装置，11.出水管，12.万向支臂，13.PIV相机，14.有机玻璃箱，
15.流量计，16.转台气缸机构，17.螺钉，18阀门，19.工作台，
20.工作台控制面板，21.电机，22.进水管，23.水箱，24.水泵，25.横板，
26.导轮固定装置，27.立柱螺钉，28.立柱，29.导轮，30.负载转台
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细介绍。
图1是本发明的一种定子叶轮内部流场粒子图像测速试验装置的整体示意图，可见本发明主要由被测模块、支撑模块、工作台运动模块、相机运动模块及水循环模块组成，所述的被测模块固定在具有三自由度的工作台运动模块上，所述的水循环模块对被测模块测试所需的高压水进行循环，具有两自由度的相机运动模块设有两个PIV相机13，分别固定在被测模块两侧，对其进行流场监测；所述的支撑模块提供上述模块的支撑。
图2是有机玻璃箱装置内部示意图，可见所述的被测模块包括有机玻璃箱14，通过导轮固定装置26固定在有机玻璃箱14内部的导轮29，以及进水管22；所述的进水管22通过立柱28和横板25固定在有机玻璃箱14的侧壁上，所述的立柱28和横板25之间活性连接，可以上下、左右移动，进而调节进水管22的高度、调节进水管22相对于导轮29流道进水口的液流冲角；液流冲角的大小可由立柱28上的指针在横板25的坐标板上的坐标得出；
因为激光无法穿透不透明物体，因此所述的导轮29的外环需要去掉，或者导轮29采用透明的材质。
所述的工作台运动模块具有三个自由度，分别为沿着x轴的平动、沿着y轴的平动和绕着z轴的转动；
绕着z轴的转动由转台气缸机构16实现，如图3所示，转台气缸机构16上设有可自由旋转的负载转台30，通过调节转台气缸机构16侧壁上的螺钉17，使转台气缸机构16中两齿条在与其相连活塞的往复推动下驱动负载转台30按设定的角度作摆动，从而带动固定在负载转台30上的被测模块绕着z轴转动；被测模块中的导轮29按照相同的角度和方向作摆动，达到调节导轮29进口的液流冲角的目的，使变矩器工况模拟的更加精确。
所述的沿着x轴的平动和沿着y轴的平动均由滚珠丝杠机构实现，其中沿着x轴的平动由固定在工作台19上的转台气缸丝杠5、转台气缸机构16底部的滚珠螺母实现，通过操作工作台控制面板20调节转台气缸机构16沿着转台气缸丝杠5沿着x轴平动；
沿着y轴的平动由工作台横向导轨8.、工作台横向丝杠9以及工作台19侧面的滚珠螺母实现，在电机21的控制下工作台19以及被测模块可沿着y轴平动。
所述的相机运动模块设有圆柱导轨4以及两个PIV相机13，两个PIV相机13均具有两个自由度，分别为沿着圆柱导轨4的上下平动以及绕着圆柱导轨4的旋转；
其中，沿着圆柱导轨4的上下平动由圆柱导轨4、竖直丝杠3、相机导轨2以及步进电机1实现，所述的相机导轨2设有沿着圆柱导轨4滑动的光孔和沿着竖直丝杠3进行滚珠啮合移动的滚珠螺母，通过操作控制面板6，步进电机1驱动竖直丝杠3转动，使得相机导轨2带动PIV相机13上下平动；
绕着圆柱导轨4的旋转是通过圆柱导轨4绕着自身中心线作回转运动实现的，进而带动相机导轨2以及PIV相机13作圆周进给运动；
所述的PIV相机13通过万向支臂12连接在相机导轨2上，可以任何角度进行固定，对被测模块中的导轮29进行三维流动测量。
所述的水循环模块包括设置在水箱23内部的水泵24、连接在水泵24出口的进水管22以及从有机玻璃箱14回流的出水管11，组成一个封闭的回路；所述的进水管22上安装有流量计15和阀门18，其中，阀门18可以改变系统当前流量的大小，流量计15可以测出当前系统流量的大小，从而达到模拟出真实工况的目的。
上述实施例仅仅以液力变矩器的导轮29作为被测定子叶轮为例对本发明进行了说明，毫无疑问的是，本发明同样适用于其他类似的定子叶轮。此外，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种定子叶轮内部流场粒子图像测速试验装置，由被测模块、支撑模块、工作台运动模块、相机运动模块及水循环模块组成，其特征在于：
所述的被测模块固定在具有三自由度的工作台运动模块上，所述的水循环模块对被测模块测试所需的高压水进行循环，具有两自由度的相机运动模块设有两个PIV相机(13)，分别固定在被测模块两侧，对被测模块进行流场监测；所述的支撑模块对上述所有模块进行支撑；
所述的被测模块包括有机玻璃箱(14)，通过导轮固定装置(26)固定在有机玻璃箱(14)内部的导轮(29)，以及进水管(22)；
所述的导轮(29)的外环去掉，或者导轮(29)采用透明的材质。
2.根据权利要求1所述的一种定子叶轮内部流场粒子图像测速试验装置，其特征在于：
所述的被测模块还包括立柱(28)和横板(25)；
所述的进水管(22)通过立柱(28)和横板(25)固定在有机玻璃箱(14)的侧壁上，所述的立柱(28)和横板(25)之间活性连接，可上下、左右移动，进而调节进水管(22)的高度、调节进水管(22)相对于导轮(29)流道进水口的液流冲角；
所述的液流冲角的大小可由立柱(28)上的指针在横板(25)的坐标板上的坐标得出。
3.根据权利要求1所述的一种定子叶轮内部流场粒子图像测速试验装置，其特征在于：
所述的工作台运动模块包括转台气缸机构(16)和多个滚珠丝杠机构；
所述的工作台运动模块具有三个自由度，分别为沿着x轴的平动、沿着y轴的平动和绕着z轴的转动；
所述的绕着z轴的转动由转台气缸机构(16)实现，转台气缸机构(16)上设有可自由旋转的负载转台(30)，通过调节转台气缸机构(16)侧壁上的螺钉(17)，使转台气缸机构(16)中两齿条在与其相连活塞的往复推动下驱动负载转台(30)按设定的角度作摆动，从而带动固定在负载转台(30)上的被测模块绕着z轴转动；被测模块中的导轮(29)按照相同的角度和方向作摆动，进而调节导轮(29)进口的液流冲角；
所述的沿着x轴的平动和沿着y轴的平动均由滚珠丝杠机构实现，其中，沿着x轴的平动由固定在工作台(19)上的转台气缸丝杠(5)、转台气缸机构(16)底部的滚珠螺母实现，通过操作工作台控制面板(20)调节转台气缸机构(16)沿着转台气缸丝杠(5)沿着x轴平动；所述的沿着y轴的平动由工作台横向导轨(8).、工作台横向丝杠(9)以及工作台(19)侧面的滚珠螺母实现，在电机(21)的控制下工作台(19)以及被测模块可沿着y轴平动。
4.根据权利要求1所述的一种定子叶轮内部流场粒子图像测速试验装置，其特征在于：
所述的相机运动模块设有圆柱导轨(4)以及两个PIV相机(13)，所述的两个PIV相机(13)均具有两个自由度，分别为沿着圆柱导轨(4)的上下平动以及绕着圆柱导轨(4)的旋转；
所述的沿着圆柱导轨(4)的上下平动由圆柱导轨(4)、竖直丝杠(3)、相机导轨(2)以及步进电机(1)实现，所述的相机导轨(2)设有沿着圆柱导轨(4)滑动的光孔和沿着竖直丝杠(3)进行滚珠啮合移动的滚珠螺母，通过操作控制面板(6)，步进电机(1)驱动竖直丝杠(3)转动，使得相机导轨(2)带动PIV相机(13)上下平动；
所述的绕着圆柱导轨(4)的旋转是通过圆柱导轨(4)绕着自身中心线作回转运动实现的，进而带动相机导轨(2)以及PIV相机(13)作圆周进给运动。
5.根据权利要求4所述的一种定子叶轮内部流场粒子图像测速试验装置，其特征在于：
所述的相机运动模块还包括万向支臂(12)；
所述的PIV相机(13)通过万向支臂(12)连接在相机导轨(2)上，可以任何角度进行固定，对被测模块中的导轮(29)进行三维流动测量。
6.根据权利要求1所述的一种定子叶轮内部流场粒子图像测速试验装置，其特征在于：
所述的水循环模块包括设置在水箱(23)内部的水泵(24)、连接在水泵(24)出口的进水管(22)以及从有机玻璃箱(14)回流的出水管(11)，组成一个封闭的回路；
所述的进水管(22)上安装有流量计(15)和阀门(18)，其中，阀门(18)改变系统当前流量的大小，流量计(15)测量当前系统流量的大小。
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