CN106250606B - 一种低扬程模型泵叶片角度测量数字化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低扬程模型泵叶片角度测量数字化的方法，属于水利工程泵站技术领域。该方法的特征是：(1)在模型泵叶片圆形基座上加工1条基准线沟槽，在轮毂体叶片基座孔上分别加工+8°和－8°叶片角度线沟槽，在沟槽中填入黑色颜料；(2)采用双线同步激光扫描器对+8°叶片角度线至所述基准线和－8°叶片角度线至所述基准线之间的距离L₊₈和L_‑8进行扫描，由计时器A和计时器B分别对L₊₈和L_‑8的扫描时间进行计时，得到记时值T_A和T_B；(3)由于激光的扫描速度相等，故有：或应用CAD软件绘制各个叶片角度α时的图形，在图形上量得各个叶片角度时L₊₈和L_‑8的值，通过计算得到函数关系α＝F(λ)，将该函数关系式输入电脑，根据测量所得的T_A和T_B计算叶片角度α。

Description

一种低扬程模型泵叶片角度测量数字化的方法

技术领域

本发明属于水利工程泵站技术领域，具体涉及一种低扬程模型泵叶片角度测量数字化的方法，主要用于解决低扬程模型泵叶片角度调整误差较大的问题。

背景技术

低扬程水泵的转轮由轮毂体和3只(或4只)叶片组成。大型低扬程泵装置模型试验一般需在模型泵叶片角度为－8°～+8°的范围内分别进行不同叶片角度的水力性能测试。在性能测试之前，需对每只叶片进行叶片角度的调整。在叶片角度的调整过程中，需对所要求的叶片角度进行测量，以使叶片角度符合预定要求。叶片角度测量的传统方法是：在叶片圆形基座的外缘刻1条基准线，在轮毂体上叶片圆形基座孔的内缘与各个叶片角度相对应的位置分别刻出径向的叶片角度线；在调整叶片角度时，先松开叶片圆形基座的紧固螺栓，然后转动叶片，使所需叶片角度的角度线与所述基准线对齐，通过肉眼观察，确定叶片角度符合要求后，将叶片圆形基座的紧固螺栓拧紧。由于叶片角度线之间的间隔很小且刻度线相对较粗，再加上模型泵叶轮室的空间狭小，人工观察叶片角刻度线很不方便，视觉误差大，经常造成较大的叶片角度误差，显著地影响到泵装置模型试验结果的准确性。

发明内容

本发明的目的就是针对上述传统方法中的缺陷，利用激光扫描技术，将低扬程模型泵叶片角度的测量数字化，以彻底解决低扬程模型泵叶片角度调整误差较大的问题。本发明的特征是：(1)在模型泵叶片圆形基座的外缘采用数控机床加工1条径向的基准线沟槽，在模型泵轮毂体上叶片圆形基座孔的内缘与+8°叶片角度线和－8°叶片角度线相对应的位置分别加工径向的1条+8°叶片角度线沟槽和1条－8°叶片角度线沟槽；在沟槽中填入黑色颜料；(2)双线同步激光扫描器包括第一激光发生器、第二激光发生器、扫描及同步电路、接收及放大整形电路、计时器A和计时器B；所述激光扫描器的第一、第二激光发生器输出上、下两条激光，在测量叶片角度时，上、下两条激光分别扫描所述叶片角度线沟槽和基准线沟槽；(3)当第一激光发生器输出的上面一条激光扫描到+8°叶片角度线沟槽时，计时器A开始计时；当第二激光发生器输出的下面一条激光扫描到基准线沟槽时，计时器A停止计时，得到计时器A的记时值T_A，同时触发计时器B开始计时；当第一激光发生器输出的上面一条激光扫描到－8°叶片角度线沟槽时，计时器B停止计时，得到计时器B的记时值T_B；T_A和T_B均为数字信号，通过通信电缆将T_A和T_B传输给电脑；(4)+8°叶片角度线沟槽中心线至所述基准线沟槽中心线之间的距离L₊₈等于T_A与激光扫描速度v的乘积，－8°叶片角度线沟槽中心线至所述基准线沟槽中心线之间的距离L_-8等于T_B与激光扫描速度v的乘积，可以得到：或(5)应用计算机CAD绘图软件按比例绘制叶片角度为－8°～+8°之间各个叶片角度的图形，分别在各个图形上量得各个叶片角度时L₊₈和L_-8的值，并通过进一步的计算得到函数关系α＝F(λ)(α＞0°时，变量α＜0°时，变量)；(6)将所得到的函数关系式输入电脑，根据测量得到的T_A和T_B计算相应的叶片角度α。

本发明提供的方法构思巧妙新颖、应用方便，对彻底解决低扬程模型泵叶片角度测量误差较大的问题具有重大意义。

为实现本发明的目的，采用如下技术方案：

1.采用数控机床在模型泵叶片圆形基座外缘加工1条径向的基准线沟槽，在模型泵轮毂体上叶片圆形基座孔的内缘与+8°叶片角度线和－8°叶片角度线相对应的位置分别加工径向的1条+8°叶片角度线沟槽和1条－8°叶片角度线沟槽；沟槽的断面形状为燕尾形，在沟槽中填入黑色颜料；

2.双线同步激光扫描器包括第一激光发生器、第二激光发生器、扫描及同步电路、接收及放大整形电路、计时器A和计时器B，所述第一、二激光发生器分别输出上、下两条激光；

3.在测量叶片角度时，用所述双线同步激光扫描器对模型泵轮毂体上的+8°、－8°叶片角度线沟槽和叶片圆形基座上的基准线沟槽同时进行扫描，第一激光发生器输出的上面一条激光扫描叶片角度线沟槽，第二激光发生器输出的下面一条激光扫描基准线沟槽；

4.当第一激光发生器输出的上面一条激光扫描到+8°叶片角度线沟槽时，计时器A开始计时；当第二激光发生器输出的下面一条激光扫描到基准线沟槽时，计时器A停止计时，计时器A得到记时值T_A，同时计时器B开始计时；当第一激光发生器输出的上面一条激光扫描到－8°叶片角度线沟槽时，计时器B停止计时，计时器B得到记时值T_B；T_A和T_B均为数字信号，通过通信电缆将T_A和T_B传输给电脑；

5.+8°叶片角度线沟槽中心线至所述基准线沟槽中心线之间的距离L₊₈等于T_A与激光扫描速度v的乘积，－8°叶片角度线沟槽中心线至所述基准线沟槽中心线之间的距离L_-8等于T_B与激光扫描速度v的乘积；为避免由于所述激光扫描器所发出的激光不垂直于叶片圆形基座而产生误差，本发明以变量或为计算叶片角度α的依据；可以得到：或

6.根据低扬程模型泵叶片的通用基本结构，从叶片外缘向轮毂体看，叶片圆形基座沿逆时针方向旋转，叶片角度向角度增大的方向调整，反之则为向角度减小的方向调整；当叶片角度为0°时，T_A＝T_B；若T_A＜T_B，则α＞0°；若T_A＞T_B，则α＜0°；

7.由于不同的模型泵具有各自不同的轮毂体尺寸和叶片圆形基座尺寸，叶片角度α与变量λ之间的对应关系也随之各不相同；为解决这一问题，本发明根据准备进行性能测试的模型泵轮毂体尺寸和叶片圆形基座尺寸，应用计算机CAD绘图软件，进行以下针对所述模型泵的工作：

(1)对所述模型泵叶片角度为α₀＝0°，α₁＝+1°，α₂＝+2°，……，α₈＝+8°时的+8°叶片角度线、－8°叶片角度线与所述基准线的相对位置按比例进行绘图，并在所绘制的各个叶片角度的图形中量得(L₊₈)_i和(L_-8)_i，计算经过进一步的计算得到叶片角度α与λ的函数关系α＝F₁(λ)；

(2)对所述模型泵叶片角度为α₀＝0°，α₁＝－1°，α₂＝－2°，……，α₈＝－8°时的+8°叶片角度线、－8°叶片角度线与所述基准线的相对位置按比例分别进行绘图，在所绘制的各个叶片角度的图形中量得(L₊₈)_i和(L_-8)_i，并计算经过进一步的计算得到叶片角度α与λ的函数关系α＝F₂(λ)；

(3)将上述叶片角度α与λ的函数关系输入电脑备用；

8.电脑根据对接收到的数字信号T_A和T_B按以下方式进行叶片角度α的计算：

若T_A＜T_B，则按α＝F₁(λ)(α＞0°，)计算叶片角度α；若T_A＞T_B，则按α＝F₂(λ)(α＜0°，)计算叶片角度α。

本发明的目的是这样实现的：

1.采用数控机床加工低扬程模型泵的轮毂体和带有圆形基座的叶片；

2.在所述模型泵叶片圆形基座外缘采用数控机床加工1条径向的基准线沟槽；基准线沟槽的断面形状为燕尾形，深度为2mm、底部宽度为1mm、顶部宽度为0.5mm；在所述基准线沟槽中填入黑色颜料；

3.在所述模型泵轮毂体上叶片圆形基座孔的内缘与+8°叶片角度线和－8°叶片角度线相对应的位置，采用数控机床分别加工径向的1条+8°叶片角度线沟槽和1条－8°叶片角度线沟槽；叶片角度线沟槽的断面形状为燕尾形，深度为2mm、底部宽度为1mm、顶部宽度为0.5mm；分别在+8°叶片角度线和－8°叶片角度线沟槽中填入黑色颜料；

4.对所述模型泵的每只叶片都完成第2～3步骤的工作；

5.叶片角度激光扫描测量装置由双线同步激光扫描器和电脑组成，两者通过通信电缆连接；双线同步激光扫描器包括第一激光发生器、第二激光发生器、扫描及同步电路、接收及放大整形电路、计时器A和计时器B；所述第一、二激光发生器分别输出上、下两条激光，两者相隔40mm；

6.在测量叶片角度时，用所述双线同步激光扫描器对模型泵轮毂体上的+8°、－8°叶片角度线沟槽和叶片圆形基座上的基准线沟槽按从左至右的方向同时进行扫描，第一激光发生器输出的上面一条激光扫描叶片角度线沟槽，第二激光发生器输出的下面一条激光扫描基准线沟槽；

7.当第一激光发生器输出的上面一条激光扫描到+8°叶片角度线沟槽时，激光扫描器将接收到的第1个反射光信号转换成电信号并输入到放大整形电路放大，该放大后的电信号被送到计时器A，立即触发计时器A开始计时；当第二激光发生器输出的下面一条激光扫描到基准线沟槽时，激光扫描器将接收到的第2个反射光信号转换成电信号并输入到放大整形电路放大，该放大后的电信号被送到计时器A和计时器B，立即触发计时器A停止计时，得到计时器A的记时值T_A，同时触发计时器B开始计时；当第一激光发生器输出的上面一条激光扫描到－8°叶片角度线沟槽时，激光扫描器将接收到的第3个反射光信号转换成电信号并输入到放大整形电路放大，该放大后的电信号被送到计时器B，立即触发计时器B停止计时，得到计时器B的记时值T_B；由计时器得到的记时值T_A和T_B均为数字信号，通过通信电缆将T_A和T_B传输给电脑；

8.本发明的测量值分别为+8°叶片角度线沟槽中心线至所述基准线沟槽中心线之间的距离L₊₈和－8°叶片角度线沟槽中心线至所述基准线沟槽中心线之间的距离L_-8；为减少测量误差，本发明以变量或为计算叶片角度α的依据；

9.设v为所述激光的扫描速度，则

L₊₈＝T_A·v (1)

L_-8＝T_B·v (2)

可以得到：

10.根据低扬程模型泵叶片的通用基本结构，从叶片外缘向轮毂体看，叶片圆形基座沿逆时针方向旋转，叶片角度向角度增大的方向调整，反之则为向角度减小的方向调整；当叶片角度为0°时，T_A＝T_B；若T_A＜T_B，则α＞0°；若T_A＞T_B，则α＜0°；

11.由于不同的模型泵具有各自不同的轮毂体尺寸和叶片圆形基座尺寸，叶片角度α与变量λ之间的对应关系也随之各不相同；为解决这一问题，本发明根据准备进行性能测试的模型泵轮毂体尺寸和叶片圆形基座尺寸，应用计算机CAD绘图软件，进行以下针对所述模型泵的工作：

(1)对所述模型泵叶片角度为α₀＝0°，α₁＝+1°，α₂＝+2°，……，α₈＝+8°时的+8°叶片角度线、－8°叶片角度线与所述基准线的相对位置按比例进行绘图，并在所绘制的各个叶片角度的图形中量得(L₊₈)_i和(L_-8)_i，计算由此得到叶片角度α_i与λ_i的一一对应关系并进行进一步的计算得到(5)式所表达的函数关系式：

α＝+(a₀+a₁λ+a₂λ²+a₃λ³+a₄λ⁴+a₅λ⁵+a₆λ⁶) (5)

式中，a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅和a₆为常系数；叶片角度α的计量单位为“°”；

(2)对所述模型泵叶片角度为α₀＝0°，α₁＝－1°，α₂＝－2°，……，α₈＝－8°时的+8°叶片角度线、－8°叶片角度线与所述基准线的相对位置按比例分别进行绘图，在所绘制的各个叶片角度的图形中量得(L₊₈)_i和(L_-8)_i，并计算由此得到叶片角度α_i与λ_i的一一对应关系并进行进一步的计算，得到(6)式所表达的函数关系式：

α＝-(b₀+b₁λ+b₂λ²+b₃λ³+b₄λ⁴+b₅λ⁵+b₆λ⁶) (6)

式中，b₀、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅和b₆为常系数；叶片角度α的计量单位为“°”；

12.将(5)式和(6)式所表达的关系输入电脑，电脑对接收到的数字信号T_A和T_B按以下方式进行计算：

若T_A＜T_B，则按(5)式计算叶片角度α；若T_A＞T_B，则按(6)式计算叶片角度α；

13.逐个叶片地进行第7～12步骤的工作，逐个叶片地完成叶片角度调整过程中的测量工作。

与现有方法相比，本发明具有以下有益效果：

第一，有效解决了低扬程模型泵叶片角度间隔小及肉眼估读所导致的误差较大的问题，大大提高了叶片角度测量的准确性。

第二，测量模型泵叶片角度时，只需将激光扫描器伸入叶轮室，无需人头伸入狭小的模型泵叶轮室空间，大大提高了叶片角度测量的便利性。

第三，大大提高了模型泵叶片角度多次调整后试验结果的重复性。

附图说明

图1为本发明实施例的模型泵叶片及其基座安装在轮毂体上的示意图和叶片刻度线沟槽及基准线沟槽的局部放大图；

图2a为本发明实施例的叶片角度为0°的示意图；

图2b为本发明实施例的叶片角度为+1°的示意图；

图2c为本发明实施例的叶片角度为+2°的示意图；

图2d为本发明实施例的叶片角度为+3°的示意图；

图2e为本发明实施例的叶片角度为+4°的示意图；

图2f为本发明实施例的叶片角度为+5°的示意图；

图2g为本发明实施例的叶片角度为+6°的示意图；

图2h为本发明实施例的叶片角度为+7°的示意图；

图2i为本发明实施例的叶片角度为+8°的示意图；

图3a为本发明实施例的叶片角度为0°的示意图；

图3b为本发明实施例的叶片角度为-1°的示意图；

图3c为本发明实施例的叶片角度为-2°的示意图；

图3d为本发明实施例的叶片角度为-3°的示意图；

图3e为本发明实施例的叶片角度为-4°的示意图；

图3f为本发明实施例的叶片角度为-5°的示意图；

图3g为本发明实施例的叶片角度为-6°的示意图；

图3h为本发明实施例的叶片角度为-7°的示意图；

图3i为本发明实施例的叶片角度为-8°的示意图；

图4a为本发明实施例叶片角度α与的关系曲线；

图4b为本发明实施例叶片角度α与的关系曲线；

图中，1.模型泵叶片，2.模型泵轮毂体，3.模型泵叶片圆形基座，4.基准线沟槽，5.+8°叶片角度线沟槽，6.－8°叶片角度线沟槽，7.+8°叶片角度线，8.－8°叶片角度线，9.基准线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

某大型低扬程泵站采用立式轴流泵装置，该轴流泵有3只叶片，该轴流泵的模型泵轮毂体2和叶片圆形基座3的直径分别为110mm和40mm；在该站泵装置模型试验中，需对叶片角度进行调整，在叶片角度调整过程中测量叶片角度的步骤如下：

1.采用数控机床加工低扬程模型泵的轮毂体2和带有圆形基座3的叶片1，如图1所示；

2.在所述模型泵叶片圆形基座3的外缘采用数控机床加工1条径向的基准线沟槽4，如图1所示；基准线沟槽4的断面形状为燕尾形，深度为2mm、底部宽度为1mm、顶部宽度为0.5mm；在所述基准线沟槽4中填入黑色颜料；

3.在所述模型泵轮毂体2上叶片圆形基座孔的内缘与+8°叶片角度线和－8°叶片角度线相对应的位置，采用数控机床分别加工径向的1条+8°叶片角度线沟槽5和1条－8°叶片角度线沟槽6，如图1所示；所述叶片角度线沟槽的断面形状为燕尾形，深度为2mm、底部宽度为1mm、顶部宽度为0.5mm；分别在+8°叶片角度线沟槽5和－8°叶片角度线沟槽6中填入黑色颜料；

4.对所述模型泵的3只叶片的叶片圆形基座3逐一完成第2～3步骤的工作；

5.本实施例根据所述模型泵轮毂体2和叶片圆形基座3的尺寸，应用计算机CAD绘图软件，进行以下针对所述模型泵的工作：

(1)对所述模型泵叶片角度为α₀＝0°，α₁＝+1°，α₂＝+2°，……，α₈＝+8°时的+8°叶片角度线7、－8°叶片角度线8与所述基准线9的相对位置按比例进行绘图，如图2a～图2i所示，并在所绘制的各个叶片角度的图形中量得(L₊₈)_i和(L_-8)_i，计算 由此得到叶片角度α_i与λ_i的一一对应关系(见表1)；根据表1所列数据进行计算，可得到(7)式所表达的函数关系式：

α＝+(8-15.943λ+15.671λ²-14.554λ³+11.275λ⁴-5.8785λ⁵+1.4295λ⁶) (7)式中，叶片角度α的计量单位为“°”；

图4a为本发明实施例叶片角度α≥0°时α与λ的关系曲线；

表1 α_i≥0°叶片角度α_i与λ_i的关系

(2)对所述模型泵叶片角度为α₀＝0°，α₁＝－1°，α₂＝－2°，……，α₈＝－8°时的+8°叶片角度线7、－8°叶片角度线8与所述基准线9的相对位置按比例分别进行绘图，如图3a～图3i所示，在所绘制的各个叶片角度的图形中量得(L₊₈)_i和(L_-8)_i，并计算 由此得到叶片角度α_i与λ_i的一一对应关系(见表2)；根据表2所列数据进行计算，可得到(8)式所表达的函数关系式：

α＝-(8-15.943λ+15.671λ²-14.554λ³+11.275λ⁴-5.8785λ⁵+1.4295λ⁶) (8)式中，叶片角度α的计量单位为“°”；

图4b为本发明实施例叶片角度α≤0°时α与λ的关系曲线；

表2 α_i≤0°时叶片角度α_i与λ_i的关系

(3)将(7)式和(8)式所表达的关系输入与所述激光扫描器连接的电脑备用；

6.在测量所述模型泵叶片角度时，用所述双线同步激光扫描器对模型泵轮毂体2上的+8°叶片角度线沟槽5、－8°叶片角度线沟槽6和叶片圆形基座3上的基准线沟槽4按从左至右的方向同时进行扫描，第一激光发生器输出的上面一条激光扫描+8°叶片角度线沟槽5、－8°叶片角度线沟槽6，第二激光发生器输出的下面一条激光扫描基准线沟槽4；

7.当激光扫描工作完成后，所述激光扫描器将计时器A的记时值T_A和计时器B的记时值T_B通过通信电缆传输给所述电脑；所述电脑根据接收到的数字信号T_A和T_B按以下方式进行计算：

若T_A＜T_B，则按(7)式计算叶片角度α；若T_A＞T_B，则按(8)式计算叶片角度α；

8.对所述模型泵的3只叶片逐一进行第6～7步骤的工作，逐个叶片地完成叶片角度调整过程中的角度测量。

Claims (4)

1.一种低扬程模型泵叶片角度测量数字化的方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)在模型泵叶片圆形基座的外缘采用数控机床加工1条径向的基准线沟槽，在模型泵轮毂体上叶片圆形基座孔的内缘与+8°叶片角度线和－8°叶片角度线相对应的位置分别加工径向的1条+8°叶片角度线沟槽和1条－8°叶片角度线沟槽；在沟槽中填入黑色颜料；

(2)双线同步激光扫描器包括第一激光发生器、第二激光发生器、扫描及同步电路、接收及放大整形电路、计时器A和计时器B；所述第一、二激光发生器分别输出上、下两条激光，在测量叶片角度时，第一、二激光发生器输出的上、下两条激光分别扫描所述叶片角度线沟槽和基准线沟槽；

(3)当第一激光发生器输出的上面一条激光扫描到+8°叶片角度线沟槽时，计时器A开始计时；当第二激光发生器输出的下面一条激光扫描到基准线沟槽时，计时器A停止计时，得到计时器A的记时值T_A，同时触发计时器B开始计时；当第一激光发生器输出的上面一条激光扫描到－8°叶片角度线沟槽时，计时器B停止计时，得到计时器B的记时值T_B；T_A和T_B均为数字信号，通过通信电缆将T_A和T_B传输给电脑；

(4)+8°叶片角度线沟槽中心线至所述基准线沟槽中心线之间的距离L₊₈等于T_A与激光扫描速度v的乘积，－8°叶片角度线沟槽中心线至所述基准线沟槽中心线之间的距离L_-8等于T_B与激光扫描速度v的乘积，得到变量λ：或以变量λ为计算叶片角度α的依据；

(5)应用计算机CAD绘图软件按比例绘制叶片角度为－8°～+8°之间各个叶片角度的图形，分别在各个图形上量得各个叶片角度时L₊₈和L_-8的值，并通过进一步的计算得到函数关系α＝F(λ)，α＞0°时，变量α＜0°时，变量

函数关系α＝F(λ)具体为：

若T_A＜T_B，则按(1)式计算叶片角度α；

α＝+(a₀+a₁λ+a₂λ²+a₃λ³+a₄λ⁴+a₅λ⁵+a₆λ⁶) (1)

式中，a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅和a₆为常系数；叶片角度α的计量单位为“°”；

若T_A＞T_B，则按(2)式计算叶片角度α；

α＝-(b₀+b₁λ+b₂λ²+b₃λ³+b₄λ⁴+b₅λ⁵+b₆λ⁶) (2)

式中，b₀、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅和b₆为常系数；叶片角度α的计量单位为“°”；

(6)将所得到的函数关系式输入电脑，根据测量得到的T_A和T_B计算相应的叶片角度α。

2.根据权利要求1所述的一种低扬程模型泵叶片角度测量数字化的方法，其特征是，所述步骤(1)中基准线沟槽、叶片角度线沟槽的断面形状为燕尾形。

3.根据权利要求1所述的一种低扬程模型泵叶片角度测量数字化的方法，其特征是，所述步骤(2)中第一、二激光发生器输出的上、下两条激光相隔40mm。

4.根据权利要求1所述的一种低扬程模型泵叶片角度测量数字化的方法，其特征是，所述步骤(5)中应用计算机CAD绘图软件按比例绘制叶片角度为－8°～+8°之间各个叶片角度的图形，分别在各个图形上量得各个叶片角度时L₊₈和L_-8的值，具体为：

(1)对所述模型泵叶片角度为α₀＝0°，α₁＝+1°，α₂＝+2°，……，α₈＝+8°时的+8°叶片角度线、－8°叶片角度线与所述基准线的相对位置按比例进行绘图，并在所绘制的各个叶片角度的图形中量得(L₊₈)_i和(L_-8)_i，计算

(2)对所述模型泵叶片角度为α₀＝0°，α₁＝－1°，α₂＝－2°，……，α₈＝－8°时的+8°叶片角度线、－8°叶片角度线与所述基准线的相对位置按比例分别进行绘图，在所绘制的各个叶片角度的图形中量得(L₊₈)_i和(L_-8)_i，并计算