CN108519495A - 一种用于测量叶轮机械内部流场速度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量叶轮机械内部流场速度的装置及方法，涉及流场速度测量技术领域。包括激光发生器1、激光束2、透光玻璃3、被测点4、压气机轮毂5、数据采集系统、三维坐标架、可视窗口和示踪粒子发生器，所述激光发生器1发射激光束2通过透光玻璃3将激光束2聚焦在压气机轮毂5上的被测点4，通过移动三维坐标架测定不同位置的示踪粒子发生器发出的示踪颗粒流，并通过数据采集系统进行数据处理并显示在可视窗口；采用多普勒激光测速仪对叶轮机内流场进行无接触式测量，相比传统的探针、应变片及热线测速仪等方法，该测量方法对流场没有干扰，测量精度高，适用范围广。

Description

一种用于测量叶轮机械内部流场速度的装置及方法

技术领域

本发明涉及流场速度测量技术领域，具体涉及一种用于测量叶轮机械内部流场速度的装置及方法。

背景技术

压气机作为一种典型的旋转式叶轮机械，其内部流场的流动规律是极其复杂的，对压气机机内部流场的准确测量，对于验证数值模拟方法，提高压气机的设计水平和优化体系有重大的意义。但是，其紧凑的结构使得内部空间狭小，流动状态恶劣，使得精确测量压气机内部流速困难重重。现有的测量手段主要分为两种，一种是传统的接触式测量，这种方法要求将物理探针放入待测流场中，通过探针与气流的接触，得到待测流场的速度和压力等信息，这种方法虽然操作简单，但是任何探针都会对流场本身造成干扰，降低测量精度；第二种是非接触式的测量，测量系统在被测流场中释放某种可供系统识别的介质，通过采集介质在被特定气动信号作用过后的特定变化规律而达到测量目的的技术，典型代表为粒子成像测速技术、激光多普勒测速技术等。但是，由于压气机的结构非常紧凑，使得这些先进的测量手段在应用过程中遇到了很大挑战。本发明介绍了一种用于测量叶轮机械内部流场速度的装置及方法，目前还未见与之相似的用于叶轮机械的测量方法。

本发明针对的是轴流压气机内部流场的速度测量，采用非接触式的测量方法，在压气机外机匣上打开一个透光窗口，装上可供激光通过的透明玻璃，将多普勒激光测速仪(LDA)的激光透过透明玻璃射入压气机流道中，对激光焦点处的流动速度进行测量，通过调整激光焦点的位置完成压气机流道内不同位置上的流速测量。整个过程对流场没有任何干扰，操作简单，测量精度高。在前期的准备工作中，查阅了国内外文献和专利，具体对比情况如下。

在申请号为200510086255.5的专利《一种叶轮机械内部流场测量方法》中，涉及一种采用非接触式测量工具在叶轮机械流场测量中的应用。该测量方法采用的测量设备为SPIV测量系统，按照其所提供的方式布置激光片光和CCD相机，然后对该系统进行标定，通过特定的三维速度合成方法获得所测区域的流速。该发明解决了叶轮机械内部垂直于主流的二次流瞬态流场测量的难题，避免了导光筒对流场的干扰。

在申请号为201610981886.1的专利《一种适用于高速流场的单帧粒子成像测速仪及其测速方法》中，涉及的是一种粒子图像测速装置及方法。测试装置包括激光器、高速CCD摄像机、同步控制器、粒子发生器、片光源系统、测试窗口、图像采集与分析系统。该发明解决了传统的PIV测速系统应用在高速流场时，同步器难以精确控制激光器的脉冲间隔和高速CCD摄像机的拍摄间隔给测量带来的影响，避免了从两幅图像中寻找相关的粒子进行速度计算的问题。

在申请号为201610825237.2的专利《一种大空间稳态流场三维测量系统及测量方法》中，涉及一种稳态流场三维测量系统及测量方法，包括内置惯性传感器的五孔探针，五孔探针连接压力变送器，压力变送器连接五孔探针数据处理单元，惯性传感器连接惯性传感器数据处理单元。该发明结构简单可靠，可实现对稳态流场速度矢量的测量。

综上所述，目前常用的测量方法中，一种是采用PIV系统对压气机内流场进行测量，而是采用传统的探针对压气机内部流场进行测量。本发明是利用多普勒激光测速仪(LDA)对叶轮机械内流场的流速进行测量，整个测量过程对流场没有干扰，该方法简单可靠，操作方便，测量精度高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于测量叶轮机械内部流场速度的装置及方法。

一种用于测量叶轮机械内部流场速度的装置，包括激光发生器1、激光束2、透光玻璃3、被测点4、压气机轮毂5、数据采集系统、三维坐标架、可视窗口和示踪粒子发生器，所述激光发生器1发射激光束2通过透光玻璃3将激光束2聚焦在压气机轮毂5上的被测点4，通过移动三维坐标架测定不同位置的示踪粒子发生器发出的示踪颗粒流，并通过数据采集系统进行数据处理并显示在可视窗口。

所述透光玻璃内外表面均为弧形，弧度与被测装置机匣弧度相同，厚度为0.5mm，紧贴机匣内壁面安装，保持机匣内壁型线不变。

一种用于测量叶轮机械内部流场速度的方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一：将示踪粒子发生器放置与距压气机进气道入口约一米处，其喷出的烟雾颗粒被吸入压气机进气流道中，随空气一起流动；

步骤二：调整激光焦点位置；激光发生器1间的安装角度介于15°～30°之间，固定于悬挂在压气机上方的三维坐标架上，所产生的激光束2透过弧度与被测装置机匣弧度相同的透光玻璃3射入压气机流道中，且聚焦于被测点4；

步骤三：调整激光的测量范围；使其在X方向上，即压气机周向方向，可以在0-600mm范围内移动；在Y方向上，即压气机轴向方向，可以在0-600mm范围内移动；在Z方向上，及垂直方向，可以在0-500mm范围内移动，实现在不同的测量区域进行测量；

步骤四：对所测结果进行坐标变换；根据坐标转换公式计算得到被测位置上气流沿周向、轴向和径向三个方向上的速度分量。然后调整三维坐标架，移动焦点的位置，重新调整设置面板中的激光强度以及数据采集系统中的敏感度和采集范围等项目，使数据采集系统所采集到的数据率在1K以上，数据有效率在60％以上；

步骤五：判断是否继续测量，如果是，则返回步骤二；如果否，则完成测量，并结束。

与现有技术相比，本发明的技术优势如下：

1、本发明采用多普勒激光测速仪对叶轮机内流场进行无接触式测量，相比传统的探针、应变片及热线测速仪等方法，该测量方法对流场没有干扰，测量精度高，适用范围广。

2、本发明采用多普勒激光测速仪(LDA)对叶轮机械内流场进行测量，相比粒子成像(PIV)测量技术，不需要布置光源和CCD照相机，结构简单。

3、激光发生器可以随三维坐标架在三个方向上自由移动，覆盖的测量区域大。在X方向上(压气机周向方向)，可以在0-600mm范围内移动；在Y方向上(压气机轴向方向)，可以在0-600mm范围内移动；在Z方向上(垂直方向)，可以在0-500mm范围内移动。

4、在外机匣表面沿轴向方向依次开有三个透光窗口，三个透光窗口依次为16*90mm，16*80mm和10*80mm的矩形窗口，在透光窗口上装有与透光窗口处机匣弧度相同的透光玻璃，透光玻璃厚度为0.5mm，紧贴机匣内壁安装，保持机匣内壁面形状不变。

5、所用示踪粒子发生器为油雾发生器，放置在压气机进气道入口不远处，距离工作段较远，采用吸入式的方式，将油雾发生器产生的油雾颗粒吸入压气机进气道中，粒子直径范围为1-10um。

6、数据采集系统测得的三个速度分量分别为U₁，U₂和U₃，激光发生器与中轴线的安装角度分别为α和β，记U为所测位置轴向速度，V为周向速度，W为径向速度，则实际该点处的速度大小计算方法如下：

U＝U₂

附图说明

1.图1为本发明测量装置示意图；

2.图2为一个窗口的测量范围示意图；

3.图3为激光光束与物理坐标系相对位置示意图；

4.图4为三维坐标架结构示意图；

5.图5为测量过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

1、本发明采用多普勒激光测速仪对叶轮机内流场进行无接触式测量，相比传统的探针、应变片及热线测速仪等方法，该测量方法对流场没有干扰，测量精度高，适用范围广。

2、本发明采用多普勒激光测速仪(LDA)对叶轮机械内流场进行测量，相比粒子成像(PIV)测量技术，不需要布置光源和CCD照相机，结构简单。

3、激光发生器可以随三维坐标架在三个方向上自由移动，覆盖的测量区域大。在X方向上(压气机周向方向)，可以在0-600mm范围内移动；在Y方向上(压气机轴向方向)，可以在0-600mm范围内移动；在Z方向上(垂直方向)，可以在0-500mm范围内移动。

4、在外机匣表面沿轴向方向依次开有三个透光窗口，三个透光窗口依次为16*90mm，16*80mm和10*80mm的矩形窗口，在透光窗口上装有与透光窗口处机匣弧度相同的透光玻璃，透光玻璃厚度为0.5mm，紧贴机匣内壁安装，保持机匣内壁面形状不变。

5、所用示踪粒子发生器为油雾发生器，放置在压气机进气道入口不远处，距离工作段较远，采用吸入式的方式，将油雾发生器产生的油雾颗粒吸入压气机进气道中，粒子直径范围为1-10um。

6、数据采集系统测得的三个速度分量分别为U₁，U₂和U₃，激光发生器与中轴线的安装角度分别为α和β，记U为所测位置轴向速度，V为周向速度，W为径向速度，则实际该点处的速度大小计算方法如下：

U＝U₂

本发明所涉及的一种用于测量叶轮机械内部流场速度的装置及方法，主要包括两个激光发生器、数据采集系统、三维坐标架、可视窗口、高透光玻璃和示踪粒子发生器等。示踪粒子发生器放置与距压气机进气道入口约一米处，其喷出的烟雾颗粒被吸入压气机进气流道中，随空气一起流动。两个激光发生器间的安装角度介于15°～30°之间，固定于悬挂在压气机上方的三维坐标架上，所产生的激光束透过高透光玻璃射入压气机流道中，且聚焦于被测位置。测量时，打开烟雾发生装置，使示踪颗粒流入压气机进气道中，根据压气机的运行工况估算所测位置上速度的大致范围调节激光强度和数据采集器的敏感度以及采集范围，保持数据采集系统的数据率在1K以上，数据有效率在60％以上，然后开始进行测量。最后对所测得的数据进行后处理，根据坐标转换公式计算得到被测位置上气流沿周向、轴向和径向三个方向上的速度分量。然后调整三维坐标架，移动焦点的位置，重新调整设置面板中的激光强度以及数据采集系统中的敏感度和采集范围等项目，使数据采集系统所采集到的数据率在1K以上，数据有效率在60％以上，再进行第二次测量。以此循环往复，完成压气机流道内多个位置上的流场速度测量。图5为整个测量过程流程图。整个测量过程不需要将任务物体放入被测流场中，因此不会对流场产生任何干扰，测量精度高，且结构紧凑，操作简单。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于测量叶轮机械内部流场速度的装置，包括激光发生器(1)、激光束(2)、透光玻璃(3)、被测点(4)、压气机轮毂(5)、数据采集系统、三维坐标架、可视窗口和示踪粒子发生器，所述激光发生器(1)发射激光束(2)通过透光玻璃(3)将激光束(2)聚焦在压气机轮毂(5)上的被测点(4)，通过移动三维坐标架测定不同位置的示踪粒子发生器发出的示踪颗粒流，并通过数据采集系统进行数据处理并显示在可视窗口。

2.根据权利要求1所述的一种用于测量叶轮机械内部流场速度的装置，其特征在于，所述透光玻璃内外表面均为弧形，弧度与被测装置机匣弧度相同，厚度为0.5mm，紧贴机匣内壁面安装，保持机匣内壁型线不变。

3.一种用于测量叶轮机械内部流场速度的方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一：将示踪粒子发生器放置与距压气机进气道入口约一米处，其喷出的烟雾颗粒被吸入压气机进气流道中，随空气一起流动；

步骤二：调整激光焦点位置；激光发生器(1)间的安装角度介于15°～30°之间，固定于悬挂在压气机上方的三维坐标架上，所产生的激光束(2)透过弧度与被测装置机匣弧度相同的透光玻璃(3)射入压气机流道中，且聚焦于被测点(4)；

步骤三：调整激光的测量范围；使其在X方向上，即压气机周向方向，可以在0-600mm范围内移动；在Y方向上，即压气机轴向方向，可以在0-600mm范围内移动；在Z方向上，及垂直方向，可以在0-500mm范围内移动，实现在不同的测量区域进行测量；

步骤四：对所测结果进行坐标变换；根据坐标转换公式计算得到被测位置上气流沿周向、轴向和径向三个方向上的速度分量。然后调整三维坐标架，移动焦点的位置，重新调整设置面板中的激光强度以及数据采集系统中的敏感度和采集范围等项目，使数据采集系统所采集到的数据率在1K以上，数据有效率在60％以上；

步骤五：判断是否继续测量，如果是，则返回步骤二；如果否，则完成测量，并结束。