CN113236594B - 一种压气机/轴向涡轮机内流场测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压气机/轴向涡轮机内流场测试装置及方法，利用机壳固定安装待测压气机/轴向涡轮机，设置待测压气机/轴向涡轮机同轴的齿轮架，齿轮架上设有弧形滑槽，齿轮架的弧形滑槽内设有能够沿弧形滑槽滑动的弧形齿条，利用弧形齿条带动支撑架的一端固定的第一变速箱和第二变速箱转动，利用双极变速箱安装能够实现同轴转动和移动的探针结构，探针穿过丝杠和支撑架的通孔位于机壳内，本发明结构简单，能够实现探针在轴流式/离心式压气机及轴向涡轮机流道横截面扇形区域圆周方向的旋转运动、径向直线运动以及探针的自转运动，从而完成探针对该扇形截面流场分布参数的自动扫描测试，这样大大减小了操作工作量，提高了测量精度和测量效率。

Description

一种压气机/轴向涡轮机内流场测试装置及方法
技术领域
本发明属于压气机/轴向涡轮机结构测试领域，具体涉及一种压气机/轴向涡轮机内流场测试装置及方法。
背景技术
流体机械的流动测试中，探针被用来测量流体的总压、静压、速度大小和方向等参量。在实际测试过程中，往往需要不断改变探针在气流中的位置及测量孔相对于气流的方向，从而实现不同位置处气流参量的测量。探针测量工作量非常大，通常难以预知当地气流的流动方向，因此采用传统手动方法不断调整探针的位置和测量孔方向是一件十分繁琐的工作，并且效率低下。
对于轴流式/离心式压气机及轴向涡轮机流道的各叶片排之间、各级之间、各零部件之间内部气流参数在圆周方向及径向并非均匀分布，若只在固定周向位置或径向位置布置有限个测点，难以捕捉到气流参数沿周向和径向的变化，容易造成较大的测量误差。若在流道中布置测点过多，探针对流场造成的干扰较大，严重破坏了流场的真实性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压气机/轴向涡轮机内流场测试装置及方法，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种压气机/轴向涡轮机内流场测试装置，包括用于安装待测压气机/轴向涡轮机的机壳，机壳的外侧固定有齿轮架，齿轮架上设有弧形滑槽，齿轮架的弧形滑槽内设有能够沿弧形滑槽滑动的弧形齿条，弧形齿条旋转中心与待测压气机/轴向涡轮机同轴，齿轮架上固定有圆周运动电机，圆周运动电机的输出轴上固定有从动齿轮，从动齿轮与弧形齿条啮合，弧形齿条的一端固定有支撑架，支撑架的一端固定有第一变速箱，第一变速箱连接第一驱动电机，第一驱动电机的输出端通过第一变速箱连接有丝杠，丝杠的一端连接有第二变速箱，第二变速箱连接有第二驱动电机，第二变速箱的输出端为转动轴第二变速箱的转动轴、丝杠和支撑架设有同轴通孔，第二变速箱的转动轴通孔内固定有探针，探针穿过丝杠和支撑架的通孔位于机壳内。
进一步的，齿轮架与机壳为一体结构，齿轮架中间为开口空腔结构，从动齿轮设置与开口空腔内。
进一步的，机壳侧壁开设弧形滑槽，弧形齿条穿设于弧形滑槽内，弧形齿条与从动齿轮啮合。
进一步的，圆周运动电机通过固定支架固定于齿轮架一侧，圆周运动电机与从动齿轮通过联轴器连接。
进一步的，齿轮架的外圈壁开设有弧形槽，弧形槽内设有滑环，滑环上设有与支撑架同轴的通孔，支撑架的另一端与滑环固定连接。
进一步的，支撑架与弧形齿条通过螺栓固定连接。
进一步的，支撑架的一端设有安装台，第一变速箱设置于安装台上，支撑架的安装台上设有滑轨，第二变速箱设置于安装台上，丝杠与第二变速箱转动连接。
进一步的，探针通过锁紧螺母固定于第二变速箱的转动轴上。
进一步的，转动轴的一端设有弹簧夹头，弹簧夹头中间为通孔结构，锁紧螺母与弹簧夹头螺纹连接。
一种压气机/轴向涡轮机内流场测试方法，包括以下步骤：
S1，将探针穿过滑环、支撑架、丝杠、转动轴的通孔，探针的测量端延伸至环形通道内的运动流体中，另一端通过锁紧螺母固定于转动轴上；
S2，使探针在待测轴流式/离心式压气机流道内各叶片排之间、各级之间、各零部件之间的横截面上作扫描运动，逐个扫描每个预先定义的几何点，逐点进行探针数据采集，直至完成对该截面上所有预先定义点的数据测试，由此实现对该截面扇形区域流场分布参数的自动扫描测试。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种压气机/轴向涡轮机内流场测试装置，利用机壳固定安装待测压气机/轴向涡轮机，然后设置待测压气机/轴向涡轮机同轴的齿轮架，齿轮架上设有弧形滑槽，齿轮架的弧形滑槽内设有能够沿弧形滑槽滑动的弧形齿条，利用弧形齿条带动支撑架的一端固定的第一变速箱和第二变速箱转动，利用双极变速箱安装能够实现同轴转动和移动的探针结构，探针穿过丝杠和支撑架的通孔位于机壳内，能够检测压气机/轴向涡轮机的中的流动参数，利用双极变速箱实现探针的位置改变，本发明结构简单，能够实现探针在轴流式/离心式压气机及轴向涡轮机流道横截面扇形区域圆周方向的旋转运动、径向直线运动以及探针的自转运动，从而完成探针对该扇形截面流场分布参数的自动扫描测试，这样大大减小了操作工作量，提高了测量精度和测量效率。
本发明采用三套数控电机，自转运动电机控制探针自转，用来调节探针孔方向，能够在不同位置处保证探针孔正对来流方向，减少由于来流偏斜导致的测量误差；直线运动电机控制探针沿探针轴线直线平移，实现探针在扇形截面径向直线运动；圆周运动电机控制探针绕轴线旋转，实现探针在扇形截面圆周方向运动。三种运动方式组合并结合运动控制系统和数据采集系统，实现探针对该扇形截面预先设定的测点进行自动扫描测试。
利用本发明一种压气机/轴向涡轮机内流场测试方法，能够有效提高测量效率，减小测量误差。
附图说明
图1是本发明实施例中测试装置结构图。
图2是本发明实施例中测试装置立体图。
图3是本发明实施例中测试装置俯视图。
图4是图3中A部分的放大图。
图5是本发明实施例中流道扇形截面测点分布示意图。
图1中：1、探针；2、锁紧螺母；3、第二驱动电机；4、第二变速箱；5、转动轴；6、第一驱动电机；7、第一变速箱；8、丝杠；9、滑轨；10、圆周运动电机；11、联轴器；12、齿轮架；13、从动齿轮；14、弧形齿条；15、支撑架；16、螺栓；17、滑环；18、机壳；19、叶片；20、轮毂。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，一种压气机/轴向涡轮机内流场测试装置，包括用于安装待测压气机/轴向涡轮机的机壳18，机壳18的外侧固定有齿轮架12，齿轮架12上设有弧形滑槽，齿轮架12的弧形滑槽内设有能够沿弧形滑槽滑动的弧形齿条14，弧形齿条14旋转中心与待测压气机/轴向涡轮机同轴，齿轮架12上固定有圆周运动电机10，圆周运动电机10的输出轴上固定有从动齿轮13，从动齿轮13与弧形齿条14啮合，弧形齿条14的一端固定有支撑架15，支撑架15的一端固定有第一变速箱7，第一变速箱7连接第一驱动电机6，第一驱动电机6的输出端通过第一变速箱7连接有丝杠8，丝杠8的一端连接有第二变速箱4，第二变速箱4与丝杠8传动连接，第二变速箱4在丝杠8的作用下能够沿直线运动，第二变速箱4连接有第二驱动电机3，第二变速箱4的输入端连接第二驱动电机3的输出轴，第二变速箱4的输出端为转动轴5，第二变速箱4的转动轴、丝杠8和支撑架15设有同轴通孔，第二变速箱4的转动轴5通孔内固定有探针1，探针1穿过丝杠8和支撑架15的通孔位于机壳18内，用于检测压气机/轴向涡轮机的中的流动参数。
机壳18中间为通孔结构，待测压气机/轴向涡轮机与机壳18同轴安装，待测压气机/轴向涡轮机安装于机壳18内。
齿轮架12与机壳18为一体结构，齿轮架12中间为开口空腔结构，从动齿轮13设置与开口空腔内；齿轮架12侧壁开设弧形滑槽，弧形齿条14穿设于弧形滑槽内，弧形齿条14与从动齿轮13啮合；圆周运动电机10固定于齿轮架12一侧；圆周运动电机10通过固定支架固定于齿轮架12一侧，用于与齿轮架12上的从动齿轮13连接；具体的，圆周运动电机10与从动齿轮13通过联轴器11连接，利用圆周运动电机10输出轴转动带动从动齿轮13，从动齿轮13与弧形齿条14啮合，从而实现弧形齿条14圆周运动。
如图1所示，机壳18的外圈壁开设有弧形槽，弧形槽内设有滑环17，滑环17上设有与支撑架15同轴的通孔，支撑架15的另一端与滑环17固定连接，滑环17用于支撑架15在机壳18外圈滑动，滑环17作为支撑架15在机壳18上的支撑，支撑架15跟随弧形齿条14一起做圆周运动；滑环17的内圈与机壳18的内圈在同一圆弧面上，滑环17内圈为一个完整圆弧圈，在机壳18内形成一个密封流道。
支撑架15与弧形齿条14通过螺栓16固定连接；滑环17是与压气机同轴的圆环。如图3所示，轴O1-O1为待测压气机/轴向涡轮机的转动轴，在旋转过程中滑环17的内壁面与原始流道始终重合，弧形齿条14与支撑架15连接，从动齿轮13旋转时弧形齿条14、支撑架15和滑环17同时同步绕轴O1-O1旋转。
支撑架15的一端连接第一变速箱7，支撑架15的一端设有安装台，第一变速箱7设置于安装台上，支撑架15的安装台上设有滑轨9，第二变速箱4设置于安装台上，第二变速箱4能够沿滑轨9滑动，丝杠8与第二变速箱4转动连接，丝杠8在第一驱动电机6的作用下带动第二变速箱4沿滑轨9滑动。探针1通过锁紧螺母2固定于第二变速箱4的转动轴5上，探针1能够随转动轴5同轴转动。具体的，转动轴5的一端设有弹簧夹头，弹簧夹头中间为通孔结构，锁紧螺母2与弹簧夹头螺纹连接，利用弹簧夹头夹紧探针1。
如图3所示，在测量过程中第二驱动电机驱动第二变速箱4，第二变速箱4内的转动轴5运转，探针1跟随转动轴5绕轴O2-O2旋转，轴O2-O2为转动轴5转动轴。丝杠8直线运动带动第二变速箱4在滑轨9上滑动，第二变速箱4沿轴O2-O2直线运动，同时探针1沿O2-O2直线运动。
还包括运动控制系统和数采系统，运动控制系统连接第一驱动电机、第二驱动电机和圆周运动电机，用于控制探针的位置，运动控制系统和数采系统均连接于计算机，数采系统通过信号调理期和压力变送器连接于探针，实现数据的自动采集。
在测量时，探针1穿过滑环17、支撑架15、丝杠8、第一变速箱7和第二变速箱4、转动轴5的通孔，探针1的测量端延伸至环形通道内的运动流体中，根据试验的具体情况，另一端通过锁紧螺母2锁死在转动轴5上；测量时，运动控制系统控制第二驱动电机3驱动第二变速箱4运转，探针1绕轴O2-O2做旋转运动，实现探针的自转，用来调节探针孔方向。运动控制系统控制第一驱动电机6驱动第一变速箱7运转带动探针1、丝杠8和第二变速箱4沿轴O2-O2做直线运动，实现探针在流道横截面扇形区域径向直线运动，运动控制系统控制圆周运动电机10驱动从动齿轮13带动探针1、弧形齿条14、滑环17、径向运动机构及自转运动机构绕轴O1-O1做旋转运动，实现探针在流道某横截面扇形区域的圆周运动。
如图5所示，将扇形截面R0弧线与θ0径向线的交点记为R0θ0测点，作为起始测点，在进行测量工作时，第一步将探针1测试孔移动至起始测点R0θ0，采集探针各孔参数，通过计算机控制程序控制第二驱动电机3驱动第二变速箱4运转，调节探针孔对准来流方向，自动重复上述过程，直至调整至合适位置，然后采集数据，最终完成在该位置的测量工作。第二步通过计算机控制程序控制圆周运动电机10驱动从动齿轮13带动探针1绕轴O1-O1旋转，使探针1在R0弧线上沿圆周方向逆时针旋转，使测试孔移动到R0θ1测点，重复第一步步骤完成测量工作。如此依次完成R0θ2-R0θ24测点的流动测试，实现探针1在流道测试截面扇形区域R0弧线上多个测点流场参数的自动测量。第三步通过计算机控制程序控制第一驱动电机6驱动第一变速箱7运转，带动探针1沿轴O2-O2直线运动，使探针1沿径向线θ24直线运动，使探针孔移动到R1弧线上的R1θ24测点，重复第一步步骤完成测量工作。然后依次使探针1在R1弧线上沿圆周方向顺时针旋转运动完成R1θ23-R1θ0测点流场参数的自动测量，实现探针1在扇形流动空间R1弧线多个测点的流动测试。以此类推，使探针完成在R2-R9弧线多个测点的流动测试，如此完成图1中扇形截面内所有测点的流动测试，实现探针对压气机流道某横截面扇形区域流场分布参数的自动扫描测试。
本实施例自动测量装置，共采用三套数控电机，分别实现探针一个自转，一个径向直线运动，一个圆周方向旋转运动，分别用来调节探针孔方向、实现在流道扇形截面径向线上多个测点与圆弧线上多个测点的自动移动。三种运动机构组合并结合运动控制系统和数据采集系统，实现轴流式/离心式压气机及轴向涡轮机流道某横截面扇形区域流场分布参数的自动扫描测试。

Claims (7)

1.一种压气机/轴向涡轮机内流场测试装置，其特征在于，包括用于安装待测压气机/轴向涡轮机的机壳（18），机壳（18）的外侧固定有齿轮架（12），齿轮架（12）上设有弧形滑槽，齿轮架（12）的弧形滑槽内设有能够沿弧形滑槽滑动的弧形齿条（14），弧形齿条（14）旋转中心与待测压气机/轴向涡轮机同轴，齿轮架（12）上固定有圆周运动电机（10），圆周运动电机（10）的输出轴上固定有从动齿轮（13），从动齿轮（13）与弧形齿条（14）啮合，弧形齿条（14）的一端固定有支撑架（15），支撑架（15）的一端固定有第一变速箱（7），第一变速箱（7）连接第一驱动电机（6），第一驱动电机（6）的输出端通过第一变速箱（7）连接有丝杠（8），丝杠（8）的一端连接有第二变速箱（4），第二变速箱（4）连接有第二驱动电机（3），第二变速箱（4）的输出端为转动轴（5），第二变速箱（4）的转动轴、丝杠（8）和支撑架（15）设有同轴通孔，第二变速箱（4）的转动轴（5）通孔内固定有探针（1），探针（1）穿过丝杠（8）和支撑架（15）的通孔位于机壳（18）内，齿轮架（12）与机壳（18）为一体结构，齿轮架（12）中间为开口空腔结构，从动齿轮（13）设置于 开口空腔内，齿轮架（12）侧壁开设弧形滑槽，弧形齿条（14）穿设于弧形滑槽内，弧形齿条（14）与从动齿轮（13）啮合，机壳（18）的外圈壁开设有弧形槽，弧形槽内设有滑环（17），滑环（17）上设有与支撑架（15）同轴的通孔，支撑架（15）的另一端与滑环（17）固定连接，滑环（17）的内圈与机壳（18）的内圈在同一圆弧面上，滑环（17）内圈为一个完整圆弧圈，在机壳（18）内形成一个密封流道。
2.根据权利要求1所述的一种压气机/轴向涡轮机内流场测试装置，其特征在于，圆周运动电机（10）通过固定支架固定于齿轮架（12）一侧，圆周运动电机（10）与从动齿轮（13）通过联轴器（11）连接。
3.根据权利要求1所述的一种压气机/轴向涡轮机内流场测试装置，其特征在于，支撑架（15）与弧形齿条（14）通过螺栓（16）固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种压气机/轴向涡轮机内流场测试装置，其特征在于，支撑架（15）的一端设有安装台，第一变速箱（7）设置于安装台上，支撑架（15）的安装台上设有滑轨（9），第二变速箱（4）设置于安装台上，丝杠（8）与第二变速箱（4）转动连接。
5.根据权利要求1所述的一种压气机/轴向涡轮机内流场测试装置，其特征在于，探针（1）通过锁紧螺母（2）固定于第二变速箱（4）的转动轴（5）上。
6.根据权利要求5所述的一种压气机/轴向涡轮机内流场测试装置，其特征在于，转动轴（5）的一端设有弹簧夹头，弹簧夹头中间为通孔结构，锁紧螺母（2）与弹簧夹头螺纹连接。
7.一种基于权利要求1所述的压气机/轴向涡轮机内流场测试装置的压气机/轴向涡轮机内流场测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将探针穿过滑环、支撑架、丝杠、转动轴的通孔，探针的测量端延伸至环形通道内的运动流体中，另一端通过锁紧螺母固定于转动轴上；
S2，使探针在待测轴流式/离心式压气机流道内各叶片排之间、各级之间、各零部件之间的横截面上作扫描运动，逐个扫描每个预先定义的几何点，逐点进行探针数据采集，直至完成对该横截面上所有预先定义点的数据测试，由此实现对该横截面扇形区域流场分布参数的自动扫描测试。
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