CN113340473A - 一种转子表面热膜测试修正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种转子叶片表面热膜测试的修正方法,属于叶轮机械技术领域,对比转子叶片表面进行热膜敷设前后热膜输出值的变化,获得由于热膜敷设到转子表面测量单元产生变形而引起的热膜输出值的变化,对热膜敷设过程中引入的测量误差进行修正;进一步在对转子表面进行热膜测试的同时,在转子叶片敷设热膜的相同位置设置温度和应变测量点,通过标定和理论计算得到热膜测量单元输出值随变形和温度的变化关系,进而根据测得的温度和应变对转子叶片表面热膜测量的输出值进行修正,最终提高转子叶片表面热膜测量气动参数的精度。

Description

一种转子表面热膜测试修正方法
技术领域
本发明属于叶轮机械技术领域,具体涉及一种转子表面热膜测试修正方法。
背景技术
在叶轮机械叶片表面附面层参数测量时,受相邻叶片影响,叶片间通道狭窄,探针会对气流产生扰动且不易布置,同时一般的接触测量和非接触测量都很难准确监测附面层流动信号的细微变化,因此叶片表面附面层参数测量较为困难。而表面热膜具有高频响、同步性好、对流场扰动极小的特点,在附面层测量方面优势突出,因此表面热膜成为附面层动态特性测量的主要手段。热膜测量是通过热平衡来实现的,通过在热膜测量单元两端加电压使其在流场中维持恒定温度,此时热膜测量单元产生的热量与流体的对流换热达到平衡,当流动状态发生变化时,对流换热散失的热量变化导致热膜测量单元温度和电阻值发生变化,为了维持恒温,施加在测量单元两端的电压也会发生改变。根据电压的变化就能够得到流速的变化。然而,热膜测量单元的本质是电阻,在将热膜敷设于转子叶片上时,受叶片表面复杂曲面的影响,热膜测量单元会因为粘附在叶片表面而发生变形,使其阻值发生变化,进而对测量结果产生影响。同时转子旋转产生离心力,受离心力的影响,叶片发生变形,导致热膜测量单元继续变形,使热膜测量单元阻值发生变化,导致测量误差。另外,气流温度沿叶片表面变化,不同温度来流会影响热膜测量热平衡时的换热量,导致相同换热量时由于来流温度不同而气流速度不同,最终导致测量误差。这三个方面的误差是热膜测量的最主要误差,它们的存在最终导致转子表面热膜测试精度下降。
发明内容
为了解决转子表面热膜测试精度下降的问题,本发明提供了一种转子表面热膜测试修正方法。
本发明提供了一种转子表面热膜测试修正方法,该方法包括:
S1、首先在热膜静止、未敷设且来流速度为零状态下,达到热平衡后,通过热线风速仪获得热膜每一个测量单元的输出电压U0(i),i=1~n1,i为热膜测量单元个数;
S2、将所述的热膜敷设到所述转子叶片上吸力面某一叶高需要测量的部位,在转子静止且来流气流速度为零的状态下,达到热平衡后,通过热线风速仪获得热膜每一个测量单元的的输出电压Uε1(i),每个热膜在叶片流向的坐标为x(i);
S3、将敷设前后每个热膜测量单元输出电压值相减,得到由于敷设带来的热膜测量单元输出电压的修正值ΔUε1(i)=Uε1(i)-U0(i);
S4、将应变片敷设于所述转子叶片上与热膜测量相同的敷设位置,敷设数量为n2,应变测量方向与热膜测量单元长度方向相同,每个应变片在叶片流向的坐标为y(j),j=1~n2
S5、将热电阻或者热电偶敷设于所述转子叶片上与热膜测量相同的敷设位置,敷设数量为n3,每个热电阻/热电偶在叶片流向的坐标为z(k),k=1~n3
S6、对转子进行动平衡;
S7、在转子某确定工作状态F(n,p,a)下(n为转速,p为排气压力,a为进口气流角度),测量得到热膜各个单元的输出电压U(i),各个应变片处的应变ε2(j),各个热电阻/热电偶处的温度T(k);
S8、根据应变ε2(j)的测量结果以及应变片在叶片上的敷设位置y(j),拟合得到应变沿流向的分布函数ε2(y),同时根据热膜敷设位置x(i)得到每个热膜单元敷设处的应变ε2(x(i)),根据热膜测量单元的应变和热膜测量单元的尺寸计算出测量单元的电阻值变化以及由此引起的热膜测量单元输出电压的变化值ΔUε2(i);
S9、得到变形对热膜测量的影响修正后的热膜单元输出电压U1(i)=U(i)-ΔUε1(i)-ΔUε2(i);
S10、将热膜测量单元放置于热风洞中,在不同来流流速和来流温度的条件下对热膜测量单元进行标定,测量得到热膜测量单元的输出电压与来流速度和温度的函数关系U=f(C,T),C是来流速度,T是来流温度;将其转换为来流速度与电压和温度的关系C=f(U,T);
S11、根据温度T(k)的测量结果以及热电阻/热电偶在叶片上的敷设位置z(k),拟合得到温度沿流向的分布函数T(z),同时根据热膜敷设位置x(i)得到每个热膜单元敷设处的温度T(i),认为其为来流温度;
S12、根据热膜测量单元处的来流温度和经过变形修正后的电压可以得到经过温度和变形修正后的流速测量结果C(i)=f(U1(i),T(i));
S13、改变转子的工作状态F(n,p,a),应用同样的方法得到不同工作状态下转子叶片表面的热膜修正测量值。
优选地,认为转子叶片上的气动参数满足周期性,每片转子叶片上的气动参数相同,在敷设时根据热膜、应变片和热电偶/热电阻的重量选择转子上的敷设叶片,尽量使增加的测量单元重量在转子的周向均匀分布。
本发明的一种转子表面热膜测试修正方法关键在于对比转子叶片表面进行热膜敷设前后热膜输出值的变化,获得由于热膜敷设到转子表面测量单元产生变形而引起的热膜输出值的变化,对热膜敷设过程中引入的测量误差进行修正;进一步在对转子表面进行热膜测试的同时,在转子叶片敷设热膜的相同位置设置温度和应变测量点,通过标定和理论计算得到热膜测量单元输出值随变形和温度的变化关系,进而根据测得的温度和应变对转子叶片表面热膜测量的输出值进行修正,最终提高转子叶片表面热膜测量气动参数的精度。
说明书附图
图1是本发明的一种转子表面热膜测试修正方法的流程图
图2是本发明的一种转子表面热膜测试系统的机构示意图。
其中,转子1,热膜敷设叶片2,热电阻/热电偶敷设叶片3,应变片敷设叶片4,热膜5,热电阻/热电偶6,应变片7。
具体实施方式
为了更好的理解本发明,下面结合实施例进一步阐明本发明的内容,以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。需要说明的是,以下所述仅为本发明的较佳实施例,但本发明的内容不局限于下面的实施例。实际上,在未背离本发明的范围或精神的情况下,可以在本发明中进行各种修改和变化,这对本领域技术人员来说将是显而易见的。例如,作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用来产生又一个实施例。因此,意图是本发明将这样的修改和变化包括在所附的权利要求书和它们的等同物的范围内。
本发明提供了一种转子表面热膜测试修正方法,该方法包括:
S1、首先在热膜静止、未敷设且来流速度为零状态下,达到热平衡后,通过热线风速仪获得热膜每一个测量单元的输出电压U0(i),i=1~n1,为热膜测量单元个数;
S2、将所述的热膜敷设到所述转子叶片上吸力面某一叶高需要测量的部位,在转子静止且来流气流速度为零的状态下,达到热平衡后,通过热线风速仪获得热膜每一个测量单元的的输出电压Uε1(i),每个热膜在叶片流向的坐标为x(i);
S3、将敷设前后每个热膜测量单元输出电压值相减,得到由于敷设带来的热膜测量单元输出电压的修正值ΔUε1(i)=Uε1(i)-U0(i);
S4、将应变片敷设于所述转子叶片上与热膜测量相同的敷设位置,敷设数量为n2,应变测量方向与热膜测量单元长度方向相同,每个应变片在叶片流向的坐标为y(j),j=1~n2
S5、将热电阻或者热电偶敷设于所述转子叶片上与热膜测量相同的敷设位置,敷设数量为n3,每个热电阻/热电偶在叶片流向的坐标为z(k),k=1~n3
S6、对转子进行动平衡;
S7、在转子某确定工作状态F(n,p,a)下(n为转速,p为排气压力,a为进口气流角度),测量得到热膜各个单元的输出电压U(i),各个应变片处的应变ε2(j),各个热电阻/热电偶处的温度T(k);
S8、根据应变ε2(j)的测量结果以及应变片在叶片上的敷设位置y(j),拟合得到应变沿流向的分布函数ε2(y),同时根据热膜敷设位置x(i)得到每个热膜单元敷设处的应变ε2(x(i)),根据热膜测量单元的应变和热膜测量单元的尺寸计算出测量单元的电阻值变化以及由此引起的热膜测量单元输出电压的变化值ΔUε2(i);
S9、得到变形对热膜测量的影响修正后的热膜单元输出电压U1(i)=U(i)-ΔUε1(i)-ΔUε2(i);
S10、将热膜测量单元放置于热风洞中,在不同来流流速和来流温度的条件下对热膜测量单元进行标定,测量得到热膜测量单元的输出电压与来流速度和温度的函数关系U=f(C,T),C是来流速度,T是来流温度;将其转换为来流速度与电压和温度的关系C=f(U,T);
S11、根据温度T(k)的测量结果以及热电阻/热电偶在叶片上的敷设位置z(k),拟合得到温度沿流向的分布函数T(z),同时根据热膜敷设位置x(i)得到每个热膜单元敷设处的温度T(i),认为其为来流温度;
S12、根据热膜测量单元处的来流温度和经过变形修正后的电压可以得到经过温度和变形修正后的流速测量结果C(i)=f(U1(i),T(i));
S13、改变转子的工作状态F(n,p,a),应用同样的方法得到不同工作状态下转子叶片表面的热膜修正测量值。
优选地,认为转子叶片上的气动参数满足周期性,每片转子叶片上的气动参数相同,在敷设时根据热膜、应变片和热电偶/热电阻的重量选择转子上的敷设叶片,尽量使增加的测量单元重量在转子的周向均匀分布。
为实现本发明的一种转子表面热膜测试修正方法,首先进行测量系统的搭建。如图1和图2所示,在热膜5静止、未敷设且来流速度为零状态下,达到热平衡后,通过热线风速仪获得热膜每一个测量单元的输出电压U0(i),i=1~n1,为热膜测量单元个数。根据转子1的叶片气动特征,选择转子1叶片上的热膜敷设位置,并将热膜5敷设于转子1上的叶片2的选定位置。在转子2静止且来流气流速度为零的状态下,达到热平衡后,通过热线风速仪获得热膜5每一个测量单元的输出电压Uε1(i),并测量标记热膜5每个测量单元在叶片流向的坐标为x(i)。将应变片7敷设于所述转子1叶片4上与热膜5测量相同的敷设位置,敷设数量为n2,应变测量方向与热膜5测量单元长度方向相同,每个应变片7在叶片流向的坐标为y(j),j=1~n2。将热电阻或者热电偶6敷设于所述转子1叶片3上与热膜5测量相同的敷设位置,敷设数量为n3,每个热电阻/热电偶6在叶片3流向的坐标为z(k),k=1~n3。根据热膜5、热电阻/热电偶6和应变片7的质量选择所敷设的叶片2、叶片3和叶片4,保证质量尽量在转子1上沿周向均匀分布,防止转子不平衡量过大。热膜5、热电阻/热电偶6、应变片7全部敷设完成后进行转子1的动平衡。
另外,试验测试及热膜测量单元处参数的确定包括:在转子1某确定工作状态F(n,p,a)下,测量得到热膜5各个单元的输出电压U(i),各个应变片7处的应变ε2(j),各个热电阻/热电偶6处的温度T(k)。根据应变ε2(j)的测量结果以及应变片7在叶片上的敷设位置y(j),拟合得到应变沿流向的分布函数ε2(y),同时根据热膜5敷设位置x(i)得到每个热膜单元敷设处的应变ε2(x(i))。根据温度T(k)的测量结果以及热电阻/热电偶6在叶片上的敷设位置z(k),拟合得到温度沿流向的分布函数T(z),同时根据热膜5敷设位置x(i)得到每个热膜单元敷设处的温度T(i)。进一步改变转子1转速、背压和进口气流角,应用上述方法得到不同工作状态下热膜测量单元处的温度、应变以及热膜5本身的输出电压。
另外,变形对转子热膜测量影响的修正包括:将敷设前后每个热膜测量单元输出电压值相减,得到由于敷设带来的热膜测量单元输出电压的修正值ΔUε1(i)=Uε1(i)-U0(i)。根据热膜测量单元的应变和热膜测量单元的尺寸计算出测量单元的电阻值变化以及由此引起的热膜测量单元输出电压的变化值ΔUε2(i)。进一步得到变形对热膜测量的影响修正后的热膜单元输出电压U1(i)=U(i)-ΔUε1(i)-ΔUε2(i)。
另外,温度对转子热膜测量影响的修正包括:将热膜5测量单元放置于热风洞中,在不同来流流速和来流温度的条件下对热膜测量单元进行标定,测量得到热膜测量单元的输出电压与来流速度和温度的函数关系U=f(C,T)。进一步将其转换为来流速度与电压和温度的关系C=f(U,T)。根据热膜测量单元处的来流温度和经过变形修正后的电压U1(i)可以得到经过温度和变形修正后的流速测量结果C(i)=f(U1(i),T(i))。
本发明的一种转子表面热膜测试修正方法关键在于对比转子叶片表面进行热膜敷设前后热膜输出值的变化,获得由于热膜敷设到转子表面测量单元产生变形而引起的热膜输出值的变化,对热膜敷设过程中引入的测量误差进行修正;进一步在对转子表面进行热膜测试的同时,在转子叶片敷设热膜的相同位置设置温度和应变测量点,通过标定和理论计算得到热膜测量单元输出值随变形和温度的变化关系,进而根据测得的温度和应变对转子叶片表面热膜测量的输出值进行修正,最终提高转子叶片表面热膜测量气动参数的精度。
此外,需要说明的是,本说明书中仅对修正方法对热膜的测试修正进行了描述,对于测试单元会受离心力和温度影响的其他测量单元同样适用,且其装置的结构、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化,均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围,均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种转子表面热膜测试修正方法,用于对测试过程中由于热膜测量误差进行修正,其特征在于,对由热膜测量单元变形引起的测量误差和由来流温度变化引起的测量误差同时进行修正;
其中由热膜测量单元变形引起误差,包括由于热膜敷设在转子叶片表面引起的热膜测量单元的变形以及由于转子旋转离心力、气动力引起叶片变形并最终导致热膜测量单元的变形两个部分组成;由于热膜敷设到叶片表面引起的变形,其修正方法为:在转子静止、来流速度为零条件下测量敷设前后热膜测量单元的电压输出值之差来完成;
由于转子旋转产生的离心力、气动力引起叶片变形并最终导致热膜测量单元变形引起的误差,其修正方法为:同时测量热膜测量位置的应变,根据应变以及热膜测量单元的尺寸计算得到热膜测量单元的变形,再由变形反算热膜测量单元的电阻变化,得到由于电阻变化产生的热膜输出电压的变化值完成修正;
由来流温度变化引起的热膜测量误差的修正,其修正方法为测量热膜来流温度,根据标定获得的来流温度和热膜输出电压的函数关系来完成。
2.根据权利要求1中所述的一种转子表面热膜测试修正方法,其特征在于,由来流温度变化引起的热膜测量误差的修正,修正前通过测量热膜测量位置的温度得到热膜测量位置的来流温度。
3.根据权利要求2所述的一种转子表面热膜测试修正方法,其特征在于,整个转子叶片具有周期性,在其他叶片上测量与热膜敷设位置相同位置的应变和温度等同于测量热膜敷设位置的应变和温度。
4.根据权利要求3中所述的一种转子表面热膜测试修正方法,其特征在于,由来流温度变化引起的热膜测量误差的修正,修正前要得到来流速度与热膜输出电压和温度的函数关系。
5.根据权利要求4所述的一种转子表面热膜测试修正方法,其特征在于,所述的函数关系为通过在热风洞上对热膜进行标定,得到不同来流速度和稳定条件下热膜测量单元的电压输出值,并经过进一步拟合获得。
6.根据权利要求1中所述的一种转子表面热膜测试修正方法,其特征在于,适合于应用恒温型热线风速仪进行采集的热膜测试。
7.根据权利要求1中所述的一种转子表面热膜测试修正方法,其特征在于,变形引起的测量误差和温度引起的测量误差相互独立。
8.根据权利要求1中所述的一种转子表面热膜测试修正方法,其特征在于,转子叶片上的气动参数满足周期性,每片转子叶片上的气动参数相同,在敷设时根据热膜、应变片和热电偶/热电阻的重量选择转子上的敷设叶片,尽量使增加的测量单元重量在转子的周向均匀分布。
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