CN114136646A - 一种宽角度适应性的来流总压测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种宽角度适应性的来流总压测量装置，属于航空发动机/燃气轮机试验技术领域，具体包括位移机构、安装座、探针，所述位移机构设置于所述安装座上方，所述探针穿过所述位移机构和所述安装座，所述探针的总压测点位于所述安装座下方；所述位移机构内设有伺服电机，所述伺服电机驱动所述探针进行旋转；所述位移机构内还设有绝对编码器，所述绝对编码器用于检测所述探针的旋转角度。通过本申请的处理方案，可解决涡轮部件试验时特征截面来流角度变化引起的固定式探针总压测量精度明显降低的问题，可保证非各种工况下的涡轮试验效率测量准确性。

Description

一种宽角度适应性的来流总压测量装置

技术领域

本申请涉及航空发动机/燃气轮机试验技术领域，尤其涉及一种宽角度适应性的来流总压测量装置。

背景技术

涡轮作为航空发动机/燃气轮机中的关键热端部件在研制体系中占有举足轻重的地位，通过部件气动性能试验获取其工作特性是目前国际上的通用手段。评价涡轮工作能力最直接、最通用的参数是涡轮效率，该值需使用涡轮进口总压、出口总压的比值(即膨胀比)来计算；此外，涡轮部件气动性能试验中还需准确测量涡轮级间等典型截面上的总压以评估涡轮的工作状态及设计加工水平。当前，涡轮部件试验中，总压一般采用采用测点径向沿直线分布的固定式多点总压探针测量(通常至少5点)。总压探针测量时对燃气的来流角度可具有一定的不敏感性，即当燃气来流角度不正对探针测压管口、存在一定角度偏差(±15°以内)时，探针仍能保证测量精度，即总压探针的气流角不敏感性。当燃气来流方向保持径向基本一致、且在各测量探头不敏感角范围内时，该种测量方式具有测量精度高、重复性好等优点，因此得到了广泛应用。

但是，涡轮部件试验除了获取设计转速、设计膨胀比及冷气流量比下的涡轮特性外，还需开展非设计状态下的试验研究以全面分析不同工况下的涡轮工作能力。对于涡轮部件而言，试验过程中，气流角随转速和膨胀比的变化而变化，当前先进涡轮出口截面的气流角在极限工况下的变化范围可超过±35°，远超出一般总压探针不敏感气流角。为确保设计点测量结果的准确性，总压探针都是按照被测截面设计点气流角方向进行设计和安装的，不同来流气流角下的测量精度靠探针不敏感角保证。当来流角度变化超出固定式探针不敏感角后，总压测量精度迅速降低，从而使得当前使用固定式探针测量的涡轮部件试验结果在非设计工况下的数据失真，无法准确评价涡轮性能，不能充分验证涡轮设计结果。

目前行业内解决该问题主要有3种方式：

(1)改进总压探针设计方法，增大不敏感气流角。该种方法主要通过探针气动型面调整优化、滞止罩优化等方式增大总压探针的不敏感气流角，以提高来流角度的适应性。该方法可在一定范围内解决超出不敏感气流角后测量误差增大的问题(目前可达到±20°左右)，但随着试验环境对气流角度适应性要求的进一步提高，该种方法不能取得满意的效果；

(2)采用固定式总压探针，按气流偏角对试验数据进行修正。该种方法通过布置常规的固定式总压探针获得初步的测量结果，在试验后使用理论计算的气流偏角(或者使用多孔针测量的气流偏角)、总压探针的校准曲线等修正总压探针的测量结果。该种方式在气流偏角不大时可提高总压测量精度，但是在偏角过大时修正结果会产生严重的失真错误，也无法在试验过程中较快的获得修正结果，应用范围并不广；

(3)使用三孔针/五孔针沿径向逐点扫描测量。由于三孔针/五孔针的气流角适应性范围较宽，还可采用对向测量方法获取相对准确的总压、静压、马赫数、气流角等信息，因此该种方法是一种相对有效的解决办法。但在工程应用环境下，该方法的缺点在于三孔针/五孔针测量时需进行多点逐点扫描，试验耗时较长，经济性差；此外，三孔针/五孔针的设计、加工、校准难度大、成本高，工程使用环境下反应时间长、易堵塞，试验时还需专门的程序用于数据处理分析，也不适合作为现场快速的常规测试手段使用。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种宽角度适应性的来流总压测量装置，针对航空发动机/燃气轮机涡轮部件实际试验环境中，在变工况下气流角变化范围宽、特征截面总压测量精度降低、难以获取涡轮准确的变工况工作特性的困难，提出一种多工况、宽气流角范围的高精度来流总压测量装置及其方法。利用该装置及方法开展试验研究，可以满足涡轮部件不同测量截面的总压测量精度要求，并适应各种工况下的气流角变化范围，有助于更加准确、快速、方便的测量涡轮部件在各种工况下的工作特性。

本申请实施例提供一种宽角度适应性的来流总压测量装置，所述装置包括位移机构、安装座、探针，所述位移机构设置于所述安装座上方，所述探针穿过所述位移机构和所述安装座，所述探针的总压测点位于所述安装座下方；所述位移机构内设有伺服电机，所述伺服电机驱动所述探针进行旋转；所述位移机构内还设有绝对编码器，所述绝对编码器用于检测所述探针的旋转角度。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述装置还包括探针安装夹筒，所述探针安装夹筒垂直穿过所述位移机构和所述安装座；所述探针穿过所述探针安装夹筒，所述探针的两端均伸出所述探针安装夹筒，所述探针与所述探针安装夹筒通过连接件连接，所述伺服电机驱动所述探针安装夹筒并带动所述探针进行旋转。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述探针安装夹筒上固定连接有第一传动齿轮，所述第一传动齿轮与所述伺服电机的第二传动齿轮传动连接。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述位移机构内设有轴承，所述轴承套设于所述探针安装夹筒上并与所述位移机构的内壁固定连接。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述探针与所述探针安装夹筒连接的连接件设置为刚性联轴器，所述刚性联轴器套设于所述探针安装夹筒和所述探针相接处，所述刚性联轴器一端与所述探针安装夹筒固定连接，另一端与所述探针固定连接。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述探针与所述刚性联轴器在相接的位置上均设置有定位键槽，所述刚性联轴器与所述探针通过键块进行固定，所述键块位于所述定位键槽内。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述探针与所述安装座连接处设有密封圈，所述密封圈环绕所述探针。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述密封圈设置为T形密封圈，所述T形密封圈的顶部通过螺钉与所述安装座的底壁相连。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述位移机构的底部设有第一水冷腔，所述位移机构的侧壁上设有与所述第一水冷腔相连的第一进水孔和第一出水孔。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述位移机构的顶部内侧设有第二水冷腔，所述位移机构的侧壁上设有与所述第二水冷腔相连的第二进水孔和第二出水孔。

有益效果

本申请实施例中的宽角度适应性的来流总压测量装置，通过在安装座上安装位移机构，可使探针进行旋转测量，可解决涡轮部件试验时特征截面来流角度变化引起的固定式探针总压测量精度明显降低的问题，可保证非各种工况下的涡轮试验效率测量准确性。

本发明提出的一维位移机构进行了具有结构可靠、通用性强、重量轻、使用方便等特点，适合涡轮试验高温、高压、油雾、振动等恶劣环境使用，也具备在同一次试验中同时使用多套装置进行多截面位置来流总压精确测量的需要；本发明涉及的多点总压探针结构简单，无需进行特别的设计即可取的较好的应用效果；本发明提及的来流总压测量方法基于该套测量装置，具有原理清楚、操作简单、可实现性好等优点。

本发明克服了传统航空发动机/燃气轮机涡轮部件试验中只能针对设计点进行性能参数准确录取的问题，能够方便的获取各种工况下的涡轮特征截面总压参数。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为根据本发明一实施例的宽角度适应性的来流总压测量装置结构示意图；

图2为根据本发明一实施例的宽角度适应性的来流总压测量装置结构剖视示意图；

图3为根据本发明一实施例的探针结构示意图。

图中：1、位移机构，1-1、直流伺服减速电机，1-2、第一传动齿轮，1-3、第二传动齿轮，1-4、密封圈，1-5、安装座，1-6、第一水冷腔，1-7、轴承，1-8、绝对编码器，1-9、第二水冷腔，1-10、探针安装夹筒，1-11、刚性联轴器，2、探针，2-1、定位键槽，2-2、总压测点，2-3、探针杆，3、测压管，4、第一进水孔，5、第一出水孔，6、第二进水孔，7、第二出水孔。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

本申请实施例提供了一种宽角度适应性的来流总压测量装置，所述装置包括位移机构1、安装座1-5、探针2，所述位移机构1设置于所述安装座1-5上方，所述探针2穿过所述位移机构1和所述安装座1-5，所述探针2的总压测点位于所述安装座1-5下方；所述位移机构1内设有伺服电机，所述伺服电机驱动所述探针2进行旋转；所述位移机构1内还设有绝对编码器1-8，所述绝对编码器1-8用于检测所述探针2的旋转角度。具体的，位移机构1为一维位移机构，实现圆周运动。伺服电机采用直流伺服减速电机1-1，用来产生动力，绝对编码器1-8实时反馈探针2的位置以便于下一步操作判断。机构的安装座1-5采用小型化结构并可兼容现有固定安装座。

进一步的，探针2为多点总压探针，多点总压探针夹持安装在一维位移机构上，图3示出了多点总压探针的结构形式。多点总压探针与常规多点探针相比没有固定的安装座，采用了直杆形式，后端测压管3集束且无转接座形式以便于安装，探针杆2-3位于安装座1-5的下方可根据需要按照等环面面积或等间距布置总压测点2-2，也可根据涡轮S2的计算结果沿径向按气流角设计总压测点2-2的分布规律，为了便于探针2安装牢固，探针杆2-3上一定高出处设置定位键槽2-1，安装时可直接使用定位键槽2-1定位探针2安装的深度和初始角度，大大降低了常规位移机构探针安装的人工测量划线的难度，保证了工作质量。

进一步的，所述装置还包括探针安装夹筒1-10，所述探针安装夹筒1-10垂直穿过所述位移机构1和所述安装座1-5；所述探针2穿过所述探针安装夹筒1-10，所述探针2的两端均伸出所述探针安装夹筒1-10，所述探针2与所述探针安装夹筒1-10通过连接件连接，所述伺服电机驱动所述探针安装夹筒1-10并带动所述探针2进行旋转。

进一步的，所述探针安装夹筒1-10上固定连接有第一传动齿轮1-2，所述第一传动齿轮1-2与所述伺服电机的第二传动齿轮1-3传动连接。位移机构1由直流伺服减速电机1-1产生驱动力，通过第一传动齿轮1-2及第二传动齿轮1-3等驱动探针安装夹筒1-10转动，多点总压探针通过连接件与探针安装夹筒1-10连接并同速转动。

在一个实施例中，所述位移机构1内设有轴承1-7，所述轴承1-7套设于所述探针安装夹筒1-10上并与所述位移机构1的内壁固定连接。通过轴承1-7可将探针安装夹筒1-10在位移机构1内对其进行定位安装。

具体的，所述探针2与所述探针安装夹筒1-10连接的连接件设置为刚性联轴器1-11，所述刚性联轴器1-11套设于所述探针安装夹筒1-10和所述探针2相接处，所述刚性联轴器1-11一端与所述探针安装夹筒1-10固定连接，另一端与所述探针2固定连接。刚性联轴器1-11与探针安装夹筒1-10和探针2的连接可采用螺栓连接。

在一个实施例中，所述探针2与所述刚性联轴器1-11在相接的位置上均设置有定位键槽2-1，所述刚性联轴器1-11与所述探针2通过键块进行固定，所述键块位于所述定位键槽2-1内。

在一个优选的实施例中，所述探针2与所述安装座1-5连接处设有密封圈1-4，所述密封圈1-4环绕所述探针2。

具体的，所述密封圈1-4设置为T形密封圈，所述T形密封圈的顶部通过螺钉与所述安装座1-5的底壁相连。优选的，T形密封圈为聚四氟乙烯密封圈，起到密封主流道、防止高温高压燃气冲刷机构的作用。

在一个实施例中，所述位移机构1的底部设有第一水冷腔1-6，所述位移机构1的侧壁上设有与所述第一水冷腔相连的第一进水孔4和第一出水孔5。第一水冷腔1-6用来隔绝机构的安装座1-5上传导来的热量并带走机构自身产生的热量。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述位移机构1的顶部内侧设有第二水冷腔1-9，所述位移机构1的侧壁上设有与所述第二水冷腔1-9相连的第二进水孔6和第二出水孔7，第二水冷腔1-9用于带走位移机构1内产生的热量，保证位移机构1内的部件正常工作。

具体使用时，由于总压是所能测得的气流本地最高滞止压力，基于本发明所提出的测量装置，本发明提出的来流总压测量方法主要使用两种方案来判断是否准确测得了来流总压，其一是各测点测得的总压之和最大，其二是50％叶高位置附近测得的总压最大，可根据试验涡轮本身的气流总压径向分布特征选用。试验时使用伺服电机驱动的一维位移机构带动多点总压探针，压力采集模块采集到的结果与上一位置的总压数据进行实时对比，通过逐次比较确定是否达到了所能测得的最大值，以该最大值作为来流总压即可取得比目前固定探针或修正方法更为精确的总压测量结果。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种宽角度适应性的来流总压测量装置，其特征在于，所述装置包括位移机构、安装座、探针，所述位移机构设置于所述安装座上方，所述探针穿过所述位移机构和所述安装座，所述探针的总压测点位于所述安装座下方；所述位移机构内设有伺服电机，所述伺服电机驱动所述探针进行旋转；所述位移机构内还设有绝对编码器，所述绝对编码器用于检测所述探针的旋转角度。

2.根据权利要求1所述的宽角度适应性的来流总压测量装置，其特征在于，所述装置还包括探针安装夹筒，所述探针安装夹筒垂直穿过所述位移机构和所述安装座；所述探针穿过所述探针安装夹筒，所述探针的两端均伸出所述探针安装夹筒，所述探针与所述探针安装夹筒通过连接件连接，所述伺服电机驱动所述探针安装夹筒并带动所述探针进行旋转。

3.根据权利要求2所述的宽角度适应性的来流总压测量装置，其特征在于，所述探针安装夹筒上固定连接有第一传动齿轮，所述第一传动齿轮与所述伺服电机的第二传动齿轮传动连接。

4.根据权利要求2所述的宽角度适应性的来流总压测量装置，其特征在于，所述位移机构内设有轴承，所述轴承套设于所述探针安装夹筒上并与所述位移机构的内壁固定连接。

5.根据权利要求2所述的宽角度适应性的来流总压测量装置，其特征在于，所述探针与所述探针安装夹筒连接的连接件设置为刚性联轴器，所述刚性联轴器套设于所述探针安装夹筒和所述探针相接处，所述刚性联轴器一端与所述探针安装夹筒固定连接，另一端与所述探针固定连接。

6.根据权利要求4所述的宽角度适应性的来流总压测量装置，其特征在于，所述探针与所述刚性联轴器在相接的位置上均设置有定位键槽，所述刚性联轴器与所述探针通过键块进行固定，所述键块位于所述定位键槽内。

7.根据权利要求1所述的宽角度适应性的来流总压测量装置，其特征在于，所述探针与所述安装座连接处设有密封圈，所述密封圈环绕所述探针。

8.根据权利要求6所述的宽角度适应性的来流总压测量装置，其特征在于，所述密封圈设置为T形密封圈，所述T形密封圈的顶部通过螺钉与所述安装座的底壁相连。

9.根据权利要求1所述的宽角度适应性的来流总压测量装置，其特征在于，所述位移机构的底部设有第一水冷腔，所述位移机构的侧壁上设有与所述第一水冷腔相连的第一进水孔和第一出水孔。

10.根据权利要求9所述的宽角度适应性的来流总压测量装置，其特征在于，所述位移机构的顶部内侧设有第二水冷腔，所述位移机构的侧壁上设有与所述第二水冷腔相连的第二进水孔和第二出水孔。

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