CN116296238A - 一种用于叶轮机扇形流场测量的探针夹持装置 - Google Patents

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CN116296238A CN202310574221.9A CN202310574221A CN116296238A CN 116296238 A CN116296238 A CN 116296238A CN 202310574221 A CN202310574221 A CN 202310574221A CN 116296238 A CN116296238 A CN 116296238A
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唐凯
李嘉
赵建通
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Abstract

本申请提供了一种用于叶轮机扇形流场测量的探针夹持装置，属于航空发动机和重型燃气轮机试验的技术领域，包括安装座、弧形导轨、弧线驱动机构、安装板和直线运动机构；安装座用于固定在叶轮机的外壁上；弧形导轨固定在安装座上，弧形导轨和叶轮机的扇形流场的同轴设置；安装板滑动的安装在弧形导轨上，弧线驱动机构驱动安装板在弧形导轨上绕叶轮机的扇形流场的轴心转动；直线运动机构安装在安装板上，直线运动机构的输出端用于安装探针，直线运动机构的输出端沿叶轮机的扇形流场的径向方向运动。通过本申请的处理方案，达到使用一支探针大密度的测量扇形区域的目的。

Description

一种用于叶轮机扇形流场测量的探针夹持装置
技术领域
本申请涉及航空发动机和重型燃气轮机试验的领域，尤其是涉及一种用于叶轮机扇形流场测量的探针夹持装置。
背景技术
航空发动机和燃气轮机的研制过程中，需要在扇形叶栅、部件试验件、整机试验件上测量一个扇形区域内的气流参数，当前针对这种需求的方法主要有：
1)使用多支多点梳妆探针。在压气机/涡轮部件试验中，针对被测对象的叶片在周向上均布排列从而形成的流场具有周期性的特点，在不同叶片槽道的后方使用多点梳妆探针测量槽道对应的不同周向位置、相同叶高处的多个测点的流场，从而等效于获得了同一叶片槽道的不同轴向位置的流场参数，该方法存在三方面不足：一是所使用的探针数量较多，容易形成较大的堵塞比，尤其是使用压力方向复合探针的情况下，由于引压管数量庞大，导致探针支杆尺寸大，堵塞比无法满足测试准则需求；二是由于探针的结构限制，同一探针不同叶高测点距离相对较远，因此，同一周向位置的叶高方向测点不能满足细致的流场；三是已有的研究表明，在很多情况下，部件、整机试验并不是完全的周期性和对称性流场，因此该种测量方法从原理上存在一定的缺陷，不能很好的满足流场测量的需求。
2)使用多台单自由度位移机构。该方法是在上一方法的基础上，在探针的安装位置处各增加一台单自由度位移机构，控制探针在叶高方向上步进，从而解决了同一周向位置叶高方向上测点密度不够的问题，然而，该方法占用的空间较大，且每一套夹持装置都需要配备相应的动力和控制系统、探针等设备，增大了成本和准备周期；同时，该方法没有完全改变上一方法的缺陷。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种用于叶轮机扇形流场测量的探针夹持装置，解决了现有技术中的问题，使探针可以分别沿试验件外机匣做往复的圆周运动，在圆周上的各点做沿径向的直线往复运行，从而达到使用一支探针大密度的测量扇形区域的目的。
本申请提供的一种用于叶轮机扇形流场测量的探针夹持装置采用如下的技术方案：
一种用于叶轮机扇形流场测量的探针夹持装置，包括安装座、弧形导轨、弧线驱动机构、安装板和直线运动机构；
所述安装座用于固定在叶轮机的外壁上；
所述弧形导轨固定在安装座上，所述弧形导轨和所述叶轮机的扇形流场的同轴设置；
所述安装板滑动的安装在弧形导轨上，所述弧线驱动机构驱动所述安装板在弧形导轨上绕所述叶轮机的扇形流场的轴心转动；
所述直线运动机构安装在安装板上，所述直线运动机构的输出端用于安装探针，所述直线运动机构的输出端沿所述叶轮机的扇形流场的径向方向运动。
可选的，所述安装座包括与所述叶轮机的扇形流场同轴设置的弧形板，所述弧形板的凹面贴紧所述叶轮机的外壁，所述弧形板固定连接所述叶轮机。
可选的，所述弧形板包括固定弧形层板和多个不同厚度的填充弧形层板，所述固定弧形层板和填充弧形层板同轴设置，多个所述填充弧形层板可拆卸的安装在固定弧形层板的凹面上，所述弧形导轨安装在所述固定弧形层板上。
可选的，所述弧形导轨包括沿所述叶轮机的轴向方向间隔分布的两个弧形导杆，所述弧形导杆固定在弧形板的外侧凸面上，两个所述弧形导杆之间形成弧形空腔，所述安装板上设有套设在弧形导杆上的滑动块，所述滑动块沿弧形导杆滑动。
可选的，所述弧线驱动机构包括蜗轮蜗杆机构和第一驱动装置，所述蜗轮蜗杆机构位于弧形空腔中，保留所述蜗轮蜗杆机构中的部分蜗轮扇形段安装在弧形板上，所述第一驱动装置安装在安装板上，所述第一驱动装置的输出端连接所述蜗杆，所述蜗轮扇形段和所述叶轮机的扇形流场同轴设置，所述蜗轮扇形段的齿端背对所述叶轮机的扇形流场一侧，所述蜗杆与蜗轮扇形段啮合。
可选的，所述直线运动机构包括安装支架、滚珠丝杠机构、直线导轨副、运动板和第二驱动装置，所述安装支架固定在安装板上，所述滚珠丝杠机构的丝杠转动的安装在安装支架上，所述直线导轨副的导轨固定在安装支架上，所述直线导轨副的导轨和滚珠丝杠机构的丝杠沿所述叶轮机扇形的流场的径向方向延伸，所述滚珠丝杠机构的移动部和直线导轨副的移动部连接所述运动板，所述运动板作为直线运动机构的输出端。
可选的，所述运动板上设有精密转台和第三驱动装置，所述第三驱动装置的输出轴连接精密转台的输入轴，所述直线运动机构通过精密转台连接探针。
可选的，所述精密转台的输出端上设有探针夹紧器，所述探针夹紧器用于夹持探针。
综上所述，本申请包括以下有益技术效果：
本申请针对需要测量的扇形截面流场的特征，通过弧线驱动机构使探针可以沿试验件外机匣做往复的圆弧运动，配合直线运动机构使探针可以在圆周上的各点做沿径向的直线往复运行。达到使用一支探针进行大密度的测量扇形区域的目的。本申请在使用过程中，根据需要测量的径向位置，通过直线运动机构调整并确定探针的径向位置后，对不同周向位置进行检测时，只需要控制弧线驱动机构带动安装板沿弧形导轨进行滑移，安装板位于不同的周向位置时探针位于同一环面上，即可快速的对同一环面上的不同周向位置进行测量，不用在改变安装板位置后，重新调整直线运动机构使探针位于需要的径向高度；即，本申请在对同一环面上不同周向的位置进行测量时，不需要反复调整探针的径向位置，提高测量效率。
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为本申请用于叶轮机扇形流场测量的探针夹持装置的正面结构示意图；
图2为本申请用于叶轮机扇形流场测量的探针夹持装置的侧面结构示意图；
图3为本申请弧线驱动机构的结构示意图；
图4为本申请弧线驱动机构、弧形导杆和安装板的结构示意图；
图5为本申请直线运动机构的结构示意图；
图6为本申请运动板、精密转台和探针的结构示意图。
附图标记说明：1、安装座；11、弧形板；12、固定弧形层板；13、填充弧形层板；2、弧形导轨；21、弧形导杆；22、滑动块；3、弧线驱动机构；31、蜗轮扇形段；32、蜗杆；33、第一驱动装置；4、安装板；5、直线运动机构；51、安装支架；52、滚珠丝杠机构；53、直线导轨副；54、运动板；55、第二驱动装置；6、精密转台；61、探针夹紧器；62、第三驱动装置；7、探针。
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。
本申请实施例提供一种用于叶轮机扇形流场测量的探针夹持装置。
如图1和图2所示，一种用于叶轮机扇形流场测量的探针夹持装置，包括安装座1、弧形导轨2、弧线驱动机构3、安装板4和直线运动机构5；所述安装座1用于固定在叶轮机的外壁上；所述弧形导轨2固定在安装座1上，所述弧形导轨2和叶轮机的扇形流场的同轴设置；所述安装板4滑动的安装在弧形导轨2上，所述弧线驱动机构3驱动所述安装板4在弧形导轨2上绕叶轮机的扇形流场的轴心转动；所述直线运动机构5安装在安装板4上，所述直线运动机构5的输出端用于安装探针7，所述直线运动机构5的输出端沿叶轮机的扇形流场的径向方向运动。
本申请针对需要测量的扇形截面流场的特征，通过弧线驱动机构3使探针7可以沿试验件外机匣做往复的圆弧运动，配合直线运动机构5使探针7可以在圆周上的各点做沿径向的直线往复运行。达到使用一支探针7进行大密度的测量扇形区域的目的。本申请在使用过程中，根据需要测量的径向位置，通过直线运动机构5调整并确定探针7的径向位置后，对不同周向位置进行检测时，只需要控制弧线驱动机构3带动安装板4沿弧形导轨2进行滑移，安装板4位于不同的周向位置时探针7位于同一环面上，即可快速的对同一环面上的不同周向位置进行测量，不用在改变安装板4位置后，重新调整直线运动机构5使探针7位于需要的径向高度；即，本申请在对同一环面上不同周向的位置进行测量时，不需要反复调整探针7的径向位置，提高测量效率。
而且本申请的探针夹持装置位于叶轮机的外壁上，而叶轮机的外壁上有供探针进入且移动的弧形槽，本申请的探针夹持装置位于被测流场的外侧，装置安装于外机匣的结构特点使其可以在压气机/涡轮部件试验件和整机试验件中得以使用，解决了这些场景无位移机构可用的问题。
所述安装座1包括与所述叶轮机的扇形流场同轴设置的弧形板11，所述弧形板11的凹面贴紧所述叶轮机的外壁，所述弧形板11可拆卸的固定连接所述叶轮机。
所述弧形板11包括固定弧形层板12和多个不同厚度的填充弧形层板13，所述固定弧形层板12和填充弧形层板13同轴设置，多个填充弧形层板13可拆卸的安装在固定弧形层板12凹面上，所述弧形导轨2安装在所述固定弧形层板12上。固定弧形层板12和填充弧形层板13可拆卸的连接，通过更换不同厚度的填充弧形层板13可以使弧形板11的内侧形成内径不同的弧形面，适应不同外径的叶轮机，填充弧形层板13的内侧上设有沉孔，外侧螺纹孔，固定弧形层板12和填充弧形层板13通过螺栓连接，螺栓的螺头在填充弧形层板13的沉孔内，保证弧形板11的内侧壁无内凸结构。
如图2、3和图4所示，所述弧形导轨2包括沿所述叶轮机的轴向方向间隔分布的两个弧形导杆21，两个弧形导杆21同轴设置，所述弧形导杆21固定在弧形板11的外侧凸面上，两个所述弧形导杆21之间形成弧形空腔，所述安装板4和弧形导杆21通过弧形滑杆副滑动连接，所述安装板4上设有套设在弧形导杆21上的滑动块22，所述滑动块22沿弧形导杆21滑动。
所述弧线驱动机构3包括蜗轮蜗杆机构和第一驱动装置33，所述蜗轮蜗杆机构位于弧形空腔中，所述蜗杆32转动的安装在安装板4上，蜗杆32平行于叶轮机的扇形流场的圆周截面，所述第一驱动装置33安装在安装板4上，所述第一驱动装置33的输出端连接所述蜗杆32，保留蜗轮蜗杆机构中的部分蜗轮扇形段31安装在弧形板11上的弧形空腔内，且所述蜗轮扇形段31和叶轮机的扇形流场同轴设置，所述蜗轮扇形段31的齿端背对所述叶轮机的扇形流场一侧，蜗杆32与蜗轮扇形段31的外圈相切，所述蜗杆32与蜗轮扇形段31啮合。第一驱动装置33为电机，第一驱动装置33驱动蜗杆32转动，在弧形导轨2的导向作用下，蜗杆32沿蜗轮扇形段31的轴心转动，即带动安装板4沿弧形导轨2移动，实现安装板4在弧形导轨2上绕叶轮机的扇形流场轴心的转动。
采用的蜗轮蜗杆机构进行弧线驱动可有效的解决大型位移机构重载自锁问题，使大尺寸扇形叶栅、大尺寸压气机/涡轮部件、大尺寸整机使用全尺寸试验件进行流场测量成为可能，提高了试验的准确性，节省了由于无法进行全尺寸试验而必须设计、加工缩小尺寸模型所带来的时间以及能源和经费的浪费，或由于全尺寸试验无法采用弧形位移机构而使用有缺陷的备选方案导致数据的缺失而带来的研发周期、经费、人力资源的浪费。蜗轮蜗杆机构的自锁特性可以有效防止由于突然停电、控制程序崩溃、控制系统故障引起的动力突然缺失而导致的不可控运动，有效的保证了测试探针7安全。
如图1和图5所示，所述直线运动机构5包括安装支架51、滚珠丝杠机构52、直线导轨副53、运动板54和第二驱动装置55，所述安装支架51固定在安装板4上，所述滚珠丝杠机构52的丝杠转动的安装在安装支架51上，所述直线导轨副53的导轨固定在安装支架51上，所述直线导轨副53的导轨和滚珠丝杠机构52的丝杠沿叶轮机的扇形流场的径向方向延伸，所述滚珠丝杠机构52的移动部和直线导轨副53的移动部连接所述运动板54，所述运动板54作为直线运动机构5的输出端。第二驱动装置55可以为电机，第二驱动装置55带动滚珠丝杠机构52的移动部在直线导轨副53的导向作用下沿叶轮机的扇形流场的径向方向移动，运动板54和探针7随滚珠丝杠机构52的移动部沿叶轮机的扇形流场的径向方向移动，实现探针7在叶轮机的扇形流场的径向方向位置的调整。
如图6所示，所述运动板54上设有精密转台6和第三驱动装置62，第三驱动装置62和精密转台6安装在运动板54上，所述第三驱动装置62的输出轴连接精密转台6的输入轴，所述直线运动机构5通过精密转台6连接探针7。所述精密转台6的输出端上设有探针夹紧器61，探针夹紧器61用于夹持探针7。第三驱动装置62为电机，第三驱动装置62通过减速器为精密转台6的输出端提供旋转的动力，使安装在探针夹紧器61上的探针7随精密转台6的输出端一起运动，达到使探针7头部旋转的目的。根据前端气流偏角或设计出口气流角实时改变探针7头部角度使其正对气流的目的，允许探针7绕其支杆轴线旋转的特质，可以有效的防止气流角变化范围过大而超出探针7的校准范围，提高探针7所测数据的准确性，使用精密转台6解决了由于流场中不同位置的气流角度变化范围超出了探针7校准的角度范围而无法获得准去的流场参数的问题。
本申请装置配备了直线行程光栅尺调节器和圆周行程光栅尺调节器精密用以实时反馈和控制探针7头部的位置，保证位置精度；配备了一套用于控制的驱动器系统使其可以根据上位机指令使装置按照相应的坐标运行。
本发明使用一套探针夹持装置和一支探针7完成了原有的多支探针、多台位移机构完成的叶轮机械研发过程中大量开展的扇形流场测量相关问题，大大的节省了探针和位移机构设计、加工、校准所需要的时间和经费，从而提升整个研发的进度和效率；本申请探针夹持装置可以允许探针7头部在位移机构的精度范围内足够精细的移动，获得较常规手段更详细的流场细节；本申请探针夹持装置允许探针7绕其支杆轴线旋转的特质，可以有效的防止气流角变化范围过大而超出探针7的校准范围，提高探针7所测数据的准确性；同时，采用的蜗轮蜗杆机构可有效的解决大型位移机构重载自锁问题，使大尺寸扇形叶栅、大尺寸压气机/涡轮部件、大尺寸整机使用全尺寸试验件进行流场测量成为可能，提高了试验的准确性，节省了由于无法进行全尺寸试验而必须设计、加工缩小尺寸模型所带来的时间、能源和经费的浪费，或由于全尺寸试验无法采用弧形位移机构而使用有缺陷的备选方案导致数据的缺失而带来的研发周期、经费、人力资源的浪费。
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 (8)

1.一种用于叶轮机扇形流场测量的探针夹持装置，其特征在于，包括安装座(1)、弧形导轨(2)、弧线驱动机构(3)、安装板(4)和直线运动机构(5)；
所述安装座(1)用于固定在叶轮机的外壁上；
所述弧形导轨(2)固定在安装座(1)上，所述弧形导轨(2)和所述叶轮机的扇形流场的同轴设置；
所述安装板(4)滑动的安装在弧形导轨(2)上，所述弧线驱动机构(3)驱动所述安装板(4)在弧形导轨(2)上绕所述叶轮机的扇形流场的轴心转动；
所述直线运动机构(5)安装在安装板(4)上，所述直线运动机构(5)的输出端用于安装探针(7)，所述直线运动机构(5)的输出端沿所述叶轮机的扇形流场的径向方向运动。
2.根据权利要求1所述的用于叶轮机扇形流场测量的探针夹持装置，其特征在于，所述安装座(1)包括与所述叶轮机的扇形流场同轴设置的弧形板(11)，所述弧形板(11)的凹面贴紧所述叶轮机的外壁，所述弧形板(11)固定连接所述叶轮机。
3.根据权利要求1所述的用于叶轮机扇形流场测量的探针夹持装置，其特征在于，所述弧形板(11)包括固定弧形层板(12)和多个不同厚度的填充弧形层板(13)，所述固定弧形层板(12)和填充弧形层板(13)同轴设置，多个所述填充弧形层板(13)可拆卸的安装在固定弧形层板(12)的凹面上，所述弧形导轨(2)安装在所述固定弧形层板(12)上。
4.根据权利要求1所述的用于叶轮机扇形流场测量的探针夹持装置，其特征在于，所述弧形导轨(2)包括沿所述叶轮机的轴向方向间隔分布的两个弧形导杆(21)，所述弧形导杆(21)固定在弧形板(11)的外侧凸面上，两个所述弧形导杆(21)之间形成弧形空腔，所述安装板(4)上设有套设在弧形导杆(21)上的滑动块(22)，所述滑动块(22)沿弧形导杆(21)滑动。
5.根据权利要求1所述的用于叶轮机扇形流场测量的探针夹持装置，其特征在于，所述弧线驱动机构(3)包括蜗轮蜗杆机构和第一驱动装置(33)，所述蜗轮蜗杆机构位于弧形空腔中，保留所述蜗轮蜗杆机构中的部分蜗轮扇形段(31)安装在弧形板(11)上，所述第一驱动装置(33)安装在安装板(4)上，所述第一驱动装置(33)的输出端连接所述蜗杆(32)，所述蜗轮扇形段(31)和所述叶轮机的扇形流场同轴设置，所述蜗轮扇形段(31)的齿端背对所述叶轮机的扇形流场一侧，所述蜗杆(32)与蜗轮扇形段(31)啮合。
6.根据权利要求1所述的用于叶轮机扇形流场测量的探针夹持装置，其特征在于，所述直线运动机构(5)包括安装支架(51)、滚珠丝杠机构(52)、直线导轨副(53)、运动板(54)和第二驱动装置(55)，所述安装支架(51)固定在安装板(4)上，所述滚珠丝杠机构(52)的丝杠转动的安装在安装支架(51)上，所述直线导轨副(53)的导轨固定在安装支架(51)上，所述直线导轨副(53)的导轨和滚珠丝杠机构(52)的丝杠沿所述叶轮机的扇形流场的径向方向延伸，所述滚珠丝杠机构(52)的移动部和直线导轨副(53)的移动部连接所述运动板(54)，所述运动板(54)作为直线运动机构(5)的输出端。
7.根据权利要求6所述的用于叶轮机扇形流场测量的探针夹持装置，其特征在于，所述运动板(54)上设有精密转台(6)和第三驱动装置(62)，所述第三驱动装置(62)的输出轴连接精密转台(6)的输入轴，所述直线运动机构(5)通过精密转台(6)连接探针(7)。
8.根据权利要求7所述的用于叶轮机扇形流场测量的探针夹持装置，其特征在于，所述精密转台(6)的输出端上设有探针(7)夹紧器(61)，所述探针(7)夹紧器(61)用于夹持探针(7)。
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