CN1212519C - 测量缸筒涡流的分离型轴针式叶片风速仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量缸筒涡流的分离型轴针式叶片风速仪，其中在风速仪体的内侧设置有可拆卸的衬套，并且在风速仪体的内侧两端面上分别设置有圆形轴针座支架，固定在其上面的细支撑杆的中点处固定有可调轴针座，安装有叶片的针形旋转轴的二锥形尖端与可调轴针座相配合；在风速仪体的外侧设有至少一个正对叶片的通孔，在通孔内插入有接近式传感器，叶片旋转信号通过通孔内的接近式传感器输出。本发明的效果是轴针式叶片风速仪使用、维护、调整方便。对涡流反应速度快，灵敏度高，测量结果稳定重复性好，线性度好，测量转速范围宽，使用寿命长，适合任何环境温度，满足了中小型发动机数字信号输出及远距离传送测量的需要。

Description

测量缸筒涡流的分离型轴针式叶片风速仪

技术领域

本发明涉及一种涡流测量装置，特别是一种测量缸筒涡流的分离型轴针式叶片风速仪。

背景技术

许多场合要求测量气体(空气等)宏观大尺度涡流的旋转速度。例如，实际发动机气缸内的空气流动状况就必须采用模拟试验的方法来检测和诊断。在发动机设计开发研究工作中，不同几何参数的进气道会在气缸内产生不同强度的涡流，以及不同的关于进气量大小的流量系数。只有通过在稳流试验台上对进气道性能进行测试，获得模拟气缸内的涡流转速等参数，才能够预测和确定发动机实际工作过程中的燃烧状况，以及可能对发动机性能和有害排放物等方面带来的影响。

测量试验台上的发动机模拟气缸内的涡流转速，目前有两种方法，一是叶片式风速仪，二是涡流动量计。涡流动量计结构复杂，技术含量要求高，价格贵，蜂窝孔容易被污染，维护不方便，造成测量重复性稳定性差等；如图1a、图1b和图1c所示，一般使用的叶片式风速仪是试验台内部留出一个固定的支撑，支撑为一长杆，上部连接着带有轴承c的叶片风速仪，其结构可以称为旗杆式风速仪，叶片形状常采用哑铃式叶片a或矩形叶片b。由风速仪测量的涡流参数是检测发动机进气道性能的两个重要参数之一，要求测量结果有好的重复性和精确度。试验认为，叶片式风速仪的测量精度远小于涡流动量计，最大误差可以达到30％。叶片式风速仪用于对测量对象相对比较的试验，影响不大，但不适合精确测量。同时，这种形式的叶片风速仪占有较大的体积，不适合在小缸径中使用。

现有的叶片式风速仪存在以下技术上的不足：一般的杆式结构，头部风速仪体积大，对空气流动的阻力干扰大。叶片转动轴使用轴承，摩擦阻力大，易污染，反应不灵敏，不能满足叶片风速仪测量涡流的高性能要求。叶片形状不协调，不利于吸收涡流动能，与涡流同步的跟随性差。这种风速仪体积大，在测量小缸径发动机的试验中，在测量缸筒内占具空间比例大，破坏了原有流场的结构，测量结果就不能真实反映进气道的流动特性。因此，不能使用叶片风速仪，只有选择价格昂贵的涡流动量计(进口价格约在8~10万人民币，国内因生产能力，技术等方面的原因而无法满足要求)。

发明内容

本发明的目的是以降低对测量气体(空气等)的流动阻力，提高风速仪测量精度，将接近于无摩擦接触的运动方式应用于叶片转动部分；采用不破坏整体结构，不干扰流场，更好地满足发动机气道试验的要求，同时提高叶片风速仪的应用范围而设计一种测量缸筒涡流的分离型轴针式叶片风速仪。

为实现上述目的，本发明的技术方案是提供一种测量缸筒涡流的分离型轴针式叶片风速仪，其中在风速仪体的内侧设置有可拆卸的衬套，并且在风速仪体的内侧两端面上分别设置有圆形轴针座支架，固定在其上面的细支撑杆的中点处固定有可调轴针座，安装有叶片的针形旋转轴的二锥形尖端与可调轴针座相配合；在风速仪体的外侧设有至少一个正对叶片的通孔，在通孔内插入有接近式传感器，叶片旋转信号通过通孔内的接近式传感器输出。

所述可调轴针座通过其外螺纹与固定在轴针座支架上面的细支撑杆的中部连接，可调轴针座的中心镶有硬质材料的衬套，衬套端面中心处设有锥形盲孔。

所述针形旋转轴上的叶片设置在针形旋转轴的中间，至少有一对叶片对称安装。

所述针形旋转轴上的叶片的形状为仿锤形叶片。

所述风速仪体上开设有多个通孔。

本发明的效果是轴针式叶片风速仪设计紧凑，结构简单，制作成本低，使用维护调整方便。轴针式的点接触摩擦方式可提高风速仪测量涡流的精度。对涡流反应速度快，灵敏度高，测量结果重复性好，稳定性、线性度好，测量转速范围宽，使用寿命长，适合任何环境温度。仿锤形叶片符合缸内涡流速度场的分布规律，最大吸收涡流旋转动能，跟随性好，真实反映流场运动规律。使用无接触接近式传感器采集叶片转速，数字信号输出，远距离传送。结构上柔性设计，采用更换风速仪内部衬套和叶片的大小来任意调节内径尺寸，满足了中小型发动机测量的需要。可用于小缸径发动机(如50毫米缸径左右)模拟气缸内的涡流测量，它可以替代价格昂贵的涡流动量计使用，扩大风速仪的应用范围。作为发动机气道性能检测的关键部件，提高了试验台整体的推广应用价值。

附图说明

图1a为普通风速仪的哑铃形叶片结构示意图；

图1b为普通风速仪的矩形叶片结构示意图；

图1c为普通风速仪的整体结构示意图；

图2为轴针式叶片风速仪装置剖面图；

图3为轴针式叶片风速仪轴针座支架结构示意图；

图4为轴针式叶片风速仪轴针座与轴针配合连接示意图；

图5为轴针式叶片风速仪衬套的剖面图；

图6为图5轴针式叶片风速仪衬套的左视图；

图7为轴针式叶片风速仪轴针座实施例的框图；

具体实施方式

结合附图及实施例对本发明的测量缸筒涡流的分离型轴针式叶片风速仪加以说明。

本发明的测量缸筒涡流的分离型轴针式叶片风速仪，其结构是在风速仪体1的内侧设置有可拆卸的衬套6，在风速仪体1的内侧两端面上分别设置有圆形轴针座支架2，固定在其上面的细支撑杆7的中点处固定有可调轴针座3，安装有叶片5的针形旋转轴4的二锥形尖端与可调轴针座3相配合；在风速仪体1的外侧设有至少一个正对叶片5的通孔9，在通孔9内插入有接近传感器，叶片旋转信号通过通孔9内的接近传感器输出。

所述可调轴针座3通过其外螺纹与固定在轴针座支架2上面的细支撑杆7的中部连接，可调轴针座3的中心镶有硬质材料的衬套，衬套端面中心处设有锥形盲孔。

所述针形旋转轴4上的叶片5设置在针形旋转轴4的中间，至少有一对叶片5对称安装。

所述针形旋转轴4上的叶片5的形状为仿锤形叶片。

所述风速仪体1上开设有多个通孔10。

本发明的测量缸筒涡流的分离型轴针式叶片风速仪是这样实现的：

如图2、3、4、5、6所示，测量缸筒涡流的分离型轴针式叶片风速仪的结构是在风速仪体1的内侧设置有可拆卸的衬套6，在风速仪体1的内侧两端面上分别设置有圆形轴针座支架2，通过轴针座支架2上的孔8用螺钉固定在风速仪体1上，固定在轴针座支架2上面的细支撑杆7的中点处固定有可调轴针座3，安装有叶片5的针形旋转轴4的二锥形尖端与可调轴针座3相配合；在风速仪体1的外侧设有至少一个正对叶片5的通孔9，在通孔9内插入接近式传感器，叶片旋转信号通过通孔9内的接近式传感器输出。

如图4所示，所述可调轴针座3通过其外螺纹与固定在轴针座支架2上面的细支撑杆7中部连接，可调轴针座3的中心镶有人造宝石的硬质材料衬套，以增加其耐磨性，衬套端面中心处设有锥形盲孔。轴针4与可调轴针座3的连接是风速仪的关键部位，可调轴针座3靠外螺纹与轴针座支架2形成可调节式结构。由于轴针座3中心的衬套端面中心处加工成v字形锥形盲孔，而轴针4两端是锥形尖端，头部略有钝圆，恰好与可调轴针座3的v字形锥形盲孔相配合。调节螺纹即可调节与轴针4配合的松紧度，形成在保证准确定位的情况下又能灵活转动的连接。从而使带有叶片5的轴针4能够在涡流作用下快速无阻尼旋转。可认为接近无阻力摩擦，使固定在轴针4上的叶片5能够随着涡流快速旋转。叶片旋转角速度可以用公式说明：

${\mathrm{\ω}}_f={\mathrm{\ω}}_a-\sqrt{\frac{4M_T}{{\mathrm{\ρKHR}}_f^4}}$

式中ρ——气体密度

    ω_a——缸筒内涡流角速度

    M_T——风速仪阻矩

    K，H，R_f——叶片数目、高度、外径

    ω_f——叶片角速度

从公式中得到结论：降低风速仪的阻矩M_T就会提高叶片旋转的角速度ω_f。因此，轴针式叶片风速仪具有最先进的机械运动的配合方式。

如图2所示，制作仿锤形叶片5理论上考虑了涡流场的运动规律。即1、气门小升程时(缸内进气量小)，空气的涡流场随着轴向距离增加，形成单一涡结构，其涡心向气缸轴心移动；大升程时，也形成单一涡；2、单一涡中部近似为刚体涡流，接近缸壁时逐渐衰减为等环量流。3、单一涡在气缸内的切向速度分布：

            C_t＝rω[1-(r/R)^C]

式中，ω为涡核处相当于刚体涡流的角速度；C为常数，由试验方法确定；R为气缸半径；r为半径方向的变量。因此，仿锤形叶片5的形状随刚体涡流和等环量流加宽和变窄。它能够最大吸收涡流旋转动能，对涡流反映灵敏，跟随性好。相同表面积的叶片，仿锤形叶片5比普通矩形叶片测量结果提高8％左右。在针形旋转轴4上的叶片5设置在针形旋转轴4的中间，至少有一对叶片5对称安装。

如图5所示，风速仪体1的内部有可拆卸的衬套6。可更换不同内径的衬套6，最小到内径50毫米左右。与此同时，叶片5的直径尺寸也相应缩小。使所述风速仪与模拟小气缸相匹配，达到测量小缸径涡流转速的目的。轴针4和轴针座支架2上固定的细支撑杆7直径都很小，对空气的阻力可以忽略，测量精度满足对涡流场测量的要求。

如图2所示，风速仪体1上开有多个通孔10，穿过双头螺栓对接到管路的法兰盘上，连接到试验台中。螺纹连接拆卸简单易行，有利于风速仪的维修调整和更换。风速仪体1是独立的分离式机构，适合在管路的任何位置安装。在风速仪体1和管路法兰盘之间可以加不同厚度的垫圈，进行位置的微型调整，实现了与管路的柔性连接，体现了分离型结构特点的灵活性。

如图2所示，风速仪体1外侧正对叶片旋转平面所设的通孔9，可以插入市售产品接近式传感器，由于正对叶片的旋转平面，无接触检测出叶片转速信号，数字输出，远距离传送。

如图7所示的实施例，所述测量缸筒涡流的分离型轴针式叶片风速仪7-3通过双头螺栓与上下法兰盘连接到发动机试验台中。试验台上被测量的发动机缸盖7-1的上部有气门开启大小的气门升程调节器7-2，下部有根据发动机确定的模拟气缸7-7。根据模拟气缸7-7的内径，调整轴针式叶片风速仪7-3内部的衬套6和叶片5的大小。当连接管路的长度确定时，以风速仪和法兰盘之间的垫圈进行位置的微型调整。空气经过发动机缸盖7-1流进模拟气缸7-7产生涡流，由轴针式叶片风速仪7-3检测，通过空气流量计7-4计算气体流量，再通过气体稳压箱7-6被抽出试验台外。所有的采集数据被计算机7-5采集记录处理完成。

轴针式叶片风速仪可以满足了测量小缸径(直径小于80毫米)涡流的要求，轴针式叶片风速仪测量方法先进，技术含量高，制造成本低，维护调整方便，适合于广大工业、农业、交通等中小发动机、摩托车气道性能的检测和科研开发。轴针式叶片风速仪是气道试验台的核心部件，由于应用气道试验台开展发动机的研制工作已有40多年的历史，因此，轴针式叶片风速仪试验台具有重要的广泛的应用价值。气道性能的好坏直接影响到发动机的燃烧过程和排放性能。应用轴针式风速仪的研究工作，对降低燃油消耗和减少发动机有害排放物，对节约能源、保护环境有着重要的现实意义。

Claims (5)

1、一种测量缸筒涡流的分离型轴针式叶片风速仪，其特征是：在风速仪体(1)的内侧设置有可拆卸的衬套(6)，在风速仪体(1)的内侧两端面上分别设置有圆形轴针座支架(2)，固定在其上面的细支撑杆(7)的中点处固定有可调轴针座(3)，安装有叶片(5)的针形旋转轴(4)的二锥形尖端与可调轴针座(3)相配合；在风速仪体(1)的外侧设有至少一个正对叶片(5)的通孔(9)，在通孔(9)内插入有接近式传感器，叶片旋转信号通过通孔(9)内的接近式传感器输出。

2、根据权利要求1所述的测量缸筒涡流的分离型轴针式叶片风速仪，其特征是所述可调轴针座(3)通过其外螺纹与固定在轴针座支架(2)上面的细支撑杆(7)的中部连接，可调轴针座(3)的中心镶有硬质材料的衬套，衬套端面中心处设有锥形盲孔。

3、根据权利要求1所述的测量缸筒涡流的分离型轴针式叶片风速仪，其特征是所述针形旋转轴(4)上的叶片(5)设置在针形旋转轴(4)的中间，至少有一对叶片(5)对称安装。

4、根据权利要求1所述的测量缸筒涡流的分离型轴针式叶片风速仪，其特征是所述针形旋转轴(4)上的叶片(5)的形状为仿锤形叶片。

5、根据权利要求1所述的测量缸筒涡流的分离型轴针式叶片风速仪，其特征是所述风速仪体(1)上开设有多个通孔(10)。

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