CN1389734A - 确定旋桨流速仪桨叶水力螺距k值的方法及其设备 - Google Patents

Abstract

确定旋桨流速仪桨叶水力螺距K值的方法:旋桨流速仪桨叶与主机分开,单独用机械手段测量桨叶机械螺距H,抽样的桨叶模型用直线明槽设备和方法在静水条件下检定K值,建立K=f(H)关系式,据此,在大批生产中,由测量H值计算K值。以上方法使用的设备:设有主动轴、输出轴、螺纹丝杆和变速传动机构,主动轴通过变速传动机构分别驱动安装被测桨叶的输出轴和与螺纹丝杆,使被测桨叶沿着标准机械螺距轨迹运行,用差值法和三角原理求得H值。本发明取代传统的设备和方法,建立旋桨流速仪生产和检修新模式。①检定质量可靠;②效率高;③人员少;④检测设备简单,经济;⑤设备检修容易;⑥节省检定费;⑦标准系数。⑧常规检定监测辅助设备。

Description

确定旋桨流速仪桨叶水力螺距K值的方法及其设备

技术领域

本发明涉及一种确定旋桨流速仪桨叶水力螺距K值的方法及其设备，尤其涉及对江河水文测验中大量使用的通用型塑料桨叶旋桨流速仪的桨叶水力螺距进行测量的方法和这种方法所使用的设备。

背景技术

桨叶作为旋桨流速仪测量水流速度的传感元件，其水力螺距K值的确定通常是和流速仪主机配套成一完整的仪器，以整机的方式，用水力学实验的方法，通过间接测量的手段对桨叶运动参数进行测量，根据测量的一系列实验数据，用数据处理求解桨叶运动方程。流速仪检定方法及其检测设备，目前世界各国都是遵照国际标准《ISO3455明渠水流测量——直线明槽中转子式流速仪的检定》规定的指导性原则，制定本国的检定规程。我国现行检定标准是水利部标准《SL/T150-95直线明槽中转子式流速仪的检定方法》。直线明槽检定流速仪的原理是，基于物体相对运动的理论，即把在江河中运动的水流假设为直线明槽中静止的水体，而测流时固定在水中测杆上静止的流速仪，则把它安装在检定车的测杆上，固定于水中，与静止水体作相对运动，从而在理论上可获得一个相对的直线运动速度V，并认为检定车直线运行速度V′就是作用在流速仪桨叶上的水流速度V，以此作为仪表静态检定时恒稳不变的标准速度输入量。流速仪检定时，根据SL/T150-95标准规定的测点数N和速度级V_i的排列，检定车携带流速仪运行。测量车速V_i和流速仪桨叶的转速n_i，从而得到一系列实验点N_i(V_i，n_i)，通过对N个实验点数据处理，可得旋桨流速仪运动方程：

            V＝Kn+C                  (1)

式(1)中在求得桨叶水力螺距K值的同时，又另获得一个附加常数项C，这是由于流速仪内部传动机构存在着摩阻，桨叶在运动过程中必需从水流那里获得一定的能量来加以克服。它与流速仪内摩阻大小，和桨叶结构、尺寸、正投影面积及其水动力学特性等有关。对于定型、大批量生产的流速仪，仪器内部传动机构、轴承等零部件，以及桨叶结构、尺寸等都是确定的，在当今的仪表制造业，工艺与设备都可确保其所需的加工精度，因此，C值可视为一稳定的常数，其量值甚小，约为K值的3％，在本案例中根据某旋桨流速仪多年来大量的检定资料，通过统计求得平均值作为标准常数，不影响K值的确定。直线明槽检定法存在的缺陷：1、波浪影响使检定成果存在误检：检定中，在流速仪频频地与静水作相对运动的同时，激起波浪，引起伴流，并产生流速增量±ΔV，它反过来又作用到仪器上，影响桨叶正常运转，产生检定误差，并由此导致检定成果的误检。2、重复性检定误差：在同一检定设备上，相同的检定工作时段内，由同一检定、计算班组人员操作、计算，和在同一检定规程下，即检定中静水条件相同，对同一架仪器连续、重复检定多次，检定结果，桨叶水力螺距K值均不同。如上述一级精度的全国标准大水槽实验检定成果：重复性检定误差绝对值平均为±0.19％，最大为0.67％。3、不同检定水槽之间检定成果偏差：全国共有15座检定槽，各水槽的特性均不完全相同，对同一架标准仪器进行检定，检定成果最大可达1.39％。4、槽壁效应误差。直线明槽的槽壁效应使转子流速仪转子转速减慢，当水槽断面宽度为3～5m时，偏差为-0.4％～-0.2％。5、检定工作效率低：为减少和限制流速增量±ΔV的影响，SL/T150-95标准规定：在每个流速级V_i行车检定之前，应有适当的静水时间t_i，当V＝0.5、2、3m/s时，t分别为10、15、25min，在低速检定前还需要有12小时以上的静水时间；为减少增量±ΔV影响而产生的随机误差，测点数目应不少于20个。因此，流速仪生产检定的工作效率低。6、操作程序繁杂：仪器检定运作程序：仪器从装配车间运转至检定水槽、分组编号、安装仪器、下水校准仪器方向并固定、按规定的测点行车检定，检定结束后，仪器提上岸、拆卸仪器、擦干水份、拆洗仪器内部零件、重新加油、运回装配车间等。运作程序十分复杂，劳动强度大，特别是高速行车检定时，工作者精神紧张；对检定中的数据检测、计算程序也相当复杂，工序长；工作人员多。7、检定设备投资大，运营费用高：直线明槽检定设备包括：直线明渠长水槽及其相应配套的厂房基建部分；检定车及其运行轨道部分；检定车运行速度控制系统；检测数据的采集及其处理系统；水、电供应系统；检测设备维修工作间(包括配套的工作人员)。总投资大，日常运营及其维护费用高。8、仪器检修周期长：水文测站地处偏远，交通不便，检修仪器需经长途往返辗转运输，而检修好的仪器在途中时有损坏情况，需要重新送检，整个检修过程殊不方便，周期很长。

发明内容

本发明的目的是，提供一种新的检测方法以及这种方法所使用的设备，以取代传统的直线明槽检定设备和检定方法，以便从根本上克服上述传统槽检法存在的缺陷，建立旋桨流速仪生产、使用和检修新模式。使用本申请的方法和设备，仪器的生产厂家可用现代化生产方式高效地进行大批量生产；使用单位可简便、快捷地在水文测站现场及时检修仪器，确定系数。使用本申请的设备，应使检定方法变得十分简单，且易实现重复性检定，从而可避免误检，提高仪器检定精度。本发明所提供的设备结构简单，投资小，操作简捷，数据处理方便，工效高，重复性好，检定成果可靠，检定费用低。

为达到上述目的，本发明实施的技术路线是：确定旋桨流速仪桨叶水力螺距K值的方法，其特征是：旋桨流速仪桨叶与主机分开，单独用机械手段测量桨叶机械螺距H，抽样的桨叶模型用直线明槽设备和方法在静水条件下检定K值，建立K＝f(H)关系式，据此，在大批生产中，由测量H值计算K值。制成具有K值的标准桨叶，再随机和其它旋桨流速仪主机配套工作。按此方法制成的标准桨叶，可与大量生产的仪器，或检修的仪器组合，仪器均不需下水检定。以下是本发明技术路线的理论基础及实施时计算公式的推导。据本专利发明人杨汉塘撰写的论文《流速仪转子静态特性》推导的旋桨流速仪桨叶运动方程为： $\frac{V}{n}=[\frac{C_y}{(C_y-C_x){\mathrm{tg}}^2\mathrm{\α}}+\frac{C_x}{C_y-C_x}]\mathrm{\πDtg\α}---\left(2\right)$ 式中    V——水流速度；

    n——桨叶转速；

    C_x、C_y——桨叶阻力系数；

    α——桨叶螺旋角；

    D——桨叶回转直径。

令式(2)右边方括号为桨叶阻力系数B；πDtgα为桨叶机械螺距H，于是有：

            V＝BHn                   (3)令：            BH＝K                    (4)则：            V＝Kn                    (5)

式(5)是桨叶在假设没有内摩阻情况下推导出来的运动方程式，它与式(1)的差别仅是末反映出表达仪器内摩阻这一附加常数项C。据流体力学相似原理，对抽样的桨叶模型进行实验，建立起桨叶水力螺距K和机械螺距H之间的函数关系：K＝f(H)，大批量生产中，只要测得桨叶的机械螺距H，便可计算出其相应的水力螺距K。测量桨叶机械螺距H的方法包括以下步骤：

1)确定桨叶测量半径R位置：

            R＝0.6R₀               (6)

2)确定测量桨叶R处螺旋线T长： $T=\frac{S}{\cos \mathrm{\α}}---\left(7\right)$

3)确定桨叶R处用作测量基准的螺旋角β：

4)在设备运行时，螺旋线T的测量，是用其在轴向的投影S表示，S数值为： $S=\frac{T}{\sin \mathrm{\β}}=44.8\mathrm{mm}---\left(9\right)$

5)读取千分表26在T终点处示数Z，Z值即为桨叶机械螺距H特征值，

6)计算α与β之间的差值角γ： $\mathrm{\γ}=\mathrm{arctg}\left(\frac{Z}{T}\right)---\left(10\right)$

7)计算被测桨叶R处螺旋角α：

              α＝β-γ                 (11)

8)计算被测桨叶机械螺距H：

              H＝2πRtg α              (12)

9)把式(10)、(11)代入式(12)，得： $H=2\mathrm{\πRtg}[\mathrm{\β}-\mathrm{arctg}\left(\frac{Z}{T}\right)]---\left(13\right)$

10)对被测桨叶抽样，

11)抽样的桨叶模型通过直线明槽检定，得相应的桨叶水力螺距K_i。

12)据式(4)计算桨叶阻力系数B： $B=\frac{K}{H}---\left(14\right)$

13)用特征值Z代替H，通过数据处理求得截距B₀和斜率Q： $Q=\frac{B_{\max }-B_0}{Z_{\max }-Z_0}---\left(15\right)$ 于是B-H关系式为：

             B＝B₀+QZ                  (16)

14)把式(13)、(16)代入式(4)，则K为： $K=(B_0+\mathrm{QZ})2\mathrm{\πRtg}[\mathrm{\β}-\mathrm{arctg}\left(\frac{Z}{T}\right)]---\left(17\right)$

15)令：            a＝2πRB₀；b＝2πRQ

则旋桨流速仪桨叶水力螺距K值通式为： $K=(a+\mathrm{bZ})\mathrm{tg}[\mathrm{\β}-\mathrm{arctg}\left(\frac{Z}{T}\right)]---\left(18\right)$

16)把B₀、Q、R、B、T代入式(17)，得：

上述方法的优化方案是采用本申请提供的下述设备进行测定，使用该设备时所增加的步骤将在对设备进行说明后再叙述。为测量上述桨叶机械螺距H，本发明提供桨叶机械螺距测量设备结构如下：设有主动轴、输出轴、螺纹丝杆和变速传动机构。主动轴通过变速传动机构同时分别驱动安装被测桨叶的输出轴和与固定在基座上螺母配偶的螺纹丝杆，使被测桨叶测点沿螺旋线轨迹运行。其优化方案有：1、在测量设备基座上安装有千分表，其测头正对被测桨叶半径R上的测点。2、被测桨叶的测点位置，设有轴向、径向和高度三向定位装置。其工作原理是采用差值法：使被测桨叶按基准角β的螺旋轨迹运行，用千分表测量桨叶螺旋角α与基准角β之间差值γ角的特征值Z，据三角学关系可求得桨叶机械螺距H。因桨叶机械螺距沿半径R为一常数，故只需测量具有代表性R处一条螺旋线即可。为测量上述桨叶R处的螺旋角α，按基准角差值法原理设计的机械螺距测量设备，被测桨叶安装在输出轴上，在主动轴驱动下，按预定的螺旋线T轨迹运行，其运行参数为机械螺距H，取桨叶机械螺距设计上限H₀作为测量的基准值，测量半径R处相应的螺旋角基准值为β，测量时，将测得的螺旋角α与其基准值β进行比较，可得比较结果的差值角γ，进而求得α。为测量差值角γ，被测桨叶安装在输出轴上，固定在机座上的千分表，其测头安装在被测桨叶半径R测点上，在主动轴驱动下，被测桨叶和输出轴同步运行，千分表测头即沿着预定的螺旋线T运行，终点处读数Z便是差值角γ对边的垂距，据三角学理论，由Z、T可求得γ。桨叶螺旋线T其长度的测量是，将T投影在输出轴的轴线上，根据输出轴也即桨叶轴向移动距离S，和螺旋线T的螺旋角α来确定T值，其计算公式为： $T=\frac{S}{\cos \mathrm{\α}}---\left(7\right)$

为方便计算，在实际操作时，把T作为常数，因此，只要求得α角，便可计算出S。S值可在主动轴上刻度盘15的码格读数。T的起点，也即被测桨叶测量零点位置，由输出轴的轴向坐标S、桨叶半径R和铅直高程Y三个方向确定。由于上述在进行桨叶模型阻力系数实验时，其抽样的数量比大批量生产的仪器要少得多，这样就有足够的静水时间，保证仪器检定质量，充分发挥直线明槽检定设备的作用。之后大量桨叶机械螺距H值的测量，仅用本发明提供的设备，在静态条件下进行。采用本设备时，检定方法增加以下步骤：

1)被测桨叶安装在输出轴上，并使轴向和角方位置零，

2)千分表的测头安装在被测桨叶半径R测点上，并调零位，

3)测量系统轴向置零位，

4)按顺时针方向旋转主动轴，被测桨叶往后作直线移动的同时，按顺时针方向旋转一角度，其运动的合成即为桨叶R处剖面螺旋线T，

5)千分表测头沿着螺旋线T运行，终点处读数Z便是被测桨叶机械螺距特征值，

6)由Z值计算出被测桨叶螺旋角与基准角β的差值角γ后，即可求得其螺旋角α和机械螺距H。

以上方法中，确定H值的优化方案包括以下步骤：

1)确定桨叶测量半径R位置，

2)确定测量桨叶R处螺旋线T长，

3)确定桨叶R处用作测量基准的螺旋角β： $\mathrm{\β}=\mathrm{arctg}\left[\frac{H_0}{2\mathrm{\πR}}\right]---\left(8\right)$

4)在设备运行时，螺旋线T的测量，是用其在轴向的投影S表示，S数值为： $S=\frac{T}{\sin \mathrm{\β}}---\left(9\right)$

5)读取T终点处千分表读数Z，Z值即为桨叶机械螺距H特征值，

6)计算α与β之间的差值角γ： $\mathrm{\γ}=\mathrm{arctg}\left[\frac{Z}{T}\right]---\left(10\right)$

7)计算被测桨叶R处螺旋角α：

                      α＝β-γ               (11)

8)计算被测桨叶机械螺距H：

                      H＝2πRtgα             (12)

把式(10)、(11)代入式(12)，得桨叶几何螺距H： $H=2\mathrm{\πRtg}[\mathrm{\β}-\mathrm{arctg}\left(\frac{Z}{T}\right)]---\left(13\right)$

以上方法中，确定桨叶水力螺距K值的优化方案如下：

1)对抽样的桨叶模型在直线明槽中检定K值，

2)据式(4)计算桨叶阻力系数B： $B=\frac{K}{H}---\left(14\right)$

3)通过数据处理，确定B与Z关系参数及其函数式： $Q=\frac{B_{\max }-B_0}{Z_{\max }-Z_0}---\left(15\right)$

                         B＝B₀+QZ          (16)

4)把式(13)、(16)代入式(4)，得旋桨流速仪桨叶水力螺距K值计算通式： $K=(B_0+\mathrm{QZ})2\mathrm{\πRtg}[\mathrm{\β}-\mathrm{arctg}\left(\frac{Z}{T}\right)]---\left(17\right)$

5)令：       a＝2πRB₀；  b＝2πRQ则： $K=(a+\mathrm{bZ})\mathrm{tg}[\mathrm{\β}-\mathrm{arctg}\left(\frac{Z}{T}\right)]---\left(18\right)$

6)把B₀、Q、R、β、T代入式(17)，得：

本发明方法中的数据处理是采用简捷、直观的图解法，当然也可采用最小二乘法等其它的数据处理方法；本发明设备中对桨叶测点半径R位置、测线数目、桨叶机械螺距H基准值限位方向的选择也可作适当的改变；桨叶机械螺距测量设备的变速传动机构结构、传动比、传动方式；测量桨叶螺旋角α的方式、方法，或采用三维方法测量，所有这些改变都在本发明的构思和技术方案的范畴，故都属于本发明的保护范围。

本发明有益效果有：①检定质量可靠：本发明的方法和设备检测则不受检测环境条件的影响和时间的限制，且重复测量工作容易，检定质量保证率高。②工作效率：直线明槽检定一架仪器所需时间为2小时，资料计算时间为0.5小时；本发明检定为5分钟，为传统方法的24分之一，计算时间为1分钟为传统方法的30分之一。③工作人员少：本发明的方法和设备全部工作只需1人，为传统方法的八分之一，且工作轻松自如。④检测设备简单，经济：本发明的检测设备全套重量小于10公斤，底座面积约0.2m×0.3m，在任何办公室都可工作，手工操作，无需用电源，使用场地机动性大，造价约1万元人民币。⑤设备维护、检修容易：本发明的检测设备结构简单，制造精良，强度好，在正常工作情况下无需检修。⑥节省检定费：直线明槽检定流速仪每架费用100元，本发明检定费10元。⑦标准系数：本发明的检测设备其操作程序简单，操作和计算方法容易，不存在影响检定质量的其它因素，重复验证检定成果的步骤十分快捷，因此，可保证检定质量，并将以最低的代价制得标准桨叶。流速仪桨叶的标准化对生产、检修、使用和管理都将带来很大的经济效益和社会效益。⑧监测辅助设备：在大批生产中，本发明测量设备可作为桨叶K值的筛选、分类和检定质量监测辅助设备。验证：①桨叶分开检定，确定水力螺距K₀值的标准桨叶，再和流速仪主机组合，其K₀值不变的运作模式。把标准桨叶与其它仪器主机随机组装后，重新检定的K值与其原先确定的K₀值是一致的，其偏差绝对值平均为±0.17％，与上述仪器重复性检定误差±0.19％相当，与企业标准规定的误差±1.2％比较，完全可忽略不计。由此证明，本发明实施技术路线中桨叶分开检定，和组合使用的运作模式是可行的。②用机械螺距测量设备测量桨叶机械螺距H，推算桨叶水力螺距K的方法。经验证，K值偏差绝对值平均为0.43％，与国标规定的误差1.8％比较，可略。从而证明用测定H值求K值是可行的。

附图说明

图1是本发明桨叶机械螺距计算原理分析图；

图2是本发明桨叶机械螺距测量设备结构示意图；

图3是本发明桨叶安装轴向定位图；

图4是本发明桨叶安装角度定位图。

具体实施方式

实施例1，参照图1：图中所示的桨叶机械螺距计算原理分析图，是图3.4中桨叶测量半径R处的螺旋线展开图。下面为某常用的塑料桨叶旋桨流速仪产品，在大批量生产中抽检244架仪器作为非限定性实施例：已知该旋桨流速仪桨叶回转半径R＝59.8mm，桨叶机械螺距上限H₀＝250mm。图2是桨叶机械螺距测量设备组成部件和零件：变速传动机构——主动轴1，主动齿轮甲2，主动齿轮乙3，从动齿轮甲4，从动齿轮乙5，输出齿轮6，后级齿轮7，螺纹丝杆8，螺母9，螺母固定块10，从动齿轮轴11′，从动轴12，轴承13；操纵装置——把手14，刻度盘15，读数指针盘16，滚花制动螺钉17；直线移动机构——机箱18，直线导轨19，机座20，轴向限位块21；桨叶安装设备——输出轴11，并帽22，角定位块23；测量装置——见图4：支柱24，横梁25，千分表26。机箱18的底面部分与螺纹丝杆8的前、后轴承13相平行的两个侧面，各与其底面构成一凸出的八字形滑块18′，见图4，两边滑块18′安放在机座20上，并用可调的直线导轨19定位、固定，机箱18、导轨19和机座20均用具有良好的耐磨性和高强度的材料制成，且其滑动的工作表面粗糙度均达到Ra0.8μm以上，当测量设备运行时，这部分的工作表面与球轴承13一样略加一些滑润油，则机箱18在导轨19中，可轻松而稳定地作直线平移运动；螺纹丝杆8两端轴颈分别安装在机箱18上的前、后轴承13中，在靠后轴承13的光杆上装有后级齿轮7，螺母9装配在螺纹丝杆8上，用螺母固定块10固定在机座20上；变速、传动机构各传动轴，其轴线均与螺纹丝杆8平行，其前、后轴颈均安装在机箱18前、后墙上的轴承13中；主动轴1的位置被布设在前、后级变速齿轮的中间，在机箱18后墙中部，主动轴1有一段光轴伸出，并与带有把手14的刻度盘15联结，用以操纵其前、后级齿轮运行，输出轴1轴向运行距离S，由刻度盘15上的读数指针盘16指针指示，当转动把手14时，主动轴1上的两个齿轮同时分别传动其前、后齿轮运转：前级传动为，主动齿轮甲2/从动齿轮乙5，前一级变速的速比为i₁，和从动轮甲4/输出齿轮6，前二级变速的速比为i₂；与此同时，后级传动为，主动齿轮乙3/后级齿轮7，后一级变速的速比为i₃。主动轴1转速为ω₁，输出轴11转速为ω₂，螺纹丝杆8转速为ω₃，按照各齿轮齿数可计算出它们之间传动比关系：

            ω₃＝i₃×ω₁                   (20)

            ω₁＝i₁×i₂×ω₂               (21)

            ω₃＝i₁×i₂×i₃×ω₂           (22)

当输出轴11  ω₂＝1转，桨叶机械螺距H等于基准值H₀时，计算当主动轴1为一转时，输出轴11的轴位移S： $S=\frac{H_0}{i_1\×i_2}---\left(23\right)$ 计算螺纹丝杆(8)螺距t： $t=\frac{S}{i_3}---\left(24\right)$

把本实施例桨叶机械螺距基准值H₀，和机械螺距测量设备上各齿轮齿数代入式(24)、(23)计算： $t=\frac{10}{2}=5\mathrm{mm}$ $S=\frac{250}{5\×5}=10\mathrm{mm}$

刻度盘15直径为Φ63.66mm，周长为200mm，当主动轴11转一圈其轴向位移S＝10mm时，刻度盘15码格按十进制刻度：S＝1mm、0.1mm，其圆周上分度值间隔分别为20mm、2mm，分度值十分清晰，易读。根据上述结构设计，输出轴11在主动轴1操纵下便可按预定的螺旋线轨迹运行，为保证测量的准确度，输出轴11和从动齿轮轴11′是设计成一根轴，之间的同心度为0.01mm，与桨叶柱孔配套的输出轴11外圆制造公差带为-0.01～-0.03mm，表面粗糙度为Ra1.6μm。图3为被测桨叶安装轴向定位示意图，输出轴11与从动齿轮轴11′之间有一台阶，作为安装被测桨叶的轴向定位面，在从动齿轮轴11′的轴上装有并帽22，用以固定被测桨叶。图4为被测桨叶安装角度定位示意图，在桨叶前缘右下方有一个桨叶安装角定位块，调整其高度，使得桨叶外侧叶片高度正好处于输出轴11的轴中心位置。安装千分表26的支柱24固定在机座20上，其上的横梁25有一弹性孔，千分表26的柱体部分安装在孔中，可调整其工作高度，千分表26的测头正对被测桨叶测点，其水平面坐标按输出轴11轴向计：径向为R±0.1mm；轴向为距桨叶后缘E＝2±0.1mm。为消除传动齿轮啮合间隙，在每次测量轴位移S前的零位设置时，应按反时针方向摇动把手14，使机箱20碰到前面轴向定位块21后，再按相反的方向顺时针转动，使刻度盘15指示零位，用滚花制动螺钉17把主动轴1锁定，这样才能安装被测桨叶，进行测量工作。桨叶机械螺距测量设备传动机构传动齿轮的主动齿轮甲2、主动齿轮乙3、从动齿轮甲4、从动齿轮乙5、输出齿轮6和后级齿轮7，其齿数分别为：20、100、20、100、100、50。使用本设备的工作步骤如下：

1)确定桨叶测量半径R位置，

              R＝0.6R₀＝35.5mm             (6)

2)确定测量桨叶R处螺旋线T长， $T=\frac{S}{\cos \mathrm{\α}}=60\mathrm{mm}---\left(7\right)$

3)确定桨叶R处用作测量基准的螺旋角β：

4)在设备运行时，螺旋线T的测量，是用其在轴向的投影S表示，S数值为： $S=\frac{T}{\sin \mathrm{\β}}=44.8\mathrm{mm}---\left(9\right)$

5)读取千分表26在T终点处示数Z，Z值即为桨叶机械螺距H特征值，

6)计算α与β之间的差值角γ： $\mathrm{\γ}=\mathrm{arctg}\left(\frac{Z}{T}\right)---\left(10\right)$

7)计算被测桨叶R处螺旋角α：

                  α＝β-γ                   (11)

8)计算被测桨叶机械螺距H：

                  H＝2πRtgα                 (12)

把式(10)、(11)代入式(12)，得： $H=2\mathrm{\πRtg}[\mathrm{\β}-\mathrm{arctg}\left(\frac{Z}{T}\right)]---\left(13\right)$

9)把实验的244件桨叶测得的桨叶机械螺距特征值Z_i代入式(13)，计算出一系列桨叶机械螺距H_i，并按数值从小到大排队。

10)抽样：从小到大均布抽样，数量为100件作为模型，其余144件作为实验的可行性论证。

11)检定：将抽样的全部桨叶模型分别安装在旋桨流速仪主机上，在直线明槽中按《SL/T150-95直线明槽中转子式流速仪的检定方法》规定的程序进行检定，得一系列桨叶水力螺距K_i。

12)据式(4)计算桨叶阻力系数B： $B=\frac{K}{H}---\left(14\right)$

13)把上述K_i、H_i代入式(14)，计算出一系列B_i，为测量和数据处理上的方便，在建立B和H关系时，用桨叶机械螺距H的特征值Z代替H。采用图解法求解B～Z关系。以纵坐标为B，横坐标为Z，把上述计算的数据(B_i、Z_i)分别点绘在方格计算纸上，通过点群中间画一直线，直线交于纵坐标B₀，B₀为直线方程式截距，其相应的横坐标为Z₀，直线方程式斜率Q为： $Q=\frac{B_{\max }-B_0}{Z_{\max }-Z_0}---\left(15\right)$ 式中(B_max，Z_max)为图中最大的测点，于是拟合的桨叶阻力系数B的方程式为：

                 B＝B₀+QZ               (16)

14)从图上求得：B_max＝1.055，Z_max＝3.36mm，B₀＝1.020，Z₀＝0.00mm，代入式(15)，得Q＝0.01042，于是，阻力系数B与桨叶几何螺距特征值Z的计算式为：

                 B＝1.020+0.01042Z

15)把式(13)、(16)代入式(4)，得K： $K=(B_0+\mathrm{QZ})2\mathrm{\πRtg}[\mathrm{\β}-\mathrm{arctg}\left(\frac{Z}{T}\right)]---\left(17\right)$ 令：

                a＝2πRB₀；b＝2πRQ则桨叶水力螺距计算通式： $K=(a+\mathrm{bZ})\mathrm{tg}[\mathrm{\β}-\mathrm{arctg}\left(\frac{Z}{T}\right)]---\left(18\right)$

16)把B₀、Q、R、β、T代入式(18)，得：

17)把上述实测的桨叶机械螺距H的特征值Z代入式(20)，计算桨叶水力螺距K_i，再把计算的水力螺距K_i分别与由直线明槽检定的K_0i进行比较，计算K_i相对偏差ΔK/K₀。

测量桨叶机械螺距特征值Z的步骤也可以按如下步骤叙述：

1)测量系统轴向置零位。其步骤是，按逆时针方向摇转把手一圈，使机箱18往前作直线移动10mm，以碰及轴向限位块21为准，然后改变方向，按顺时针方向摇转把手14一圈，把刻度盘15码格对准零位，将滚花制动螺钉17拧紧，锁定主动轴1，使输出轴11轴向置零。

2)安装被测桨叶。其步骤是，把抽检的被测桨叶的桨柱孔套在输出轴11上，用并帽22螺丝拧进桨柱螺孔，转动被测桨叶右叶片，使叶片后缘搁置在角定位块23上，最后，将并帽22并紧。

3)千分表读数零位调整。其步骤是，将千分表26装在横梁25孔中，使其测头在测量半径R位置上，调整千分表26的测量高度，使示值为3mm，调整外表盘，使指针示值为零。

4)测量桨叶机械螺距特征值Z。其步骤是，按顺时针方向摇转把手14共N圈，N＝S/10＝4.48圈，使机箱18，也即被测桨叶往后作直线移动，距离为S，S＝T/sinβ＝60/sin48.26°＝44.8mm，在这同时，被测桨叶按顺时针方向旋转一角度Φ，Φ＝

×360°＝64.47°，千分表26测头沿着上述S和Φ运动的合成方向，即螺旋线T，从a至c，读取千分表读数，即为被测桨叶机械螺距特征值Z。

5)卸下桨叶。其步骤是，把并帽22的螺丝从被测桨叶的螺孔中拧出，卸下被测桨叶。

6)测量下一个被测桨叶。按上述1)至5)步骤进行。

Claims (7)

1、一种确定旋桨流速仪桨叶水力螺距K值的方法，其特征是：旋桨流速仪桨叶与主机分开，单独用机械手段测量桨叶机械螺距H，抽样的桨叶模型用直线明槽设备和方法在静水条件下检定K值，建立K＝f(H)关系式，据此，由测量H值计算K值。

2、按照权利要求1所述的确定旋桨流速仪桨叶水力螺距K值的方法，其特征是：测量桨叶机械螺距H包括以下步骤：

1)被测桨叶安装在输出轴上，并使轴向和角方位置零，

2)千分表的测头安装在被测桨叶半径R测点上，并调零位，

3)测量系统轴向置零位，

4)按顺时针方向旋转主动轴，被测桨叶往后作直线移动的同时，按顺时针方向旋转一角度，其运动的合成即为桨叶R处剖面螺旋线T，

5)千分表测头沿着螺旋线T运行，终点处读数Z便是被测桨叶机械螺距特征值，

6)由Z值计算出被测桨叶螺旋角与基准角β的差值角γ后，即可求得其螺旋角α和机械螺距H。

3、按照权利要求1或2所述的确定旋桨流速仪桨叶水力螺距K值的方法，其特征是：计算桨叶机械螺距H的程序如下：

1)确定桨叶测量半径R位置，

2)确定测量桨叶R处螺旋线T长，

3)确定桨叶R处用作测量基准的螺旋角β： $\mathrm{\β}=\mathrm{arctg}\left[\frac{H_0}{2\mathrm{\πR}}\right]---\left(8\right)$

4)在设备运行时，螺旋线T的测量，是用其在轴向的投影S表示，S数值为： $S=\frac{T}{\sin \mathrm{\β}}---\left(9\right)$

5)读取T终点处千分表读数Z，Z值即为桨叶机械螺距H特征值，

6)计算α与β之间的差值角γ： $\mathrm{\γ}=\mathrm{arctg}\left[\frac{Z}{T}\right]---\left(10\right)$

7)计算被测桨叶R处螺旋角α：

          a＝β-γ              (11)

8)计算被测桨叶机械螺距H：

          H＝2πRtgα           (12)

9)把式(10)、(11)代入式(12)，得桨叶几何螺距H： $H=2\mathrm{\πRtg}[\mathrm{\β}-\mathrm{arctg}\left(\frac{Z}{T}\right)]---\left(13\right)$

4、按照权利要求1所述的确定旋桨流速仪桨叶K的方法，其特征是：确定桨叶水力螺距K值的方法如下：

1)对抽样的桨叶模型在直线明槽中检定K值，

2)据式(4)计算桨叶阻力系数B： $B=\frac{K}{H}---\left(14\right)$

3)通过数据处理，确定B与Z关系式：

                     B＝B₀+QZ            (16)

4)把式(11)、(16)代入式(4)，得K： $K=(B_0+\mathrm{QZ})2\mathrm{\πRtg}[\mathrm{\β}-\mathrm{arctg}\left(\frac{Z}{T}\right)]---\left(17\right)$

5)令：     a＝2πRB₀；    b＝2πRQ

则：旋桨流速仪桨叶水力螺距K值计算通式为： $K=(a+\mathrm{bZ})\mathrm{tg}[\mathrm{\β}-\mathrm{arctg}\left(\frac{Z}{T}\right)]---\left(18\right)$

6)把B₀、Q、R、β、T代入式(17)，得实用公式：

5、一种确定旋桨流速仪桨叶水力螺距K值的设备，其特征是：设有主动轴、输出轴、螺纹丝杆和变速传动机构，主动轴通过变速传动机构同时分别驱动安装被测桨叶的输出轴和与固定在基座上螺母配偶的螺纹丝杆，使被测桨叶测点沿螺旋线轨迹运行。

6、按照权利要求5所述的确定旋桨流速仪桨叶水力螺距K值的设备，其特征是：在测量设备基座上安装有千分表，其测头正对被测桨叶半径R上的测点。

7、按照权利要求5或6所述的确定旋桨流速仪桨叶水力螺距K值的设备，其特征是：被测桨叶的测点位置，设有轴向、径向和高度三向定位装置。

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