CN1731191A - 一种叶轮机械内部流场测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种叶轮机械内部流场测量方法，不需要改变现有SPIV系统，只需要按照附图的方式布置激光片光和CCD相机，然后根据叶轮机的特点进行专门的标定和三维速度场合成，其特点在于：不需要复杂的导光筒，所有的测量设备都在机匣视窗之外，激光片光穿过机匣视窗直接照亮被测量截面，2套CCD相机分别置于激光片光的两侧，可以对机匣近壁区进行测量，采用本发明提出的三维速度合成方法能够获得高的空间分辨率和大的合成区域。本发明解决了叶轮机械内部垂直于主流的各种流向涡和二次流瞬态场测量难题的方案，避免了导光筒对流场的干扰，实现了真正意义上的非接触式测量，不但可以用于单级压气机，而且适用于多级压气机，既可测量转子内非定常流场，又可测量静子内复杂流动。
Description
技术领域
本发明涉及一种叶轮机械内复杂流动的问题的测量方法，主要用于解决粒子图像测速技术SPIV应用于单/多级叶轮机械内部各种流向涡和二次流的瞬态速度场的测量问题。
背景技术
我国从国外购置了大量的粒子图像测速设备SPIV设备，其中有相当多套在叶轮机械研究领域，目前国内外的测量方法如图1所示，即需要精密复杂的导光筒将激光引入流场内部，形成片光，照亮的测量截面是平行于叶轮机械轴线方向的，2个CCD相机自然都安排在激光片光的同一侧。这种常规测量方法存在几方面的明显缺陷：不能测量垂直于主流截面流场的瞬态结构，由于叶片遮挡只能测量非常有限的区域，更难以测量多级叶轮机械内部流场，导光筒会干扰被测流场。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种利用SPIV技术测量出叶轮机械内部垂直于主流的流向涡和二次流等瞬态速度场，而且能够测量多级叶轮机械转子/静子各排叶片内部的流场的测量方法。
本发明的技术解决方案是：一种叶轮机械内部流场测量方法，其特点在于包括下列步骤：
(1)测量前首先对SPIV系统采用透明标定物进行标定，得到标定数据，原则上每个测量位置都要进行标定；
(2)将2套CCD相机分别置于激光片光的两侧，激光片光穿过机匣视窗直接照亮被测量截面，测量与主流基本垂直的截面内的瞬态速度场，测量的方法和步骤与常规SPIV测量完全一致；
(3)根据2个CCD标定图像确定其最大重合区域，然后根据CCD原始粒子图像分析中确定的查问域大小，对2个CCD的最大重合区域进行离散，得到各个节点上的标定梯度数据，以及各个节点上2个CCD的直接测量结果；
(4)根据上述测量结果，采用三维速度合成方法，合成出最终的三维速度场，其结果具有与分析CCD原始图像时完全相同的空间分辨率，合成的区域一定包括了2个CCD所有的共同视场。
上述的2套CCD相机和形成激光片光的透镜组都安装在同一平台上，该平台固定在一套四自由度的位移机构上，以便对不同截面进行测量，2套CCD与激光片光之间的夹角基本相等。
上述的透明标定物由固定边框、透明标定板和精密位移机构组成，透明标定板靠近机匣视窗的一侧要做成弧形的，与机匣视窗一致，其它三边是固定边框，最下面的固定边框通过螺钉安装在精密位移机构上。
本发明由于激光片光是穿过机匣视窗直接照亮被测量截面的，被测量叶片的前后排叶片自然就不会遮挡住激光片光，同时2个CCD也是透过机匣视窗观测被测量截面的，同样被测量叶片的前后排叶片一般不会遮挡住CCD的视场，因此本发明可以用于多级叶轮机械中任意一排叶片内部流场的测量。由于测量截面基本与主流垂直，而叶轮机械中垂直于主流的流向涡和二次流等的瞬态结构只有从基本垂直于主流的截面上去测量，才能观测到，从常规测量方法中的基本平行于主流方向的截面是观测不到的，所以只有本发明方法可以测量出垂直于主流的流向涡和二次流等的瞬态结构。
本发明与现有的叶轮机械SPIV常规测量方法相比优点在于：本发明是唯一能够解决叶轮机械内部垂直于主流的各种流向涡和二次流瞬态场测量难题的方案，它不需要导光筒，简化了结构，避免了导光筒对流场的干扰，实现了真正意义上的非接触式测量，不但可以用于单级压气机，而且适用于多级压气机，既可测量转子内非定常流场，又可测量静子内复杂流动。
附图说明
图1为叶轮机械SPIV测量常规方法示意图；
图2为本发明提出的叶轮机械SPIV测量方法示意图；
图3为透明标定物示意图；
图4为本发明的三维速度合成方法流程图；
图5为采用本发明测量的压气机转子内部流场结果。
具体实施方式
如图2所示，本发明实施不需要改变SPIV系统，只需要按照图2所示方式进行打光、重新布置CCD相机1、CCD相机2和形成激光片光的透镜组3即可，但是要根据叶轮机的特点进行专门的标定和三维速度场合成，测量过程和步骤与常规测量完全一致。
首先在测量之前，要采用如图3所示的透明标定物对SPIV系统进行标定，在标定过程中要将机匣视窗也带上，因此透明标定物靠近机匣视窗的一侧要做成弧形的，与机匣视窗一致；原则上各个不同的测量位置都要进行标定；标定的过程和步骤与常规标定也一样。
测量时安装标定时的位置关系将2套CCD相机和透镜组3都安装在同一平台上，该平台最好能固定在一套四自由度的位移机构上，以便对不同截面进行测量，一般情况下，2套CCD与激光片光之间的夹角基本相等，安装完毕后，即可按照常规SPIV测量的方法和步骤进行测量；本发明方法采用的是激光片光穿过机匣视窗直接照亮被测量截面的打光方式，被测量叶片的前后排叶片一般不会遮挡住片光；同时2个CCD也是透过机匣视窗观测被测量截面的，同样被测量叶片的前后排叶片一般也不会遮挡住CCD的视场，因此与常规方法由于叶片遮挡无法用于多级叶轮机械内部流场测量相比，本发明可以用于多级叶轮机械中任意一排叶片内部流场的测量。此外，由于本发明的测量截面基本与主流垂直，而叶轮机械中垂直于主流的流向涡和二次流等的瞬态结构只有从基本垂直于主流的截面上去测量，才能观测到，从常规测量方法中的基本平行于主流方向的截面是观测不到的，所以采用本发明就可以测量出垂直于主流的流向涡和二次流等的瞬态结构。
测量完成后利用SPIV的数据处理软件就可以得到2个CCD分别测量出的2个二维速度场，然后利用事先的标定数据，利用SPIV的后处理软件就可以合成出三维速度场，这些三维速度场就是所测量截面的测量结果。SPIV后处理软件合成三维速度场的方法会导致测量空间分辨率降低，此外合成区域也比实际观测区域小，本发明提出了新的合成方法。
如图4所示，本发明提出的三维速度合成方法如下，首先根据2个CCD标定图像确定其最大重合区域，由于标定物上各个标定点是对应的，所以根据2个CCD的标定图像，逐一检查标定点是否对应/匹配，就可以确定出两个CCD视场的最大重合区域；利用SPIV系统的分析软件，根据确定的查问域大小，可以方便地确定出2个CCD观测的原始粒子图像中各个节点的粒子位移；根据查问域的大小，可以对2个CCD的最大重合区域内的标定结果进行离散，得到各个节点上的标定梯度数据，同时对2个CCD的粒子位移测量结果进行插值，得到各个节点上的2个CCD测量位移大小，这样就可以按照SPIV三维速度合成方法，合成出最终的三维速度场，其结果具有与分析CCD原始图像时完全相同的空间分辨率，合成的区域一定包括了2个CCD所有的共同视场。
图5是本发明测量出的低速大尺寸压气机转子内距离叶片前缘40％弦长处的瞬态速度场，由于测量结果包括了速度的三个分量，图5给出的是其中垂直于该测量截面的速度分量。
Claims (5)
1、一种叶轮机械内部流场测量方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)测量前首先对SPIV系统采用透明标定物进行标定，得到标定数据；
(2)将2套CCD相机分别置于激光片光的两侧，激光片光穿过机匣视窗直接照亮被测量截面，测量与主流基本垂直的片光所在截面内的瞬态速度场，并得到2个CCD测量的二维速度场；
(3)根据2个CCD标定图像确定其最大重合区域，然后根据CCD原始粒子图像分析中确定的查问域大小，对2个CCD的最大重合区域进行离散，得到各个节点上的标定数据，以及各个节点上2个CCD的直接测量结果；
(4)根据最终确定的最大重合区域内各个节点上的上述标定数据和二维速度测量结果，合成出最终的三维速度场。
2、根据权利要求1所述的叶轮机械测量方法，其特征在于：所述的2套CCD相机和形成激光片光的透镜组都安装在机匣视窗外的同一平台上，该平台固定在一套四自由度的位移机构上，以便对不同截面进行测量，2套CCD与激光片光之间的夹角基本相等。
3、根据权利要求1所述的叶轮机械测量方法，其特征在于：所述的透明标定物由固定边框、透明标定板和精密位移机构组成，透明标定板靠近机匣视窗的一侧要做成弧形的，与机匣视窗一致，其它三边是固定边框，最下面的固定边框通过螺钉安装在精密位移机构上。
4、根据权利要求1所述的叶轮机械测量方法，其特征在于：在三维速度合成过程中，是通过逐一检查标定物上每一个标定点是否同时出现在2个CCD视场中，来确定2个CCD最大的重合区域；并根据原始图像分析中最终采用的查问域大小来确定合成的三维速度场的空间分辨率。
5、根据权利要求1所述的叶轮机械测量方法，其特征在于：所述的激光片光穿过机匣视窗直接照亮被测量截面，其片光在不影响测量结果分析的前提下，要近可能垂直于叶片表面。
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