高温高速旋转叶轮机械瞬态流场测试系统技术方案

本发明专利技术提供一种高温高速旋转叶轮机械瞬态流场测试系统，采用接触式测量，将用于采集瞬态内流场的传感器预埋在被试叶轮机械的叶片中，避免了传感器对内流场的扰动；同时，传感器的多重保护结构和填充方式解决了恶劣环境下传感器被冲击和破碎问题，也便于传感器的拆装。为能够采用接触式测量的方式对瞬态内流场进行测试，采用接触式测量，将用于采集瞬态内流场的传感器预埋在被试叶轮机械的叶片中，只露出接触测量面，对流场扰动小，也可以保证传感器的安全；同时试验测控单元中采用有线数采和无线数采的方式同步开展多物理量的测量，通过无线数采技术实现了旋转部件的传感器安装和导线固定，也达到了内部复杂流场的数据采集的目的。的目的。的目的。

【技术实现步骤摘要】
高温高速旋转叶轮机械瞬态流场测试系统


[0001]本专利技术涉及一种瞬态流场测试系统，具体涉及一种高温高速旋转叶轮机械瞬态流场测试系统，属于试验测试装置和试验测试


技术介绍

[0002]对旋转流体机械内部流动的测量手段主要有光学和非光学两种测量技术，非光学测量技术主要包括探针和热线/热膜技术，光学测量技术主要包括激光多普勒测速仪技术LDV和粒子图像速度场仪技术PIV。
[0003]热线风速仪技术：利用放置在流场中通有加热电流的细金属丝来测量风速的仪器称为热线风速仪(简称HWA)，金属丝为热敏元件通有加热电流，当风速变化时，金属丝的温度变化随而产生电信号。HWA后续逐渐也被拓展用于温度、浓度和密度等物理量的测量。在HWA的发展过程中先后出现了单丝、X型双丝和三丝探头分别用于测量一维、二维、三维速度矢量，后来又有了六线涡量探头等。该技术的缺点是探头干扰流场、多丝时空间分辨率低、单点测量；流向测量时需要速度和方向标定操作较麻烦。
[0004]粒子图像速度场仪技术(简称PIV)：能够测量流体流动空间某一平面上的瞬时速度矢量场，基本原理是：在流场中撒入足够示踪粒子，用一个脉冲式激光片光源照射流场、摄像机同步拍照，适当设置脉冲时间间隔，得到一系列互相关联的流场示踪粒子图像，然后进行图像互相关分析，就可以得到该时刻成像位置的速度矢量场。其优点是可以得到成千上万个瞬态速度矢量的分布，给出流场整场信息，非单点测量；缺点是采样率低，光路调节复杂，技术还很不成熟，系统价格昂贵。
[0005]激光多普勒测速仪技术(简称LDV)：在流场中加入微粒充当随流体运动的示踪粒子，当激光束聚焦到示踪粒子上时会发生散射现象，用检测器接受散射光。散射光和入射光的频率差就是激光多普勒频移，多普勒频移是速度的函数，测得频移就可以得到速度。具有高频响、高精度、不干扰流场，易于判别流向等优点。缺点是信号随机采样，信号不连续，单点测量，需示踪粒子，系统价格昂贵等。
[0006]目前常用的测量方法中，非接触式测量，例如多普勒激光测速仪对叶轮机内流场进行无接触式测量，对复杂内流场难以做到完全的透明可视化，尤其是存在多个旋转叶轮部件时更为困难，存在检测的盲区，对于受载荷较大、体积大的机械装置改造困难。同时，需要考虑透明材料的承载能力，无法实现高温度环境和高转速条件下的流场测量。此外，在流场内部需示踪粒子，系统价格昂贵，观测并不方便，非接触测量的测量精度也是低于接触式测量。
[0007]接触式测量传感器探针的布置会对流场有扰动，干扰测量结果。在高速流动的流场中，冲击力巨大，测量元件和仪器会被破坏。而且，各种导线的布置复杂，容易造成导线的断裂，因为要与内流场直接接触，密封性不好保证。此外，高温、高压和高转速等恶劣工况更难以保证传感元件的安全，多个叶轮的交互作用更增强了流场的复杂性，对传感器的布置和采集也提出了更高的要求。

技术实现思路

[0008]有鉴于此，本专利技术提供一种高温高速旋转叶轮机械瞬态流场测试系统，采用接触式测量，将用于采集瞬态内流场的传感器预埋在被试叶轮机械的叶片中，避免了传感器对内流场的扰动；同时，传感器的多重保护结构和填充方式解决了恶劣环境下传感器被冲击和破碎问题，也便于传感器的拆装。
[0009]本专利技术的技术方案为：一种高温高速旋转叶轮机械瞬态流场测试系统，包括：试验台架单元、试验包箱单元、传感器单元和试验测控单元；所述试验台架单元包括：驱动电机、负载电机、液压泵源以及温控模块；所述试验包箱单元包括：试验包箱以及装载在所述试验包箱内的高速旋转的被试叶轮机械；
[0010]其特征在于，所述试验测控单元设置在所述试验包箱外部，包括：有线数采模块和无线数采模块；
[0011]所述传感器单元包括：用于采集外部流体特性的外传感器组和用于采集瞬态内流场特性的内传感器组；
[0012]所述外传感器组通过导线与有线数采模块相连；所述内传感器组包括预埋在所述被试叶轮机械旋转件上的传感器组A和预埋在所述被试叶轮机械非旋转件上的传感器组B；所述传感器组A通过导线与有线数采模块相连；所述传感器组B通过导线与无线发射器相连，所述无线发射器与无线数采模块无线连接；所述无线发射器跟随所述被试叶轮机械旋转件转动；
[0013]所述有线数采模块实时采集与之相连的传感器的检测信号；所述无线数采模块实时采集与之相连的传感器的检测信号。
[0014]优选的，所述外传感器组包括：压力传感器、温度传感器、流量传感器、高频转速转矩传感器中的一种以上；
[0015]所述压力传感器、温度传感器、流量传感器安装在被试叶轮机械前和/或后油路上，用于实时采集通过被试叶轮机械前和/或后的流体的压力、温度、流量；
[0016]所述高频转速转矩传感器包括用于测量被试叶轮机械动态输入特性的输入转速转矩传感器和/或用于测量被试叶轮机械动态输出特性的出转速转矩传感器。
[0017]优选的，所述内传感器组中的传感器组A和传感器组B均包括：瞬态压力传感器、温度传感器、自补偿应力应变片中的一种以上。
[0018]优选的，当所述瞬态压力传感器为薄片扁平型压力传感器时，所述内传感器组中薄片扁平型压力传感器和温度传感器的安装方式为：
[0019]首先在被试叶轮机械的叶片表面测点位置加工传感器安装槽，并在叶片上加工与所述传感器安装槽连通的导线槽；将薄片扁平型压力传感器或温度传感器安装在传感器安装槽内并利用耐高温胶水粘接；然后将与之相连的导线固定在导线槽中，并利用耐高温胶水粘接；叶片表面只露出薄片扁平型压力传感器以及温度传感器的感压晶体或接触测量表面；
[0020]对于所述传感器组B中的薄片扁平型压力传感器、温度传感器，其导线直接穿出试验包箱后与有线数采模块相连；
[0021]在与所述被试叶轮机械中旋转部件固接且位于所述被试叶轮机械内部流场外的壳体或轴上固接无线发射器，所述传感器组A中的薄片扁平型压力传感器、温度传感器的导
线穿出所述壳体或试验包箱后与所述无线发射器相连。
[0022]优选的，当所述瞬态压力传感器为薄片扁平型压力传感器时，其和温度传感器的安装方式为：
[0023]将带有具有测点的叶片所在的流道模型从被试叶轮机械上切割后取下，然后在叶片表面测点位置加工传感器安装槽，并在叶片上加工与所述传感器安装槽连通的导线槽，将薄片扁平型压力传感器或温度传感器安装在传感器安装槽内并利用耐高温胶水粘接；然后将与之相连的导线固定在导线槽中，并利用耐高温胶水粘接；叶片表面只留薄片扁平型压力传感器和温度传感器的感压晶体或接触测量表面；之后将切割下的流道模型安装回被试叶轮机械；
[0024]对于所述传感器组B中的薄片扁平型压力传感器、温度传感器，其导线直接穿出试验包箱与有线数采模块相连；
[0025]在与所述被试叶轮机械中旋转部件固接且位于所述被试叶轮机械内部流场外的壳体或轴上固接无线发射器，所述传感器组A中的薄片扁平型压力传感器、温度传感器的导线穿出所述壳体或试验包箱后与所述无线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高温高速旋转叶轮机械瞬态流场测试系统，包括：试验台架单元、试验包箱单元、传感器单元和试验测控单元；所述试验台架单元包括：驱动电机、负载电机、液压泵源以及温控模块；所述试验包箱单元包括：试验包箱以及装载在所述试验包箱内的高速旋转的被试叶轮机械；其特征在于，所述试验测控单元设置在所述试验包箱外部，包括：有线数采模块和无线数采模块；所述传感器单元包括：用于采集外部流体特性的外传感器组和用于采集瞬态内流场特性的内传感器组；所述外传感器组通过导线与有线数采模块相连；所述内传感器组包括预埋在所述被试叶轮机械旋转件上的传感器组A和预埋在所述被试叶轮机械非旋转件上的传感器组B；所述传感器组A通过导线与有线数采模块相连；所述传感器组B通过导线与无线发射器相连，所述无线发射器与无线数采模块无线连接；所述无线发射器跟随所述被试叶轮机械旋转件转动；所述有线数采模块实时采集与之相连的传感器的检测信号；所述无线数采模块实时采集与之相连的传感器的检测信号。2.如权利要求1所述的高温高速旋转叶轮机械瞬态流场测试系统，其特征在于，所述外传感器组包括：压力传感器、温度传感器、流量传感器、高频转速转矩传感器中的一种以上；所述压力传感器、温度传感器、流量传感器安装在被试叶轮机械前和/或后油路上，用于实时采集通过被试叶轮机械前和/或后的流体的压力、温度、流量；所述高频转速转矩传感器包括用于测量被试叶轮机械动态输入特性的输入转速转矩传感器和/或用于测量被试叶轮机械动态输出特性的出转速转矩传感器。3.如权利要求1所述的高温高速旋转叶轮机械瞬态流场测试系统，其特征在于，所述内传感器组中的传感器组A和传感器组B均包括：瞬态压力传感器、温度传感器、自补偿应力应变片中的一种以上。4.如权利要求3所述的高温高速旋转叶轮机械瞬态流场测试系统，其特征在于，当所述瞬态压力传感器为薄片扁平型压力传感器时，所述内传感器组中薄片扁平型压力传感器和温度传感器的安装方式为：首先在被试叶轮机械的叶片表面测点位置加工传感器安装槽，并在叶片上加工与所述传感器安装槽连通的导线槽；将薄片扁平型压力传感器或温度传感器安装在传感器安装槽内并利用耐高温胶水粘接；然后将与之相连的导线固定在导线槽中，并利用耐高温胶水粘接；叶片表面只露出薄片扁平型压力传感器以及温度传感器的感压晶体或接触测量表面；对于所述传感器组B中的薄片扁平型压力传感器、温度传感器，其导线直接穿出试验包箱后与有线数采模块相连；在与所述被试叶轮机械中旋转部件固接且位于所述被试叶轮机械内部流场外的壳体或轴上固接无线发射器，所述传感器组A中的薄片扁平型压力传感器、温度传感器的导线穿出所述壳体或试验包箱后与所述无线发射器相连。5.如权利要求3所述的高温高速旋转叶轮机械瞬态流场测试系统，其特征在于，当所述瞬态压力传感器为薄片扁平型压力传感器时，其和温度传感器的安装方式为：将带有具有测点的叶片所在的流道模型从被试叶轮机械上切割后取下，然后在叶片表
面测点位置加工传感器安装槽，并在叶片上加工与所述传感器安装槽连通的导线槽，将薄片扁平型压力传感器或温度传感器安装在传感器安装槽内并利用耐高温胶水粘接；...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘城，郭猛，金宸，张嘉华，柯志芳，闫清东，魏巍，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：