叶轮机内流激光多普勒同轴测量装置及其调试和试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于叶轮机内流光学测量技术领域，公开了一种叶轮机内流激光多普勒同轴测量装置及其调试和试验方法。测量装置包括圆周方向位移组件、半径方向位移组件、轴线方向位移组件与可调支撑底座。圆周方向位移组件实现了叶轮机内流的LDA同轴测量；半径方向位移组件实现了LDA测点沿半径方向的位置调整；轴向位移组件实现了LDA测点沿轴线方向的位置调整；三个位移组件的步进电机的刹车功能实现了LDA测量探头驻点数据采集及断电保持功能。能够测量被测叶轮机轴线各个位置截面与不同叶片高度截面的速度场分布信息，不受叶轮机自身结构振动干扰，具有工程实用价值。具有工程实用价值。具有工程实用价值。

【技术实现步骤摘要】
叶轮机内流激光多普勒同轴测量装置及其调试和试验方法


[0001]本专利技术属于叶轮机内流光学测量
，具体涉及一种叶轮机内流激光多普勒同轴测量装置及其调试和试验方法。

技术介绍

[0002]激光多普勒测速（Laser Doppler Anemometer，简称LDA）技术是利用激光的高相干性和高能量测量流体速度的一种光学测速技术。其测速原理是：两条激光光束汇聚一个焦点时，发生干涉，生成明暗相间的干涉条纹，形成测量体。当流体携带示踪粒子经过测量体时，示踪粒子散射干涉条纹的激光产生光强变化。由于已知测量体内干涉条纹的宽度，LDA接收端根据示踪粒子散射光强的变化频率即可得出明暗间隔时间，进而计算出流体速度。LDA技术具有不干扰流场、空间分辨率高、动态响应快、测量范围宽、方向灵敏性好、测量精度高等优点。因此，LDA技术特别适用于边界层、分离流、涡流以及跨、超音等易扰动湍流场的测量。
[0003]叶轮机是燃气涡轮航空发动机、燃气轮机、蒸汽轮机、泵与风机等流体机械进行热功转换的核心部件，在人们日常工作、生活甚至整个国民经济运转过程中发挥着不可替代的作用。叶轮机内部流场的精细测量是对叶轮机进行流场诊断、性能评估、优化设计以及流动机理研究的基础。
[0004]目前，叶轮机内部流场的激光多普勒测速尚存在以下技术难题：一是，叶轮机机匣是类似圆管的回转面（不一定是等直径的圆柱面，通常叶轮机直径沿主轴方向前后会有变化），应用LDA技术穿过回转面的光学视窗对内部流动进行移动测量时，LDA的探头轴线若不能始终保持在被测回转面的法线方向即保持同轴测量，就会因偏离测量轴即离轴测量造成LDA的两干涉光束在回转面视窗玻璃表面的入射角度不同，两束激光穿过视窗玻璃的折射量不同，从而导致LDA激光光束穿过回转面玻璃视窗后不易形成稳定的焦点，不能保持稳定的测量体，导致叶轮机内部流动LDA连续移动测量无法完成。若每一个测点都需要对两干涉光束进行精确调整，则测量效率十分低下；二是，现有LDA技术，测点布置不够灵活，无法提供沿被测叶轮机轴线各个位置截面与回转面即不同叶片高度截面（简称等叶高截面）速度场分布信息；三是，现有LDA探头位移装置通常安装在被测叶轮机的机匣上，这样在开展LDA测量实验时，由于叶轮机自身往往存在结构振动，若振动传导至LDA测量探头会显著干扰测量，影响测量结果；四是，针对已有的叶轮机，在实验过程中通常无法精确定位其主轴轴心的位置。
[0005]当前，亟需发展一种叶轮机内流激光多普勒同轴测量装置及其调试和试验方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题在于克服叶轮机等类似圆管内部流场激光多普勒测量现有技术缺陷，提供一种叶轮机内流激光多普勒同轴测量装置及其调试和试验方法。
[0007]本专利技术的叶轮机内流激光多普勒同轴测量装置，其特点是，所述的测量装置包括圆周方向位移组件、半径方向位移组件、轴线方向位移组件和可调支撑底座；可调支撑底座的独立支撑座与叶轮机试验件的支撑座隔离，独立支撑座的边缘设置有4个螺母丝杆，2个螺母丝杆一组，每组螺母丝杆上固定1根直线导轨，2根直线导轨相互平行且均垂直于叶轮机试验件的中心轴线，2根直线导轨上固定1个支架；圆周方向位移组件的齿轮与圆弧齿条副固定在可调支撑底座的支架上，齿轮与圆弧齿条副环绕在叶轮机试验件的光学窗口外围，齿轮与圆弧齿条副的中心轴线与叶轮机试验件的中心轴线重合；齿轮与圆弧齿条副上设置有圆弧导轨模组，圆周方向带刹车步进电机与减速机通过齿轮与圆弧齿条副一起拖动轴线方向位移组件、半径方向位移组件和LDA探头沿圆弧导轨模组在圆周方向上做周线运动；轴线方向位移组件的轴线方向直线位移模组与圆周方向位移组件上伸出的连接件固定连接，轴线方向直线位移模组与叶轮机试验件的中心轴线平行，轴线方向带刹车步进电机通过轴线方向直线位移模组带动半径方向位移组件做平行于叶轮机试验件的中心轴线的直线运动；半径方向位移组件的半径方向直线位移模组垂直固定在轴线方向直线位移模组上，半径方向直线位移模组位于叶轮机试验件的半径方向，半径方向直线位移模组上固定LDA探头；半径方向带刹车步进电机通过半径方向直线位移模组带动LDA探头沿叶轮机试验件的半径方向移动。
[0008]本专利技术的叶轮机内流激光多普勒同轴测量装置的调试方法，包括以下步骤：S21.将千分表固定在半径方向直线位移模组上，通过半径方向带刹车步进电机，沿叶轮机试验件的半径方向移动千分表，直至千分表的测头接触叶轮机试验件被测机匣的回转面玻璃视窗表面；S22.通过轴线方向带刹车步进电机控制轴线方向直线位移模组沿平行于叶轮机试验件的中心轴线方向移动，带动千分表的测头到达预先设置的一个测量平面；S23.在选中的测量平面上，通过减速机控制圆周方向带刹车步进电机沿齿轮与圆弧齿条副的圆弧导轨模组做弧线运动，带动千分表的测头沿叶轮机试验件做周线运动，在周线运动过程中始终保持千分表的测头接触回转面玻璃视窗表面，通过可调支撑底座的独立支撑座的4个螺母丝杆不断调整2根直线导轨的姿态，直至千分表的指针跳动量小于等于0.1mm，这样，在换装LDA探头后，即保证了在该测量平面上LDA探头的周线运动轨迹与回转面玻璃视窗表面，也就是叶轮机试验件表面同轴；S24.在不同轴向位置再选择1~2个测量平面，重复步骤S22和S23，即可保证在任意轴向位置测量平面上LDA探头的周线运动轨迹与回转面玻璃视窗表面，也就是叶轮机试验件表面同轴。
[0009]本专利技术的叶轮机内流激光多普勒同轴测量装置的试验方法，包括以下步骤：S31.制定试验计划表；按照叶轮机内流激光多普勒同轴测量试验需求，制定试验计划表，试验计划表的内容包括测量单点序列、测量平面序列和测量回转面序列；S32.进行叶轮机内流激光多普勒单点同轴测量试验；S321.选择测量平面序列中的一个测量单点，通过圆周方向位移组件、半径方向位
移组件、轴线方向位移组件调整LDA探头位置，将叶轮机内流激光多普勒同轴测量装置的测量体与测量单点重合，将圆周方向带刹车步进电机、半径方向带刹车步进电机和轴线方向带刹车步进电机进行刹车停止；S322.启动叶轮机，播撒示踪粒子，打开LDA探头，获得测量单点的流速，关闭LDA探头，停止播撒示踪粒子，关闭叶轮机；S323.重复步骤S321~S322，直至完成所有的测量单点测速；S33.进行叶轮机内流激光多普勒平面同轴测量试验；S331.进行叶轮机内流激光多普勒同轴测量装置调试；选择测量平面序列中的一个测量平面，按照叶轮机内流激光多普勒同轴测量装置的调试方法，调整可调支撑底座的独立支撑座，直至千分表的指针跳动量小于等于0.1mm，拆除千分表，安装LDA探头；S332.启动叶轮机，待叶轮机内流稳定后，播撒示踪粒子，打开LDA探头；S333.通过减速机控制圆周方向带刹车步进电机沿齿轮与圆弧齿条副的圆弧导轨模组做弧线运动，带动LDA探头沿叶轮机试验件做周线运动，完成测量平面上第一条弧线的测速，圆周方向带刹车步进电机刹车停止；S334.启动半径方向带刹车步进电机，半径方向带刹车步进电机通过半径方向直线位移模组带动LDA探头沿本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.叶轮机内流激光多普勒同轴测量装置，其特征在于，所述的测量装置包括圆周方向位移组件（1）、半径方向位移组件（2）、轴线方向位移组件（3）和可调支撑底座（4）；可调支撑底座（4）的独立支撑座与叶轮机试验件的支撑座隔离，独立支撑座的边缘设置有4个螺母丝杆（402），2个螺母丝杆（402）一组，每组螺母丝杆（402）上固定1根直线导轨（401），2根直线导轨（401）相互平行且均垂直于叶轮机试验件的中心轴线，2根直线导轨（401）上固定1个支架；圆周方向位移组件（1）的齿轮与圆弧齿条副（103）固定在可调支撑底座（4）的支架上，齿轮与圆弧齿条副（103）环绕在叶轮机试验件的光学窗口外围，齿轮与圆弧齿条副（103）的中心轴线与叶轮机试验件的中心轴线重合；齿轮与圆弧齿条副（103）上设置有圆弧导轨模组（104），圆周方向带刹车步进电机（101）与减速机（102）通过齿轮与圆弧齿条副（103）一起拖动轴线方向位移组件（3）、半径方向位移组件（2）和LDA探头沿圆弧导轨模组（104）在圆周方向上做周线运动；轴线方向位移组件（3）的轴线方向直线位移模组（302）与圆周方向位移组件（1）上伸出的连接件固定连接，轴线方向直线位移模组（302）与叶轮机试验件的中心轴线平行，轴线方向带刹车步进电机（301）通过轴线方向直线位移模组（302）带动半径方向位移组件（2）做平行于叶轮机试验件的中心轴线的直线运动；半径方向位移组件（2）的半径方向直线位移模组（202）垂直固定在轴线方向直线位移模组（302）上，半径方向直线位移模组（202）位于叶轮机试验件的半径方向，半径方向直线位移模组（202）上固定LDA探头；半径方向带刹车步进电机（201）通过半径方向直线位移模组（202）带动LDA探头沿叶轮机试验件的半径方向移动。2.叶轮机内流激光多普勒同轴测量装置的调试方法，用于权利要求1所述的叶轮机内流激光多普勒同轴测量装置，其特征在于，包括以下步骤：S21.将千分表固定在半径方向直线位移模组（202）上，通过半径方向带刹车步进电机（201），沿叶轮机试验件的半径方向移动千分表，直至千分表的测头接触叶轮机试验件被测机匣的回转面玻璃视窗表面；S22.通过轴线方向带刹车步进电机（301）控制轴线方向直线位移模组（302）沿平行于叶轮机试验件的中心轴线方向移动，带动千分表的测头到达预先设置的一个测量平面；S23.在选中的测量平面上，通过减速机（102）控制圆周方向带刹车步进电机（101）沿齿轮与圆弧齿条副（103）的圆弧导轨模组（104）做弧线运动，带动千分表的测头沿叶轮机试验件做周线运动，在周线运动过程中始终保持千分表的测头接触回转面玻璃视窗表面，通过可调支撑底座（4）的独立支撑座的4个螺母丝杆（402）不断调整2根直线导轨（401）的姿态，直至千分表的指针跳动量小于等于0.1mm，这样，在换装LDA探头后，即保证了在该测量平面上LDA探头的周线运动轨迹与回转面玻璃视窗表面，也就是叶轮机试验件表面同轴；S24.在不同轴向位置再选择1~2个测量平面，重复步骤S22和S23，即可保证在任意轴向位置测量平面上LDA探头的周线运动轨迹与回转面玻璃视窗表面，也就是叶轮机试验件表面同轴。3.叶轮机内流激光多普勒同轴测量装置的试验方法，基于权利要求1所述的叶轮机内流激光多普勒同轴测量装置和权利要求2所述的叶轮机内流激光多普勒同轴测量装置的调试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S31.制定试验计划表；按照叶轮机内流激光多普勒同轴测量试验需求，制定试验计划表，试验计划表的内容包括测量单点序列、测量平面序列和测量回转面序列；S32.进行叶轮机内流激光多普勒单点同轴测量试验；S321.选择测量平面序列中的一个测量单点，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李学臣，时培杰，宗有海，马护生，陈峰，谭锡容，李聪，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所，
类型：发明
国别省市：