一種旋轉狀態下的壓力測量方法

2023-06-19 00:58:26

專利名稱：一種旋轉狀態下的壓力測量方法
技術領域：
本發明涉及壓カ測量領域，具體來說，對應變式壓力傳感器進行旋轉狀態下的標定以得到不同轉速下傳感器輸出信號與實際感受壓カ值對應關係的標定曲線，利用該標定曲線可準確測得旋轉狀態下的壓力，尤其適用於航空發動機渦輪盤等旋轉部件的壓カ測量。
背景技術：
隨著技術的進步，提高渦輪前燃氣溫度已成為改善現代航 空發動機性能的重要途徑，但同時也會造成渦輪盤熱負荷過大等負面影響。為了保證渦輪的安全可靠工作，除在渦輪材料上進行改進之外，對渦輪盤的冷卻也相當重要。為了改進冷卻結構設計、減少對冷卻氣量的需求，進而提高發動機的性能，需要深入了解不同渦輪盤腔結構中流動的基本特性。在進行航空發動機旋轉部件附近流體的流動實驗時，其表面所受壓カ通常可作為計算該部件所受軸向力、研究旋轉部件附近流動等的重要參考。由於旋轉部件在壓カ測量時存在動靜轉換的問題，因此存在較大難度。對於旋轉狀態下的壓カ測量，現今有兩種可供借鑑的思路其一，由於旋轉壓カ難以測量而靜止壓カ在測量方法及測量精度等技術上較為成熟，故可將旋轉狀態的壓力轉化為靜止壓カ進行測量。具體來說，就是在某徑向位置處設置取壓孔，將旋轉壓カ引至某靜止空腔，然後再在靜止空腔內進行壓力的測量。該方法存在一定的缺陷首先，靜止空腔與旋轉件之間的配合需要做到實時嚴格密封，這在實際的操作中難度較大且在毎次實驗時均要達到密封要求，較為繁瑣；其次，在高轉速情況下，動靜部件連接處的軸承發熱量較大，這會在取壓管內部引起較大的不均勻溫升，從而導致測量壓力高於實際壓カ並且難以量化。其ニ，將測點處的氣體引至旋轉取壓盤內的封閉空腔內，利用置於空腔內的壓カ傳感器測量腔內壓カ並將測得的壓カ信號通過滑環引電器輸出。該方法中使用的壓カ傳感器為應變式壓カ傳感器。應變式壓カ傳感器內含有膜片結構，其工作原理為當膜片感受到一定壓カ時會發生變形，該變形將導致膜片電阻變化進而改變傳感器的輸出信號，且膜片變形與傳感器輸出信號之間存在對應關係。在使用傳感器測量壓カ時，可根據變形導致的輸出信號變化來判斷壓カ值。不過在旋轉狀態下，傳感器除受到壓力作用產生變形外，還將因旋轉離心カ產生附加變形，其大小由於膜片與旋轉離心カ及壓カ的關係難以判定。另外，取壓管以及取壓盤內封閉空腔內的密封問題也較為繁瑣，且需要對旋轉狀態下取壓管內的氣柱產生的離心增壓進行修正。以上兩種方法都需要在每次數據採集時做好氣密性工作，防止氣體洩漏造成的壓カ採集結果不準；同時對於實驗的誤差評估修正方面，兩種方法都未能給出較好的分析結果
發明內容
為了解決現有技術存在的問題，本發明提出ー種操作簡便、精度容易保證的旋轉狀態下的壓カ測量方法，克服在測量過程中存在的動靜接ロ或者取壓管、取壓盤等設備的氣體洩漏問題，對應變式壓力傳感器進行旋轉狀態下的標定以得到不同轉速下傳感器輸出信號與實際感受壓カ值對應關係的標定曲線，利用標定曲線得到準確的旋轉狀態下的壓力。本發明ー種旋轉狀態下的壓カ測量方法，通過下述步驟完成步驟I :壓カ傳感器的安裝；將壓カ傳感器安裝在實驗件上開有的貫穿兩側面的傳感器安裝孔中，用來測量實驗件被測面的壓カ分布狀況；所述壓カ傳感器採用應變式壓カ傳感器。步驟2 :安裝標定裝置；在實驗件被測面上固定標定裝置，形成密閉標定腔，且壓カ傳感器的測量點位於 標定腔內。步驟3 :靜止狀態下壓カ傳感器的壓カ標定；向標定腔內通入氣體，通過測溫儀器測得標定腔內的溫度，並實時測量通入氣體的壓カ值，同時壓カ傳感器實時測得標定腔內氣體壓カ對應的電壓信號值，由此擬合併繪製電壓信號與其對應氣體壓カ間的曲線圖，作為靜止狀態下壓カ傳感器的壓カ標定曲線。步驟4 :旋轉狀態下壓カ傳感器的壓カ標定；向標定腔內通入定量氣體，通過壓カ傳感器測的當前標定腔內通入氣體壓カ對應的電壓信號值，則根據步驟3中靜止狀態壓カ傳感器的壓カ標定曲線，得到當前標定腔內通入氣體對應的氣體壓カ值；隨後分別以Iiprvn3.……七的轉速旋轉實驗件，各轉速的選取與實驗エ況中轉速設定值一致；通過壓カ傳感器測得在當前標定腔內通入氣體壓力下，實驗件在各個轉速吋，壓カ傳感器測得的電壓信號；隨後改變標定腔內通入氣體的壓力，進行上述過程，最終得到標定腔內各通入氣體壓力下，實驗件在各個轉速吋，壓カ傳感器測得的電壓信號值；由此擬合併繪製各轉速值下，電壓信號與其對應氣體壓カ間的曲線圖，作為旋轉狀態下壓力傳感器的壓カ標定曲線；上述過程中，通過測溫儀器測得標定腔內各通入氣體壓力下，實驗件在各個轉速吋，標定腔內的溫度值。步驟5 :對旋轉狀態下壓力傳感器的壓カ標定曲線進行修正擬合；各個通入氣體壓力下，實驗件在各個轉速吋，壓カ傳感器測得的電壓信號值對應的標定腔內實際氣體壓カ值Pj為Pl=/レナ(I)
r0其中，P0為靜止狀態下標定腔內通入氣體壓カ值；Tq為靜止狀態下標定腔內的溫度值為旋轉狀態下各轉速下標定腔內溫度值。將Pj作為實驗件在各個轉速吋，壓カ傳感器測得電壓信號值對應的標定腔內氣體壓カ值，由此實現步驟4中旋轉狀態下壓力傳感器的壓カ標定曲線的修正。步驟6 :將標定裝置取下即可進行實驗エ況下旋轉壓カ的測量，將得到實驗エ況下壓カ傳感器在各個轉速下測得信號值結合步驟5中得到的修正後壓カ傳感器標定曲線，得到壓カ傳感器實際感受到的壓カ值。本發明的優點在於
I、本發明旋轉狀態下的壓カ測量方法，略去了將測點處氣體引氣至壓力測量腔的氣路設計，在簡化測量結構的同時避免了取壓設備存在的氣體洩漏情況以及引氣過程中存在的氣柱離心增壓、溫度偏差導致的實驗誤差；2、本發明旋轉狀態下的壓カ測量方法，將氣密性工作集中到標定階段可有效地監測氣密性狀況，同時保證了實驗階段的流程順暢和數據準確可信；3、本發明旋轉狀態下的壓カ測量方法，對標定數據進行了誤差分析修正，該標定結果應用於實驗測量過程使得實驗結果具有參考性，同時也保證了實驗測量過程中的精度。


圖I為本發明旋轉狀態下的壓カ測量方法流程圖；
圖2為本發明中標定裝置結構示意圖；圖3為本發明中為靜止時充入壓カ為9. 90KPa後的腔內壓カ變化曲線圖；圖4為本發明中標定腔在旋轉平面上的投影圖。圖中I-實驗件 2-壓カ傳感器 3-外殼 4-氣門嘴5-氣門芯 6-熱電偶7-標定腔 8-彈簧
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明作進ー步的詳細說明。本發明ー種旋轉狀態下的壓カ測量方法，如圖I所示，通過下述步驟完成步驟I :壓カ傳感器2的安裝；將壓カ傳感器2安裝在實驗件I上開有的貫穿兩側面的傳感器安裝孔中，用來測量實驗件I被測面的壓カ分布狀況。所述壓カ傳感器2採用慣性小、靈敏度高的應變式壓力傳感器2，其工作原理為感壓膜片受到一定壓カ時發生變形，該變形導致輸出信號發生變化。由於在旋轉狀態下壓カ測量實驗實際エ況中壓カ傳感器2隨旋轉實驗件I 一起旋轉，感壓膜片的變形將是實驗件I被測點壓力與離心カ的共同結果，因此在進行旋轉壓力測量前，需要進行旋轉狀態下的實驗件I測量點的壓カ標定，以去除感壓膜片所受離心カ的影響。步驟2 :安裝標定裝置；標定裝置包括標定殼體3、氣門芯5、熱電偶6,如圖2所不,所述標定外殼3為由殼體與氣門嘴4構成的一體結構，其中，殼體為筒狀殼體，一端封閉，封閉端上具有筒狀氣門嘴4，氣門嘴4與殼體內部連通，另一端為開ロ，開ロ端通過螺栓固定在實驗件I被測面上，保證傳感器安裝孔截面在豎直平面上的投影位於標定外殼3截面在豎直平面上的投影內部。為了便於標定殼體的連接，標定殼體開ロ端周向設計有法蘭；且為了使密閉效果更好，在上述標定殼體開ロ端6與實驗件I間設置有膠皮墊片。所述氣門芯5位於氣門嘴4內部，氣門芯5內部安裝有可自由伸縮的彈簧8，因此可用於向標定腔7內部充入氣體以及防止漏氣，通過安裝氣門芯5，使標定外殼3內部形成密閉結構，作為標定腔7。所述熱電偶6安裝在實驗件I上開有的貫穿兩側面的熱電偶安裝孔中，使熱電偶6的探溫端位於標定腔7內，用來測量標定腔7內的溫度；熱電偶6安裝後保證熱電偶6與實驗件I間緊密貼合不漏氣，從而保證標定腔7的氣密性。如圖3所示，為靜止時充入壓カ為9. 90KPa後的腔內壓カ變化曲線，可以看到壓カ在小範圍內波動，可達到實驗要求。當標定腔7體積足夠小，標定腔7內壓カ處處等於初始壓カ值。但實際情況中，標定腔7存在一定體積，因此會對旋轉狀態下壓力傳感器的標定結果產生一定影響。因此本發明中將壓カ傳感器2測量點置於標定腔7截面中心點下方的徑向位置可有效減小因標定腔7體積而造成的標定誤差；標定腔7越小越有利於使標定腔7內壓カ處處接近初始壓カ值，且標定腔7的可接受尺寸與轉速、旋轉半徑等因素關聯較大，通過選取標定腔的半徑a，通過下述方法得到標定腔中各ニ維微元與初始壓カ間的最大值誤差A Pmax，直至通過選取的標定腔半徑a得到的最大值誤差A Pmax滿足實現需求，具體方法如下因旋轉過程中的離心カ與軸向距離無關，因此可令標定腔7軸向長度為h=l，將三維標定腔7轉化為標定腔7底面的ニ維問題予以分析。如圖4所示，為標定裝置在實驗件I旋轉平面下的投影，其中標定腔7半徑為a，標定腔7底面中心點距離旋轉軸的距離為R ;以旋轉軸軸心0為極點、標定腔底面中心與旋轉軸心的連線為極軸建立極坐標系，由此可確定該坐標系的r方向及0方向；在極坐標r方向上對標定腔7內氣體進行微元,取r為極座標原點0到微元的距離；令微元內氣體壓力P均勻；且微元上、下表面受到壓力分別為Prtlr和Pr，則兩壓力的差值將提供微元內氣體的旋轉向心力。由於微元內氣體的壓カ為P，則由氣體狀態方程計算獲得微元內氣體質量
權利要求
1.一種旋轉狀態下的壓力測量方法，其特徵在於通過下述步驟完成 步驟I :壓力傳感器的安裝； 將壓力傳感器安裝在實驗件上開有的貫穿兩側面的傳感器安裝孔中，用來測量實驗件被測面的壓力分布狀況；所述壓力傳感器採用應變式壓力傳感器； 步驟2:安裝標定裝置； 在實驗件被測面上固定標定裝置，形成密閉標定腔，且壓力傳感器的測量點位於標定腔內； 步驟3 :靜止狀態下壓力傳感器的壓力標定； 向標定腔內通入氣體，通過測溫儀器測得標定腔內的溫度，並實時測量通入氣體的壓力值，同時壓力傳感器實時測得標定腔內氣體壓力對應的電壓信號值，由此擬合併繪製電壓信號與其對應氣體壓力間的曲線圖，作為靜止狀態下壓力傳感器的壓力標定曲線； 步驟4 :旋轉狀態下壓力傳感器的壓力標定； 向標定腔內通入定量氣體，通過壓力傳感器測得當前標定腔內通入氣體壓力對應的電壓信號值，則根據步驟3中靜止狀態壓力傳感器的壓力標定曲線，得到當前標定腔內通入氣體對應的氣體壓力值；隨後分別以A、n2、n3、……、r^_的轉速旋轉實驗件，各轉速的選取與實驗工況中轉速設定值一致；通過壓力傳感器測得在當前標定腔內通入氣體壓力下，實驗件在各個轉速時，壓力傳感器測得的電壓信號；隨後改變標定腔內通入氣體的壓力，進行上述過程，最終得到標定腔內各通入氣體壓力下，實驗件在各個轉速時，壓力傳感器測得的電壓信號值；由此擬合併繪製各轉速值下，電壓信號與其對應通入氣體壓力間的曲線圖，作為旋轉狀態下壓力傳感器的壓力標定曲線；上述過程中，通過測溫儀器測得標定腔內各通入氣體壓力下，實驗件在各個轉速時，標定腔內的溫度值； 步驟5 :對旋轉狀態下壓力傳感器的壓力標定曲線進行修正擬合； 各個通入氣體壓力下，實驗件在各個轉速時，壓力傳感器測得的電壓信號值對應的標定腔內實際氣體壓力值Pj為
2.如權利要求I所述一種旋轉狀態下的壓力測量方法，其特徵在於所述步驟4中在每次向標定腔內通入氣體前，均需進行步驟3，對靜止狀態下壓力傳感器進行壓力標定。
3.如權利要求書I所述一種旋轉狀態下的壓力測量方法，其特徵在於所述步驟3與步驟4中標定腔內注氣後需保證標定腔密封。
4.如權利要求I所述一種旋轉狀態下的壓力測量方法，其特徵在於所述標定裝置包括標定殼體、氣門芯、熱電偶；其中，標定外殼為由殼體與氣門嘴構成的一體結構，其中，殼體為筒狀殼體，一端封閉，封閉端上具有筒狀氣門嘴，氣門嘴與殼體內部連通，另一端為開口，開口端通過螺栓在實驗件被測面上固定；所述氣門芯位於氣門嘴內部，使標定外殼內部形成密閉結構，作為標定腔；所述熱電偶作為測溫儀器安裝在實驗件上開有的貫穿兩側面的熱電偶安裝孔中，使熱電偶的探溫端位於標定腔內；熱電偶安裝後保證熱電偶與實驗件間緊密貼合。
5.如權利要求4所述一種旋轉狀態下的壓力測量方法，其特徵在於所述標定殼體開口端周向設計有法蘭。
6.如權利要求4所述一種旋轉狀態下的壓力測量方法，其特徵在於所述標定殼體開口端與實驗件間設置有膠皮墊片。
7.如權利要求4所述一種旋轉狀態下的壓力測量方法，其特徵在於所述氣門芯內部安裝有伸縮彈簧。
8.如權利要求4所述一種旋轉狀態下的壓力測量方法，其特徵在於將所述氣門芯由氣門嘴中取出，通過壓力校準儀的通氣管與氣門嘴連接，實現靜止狀態下標定腔內注氣，且實時測量並顯示通入氣體的壓力值。
9.如權利要求4所述一種旋轉狀態下的壓力測量方法，其特徵在於將通過打氣筒由氣門芯向標定腔內通入氣體。
10.如權利要求I所述一種旋轉狀態下的壓力測量方法，其特徵在於所述標定腔的半徑選取方法為 令標定腔半徑為a，標定腔底面中心點距離旋轉軸的距離為R ；以旋轉軸軸心O為極點，標定腔底面中心與旋轉軸心的連線為極軸建立極坐標系，由此確定該坐標系的r方向和Θ方向；在r方向上對標定腔內氣體進行微元,取r為極坐標原點O到微元的距離；令各微元內氣體壓力P均勻；且微元上、下表面受到壓力分別為Prtlr和Pr，則兩壓力的差值將提供微元內氣體的旋轉向心力。由於微元內氣體的壓力為P，則由氣體狀態方程計算獲得微元內氣體質量
全文摘要
本發明公開一種旋轉狀態下的壓力測量方法，在實驗件上安裝標定裝置，形成密閉標定腔，向標定腔內通入氣體，測量傳感器電壓信號值以及對應的腔內氣體壓力值，擬合曲線，得到靜止狀態下的壓力標定曲線；向標定腔內通入不同壓力氣體，以不同轉速旋轉實驗件，每次測量當前標定腔內氣體壓力在各轉速下對應傳感器電壓信號值，擬合曲線，得到旋轉狀態下壓力標定曲線；通過各轉速下標定腔內溫度得到標定腔內實際壓力值，從而修正旋轉狀態下壓力標定曲線；最終通過修正後的標定曲線，結合實驗工況下壓力傳感器在各轉速下測得信號值，得到壓力傳感器實際感受到的壓力值。本發明旋轉狀態下的壓力測量方法，使得實驗結果具有參考性，同時保證了實驗測量精度。
文檔編號G01L27/00GK102798496SQ20121026208
公開日2012年11月28日 申請日期2012年7月25日 優先權日2012年7月25日
發明者羅翔, 徐國強, 李登超, 蔡旭, 張達 申請人:北京航空航天大學