專利名稱：一種葉輪機械內部流場測量方法
技術領域：
本發明涉及一種葉輪機械內復雜流動的問題的測量方法，主要用于解決粒子圖像測速技術SPIV應用于單/多級葉輪機械內部各種流向渦和二次流的瞬態速度場的測量問題。
背景技術：
我國從國外購置了大量的粒子圖像測速設備SPIV設備，其中有相當多套在葉輪機械研究領域，目前國內外的測量方法如圖1所示，即需要精密復雜的導光筒將激光引入流場內部，形成片光，照亮的測量截面是平行于葉輪機械軸線方向的，2個CCD相機自然都安排在激光片光的同一側。這種常規測量方法存在幾方面的明顯缺陷不能測量垂直于主流截面流場的瞬態結構，由于葉片遮擋只能測量非常有限的區域，更難以測量多級葉輪機械內部流場，導光筒會干擾被測流場。
發明內容
本發明需要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種利用SPIV技術測量出葉輪機械內部垂直于主流的流向渦和二次流等瞬態速度場，而且能夠測量多級葉輪機械轉子/靜子各排葉片內部的流場的測量方法。
本發明的技術解決方案是一種葉輪機械內部流場測量方法，其特點在于包括下列步驟(1)測量前首先對SPIV系統采用透明標定物進行標定，得到標定數據，原則上每個測量位置都要進行標定；(2)將2套CCD相機分別置于激光片光的兩側，激光片光穿過機匣視窗直接照亮被測量截面，測量與主流基本垂直的截面內的瞬態速度場，測量的方法和步驟與常規SPIV測量完全一致；
(3)根據2個CCD標定圖像確定其最大重合區域，然后根據CCD原始粒子圖像分析中確定的查問域大小，對2個CCD的最大重合區域進行離散，得到各個節點上的標定梯度數據，以及各個節點上2個CCD的直接測量結果；(4)根據上述測量結果，采用三維速度合成方法，合成出最終的三維速度場，其結果具有與分析CCD原始圖像時完全相同的空間分辨率，合成的區域一定包括了2個CCD所有的共同視場。
上述的2套CCD相機和形成激光片光的透鏡組都安裝在同一平臺上，該平臺固定在一套四自由度的位移機構上，以便對不同截面進行測量，2套CCD與激光片光之間的夾角基本相等。
上述的透明標定物由固定邊框、透明標定板和精密位移機構組成，透明標定板靠近機匣視窗的一側要做成弧形的，與機匣視窗一致，其它三邊是固定邊框，最下面的固定邊框通過螺釘安裝在精密位移機構上。
本發明由于激光片光是穿過機匣視窗直接照亮被測量截面的，被測量葉片的前后排葉片自然就不會遮擋住激光片光，同時2個CCD也是透過機匣視窗觀測被測量截面的，同樣被測量葉片的前后排葉片一般不會遮擋住CCD的視場，因此本發明可以用于多級葉輪機械中任意一排葉片內部流場的測量。由于測量截面基本與主流垂直，而葉輪機械中垂直于主流的流向渦和二次流等的瞬態結構只有從基本垂直于主流的截面上去測量，才能觀測到，從常規測量方法中的基本平行于主流方向的截面是觀測不到的，所以只有本發明方法可以測量出垂直于主流的流向渦和二次流等的瞬態結構。
本發明與現有的葉輪機械SPIV常規測量方法相比優點在于本發明是唯一能夠解決葉輪機械內部垂直于主流的各種流向渦和二次流瞬態場測量難題的方案，它不需要導光筒，簡化了結構，避免了導光筒對流場的干擾，實現了真正意義上的非接觸式測量，不但可以用于單級壓氣機，而且適用于多級壓氣機，既可測量轉子內非定常流場，又可測量靜子內復雜流動。
圖1為葉輪機械SPIV測量常規方法示意圖；圖2為本發明提出的葉輪機械SPIV測量方法示意圖；圖3為透明標定物示意圖；圖4為本發明的三維速度合成方法流程圖；圖5為采用本發明測量的壓氣機轉子內部流場結果。
具體實施例方式
如圖2所示，本發明實施不需要改變SPIV系統，只需要按照圖2所示方式進行打光、重新布置CCD相機1、CCD相機2和形成激光片光的透鏡組3即可，但是要根據葉輪機的特點進行專門的標定和三維速度場合成，測量過程和步驟與常規測量完全一致。
首先在測量之前，要采用如圖3所示的透明標定物對SPIV系統進行標定，在標定過程中要將機匣視窗也帶上，因此透明標定物靠近機匣視窗的一側要做成弧形的，與機匣視窗一致；原則上各個不同的測量位置都要進行標定；標定的過程和步驟與常規標定也一樣。
測量時安裝標定時的位置關系將2套CCD相機和透鏡組3都安裝在同一平臺上，該平臺最好能固定在一套四自由度的位移機構上，以便對不同截面進行測量，一般情況下，2套CCD與激光片光之間的夾角基本相等，安裝完畢后，即可按照常規SPIV測量的方法和步驟進行測量；本發明方法采用的是激光片光穿過機匣視窗直接照亮被測量截面的打光方式，被測量葉片的前后排葉片一般不會遮擋住片光；同時2個CCD也是透過機匣視窗觀測被測量截面的，同樣被測量葉片的前后排葉片一般也不會遮擋住CCD的視場，因此與常規方法由于葉片遮擋無法用于多級葉輪機械內部流場測量相比，本發明可以用于多級葉輪機械中任意一排葉片內部流場的測量。此外，由于本發明的測量截面基本與主流垂直，而葉輪機械中垂直于主流的流向渦和二次流等的瞬態結構只有從基本垂直于主流的截面上去測量，才能觀測到，從常規測量方法中的基本平行于主流方向的截面是觀測不到的，所以采用本發明就可以測量出垂直于主流的流向渦和二次流等的瞬態結構。
測量完成后利用SPIV的數據處理軟件就可以得到2個CCD分別測量出的2個二維速度場，然后利用事先的標定數據，利用SPIV的后處理軟件就可以合成出三維速度場，這些三維速度場就是所測量截面的測量結果。SPIV后處理軟件合成三維速度場的方法會導致測量空間分辨率降低，此外合成區域也比實際觀測區域小，本發明提出了新的合成方法。
如圖4所示，本發明提出的三維速度合成方法如下，首先根據2個CCD標定圖像確定其最大重合區域，由于標定物上各個標定點是對應的，所以根據2個CCD的標定圖像，逐一檢查標定點是否對應/匹配，就可以確定出兩個CCD視場的最大重合區域；利用SPIV系統的分析軟件，根據確定的查問域大小，可以方便地確定出2個CCD觀測的原始粒子圖像中各個節點的粒子位移；根據查問域的大小，可以對2個CCD的最大重合區域內的標定結果進行離散，得到各個節點上的標定梯度數據，同時對2個CCD的粒子位移測量結果進行插值，得到各個節點上的2個CCD測量位移大小，這樣就可以按照SPIV三維速度合成方法，合成出最終的三維速度場，其結果具有與分析CCD原始圖像時完全相同的空間分辨率，合成的區域一定包括了2個CCD所有的共同視場。
圖5是本發明測量出的低速大尺寸壓氣機轉子內距離葉片前緣40％弦長處的瞬態速度場，由于測量結果包括了速度的三個分量，圖5給出的是其中垂直于該測量截面的速度分量。
權利要求
1.一種葉輪機械內部流場測量方法，其特征在于包括下列步驟(1)測量前首先對SPIV系統采用透明標定物進行標定，得到標定數據；(2)將2套CCD相機分別置于激光片光的兩側，激光片光穿過機匣視窗直接照亮被測量截面，測量與主流基本垂直的片光所在截面內的瞬態速度場，并得到2個CCD測量的二維速度場；(3)根據2個CCD標定圖像確定其最大重合區域，然后根據CCD原始粒子圖像分析中確定的查問域大小，對2個CCD的最大重合區域進行離散，得到各個節點上的標定數據，以及各個節點上2個CCD的直接測量結果；(4)根據最終確定的最大重合區域內各個節點上的上述標定數據和二維速度測量結果，合成出最終的三維速度場。
2.根據權利要求1所述的葉輪機械測量方法，其特征在于所述的2套CCD相機和形成激光片光的透鏡組都安裝在機匣視窗外的同一平臺上，該平臺固定在一套四自由度的位移機構上，以便對不同截面進行測量，2套CCD與激光片光之間的夾角基本相等。
3.根據權利要求1所述的葉輪機械測量方法，其特征在于所述的透明標定物由固定邊框、透明標定板和精密位移機構組成，透明標定板靠近機匣視窗的一側要做成弧形的，與機匣視窗一致，其它三邊是固定邊框，最下面的固定邊框通過螺釘安裝在精密位移機構上。
4.根據權利要求1所述的葉輪機械測量方法，其特征在于在三維速度合成過程中，是通過逐一檢查標定物上每一個標定點是否同時出現在2個CCD視場中，來確定2個CCD最大的重合區域；并根據原始圖像分析中最終采用的查問域大小來確定合成的三維速度場的空間分辨率。
5.根據權利要求1所述的葉輪機械測量方法，其特征在于所述的激光片光穿過機匣視窗直接照亮被測量截面，其片光在不影響測量結果分析的前提下，要近可能垂直于葉片表面。
全文摘要
一種葉輪機械內部流場測量方法，不需要改變現有SPIV系統，只需要按照附圖的方式布置激光片光和CCD相機，然后根據葉輪機的特點進行專門的標定和三維速度場合成，其特點在于不需要復雜的導光筒，所有的測量設備都在機匣視窗之外，激光片光穿過機匣視窗直接照亮被測量截面，2套CCD相機分別置于激光片光的兩側，可以對機匣近壁區進行測量，采用本發明提出的三維速度合成方法能夠獲得高的空間分辨率和大的合成區域。本發明解決了葉輪機械內部垂直于主流的各種流向渦和二次流瞬態場測量難題的方案，避免了導光筒對流場的干擾，實現了真正意義上的非接觸式測量，不但可以用于單級壓氣機，而且適用于多級壓氣機，既可測量轉子內非定常流場，又可測量靜子內復雜流動。
文檔編號G01P5/20GK1731191SQ20051008625
公開日2006年2月8日 申請日期2005年8月19日 優先權日2005年8月19日
發明者劉寶杰, 于賢君, 劉火星 申請人:北京航空航天大學
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