一种涡轮导向器排气面积测量装置及其测量方法与流程

本发明涉及涡轮发动机导向器测量技术领域，尤其涉及一种涡轮导向器排气面积测量装置及其测量方法。

背景技术：

燃气涡轮发动机是一种广泛应用的动力机械，其工作以空气为介质，通过一定的热力循环，将化学能能转化为机械能。其核心部件包括风扇、燃烧室和燃气涡轮部件。

而涡轮导向器的作用是改变高温高压燃气气流速度和方向，为转子叶片进口提供适当的气流方向(以便通过转子时获得大扭速)，同时改善涡轮转子的工作条件。

对导向器进行排气面积测量，一方面控制导向叶片排气角度，为转子叶片提供设计要求的进气角度，保证涡轮性能，另一方面便于导向器组装时选配叶片，控制导向器排气面积。涡轮导向器的喉道是发动机的“气门”，喉道排气面积直接影响发动机的运行状况，是发动机设计和生产中需要了解的十分重要的一个参数，而导向器排气面积由喉道面积决定的，总的喉道面积之和为导向器的排气面积。目前常用的测量方法是三坐标法和标准样件测具法等，存在操作过程复杂、自动化程度低的问题。

技术实现要素：

为克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种涡轮导向器排气面积测量装置及其测量方法。

本发明提供的一种涡轮导向器排气面积测量装置，包括：

沿两个待测导向叶片之间喉道宽度方向设置且互相平行的上平板和下平板，所述上平板、下平板、两个待测导向叶片及其上缘板、下缘板之间构成亥姆霍兹共振腔，上平板外表面开有一共振腔通孔作为共振腔开口，所述共振腔通孔的轴线均垂直于上平板的顶面和底面；

声波传送通道，设置在上平板外表面，用于给亥姆霍兹共振腔传送声波，声波传送通道表面与共振腔通孔接触处开设有一圆形孔洞，声波通过所述圆形孔洞进入共振腔通孔，当声波传送通道被固定在亥姆霍兹共振腔上时，圆形孔洞与共振腔通孔相重合；

凸台，设置在上平板外表面，用于固定声波传送通道。

优选的，上平板与下平板之间通过n套双头螺栓和螺母连接固定，n的取值范围为n≥3，并且n套双头螺栓不得沿一条直线安装，以保证上平板与下平板之间的稳固，双头螺栓的中间设有台阶，通过所述台阶使上平板与下平板之间的距离保持不变。

优选的，双头螺栓的数量n＝3，即用3套双头螺栓固定上平板和下平板。

优选的，上平板、下平板的与待测导向叶片及其上缘板、下缘板的接触处设有可压缩材料，如硬质橡胶，用于顺利的将亥姆霍兹共振腔放置到待测物的喉道处，上平板的上、下侧壁分别与待测导向叶片的上缘板、下缘板贴合接触，上平板的左、右侧壁分别与两个待测导向叶片贴合接触，因此上平板的四周外沿均设有可压缩材料，用于保证共振腔与待测物之间的密封性，保护待测物的表面涂层，下平板的四周外沿也均设有可压缩材料，同上平板一样，

优选的，声波传送通道为一空心软管，凸台侧面设有一通道通孔，凸台通过所述通道通孔固定所述空心软管。

本发明还提供了一种涡轮导向器排气面积测量方法，该测量方法包括如下步骤：

步骤一、构建亥姆霍兹共振腔及其开口处的声波传送通道、凸台；

步骤二，在声波传送通道的入口端发送声波，通过声波传送通道入口端和出口端的压力脉动传感器采集入射波与出射波声压信号，完成声压信号的时频变换，得出声压信号的传递损失与频率之间的关系，由此得出传递损失最大的共振频率f，

$f=\frac{c}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{S}{VL}}---\left(1\right);$

公式(1)中f为共振频率，c为声波传播速度，S为共振腔通孔的截面积，L为共振腔通孔的孔深，V为亥姆霍兹共振腔的容积；

步骤三，由公式(1)可推导出亥姆霍兹共振腔的容积V：

$V=\frac{c^{2}S}{4{\mathrm{\π}}^2{f}^{2}L}---\left(2\right);$

步骤四、在声波传送通道入口端传入共振频率为f的声波，声波经过共振腔通孔引起腔内气体共振，亥姆霍兹共振腔的内腔腔体高度为d₀，则排气面积S_hou为：

$S_{hou}=\frac{V}{d_0}+S_2---\left(3\right);$

公式(3)中S₂为亥姆霍兹共振腔内全部障碍物的面积之和；

由公式(2)及公式(3)可推导出S_hou，

$S_{hou}=\frac{c^{2}S}{4{\mathrm{\π}}^2{f}^2{\mathrm{Ld}}_0}+S_2---\left(4\right).$

优选的，在所述步骤四中，当使用中间带台阶的双头螺栓构建亥姆霍兹共振腔时，S₂为n个双头螺栓台阶面积之和。

本发明提供的一种涡轮导向器排气面积测量装置及其测量方法，利用声学原理测量体积的方式间接测量导向器排气面积，通过构造亥姆霍兹共振腔结构来测量气体共振频率，从而获得相应的容积值，具有自动化程度高、测量过程操作简单、测量速度快、精度高等优点，实际生产过程中可以大大提高排气面积测量效率。

附图说明

图1为公知的亥姆霍兹共振腔原理示意图；

图2为涡轮导向器排气面积测量装置的侧面剖视图；

图3为涡轮导向器排气面积测量装置的俯视图；

图4为图3的A-A剖视图；

图5为涡轮导向器排气面积测量装置的凸台结构示意图；

图6为涡轮导向器排气面积测量装置的安装示意图；

图7为声波传递损失-频率关系曲线图。

附图标记说明：空心软管1，上平板2，下平板3，凸台4，通道通孔41，共振腔通孔5，可压缩材料6，双头螺栓7，螺母8，声波传送通道91，声波入口端92，声波出口端93，亥姆霍兹共振腔94，共振腔颈部95，共振腔腔体96，导向叶片97，喉道宽度98。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的涡轮导向器排气面积测量装置进行说明。

图1所示为一个公知的亥姆霍兹共振腔结构，包括声波传送通道91和亥姆霍兹共振腔94，亥姆霍兹共振腔94的与声波传送通道91相接处有一个共振腔颈部95，声波通过声波传送通道91的声波入口端92进入，从声波出口端93传出，中间在经过共振腔颈部95时，会激励共振腔颈部95气体和共振腔腔体96内气体的振动，而不同频率的声波对应的能量传递损失也不同，某一特定频率的声波会恰好使腔内气体共振，由于阻尼作用能量消耗明显，相较其它频率的声波经过时幅值变化明显，即在声波传送通道入口端92与出口端93传递损失最大，则该频率为亥姆霍兹共振腔94的共振频率。

具体实施例：

如图2所示，本发明提供的涡轮导向器排气面积测量装置包括亥姆霍兹共振腔、声波传送通道91、凸台4，声波传送通道91在本实施例中采用空心软管1；

亥姆霍兹共振腔由两个沿待测导向叶片97之间喉道宽度98方向设置且互相平行的上平板2和下平板3、两个相邻的待测导向叶片97及其叶片上缘板、叶片下缘板组成，其中两个相邻的待测导向叶片97提供相对的两个面，叶片上缘板、叶片下缘板提供相对的两个面，再加上上平板2和下平板3一共组成六个面，围成一个亥姆霍兹共振腔，模拟了公知的亥姆霍兹共振腔结构，并且要求亥姆霍兹共振腔可放入通道内的喉部处；上平板2外表面开有一共振腔通孔5作为共振腔开口，所述共振腔通孔5的轴线均垂直于上平板2的顶面和底面；

空心软管1设置在上平板2外表面，用于给亥姆霍兹共振腔传送声波，空心软管1与上平板2相接触的部分有一圆形孔洞，声波通过该圆形孔洞进入共振腔通孔5；

凸台4设置在上平板2外表面，用于将空心软管1固定在上平板2外表面，保证声波能准确传入到亥姆霍兹共振腔中。

如图3所示，上平板2与下平板3之间通过三套双头螺栓7和螺母8连接固定，并且这三套双头螺栓7不得沿一条直线安装，以保证上平板与下平板之间的稳固，为最大化的稳固上平板2与下平板3并使其平行，双头螺栓7可按三角形的三个顶点的位置安装在靠近上平板2外沿的部位；每个双头螺栓7的中间设有台阶，通过所述台阶使上平板2与下平板3之间的距离保持不变。

如图4所示，上平板2、下平板3的与待测导向叶片97及其上缘板、下缘板的接触处设有可压缩材料6，如硬质橡胶，用于顺利的将亥姆霍兹共振腔放置到待测物的喉道处，并同时保证共振腔与待测导向叶片97之间的密封性，保护待测物的表面涂层，具体的，上平板2、下平板3的四周外沿都设有可压缩材料6，分别与涡轮导向器的两个相邻的叶片叶身、叶片上缘板、叶片下缘板紧密贴合；凸台4与上平板2为一体成型结构，凸台4侧面设有一通道通孔41，凸台4通过通道通孔41固定所述空心软管1，并保证空心软管1内的声波传播方向与共振腔通孔5轴线垂直。

凸台4可以有多种实施方式，如图5所示，凸台4可以为可拆装结构，凸台4可以根据需要从上平板2上拆下或装上，且凸台4可以通过紧固件紧固、焊接等方式安装。

涡轮导向器排气面积测量装置的具体安装方式如下：

首先将组装有凸台4的上平板2从叶片前缘侧缓缓推入至喉道附近位置，并使设有凸台4的一面朝外，以防止凸台4夹在上平板2与下平板3之间，直到上平板2两侧与叶身挤压表面压紧，然后将至少三个双头螺栓7分别装配到上平板2上，拧紧上平板2一侧的螺母8，然后将下平板3从叶片后缘侧缓缓推入，使其表面与双头螺栓7的台阶面紧密接触，并拧紧下平板3螺母一侧的螺母8，然后使空心软管1穿过凸台4侧面的通道通孔41。

本发明还提供了一种涡轮导向器排气面积测量方法，该测量方法包括以下步骤：

步骤一、构建亥姆霍兹共振腔及其开口处的空心软管1、凸台4；

步骤二，在空心软管1的入口端发送声波，通过空心软管1入口端和出口端的压力脉动传感器采集入射波与出射波声压信号，完成声压信号的时频变换，得出声压信号的传递损失与频率之间的关系，传递损失与频率之间的关系曲线图如图7所示，由此得出传递损失最大的共振频率f，

$f=\frac{c}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{S}{VL}}---\left(1\right);$

公式(1)中f为共振频率，c为声波传播速度，S为共振腔通孔5的截面积，L为共振腔通孔5的孔深，V为亥姆霍兹共振腔的容积；

步骤三，由公式(1)可推导出亥姆霍兹共振腔的容积V：

$V=\frac{c^{2}S}{4{\mathrm{\π}}^2{f}^{2}L}---\left(2\right);$

步骤四、在空心软管1入口端传入共振频率为f的声波，声波经过共振腔通孔5引起腔内气体共振，亥姆霍兹共振腔的内腔腔体高度为d₀，则排气面积S_hou为：

$S_{hou}=\frac{V}{d_0}+S_2---\left(3\right);$

公式(3)中S₂为三套双头螺栓7的中间台阶的截面积之和；

由公式(2)及公式(3)可推导出S_hou，

$S_{hou}=\frac{c^{2}S}{4{\mathrm{\π}}^2{f}^2{\mathrm{Ld}}_0}+S_2---\left(4\right).$

本发明所提供的涡轮导向器排气面积测量方法，其中的测量误差几乎可以忽略不计，声学测容积法测量误差可由下列公式推导得出，具体推导过程如下：

由公式(5)可得出：

并且因为ΔV＜＜V_真，因此由公式(6)可得出：

假设f_真＝200Hz，若使频率分辨率控制在0.1Hz以内，即令Δf＜0.1Hz，由公式(8)可知，容积测量误差可以被控制在千分之一以内，而目前这一目标通过计算机数据识别手段是可以达到的；如果分辨率更高，则容积测量误差可进一步降低，因此可以认为，声学测量容积法测量精度高，与其它误差相比，测量误差几乎可忽略不计。

并且，理论上，声学法要求公式(1)成立的基本要求是共振腔通孔5及共振腔的特征长度(或理解为任意方向的可测量长度)小于共振频率波波长(以避免空腔内出现驻波)；在此前提下，亥姆霍兹共振理论可认为是较严格成立的。测量时空腔内流体为空气，c＝340m/s，通常导向器叶片内围成空腔的特征长度小于0.2m，因此通常要求共振频率f＜1700Hz，但f不宜过大或过小，综合考虑共振腔设计时建议f取50Hz～200Hz，初步认为对于高导排气面积测量时最好在200Hz附近。

本发明提供的一种涡轮导向器排气面积测量装置及其测量方法，已在某型涡轮导向器上测试使用，测试的测量装置选取的参数如下：

亥姆霍兹共振腔的内腔腔体高度为d₀＝2mm；

共振腔通孔的孔深L＝2mm；

共振腔通孔截面积S＝π(1mm)²；

空心软管的内径R＝4mm；

共振频率f≈200～300Hz。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。