一种压气机叶尖流场分布实时测量装置及方法
【专利摘要】本发明提供了一种压气机叶尖流场分布实时测量装置及方法，通过在压气机的动叶叶尖对应着的机匣内侧壁上设置凹槽，并在凹槽内安装薄膜传感器；其中，薄膜传感器上设置有至少一个压电传感器单元和至少一个温度传感器单元，压电传感单元用于将叶尖流场压力转换成压力电信号输出，温度传感器单元用于将叶尖环境温度转换成温度电信号输出；再通过一信号采集系统，接收薄膜传感器传上的压力电信号和温度电信号，并将其转换成数字信号，实现在电脑上显示。本发明能够在不破坏气流流场本身流动、边界条件和压力分布等特性条件下，准确测量压气机动态气流流场压力分布情况，对于提高压气机动特性预报精度，提升压气机设计水平具有重要的理论意义和实用价值。
【专利说明】
一种压气机叶尖流场分布实时测量装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及压气机技术领域，特别涉及一种压气机叶尖流场分布实时测量装置及方法。
【背景技术】
[0002]压气机是航空发动机的重要组成部分，利用高速旋转的叶片给空气作功以实现提高空气压力的功能，对提高发动机的气动性能有着重要意义。其动态特性对于发动机的整体动态特性具有十分显著的影响。其一般由转子和静子两部分组成，其中转子包括转子轴和动叶，静子包括机匣和静叶等。为防止动叶与机匣碰撞，压气机中的转子高速旋转时需留有一定的间隙，其叶尖压力分布一直是压气机研究领域的热点。由于其工作机理相当复杂仍然难以通过理论计算预测，结构密封限制也使得实验测量十分困难。叶尖流场分布对压气机性能和稳定性都有重要影响，如何测量流场压力分布对压气机的气动性能和效率至关重要，也可给压气机的设计和航空发动机的性能提高提供指导。
[0003]由于叶尖结构的复杂及旋涡的相互作用，发动机失稳问题仍未得到很好的解决，已严重制约了民用和国防航空关键设备如发动机、燃气轮机、汽轮机的研制水平。因此深入研究压气机叶尖动态气流压力分布的实时测量方法对于促进转子动力学的发展，提高压气机流场分布预测的精度具有重要的理论意义和实用价值。目前的研究方法主要有三种:理论模型、数值模拟和实验测量(如微型五孔压力探针测量法)等，然而压气机在实际工作中气流流场分布的情况会有所不同，因此无法实时的获取气流压力的精确值。目前压气机叶尖压力的获取，多依赖于理论计算和间接测量，无论在精度与实时性方面都存在较大的局限性。
【发明内容】
[0004]为了解决上述问题，本发明提供了一种压气机叶尖流场分布实时测量装置，包括:
至少一个薄膜传感器，设置在与压气机动叶的叶尖相对位置处的机匣内侧壁上；所述薄膜传感器上设置有至少一个压电传感器单元和至少一个温度传感器单元，所述压电传感器单元用于将叶尖流场压力转换成压力电信号输出，所述温度传感器单元用于将叶尖环境温度转换成温度电信号输出；
信号采集系统，连接所述薄膜传感器，接收来自所述薄膜传感器的压力电信号和温度电信号并将其转换成数字信号输出。
[0005]较佳地，所述压气机包括静子和同轴设置在静子内的转子；所述静子包括有机匣和设置在所述机匣内侧壁上的若干静叶，所述转子包括转轴和设置在转轴上的若干动叶，所述静叶与所述动叶交错布置，所述转子相对于静子转动。
[0006]较佳地，所述机匣内侧壁上沿圆周方向设置有一凹槽，所述薄膜传感器设置在所述凹槽内，且所述薄膜传感器与所述动叶叶尖相对。
[0007]较佳地，所述薄膜传感器的外侧面上涂有耐磨胶，且所述耐磨胶固化后形成的弧面与所述机匣内侧壁的内径相同。
[0008]较佳地，所述薄膜传感器上设置有两个及两个以上的压电传感器单元，且两个及两个以上的传感器单元呈矩阵式布置；所述薄膜传感器上设置有一个温度传感器，且所述温度传感器靠近其中一个压电传感器设置。
[0009]较佳地，所述薄膜传感器包括上级面、PV膜层和下级面，所述PV膜层设置在所述上级面和所述下级面之间；
所述PV膜层上设置有分别与所述压力传感器单元、温度传感器单元数目一致的第一通孔、第二通孔，所述第一通孔内设置有压电性材料，所述第二通孔内设置有热敏性材料，且所述压电性材料和热敏性材料的厚度与所述PV膜层的厚度一致；
所述上级面和下级面上与所述第一通孔、第二通孔对应位置处均设置铜制面，所述上级面和下级面上的铜制面与第一通孔内的压电性材料电连接形成压电传感器单元，所述上极面和下级面上的铜制面与第二通孔内的热敏材料电连接形成温度传感器单元；所述上级面和下级面上的铜制面均通过引线连接所述信号采集系统。
[0010]较佳地，所述上级面上的各个铜制面分别通过一引线输出连接所述信号采集系统，所述下级面上的各个铜制面相互电连后再通过一引线输出连接所述信号采集系统。
[0011]较佳地，所述压电性材料采用PVDF压电薄膜，所述热敏性材料采用N1-Al热敏薄膜。
[0012]较佳地，所述上级面、下级面均采用PET保护膜。
[0013]较佳地，所述信号采集系统包括有信号调理电路、数据采集装置，所述信号调理电路用于将薄膜传感器输出的含有噪音的电信号进行处理并转换成可识别电信号，所述数据采集装置用于将可识别电信号转换成数字信号，最终在电脑上显示。
[0014]本发明还提供了一种压气机叶尖流场分布实时测量方法，采用如上所述的压气机叶尖流场分布实时测量装置，具体包括以下步骤:
步骤一、在压气机内至少一处与压气机动叶的叶尖相对的机匣内侧壁上开设置凹槽；步骤二、在凹槽内安装薄膜传感器，并在薄膜传感器表面涂上耐磨胶；压气机启动后动叶叶尖产生流场气压，薄膜传感器将叶尖的流场压力和环境温度转换成电信号输出；
步骤三、通过信号采集系统接收薄膜传感器传输过来的电信号，并将接收到的电信号转换成数字信号，实现在电脑上显示。
[0015]较佳地，步骤二进一步包括:在耐磨胶固化后，将机匣内侧壁整体切削成同一内径。
[0016]较佳地，步骤三进一步包括:信息采集系统先将薄膜传感器输出的含有噪音的电信号进行处理并转换成可识别电信号，再将可识别的电信号转换成数字信号。
[0017]本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果:
1、本发明提供了一种压气机叶尖流场脉动压力分布的实时测量装置及方法，将薄膜传感器安装到机匣内侧壁凹槽内并封装，使得薄膜传感器的安装不影响整个压气机系统的动力学特性，能够在不破坏气流边界、本身流动及压力分布的情况下，准确测量出叶尖气流流场的压力分布情况，从而为后续的气流压力、气流动态特性等相关研究提供准确的实验数据；
2、本发明中的各传感器单元(包括压电传感器单元和温度传感器单元)布置成阵列式，使得薄膜传感器具有较高的灵敏度、具有较宽的频响带宽，准确测量出压气机动态气流流场力的分布情况；而且本发明中的传感器单元采用回路共用形式连接，从而可在有限的空间内更为有效的排列分布各传感器单元；
3、本发明提供的薄膜传感器上不仅设置有压电传感器单元，还通过温度传感器单元的设置，方便实时测出对应的温度，为压气机内的气流压力、气流动态特性等相关研究提供准确的实验数据；
4、本发明提供的薄膜传感器厚度较薄，质轻柔软方便切割，更易于满足尺寸方面的要求，可制作成任意形状或者大小的传感元件，能够很好的和各种粘接剂相互粘结，且传感器材料成本较低。
[0018]
【附图说明】
[0019]结合附图，通过下文的详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特征和优点，其中:
图1为本发明中压气机二维结构图；
图2为本发明中薄膜传感器安装示意图；
图3为本发明中薄膜传感器的整体示意图；
图4为本发明中薄膜传感器上极面的示意图；
图5为本发明中薄膜传感器PV膜层的示意图；
图6为本发明中薄膜传感器下极面的示意图。
[0020]
【具体实施方式】
[0021]参见本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以通过许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。
[0022]参照图1，通常压气机包括同轴设置的静子和转子，转子位于静子内；其中，静子包括有机匣I和设置在机匣I内侧壁上的若干静叶2，转子包括转轴3和设置在转轴3外侧壁上的若干动叶4，轴向上静叶2与动叶4相间隔开来设置；同时，为了防止转子在转动过程中与机匣I内侧壁相撞，动叶4的叶尖与机匣I的内侧壁之间设置有间隙。
[0023]本发明提出了一种压气机叶尖流场分布实时测量装置，用于更精确地测量动叶叶尖流场动态压力分布，从而识别发动机内压气机叶尖的流场分布动态特性。参照图2-6，该测量装置包括有信号采集系统和至少一个薄膜传感器5，薄膜传感器5用于将压气机叶尖处的压力和温度转换成电信号，并输送给信号采集电路，信号采集电路再将获得的电信号转化为数字信号实现在电脑上显示。
[0024]薄膜传感器5设置在与动叶4叶尖相对的机匣I内侧壁上，薄膜传感器5沿机匣I内侧壁的圆周方向布置，如图1-2中所示。具体的，机匣5内侧壁圆周方向上设置有凹槽，薄膜传感器5的一侧通过双面胶层粘贴到该凹槽内；优选的，双面胶层采用3M 300LSE/9495胶，且此胶有极佳的初粘性和持粘性，且可长期抗高温耐温度变化；当然，双面胶层也可采用其他类型的胶，薄膜传感器5也可采用除双面胶以外其他的连接结构来安装到凹槽内，此处均不作限制。薄膜传感器的外侧面上还涂有一层耐磨胶，待耐磨胶固化后形成的弧面内径与机匣5内侧壁的内径一致，具体可通过对机匣5的内侧壁进行整体磨削成相同直径来实现，以保证机匣5内侧壁的平整光滑，防止妨碍动叶正常转动。其中，薄膜传感器5的尺寸可根据具体情况来设定，此处不作限制；薄膜传感器5的设置数目也不作限制，每个动叶4叶尖对应位置处均可布置有一个薄膜传感器5，也可以根据具体情况选择性的布置。本发明将薄膜传感器安装到机匣内侧壁凹槽内并封装，使得薄膜传感器的安装不影响整个压气机系统的动力学特性，能够在不破坏气流边界、本身流动及压力分布的情况下，准确测量出叶尖气流流场的压力分布情况。
[0025]在本实施例中，薄膜传感器5上设置有至少一个压电传感器单元501和至少一个温度传感器单元502。具体的，薄膜传感器5包括上级面505、PV膜层506和下级面507，PV膜层506设置在上级面505和下级面507之间。
[0026]PV膜层上激光镂刻有至少一个第一通孔5061和至少一个第二通孔5062，第一通孔5061和第二通孔5062可以为矩形孔、圆形孔等，其具体尺寸也可根据具体情况来设定，此处均不作限制；第一通孔5061内填充有压电性材料用于形成压电传感器单元501，第二通孔5062内填充有热敏性材料用于形成温度传感器单元502，且压电性材料和热敏性材料的设置厚度与PV膜层506的厚度一致。
[0027]对于压电性材料和热敏性材料具体采用哪一种材料此处不作严格的限制，在本实施例中，优选地压电性材料选用PVDF压电薄膜，热敏性材料选用N1-Al热敏薄膜，将PVDF压电薄膜和N1-Al热敏薄膜剪切成分别与第一通孔5061、第二通孔5062相同个数及尺寸大小的单元，分别放置于第一通孔5061、第二通孔5062内，PV膜层506与PVDF压电薄膜、N1-Al热敏薄膜厚度相同。
[0028]上级面505和下级面507分别设置在PV膜层506的上下面上，上级面505和下级面507均可采用绝缘薄膜材料，并电镀上电极层，上级面505和下级面507与PV膜层506之间通过导电银浆或者低温高效导电胶等方式相连，从而使得上级面505和下级面507构成薄膜传感器5的正负极；优选的，绝缘薄膜材料可选用PET保护膜等，此处不作限制。
[0029]上级面505上与PV膜层506上第一通孔5061、第二通孔5062对应位置处均光刻有形状、尺寸、数目一致的铜制面5051 ;同样的，下级面507上与PV膜层506上第一通孔5061、第二通孔5062对应位置处均光刻有形状、尺寸、数目一致的铜制面5061 ;铜制面5051、铜制面5061与设在第一通孔5061内的压电性材料、设置在第二通孔5062内的热敏性材料通过导电银浆或者低温高效导电胶等方式相连，从构成了若干个压电传感器单元501和温度传感器单元502。
[0030]在本实施例中，压电传感器单元501和温度传感器单元502的设置数目均可根据具体情况进行设置，压电传感器单元501以尽可能小的尺寸及尽可能多的数量呈矩阵式布置在机匣5上，有利于更加精确的测量气流流场压力的分布；每个压电传感器单元501附近可配备设置有一温度传感器单元502，整个薄膜传感器5也可只设置有一个温度传感器单元502，此处根据具体实际情况来设置。在本实施例中，压电传感器单元的个数为18个，18个压电传感器单元501阵列为一个3*6的周向矩阵分布；温度传感器单元502个数为I个，一个温度传感器单元502测量的气流温度可作为实际各压电传感器单元501的温度来进行分析。
[0031]在本实施例中，薄膜传感器5的端部设置有压接端子504，压接端子504可采用标准间距2.54mm的针状、孔状金属端子，此处不作限制；如图4中所示，上级面505作为薄膜传感器5的正极，上级面505上的每个铜制面5051分别通过引线503连接到压接端子504上，并通过压接端子504引出，其中引线503具体可采用电镀银浆引线等方式实现，此处不作限制。如图6中所示，下级面507作为薄膜传感器的负极，下级面507上的若干铜制面5071采用回路共用的方式进行信号的传输，即下级面507上的若干铜制面5071之间通过引线503相连后再通过一引线连接到压接端子504上输出；本发明薄膜传感器5负极采用回路共用的方式，有利于在有限空间内排列分布较多的走线，有利于降低成本。上述提到的各引线具体可采用电镀银浆引线等方式实现，此处不作限制。
[0032]在本实施例中，当动子转动的时候，动叶4的叶尖产生流场压力，薄膜传感器5上的压电传感器单元501受到流场压力后，会有电荷产生，并通过压接端子504将压力电信号输出；温度传感器单元502同时感应环境温度，并通过压接端子504输出温度电信号。薄膜传感器5端部的压接端子504再通过引线连接设置在压气机外部的信号采集系统，将压力电信号和温度电信号传输给信号采集系统，其中引线从机匣5壁内走线并引出。信号采集系统包括有信号调理电路、数据采集装置等，信号调理电路用于将薄膜传感器输出的含有噪音的电信号进行处理并转换成可识别电信号，数据采集装置用于将可识别电信号转换成数字信号，最终在电脑上显示，从而获得动叶叶尖压力分布情况以及温度情况。
[0033]
本发明还提出一种压气机叶尖流场分布实时测量方法，具体包括以下步骤:
步骤一、在压气机内至少一处与压气机动叶的叶尖相对的机匣内侧壁上开设置凹槽；步骤二、在凹槽内安装薄膜传感器，并在薄膜传感器表面涂上耐磨胶；在耐磨胶固化后，将机匣内侧壁整体切削成同一内径；压气机启动后动叶叶尖产生流场气压，薄膜传感器将叶尖的流场压力和环境温度转换成电信号输出；
步骤三、通过信号采集系统接收薄膜传感器传输过来的电信号，信息采集系统先将薄膜传感器输出的含有噪音的电信号进行处理并转换成可识别电信号，再将可识别的电信号转换成数字信号实现在电脑上显示。
[0034]综上，本发明提供的一种压气机叶尖流场分布实时测量装置及方法，在压气机叶尖流场分布研究领域与现有技术相比，具备以下有益效果:
1、本发明提供了一种压气机叶尖流场脉动压力分布的实时测量装置及方法，将薄膜传感器安装到机匣内侧壁凹槽内并封装，使得薄膜传感器的安装不影响整个压气机系统的动力学特性，能够在不破坏气流边界、本身流动及压力分布的情况下，准确测量出叶尖气流流场的压力分布情况，从而为后续的气流压力、气流动态特性等相关研究提供准确的实验数据；
2、本发明中的各传感器单元(包括压电传感器单元和温度传感器单元)布置成阵列式，使得薄膜传感器具有较高的灵敏度、具有较宽的频响带宽，准确测量出压气机动态气流流场力的分布情况；而且本发明中的传感器单元采用回路共用形式连接，从而可在有限的空间内更为有效的排列分布各传感器单元；
3、本发明提供的薄膜传感器上不仅设置有压电传感器单元，还通过温度传感器单元的设置，方便实时测出对应的温度，为压气机内的气流压力、气流动态特性等相关研究提供准确的实验数据；
4、本发明提供的薄膜传感器厚度较薄，质轻柔软方便切割，更易于满足尺寸方面的要求，可制作成任意形状或者大小的传感元件，能够很好的和各种粘接剂相互粘结，且传感器材料成本较低。
[0035]本技术领域的技术人员应理解，本发明可以通过许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神或范围。尽管已描述了本发明的实施例，应理解本发明不应限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明精神和范围之内作出变化和修改。
【主权项】
1.一种压气机叶尖流场分布实时测量装置，其特征在于，包括: 至少一个薄膜传感器，设置在与压气机动叶的叶尖相对位置处的机匣内侧壁上；所述薄膜传感器上设置有至少一个压电传感器单元和至少一个温度传感器单元，所述压电传感器单元用于将叶尖流场压力转换成压力电信号输出，所述温度传感器单元用于将叶尖环境温度转换成温度电信号输出； 信号采集系统，连接所述薄膜传感器，接收来自所述薄膜传感器的压力电信号和温度电信号并将其转换成数字信号输出。2.据权利要求1所述的压气机叶尖流场分布实时测量装置，其特征在于，所述压气机包括静子和同轴设置在静子内的转子；所述静子包括有机匣和设置在所述机匣内侧壁上的若干静叶，所述转子包括转轴和设置在转轴上的若干动叶，所述静叶与所述动叶交错布置，所述转子相对于静子转动。3.据权利要求1所述的压气机叶尖流场分布实时测量装置，其特征在于，所述机匣内侧壁上沿圆周方向设置有一凹槽，所述薄膜传感器设置在所述凹槽内，且所述薄膜传感器与所述动叶叶尖相对。4.据权利要求3所述的压气机叶尖流场分布实时测量装置，其特征在于，所述薄膜传感器的外侧面上涂有耐磨胶，且所述耐磨胶固化后形成的弧面与所述机匣内侧壁的内径相同。5.据权利要求1所述的压气机叶尖流场分布实时测量装置，其特征在于，所述薄膜传感器上设置有两个及两个以上的压电传感器单元，且两个及两个以上的传感器单元呈矩阵式布置；所述薄膜传感器上设置有一个温度传感器，且所述温度传感器靠近其中一个压电传感器设置。6.据权利要求1所述的压气机叶尖流场分布实时测量装置，其特征在于，所述薄膜传感器包括上级面、PV膜层和下级面，所述PV膜层设置在所述上级面和所述下级面之间； 所述PV膜层上设置有分别与所述压力传感器单元、温度传感器单元数目一致的第一通孔、第二通孔，所述第一通孔内设置有压电性材料，所述第二通孔内设置有热敏性材料，且所述压电性材料和热敏性材料的厚度与所述PV膜层的厚度一致； 所述上级面和下级面上与所述第一通孔、第二通孔对应位置处均设置铜制面，所述上级面和下级面上的铜制面与第一通孔内的压电性材料电连接形成压电传感器单元，所述上极面和下级面上的铜制面与第二通孔内的热敏材料电连接形成温度传感器单元；所述上级面和下级面上的铜制面均通过引线连接所述信号采集系统。7.据权利要求6所述的压气机叶尖流场分布实时测量装置，其特征在于，所述上级面上的各个铜制面分别通过一引线输出连接所述信号采集系统，所述下级面上的各个铜制面相互电连后再通过一引线输出连接所述信号采集系统。8.据权利要求6所述的压气机叶尖流场分布实时测量装置，其特征在于，所述压电性材料采用PVDF压电薄膜，所述热敏性材料采用N1-Al热敏薄膜。9.据权利要求6所述的压气机叶尖流场分布实时测量装置，其特征在于，所述上级面、下级面均采用PET保护膜。10.据权利要求1所述的压气机叶尖流场分布实时测量装置，其特征在于，所述信号采集系统包括有信号调理电路、数据采集装置，所述信号调理电路用于将薄膜传感器输出的含有噪音的电信号进行处理并转换成可识别电信号，所述数据采集装置用于将可识别电信号转换成数字信号，最终在电脑上显示。11.一种压气机叶尖流场分布实时测量方法，其特征在于，采用权利要求1-10中任意一项所述的压气机叶尖流场分布实时测量装置，具体包括以下步骤: 步骤一、在压气机内至少一处与压气机动叶的叶尖相对的机匣内侧壁上开设置凹槽； 步骤二、在凹槽内安装薄膜传感器，并在薄膜传感器表面涂上耐磨胶；压气机启动后动叶叶尖产生流场气压，薄膜传感器将叶尖的流场压力和环境温度转换成电信号输出； 步骤三、通过信号采集系统接收薄膜传感器传输过来的电信号，并将接收到的电信号转换成数字信号，实现在电脑上显示。12.据权利要求11所述的压气机叶尖流场分布实时测量方法，其特征在于，步骤二进一步包括:在耐磨胶固化后，将机匣内侧壁整体切削成同一内径。13.据权利要求11所述的压气机叶尖流场分布实时测量方法，其特征在于，步骤三进一步包括:信息采集系统先将薄膜传感器输出的含有噪音的电信号进行处理并转换成可识别电信号，再将可识别的电信号转换成数字信号。
【文档编号】G01M9/06GK106092493SQ201510210892
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2015年4月29日
【发明人】荆建平, 季超, 王志强
【申请人】上海交通大学