专利名称：涡轮叶片横截面积的测定方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及涡轮叶片横截面积的测定方法，更具体地涉及一种沿其长度连续测定变截面扭曲型涡轮叶片的横截面积的方法及其装置。
众所周知，涡轮机中的涡轮叶片和涡轮盘的固有振动频率不仅取决于该特定涡轮叶片或涡轮盘的大小和形状，而且取决于它的振动方式。由于这种固有振动频率一般约为500～1000赫芝的级别，因此，叶片所受到的多次重复应力(即脉动应力循环)将迅速达到此种涡轮机所使用的大部分常规材料的疲劳极限。例如，很有可能会遇到每小时106次脉动应力循环的情况。
在有巨大的向心载荷作用的情况下(例如在常规的蒸汽涡轮运转中)，叶片和涡轮盘组件的机械减振和气动减振常常要由叶片和涡轮盘组件的材料来承担。此外，如果一个叶片或涡轮盘组件受到一个与它的某一个基本固有频率很接近的频率的激发，那么就会产生很大振幅的振动和很高的振动应力，从而导致叶片或涡轮盘组件的疲劳破坏。这种激发因素最好予以避免，因为在叶片试制期间发现严重振动应力的情况下，它们会进一步要求对叶片进行费用昂贵的消除谐振。
在采用“独立式”的涡轮叶片以前，通常涡轮叶片都是沿着它们的长度上的几个间断点一个叶片同另一个叶片相连接。因此，对它们的固有振动频率的范围並没有提出许多问题。但是，随着“独立式”叶片的出现(即叶片除了与转子连接以外，不再与相邻叶片相连接)，人们对于各个单个叶片的振动特性的关心逐渐增加。这种关心对于叶片几何形状极其复杂的变截面扭曲型叶片构型来说特别重要，因为这种叶片沿长度上的质量分布可能会影响到它的基本强度和它对振动所引起的应力的抵抗能力以及它的基本振动特性。
为了尽量减少这种由于振动而产生的应力所带来的各种问题，过去制造厂家对于叶片尺寸的质量控制给予了严格的注意。目前，由本发明的受让人所使用的一种方法称为“万能划线”，它由沿着叶片长度上的各选定点围绕着叶片的翼剖面的精确划线所构成。这种方法可以按下列方式完成围绕其重心轴线转动该叶片，在许多选定点上测定该给定翼剖面所包围的面积，画出这些已测定面积与它们在叶片长度上的位置的关系曲线图，並且假定在任意两个给定点之间的面积分布按线性关系变化。
上述方法存在着某些明显的问题。第一，对叶片的翼剖面进行划线是一个极慢的过程。例如，对于任意给定的叶片来说，尽管只需取少数横截面积的数据点，但是对于一个中等尺寸的叶片沿着其全长的划线过程却需要几个小时。因此，所生产的一批叶片中只有很有限的几个试样可以进行测量。这个过程不但是费时间的，而且由于所统计的试样组的叶片数量少，增加了制造出不合格涡轮叶片的可能性。第二，如本文上面关于“万能划线”法中所叙述的，这里假定在任意两个给定点之间的面积分布是按线性关系变化的(即径向减小)。显然，通常的情况是，任何一个已加工好的叶片，其横截面积分布按线性变化的可能性是很小的。
因此，本发明的主要目的是提供一种可沿其整个长度测定涡轮叶片的横截面积的方法和装置。
以此为目的，本发明可归结为对于浸入一定体积的液体中的一个具有复杂形状的三维物体沿着其长度测定其横截面积的一种方法，该方法的特征在于测定一个代表量(dw)，它代表已被浸入物体的长度变化(dy)相对应的被物体替代的上述预定体积的变化(dv)，並且将各测定值输入到一个计算机装置中去计算横截面积，该面积是该物体浸入液体中的距离的函数。
众所周知，物体的浮力就是作用于浸浸在(或浮在)静止液体中的物体上的合成垂直力。因此，体积变化率的测定可根据为叶片所替代的那部分液体体积的重量变化率来确定。把体积变化率的测定和对叶片长度的测量恰当地结合在一起就可以连续地给出该叶片沿其长度的横截面积。
通过对仅作为例子示于下面附图中的最佳实施例的说明，本发明将更加容易清楚，附图中
图1用图解说明了作用于浸在盛有某种液体的容器中的变截面扭曲型涡轮叶片上的各种力，以便测定该叶片沿其长度上的横截面积;
图2示出了本发明的一个最佳实施例中的装置，该装置可用来连续地测定示于图1中的变截面扭曲型涡轮叶片的横截面积。
图1为盛有某种液体12的容器10的局部剖视图，有一个变截面扭曲型涡轮叶片14浸入在该容器中，以便按照本发明来确定它的横截面积。从图1可以清楚地看到，叶片14只是部分地浸入到液体12中，它具有浸入液体中的第一部分14a和浮在液体上的第二部分14b，两部分之间由中间部分14c隔开。中间部分14c代表被容器10中的液体12的水平面所切割的叶片14的那个截面。
众所周知，独立式涡轮叶片(例如示于图1中的变截面扭曲型叶片14)沿其长度(从叶片顶部14d到它的根部14e)的各个横截面积是连续变化的。因此，叶片14的任意一段给定的体积与该叶片14的横截面积及叶片的长度的关系可由下面的方程式表示V= (Y2)/(Y1) Acdy(1)式中Y1与Y2是长度参数，Ac是叶片的横截面积，它是叶片长度Y的函数，V是包含在该段中的总体积。
根据微积分学的基本原理，我们知道，如果Ac是Y的连续函数(变截面扭曲型涡轮叶片14就是这种情况)，可得(dv)/(dy) ｜y＊=Ac(y＊)(2)因此，叶片14沿其长度上的任意点y＊处的横截面积可以通过求解方程式(2)的体积导数而确定。其一阶导数可以近似写成
当我们同著名的阿基米德原理(该原理可表述为浸入某种液体中的物体，其重量的表观减轻等于它所排开的该液体的重量)一起连系起来研究时，上述变截面扭曲型涡轮叶片的横截面积与其长度的关系就可以按照本发明的一个重要方面来近似地应用。这种重量的表观减轻或浮力就是物体被浸入或浮在其中的静止液体作用于该物体上的向上的合力所产生的。因此，显而易见，通过求出叶片14的等效体积变化率，我们就可以方便而又连续地求得叶片14沿其长度的横截面积。
上面的叙述可以解释如下。根据基本的流体力学原理，众所周知，静止液体的液体静压力随着其深度的变化率可由下列方程给出(dp)/(dh) ＝ρg (4)
式中ρ为该液体的密度，g为当地的重力加速度。然后假定ρ为常数，则压力P可由下面的关系式确定P＝Patm+ρgh(5)式中Patm是大气压力，h表示该液体表面下的深度。
由于单位体积元dv可以用dA(h2-h1)来表示，因而浮力FV的变化与下列方程有关dFV＝(Patm+ρgh2)dA-(Patm+ρgh1)dA＝ρg(h2-h1)dA (6)浮力Fv的变化还与叶片14浸入液体12中的这部分体积变化有关，如下式所示dFv＝ρgdv (7)或dw＝dFv＝ρgdv (8)因而，通过测定浸入液体12内部的叶片14的重量变化dw，我们就可以利用关系式(8)来确定叶片14的等效体积变化率，並当把它和对叶片14的长度测量恰当地结合在一起时就可以连续地求得该叶片14沿其长度上的横截面积。
参照图2，我们按照本发明的一个最佳实施例来叙述用于连续地确定变截面扭曲型涡轮叶片的横截面积的装置。
此时在当注意到，这里所叙述的是考虑了某些准则而改进了的装置。变截面扭曲型涡轮叶片的横截面积测定装置就是这样，任何一种能够连续测定变截面扭曲型叶片的横截面积的装置必须具有能输送这种涡轮叶片的能力，该叶片的长度范围约为5～45英寸，叶片横截面积的范围约为0.1～0.2平方英寸，叶片的各横截面积从最大实体状态到最小实体状态与标称状态的尺寸偏离范围为±10%。此外，该方法必须迅速而准确(例如每个叶片约5分钟)，用于该装置中的各种器件应当符合工业标准，所用的液体12必须具有环境安全性，以防止对于叶片材料性能的有害影响。例如，所用的液体12中应当不含氯化物。
如图2所示，容器10中装有某种液体12(例如水)，其液面高度为L，该容器中所含液体体积应显著地大于被测定叶片14的体积。由于水与叶片的相对密度(即水的密度为叶片14密度的15%)可使叶片14向上浮起，因此最好是用水，但是，根据本发明，任何具有较小的相对密度的液体12都同样可以使用。叶片14被悬挂在一个可把它缓慢地浸入液体12中的装置上。该浸入装置通常包括三个滑轮18、20及22，叶片14和与叶片14的实际重量相对应的重物26之间通过绕在这些滑轮上的金属丝24连接在一起。另一种方式是，重物26的重量可以大于叶片的重量，以便保证叶片浸入液体12中时不会把重物26向上拉起。该浸入装置还包括装置28，它可使滑轮20移动，以便把叶片14浸入液体12中，並且当测定工作完成时把叶片从液体中取出来。在叶片14浸入液体12的整个过程中，滑轮18和22是固定的。
为测定叶片14由于浮力而产生的重量表观变化dw，用天平30来支承重物26，把一个与单位时间的重量变化相对应的信号(即dw/dt)输入计算机装置32中。叶片在单位时间内的重量表观变化 (dw)/(dt) (或只是dw，如果叶片是逐渐浸入容器中的话)与 (dy)/(dt) (或在逐渐浸入的情况下，只是dy)一起输入计算机装置中，dw/dt与dy/dt的商与横截面积Ac(y＊)成正比(dw/dt)/(dy/dt) ＝Pg (dv/dt)/(dy/dt) .PgAc(y＊) (9)通过该方程解出Ac(y＊)，计算机即可求出浸入液体12中的叶片14沿其长度y逐渐变化的横截面积。例如当叶片14开始浸入时，並不能求得横截面积，直到叶片14浸入的量产生逐渐增加的变化量dy时，才能求得横截面积。此后，当把叶片14连续地浸入液体中时，就可以求得连续的或许多的横截面积。沿着叶片14长度上选择不同的点，就可以得到不同的横截面积，或者通过叶片14连续地浸入液体中，方程(9)沿叶片14的长度按选定的间隔进行计算，就可以得到一个横截面积的连续的模拟剖面。
同样，该方法也可以用逐步地浸入叶片的方式进行，即移动装置使叶片浸入液体dy，並且把dy输入跟踪着y＊的计算机装置中。天平30输入一个代替液体体积变化的新的重量表示式，据此可以算出dw。然后，A(y＊)可以按下式计算A(y＊)＝ (dw)/(dy·Pg)根据本发明上述的方程式(9)，计算机装置32可以相应地拟定程序，这样当确定了由于天平30和移动装置28使叶片移动所排出的液体12的总体积(它是y的函数)后，沿叶片14长度上的任意点y＊处的一阶导数就可以求出，因而就可以得出叶片14在y＊点位置上的横截面积。虽然在图2中所示出的是数字计算机装置32，但此时应当注意，模拟计算机也同样可以使用。例如，因为表示单位时间内叶片14的重量变化率的信号/电压与时间有关，它可以用带有微分电路的模拟计算机装置很容易地算出，所以数字计算机装置32可以方便地用这种模拟计算机装置来代替。
虽然只图示和说明了本发明的一个特定的实施例，但是，在本发明规定的精神和范围之内，人们可以作出各种更改。例如，叶片14可以只悬挂在一个空容器10内，而将某种液体12注入该容器中。在这种情况下，三个滑轮18、20和22都应始终保持静止。但是，为避免在容器10的内部产生紊流以及为使由紊流引起的任何不稳定性有足够的时间来消除掉，在把液体12注入容器10中时必须小心。在两种情况下叶片都应当不“淹没”而应当将全部浮力通过浸入装置向上传送。因此，权利要求书中打算包括所有的这些更改。这样，把涡轮叶片或物体浸入容器中的工序可以包括图中所说明的技术方法或用相对于叶片(或物体)提高液面高度的浸入方法。
权利要求
1.一种测定三维物体(14)沿其长度上的横截面积的方法，该物体具有复杂的形状，並且被浸入一定体积的某种液体(12)中，其特征在于测定一个代表量(dw)，它代表与被浸入物体的长度变化(dy)相对应的被物体替代的上述预定体积的变化(dv)，並且将各测定值输入到一个计算机装置(32)中去计算横截面积，该面积是该物体浸入液体中的距离的函数。
2.一种如权利要求1所述的方法，其特征在于上述液体的体积应当显著地大于该物体的体积。
3.一种如权利要求1所述的方法，其特征在于上述液体所具有的预定密度小于该物体的密度的约15%。
4.一种如权利要求1所述的方法，其特征在于所述液体包括水。
5.一种用来对具有复杂形状的三维物体(14)上的选定点确定其横截面积的装置，它包括一个装有一定体积液体(12)的容器(10);及用来把物体以预定的速率浸入容器(10)中以便连续地将一个上述选定点浸入该液体中的装置(24，20，28)，其特征在于装置(26、30)用来测定物体(14)被浸入在容器(10)内部的相应两点之间时所替代的体积;及装置(32)用来计算所测出的变化量与预定速率的商数;因而该商数与沿物体长度所选定的两点之间的横截面积相对应。
6.一种如权利要求5中所述的装置，其特征在于上述物体(14)被悬挂在金属丝(24)的一端，金属丝的另一端与一个重物(26)相连接，该重物的重量至少应与物体(14)的实际重量相一致;及一个与移动装置(28)相连接的滑轮(20)，上述金属丝(24)绕在该滑轮装置上，从而把移动装置(28)的移动传给物体(14)。
7.一种如权利要求6中所述的装置，其特征在于上述重物(26)放置在天平(30)上，天平内包括用来输出物体浸入容器中时所产生的重量变化信号的装置，这种重量变化是与所替代体积的变化相对应的。
8.一种如权利要求5、6或7中所述的装置，其特征在于上述计算装置(32)包括一个数字计算机，用来接受来自输出装置的物体重量变化信号及预定速率信号。
全文摘要
一种用来测定涡轮叶片的各横截面积的方法及其装置。把叶片浸入其中含有一定量水的容器中，通过计算作用在叶片上的浮力变化，就可以求得沿着叶片长度上的两个选定点之间的横截面积。
文档编号G01B13/20GK1035157SQ88108760
公开日1989年8月30日 申请日期1988年12月23日 优先权日1987年12月24日
发明者菲利浦·罗德尼·拉特力夫, 乔治·阿诺德·比西斯 申请人:西屋电气公司