旋转叶片表面脉动压力场分布实时测量装置
阅读说明：本技术 旋转叶片表面脉动压力场分布实时测量装置 (Real-time measuring device for surface pulsating pressure field distribution of rotating blade ) 是由 荆建平 张博宏 从继庆 吴法勇 杨明绥 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种旋转叶片表面脉动压力场分布实时测量装置,包括旋转叶片、转轴、薄膜传感器、电滑环、信号调理采集系统；薄膜传感器安装在旋转叶片的两侧；旋转叶片随转轴转动；电滑环安装在转轴上；薄膜传感器与电滑环连接,电滑环与信号调理采集系统连接。本发明测量叶片在真实情况下实际流场对旋转叶片表面的脉动压力场,对改善叶片结构设计,提升旋转机械的性能具有重要意义。(The invention discloses a real-time measuring device for the surface pulsating pressure field distribution of a rotating blade, which comprises the rotating blade, a rotating shaft, a film sensor, an electric slip ring and a signal conditioning and acquiring system, wherein the rotating blade is provided with a rotating shaft and a rotating shaft; the film sensors are arranged on two sides of the rotating blade; the rotating blades rotate along with the rotating shaft; the electric slip ring is arranged on the rotating shaft; the film sensor is connected with the electric slip ring, and the electric slip ring is connected with the signal conditioning and collecting system. The method for measuring the pulsating pressure field of the actual flow field of the blade on the surface of the rotating blade under the real condition has important significance for improving the structural design of the blade and improving the performance of the rotating machine.)
技术领域
本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种旋转叶片表面脉动压力场分布实时测量装置。
背景技术
旋转机械在现代社会中起着举足轻重的作用，旋转机械包括航空发动机、压气机、汽轮机、风机等各类在交通运输与工业生产中起着重要作用的工业设备，在航空航天、石油发电、冶金等领域均为核心动力源。在工作过程中，不均匀以及不稳定的气流将作用在旋转叶片表面产生脉动压力，激起叶片振动或导致叶片发生疲劳损伤，引起旋转机械故障，影响工业生产甚至危及人身安全。因此测量旋转叶片表面脉动压力场分布对于提高叶片稳定性与叶片强度及寿命具有重要意义，也可以给旋转叶片的设计和旋转机械的性能提高提供指导。
由于旋转叶片在工作过程中做高速旋转运动，因此旋转叶片表面脉动压力场分布测量十分困难；通常使用Kulite传感器等动态压力传感器的测试方法在安装传感器时会破坏叶片结构；且测量时由于Kulite传感器体积相对较大，会影响旋转叶片气动外形，从而对叶片实际流场产生严重影响，并且可以布置的Kulite传感器数量不足，不能有效描述整个叶片的压力场；此外Kulite传感器质量相对较大，受到离心力影响较高，风险较大；基于压力敏感涂料的测量技术虽然能够捕捉整只叶片的压力分布，但是整个测试系统布置麻烦，在旋转机械内流场这种高速气流冲击及旋转运动离心力的作用下，压力敏感涂料的脱落也是一个很大的问题，因此现有手段均无法很好地测量旋转叶片表面脉动压力场分布。
发明内容
针对现有手段均无法很好地测量旋转叶片表面脉动压力场分布，本发明提出了一种旋转叶片表面脉动压力场分布实时测量装置。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种旋转叶片表面脉动压力场分布实时测量装置，包括旋转叶片、转轴、薄膜传感器、电滑环、信号调理采集系统；所述薄膜传感器安装在所述旋转叶片的两侧；所述旋转叶片随所述转轴转动；所述电滑环安装在所述转轴上；所述薄膜传感器与所述电滑环连接，所述电滑环与所述信号调理采集系统连接。
较佳的，所述信号调理采集系统包括信号调理电路、数据采集设备和信号处理设备；所述电滑环与所述信号调理电路连接，所述信号调理电路与所述数据采集设备连接，所述数据采集设备与所述信号处理设备连接。
较佳的，所述薄膜传感器包括上级面薄膜、基材薄膜、下级面薄膜和屏蔽薄膜；所述基材薄膜设置在所述上级面薄膜和所述下级面薄膜之间；所述基材薄膜上设有热敏材料和压电材料；所述上级面薄膜上设有第一电极单元，与所述压电材料相接触；所述下级面薄膜上设有第二电极单元，与所述压电材料相接触；所述屏蔽薄膜将所述上级面薄膜、基材薄膜和所述下级面薄膜三者整体包覆。
较佳的，所述基材薄膜设有第一孔洞和第二孔洞；所述第一孔洞阵列布置；所述压电材料分别布置在所述第一孔洞内；所述热敏材料布置在所述第二孔洞内。
较佳的，所述热敏材料由基材引线独立引出；所述第一电极单元分别由独立的正极引线各自引出；所述第二电极单元相互连接，并统一由负极引线引出；所述正极引线、负极引线和所述基材引线汇总在转子引线中，将电信号输入电滑环转子。
较佳的，所述压电材料与所述基材薄膜厚度相同。
较佳的，所述上级面薄膜和所述下级面薄膜均采用绝缘材料制成。
较佳的，所述薄膜传感器的一侧通过高强度胶粘贴在所述旋转叶片表面。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明将薄膜传感器安装到旋转叶片表面并封装，结合电滑环，可以在旋转叶片做旋转运动过程中，实时测量旋转叶片表面脉动压力场分布，且不影响旋转叶片表面的流场流动情况，从而能够测出更加真实与准确的旋转叶片表面脉动压力场分布，为后续旋转叶片结构优化与提升叶片设计水平提供真实而而准确的实验数据；
本发明脉动压力测点布置成阵列式，由于脉动压力测点具有尺寸小、厚度薄的特点，可以在薄膜传感器中布置大量测点，更加准确的测得旋转叶片表面压力场分布情况，且将屏蔽薄膜集成在薄膜传感器内部，使输出信号中噪声小，提高薄膜传感器信噪比；
本发明采用得薄膜传感器由于其厚度较小，因此可以测量如旋转叶片表面等空间狭小位置得动态压力，减小测量受空间影响的程度；
本发明提供的薄膜传感器内含温度测点，可以实时测量薄膜传感器工作温度，根据温度信息，可以通过定制软件实时修正薄膜传感器特性参数，从而使实时显示的信号更加准确；
本发明提供的薄膜传感器安装时无需破坏叶片表面，且通过高强度胶安装，使得厚度薄、质量轻的柔性传感器能够较为方便的安装在旋转叶片表面，且有较好的贴合度。
当然，实施本发明的任一方案并不一定要达到以上所述的全部优点。
附图说明
图1为本发明一实施例中转子结构主视图；
图2为本发明一实施例中转子结构左视图；
图3为本发明一实施例中转子结构俯视图；
图4为本发明一实施例中基材薄膜示意图；
图5为本发明一实施例中上级面薄膜示意图；
图6为本发明一实施例中下级面薄膜示意图；
图7为本发明一实施例中屏蔽薄膜示意图；
图8为本发明一实施例中薄膜传感器整体示意图；
图9为本发明一实施例中薄膜传感器安装主视图；
图10为本发明一实施例中薄膜传感器安装左视图；
图11为本发明一实施例中薄膜传感器安装俯视图；
图12为图11中局部图A的放大图；
图13为本发明一实施例中薄膜传感器的连接示意图。
图中，1-转轴；2-旋转叶片；3-薄膜传感器；4-基材薄膜；5-上级面薄膜；6-下级面薄膜；7-屏蔽薄膜；8-第一孔洞；9-第二孔洞；10-基材引线；11-第一电极单元；12-上级面引线；13-第二电极单元；14-下级面引线；15-温度测点；16-脉动压力测点；17-电滑环定子；18-电滑环转子；19-转子引线；20-定子引线；21-信号调理采集系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
以下请综合参考如图1至图13所示，一种旋转叶片表面脉动压力场分布实时测量装置，包括旋转叶片2、转轴1、薄膜传感器3、电滑环、信号调理采集系统21；薄膜传感器3安装在旋转叶片2的两侧；旋转叶片2随转轴1转动；电滑环安装在转轴1上；薄膜传感器3与电滑环连接，电滑环与信号调理采集系统21连接。
工作原理：
当旋转叶片2运转时，旋转叶片2做旋转运动，旋转叶片2表面薄膜传感器3中的脉动压力测点16受到脉动压力场的作用，通过压电效应，将脉动压力信号转化为压力电信号输出；温度测点15检测薄膜传感器3温度，通过温度传感器特性，将薄膜传感器3工作温度转化为温度电信号输出；薄膜传感器3输出的压力电信号和温度电信号通过转子引线19连接电滑环转子18部分；电滑环同轴设置在转子转轴1部分，旋转机械运转时，电滑环转子18与旋转叶片2绕转轴1同轴转动，且两者转动同步同速进行，电滑环定子17部分与旋转机械中固定部分连接，旋转机械运转时，电滑环定子17部分不动；电滑环定子17部分通过定子引线20连接信号调理采集系统21，通过这种途径可以将随旋转叶片2做旋转运动的薄膜传感器3输出的电信号输出到固定的信号调理采集系统21中，对信号进行处理、采集与显示。
在一个实施例中，信号调理采集系统21包括信号调理电路、数据采集设备和信号处理设备；电滑环与信号调理电路连接，信号调理电路与数据采集设备连接，数据采集设备与信号处理设备连接。
本实施例中，信号调理电路用于将薄膜传感器3输出的电信号进行调理，增强信号可识别性；数据采集设备的作用是对模拟电信号进行模数转换；信号处理设备中的定制软件可根据温度测点15输出的温度信息实时修正传感器特性数值，并对修正后的数字信号进行处理并实时显示。
在一个实施例中，参考图4至图8，薄膜传感器3包括上级面薄膜5、基材薄膜4、下级面薄膜6和屏蔽薄膜7；基材薄膜4设置在上级面薄膜5和下级面薄膜6之间；基材薄膜4上设有热敏材料和压电材料；上级面薄膜5上设有第一电极单元11，与压电材料相接触；下级面薄膜6上设有第二电极单元13，与压电材料相接触；屏蔽薄膜7将上级面薄膜5、基材薄膜4和下级面薄膜6三者整体包覆。
本实施例中，上级面薄膜5、基材薄膜4和下级面薄膜6三者尺寸、形状相同；上级面薄膜5通过电镀方式设置第一电极单元11，下级面薄膜6通过电镀方式设置第二电极单元13，电极由导电材料制成，第一电极单元11和第二电极单元13的分布、尺寸及形状与基材薄膜4上第一孔洞8的分布、尺寸及形状相匹配；上级面薄膜5和下级面薄膜6上的电极单元均需要与所匹配的压电材料相接触，形成脉动压力测点16；这里的薄膜传感器3是对称设计的，可以对折贴到旋转叶片2的两侧，在其他实施例中，旋转叶片2两侧的薄膜传感器3可以单独设计，对此不进行限制；压电材料是一种对不同压力产生不同电信号的薄膜材料，其没有固定型号，尺寸、大小和形状均可以自由设定；同理，热敏材料是一种对不同温度产生不同电信号的薄膜材料，其也没有固定型号，尺寸、大小和形状均可以自由设定。
在一个实施例中，基材薄膜4设有第一孔洞8和第二孔洞9；第一孔洞8阵列布置；压电材料分别布置在第一孔洞8内；热敏材料布置在第二孔洞9内。
本实施例中，基材薄膜4上根据脉动压力测点16的数量、形状及尺寸的需要开有数量、形状及尺寸相同的第一孔洞8；压电材料镶嵌在第一孔洞8内；热敏材料镶嵌在第二孔洞9内，形成温度测点15；脉动压力测点16与温度测点15数量、分布与形状根据实际来设计；由于需要测量的是压力场分布情况，所以需要阵列布置第一孔洞8，以便压电材料阵列布置在第一孔洞8内，从而实现对旋转叶片2表面脉动压力场分布情况的测量。
在一个实施例中，热敏材料由基材引线10独立引出；第一电极单元11分别由独立的正极引线各自引出；第二电极单元13相互连接，并统一由负极引线引出；正极引线、负极引线和基材引线10汇总在转子引线19中，将电信号输入电滑环转子18。
本实施例中，上级面薄膜5成为薄膜传感器3的正极，下级面薄膜6成为薄膜传感器3的负极，在本发明的其他实施例中，可以将上级面薄膜5设计为薄膜传感器3的负极，下级面薄膜6设计为薄膜传感器3的正极，对此不进行限制；通过转子引线19将安装在旋转叶片2表面上的薄膜传感器3中脉动压力测点16与温度测点15的信号引出，并连接到电滑环转子18部分；电滑环定子17部分通过定子引线20将输入电滑环的电信号传导至信号调理采集系统21；
在一个实施例中，压电材料与基材薄膜4厚度相同。
本实施例中，压电材料与薄膜厚度相同，热敏材料也与基材薄膜4厚度相同，分布镶嵌在第一孔洞8和第二孔洞9中，在不改变旋转叶片2表面形状的同时，也使得薄膜传感器3的厚度更薄，从而更加能够真实测量在真实工作情况下实际流场对旋转叶片2表面的脉动压力场，对改善叶片结构设计，提升旋转机械的性能具有重要意义。
在一个实施例中，上级面薄膜5和下级面薄膜6均采用绝缘材料制成。
本实施例中，上级面薄膜5和下级面薄膜6均采用绝缘材料，可以防止产生静电，可以防尘防水，有利于热敏材料和压电材料保持优良的工作性能，从而获得精准的测量数据。
在一个实施例中，薄膜传感器3的一侧通过高强度胶粘贴在旋转叶片2表面。
本实施例中，薄膜传感器3的一侧通过高强度胶粘贴到旋转叶片2表面，由于薄膜传感器3厚度很薄，且通过高强度胶的粘贴使得薄膜传感器3能够完全符合旋转叶片2表面外形。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。