一种叶片泵瞬态流场同步精确测量装置与方法.pdf

本发明提供了一种叶片泵瞬态流场同步精确测量装置与方法，包括试验装置系统、变转速工况转轴相位锁定装置和PIV测量系统；试验装置系统包括电机、模型泵、管路系统和稳压罐；电机的电机轴后端连接模型泵；模型泵通过管路系统连接稳压罐；变转速工况转轴相位锁定装置包括点光源激光器、动圆盘和点激光接收器；动圆盘的圆周外缘设有多个圆孔；动圆盘垂直于电机轴且固定在电机轴的前端；点光源激光器位于动圆盘的外侧，激光接收器位于动圆盘的内侧，点光源激光器和激光接收器在同一水平线上；PIV测量系统连接变转速工况转轴相位锁定装置。该装置可准确测量输出叶片泵启动、停机过程的叶片泵转速参数，实现不同转速下同相位瞬态流场的数据采集。

权利要求书
1.  一种叶片泵瞬态流场同步精确测量装置，其特征在于，包括试验装置系统、变转速工况转轴相位锁定装置和PIV测量系统；
所述试验装置系统包括电机(5)、模型泵(6)、管路系统(7)和稳压罐(8)；所述电机(5)的电机轴(1)后端连接模型泵(6)；所述模型泵(6)通过管路系统(7)连接稳压罐(8)共同构成循环水路；
所述变转速工况转轴相位锁定装置包括点光源激光器(2)、动圆盘(3)和激光接收器(4)；所述动圆盘(3)的圆周外缘分布有多个圆孔；所述动圆盘(3)垂直于电机轴(1)且固定在电机轴(1)的前端；所述点光源激光器(2)位于动圆盘(3)的外侧，用于发射平行于电机轴(1)的激光射线；所述激光接收器(4)位于动圆盘(3)的内侧，用于将接收到的激光射线转换为脉冲信号输出给瞬态流场同步触发及转速输出装置(12)；所述点光源激光器(2)和激光接收器(4)在同一水平线上；
所述PIV测量系统包括计算机(9)、CCD相机(10)、面光源激光器(11)和瞬态流场同步触发及转速输出装置(12)；所述计算机(9)、CCD相机(10)和瞬态流场同步触发及转速输出装置(12)三者互相连接；所述点光源激光器(2)、激光接收器(4)和面光源激光器(11)均与瞬态流场同步触发及转速输出装置(12)相连；所述瞬态流场同步触发及转速输出装置(12)用于触发点光源激光器(2)和面光源激光器(11)发射激光，将激光接收器(4)发出的脉冲信号传递至计算机(9)；所述计算机(9)用于计算脉冲信号、输出叶片泵的瞬态转速和时间，同时控制CCD相机(10)同步采集瞬态流场信息，并将流场信息输出。

2.  根据权利要求1所述的一种叶片泵瞬态流场同步精确测量装置，其特征在于，所述动圆盘(3)的圆周外缘均匀分布有多个圆孔。

3.  根据权利要求1所述的一种叶片泵瞬态流场同步精确测量装置，其特征在于，所述动圆盘(3)通过平键与电机轴(1)相连。

4.  一种叶片泵瞬态流场同步精确测量方法，其特征在于，包含如下步骤：
S1：将所述动圆盘(3)垂直固定在电机轴(1)一端随电机轴(1)旋转；计算机(9)控制瞬态流场同步触发及转速输出装置(12)触发点光源激光器(2)发射平行于电机轴(1)的激光射线，激光射线穿过动圆盘(3)外缘的圆孔后光信号被激光接收器(4)接收；
S2：激光接收器(4)将接收到的光信号转换为脉冲信号并通过瞬态流场同步触发及转速输出装置(12)将该脉冲信号传递至计算机(9)；计算机(9)计算并输出叶片泵的瞬态转速和时间；
S3：当计算机(9)接收到的脉冲数量达到设定值D时，计算机(9)控制瞬态流场同步触发及转速输出装置(12)触发面光源激光器(11)发射激光；同时，计算机(9)控制CCD 相机(10)同步采集瞬态流场信息；
S4：CCD相机(10)采集到的流场信息由计算机(9)显示屏输出，实现不同转速下同相位瞬时流场测量。

5.  根据权利要求4所述的一种叶片泵瞬态流场同步精确测量方法，其特征在于，步骤S2中所述计算机(9)计算叶片泵的瞬态转速公式为：瞬时转速nt＝60×z/(N×T)，其中，z为一个计时单位中包含的脉冲数量，取1≤z≤3；T为计时单位，单位为s；N为动圆盘(3)圆周外缘的圆孔数目。

6.  根据权利要求4所述的一种叶片泵瞬态流场同步精确测量方法，其特征在于，步骤S3中所述设定值D为：D＝i+j×N，i＜N，j＝0,1,2,3...n；其中i为初始相位时计算机(9)接收到脉冲信号的个数；N为动圆盘(3)圆周外缘的圆孔数，n为自然数。

说明书一种叶片泵瞬态流场同步精确测量装置与方法
技术领域
本发明属于流体机械(泵)内部瞬态流动规律领域，尤其是涉及一种叶片泵瞬态流场同步精确测量装置与方法。
背景技术
叶片泵启动、停机过程作为一类特殊的瞬态过程，可为特殊的应用场合提供瞬时流体动力，比如武器发射、舰船喷水推进等场合。由于瞬态启动、停机过程在很短的时间内使叶片泵的转速发生很大的改变，叶轮流道间的流动呈现旋转加速度急剧变化的复杂状态，特征雷诺数从零迅速增加到上百万，泵内部流动从层流状态迅速转变为复杂的三维非定常湍流流动，不仅伴随着水击、二次流、空化、动静干涉等复杂的物理现象，而且伴随着强烈的噪声和振动，严重时甚至引起开机的失败。因此，掌握叶片泵启动、停机过程瞬态流场的物理结构与演化过程对抑制启动、停机过程瞬态效应催生的水力激振、冲击负载和空化破坏对泵装置和管路系统的危害具有重要意义。目前，PIV(ParticleImageVelocity)即粒子图像测速技术已广泛应用于叶片泵的内部流动测量中，且稳态转速下叶片泵内部流场的PIV测量技术已经相当成熟，申请号为201220175767.4的实用新型专利“离心泵PIV试验定位锁相装置”解决了转速达到设定的稳态转速时同相位流场定位和拍摄，实现该方法的前提条件是叶片泵的转速是已知的、恒定的，但对叶片泵启动、停机过程的瞬态流场PIV测量存在一些问题，首先初始流场相位不好确定，不能解决轴编码器初始相位与激光触发拍摄相位之间的相位差问题，使得启动初始流场(未满一周)测量难以控制，启动后可能需要转动350°圆周轴编码器初始相位才能与激光触发拍摄相位重合，也可能转动10°圆周后轴编码器初始相位已经与激光触发拍摄相位重合，这将会导致较大的测量误差；其次不能实时输出叶片泵转速参数，不能将时间、转速与瞬态流场数据相关起来。因此，如何确保从启动到加速过程中不同转速下测试数据为同相位流场数据并实时获得转速数据是瞬态流场准确成功测试的关键。目前一部分现有技术中虽具有流场实时数据采集的功能，但没有实现不同转速下同相位瞬态流场的数据采集功能。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种叶片泵瞬态流场同步精确测量装置与方法，捕捉叶片泵启动、停机过程瞬态流场的演化特征，解决启停过程初始相位流场难以准确测量、不能实时输出叶片泵转速参数等问题，实现不同转速下同相位流场的参数采集。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种叶片泵瞬态流场同步精确测量装置，包括试验装置系统、变转速工况转轴相位锁定装置和PIV测量系统；
所述试验装置系统包括电机、模型泵、管路系统和稳压罐；所述电机的电机轴后端连接模型泵；所述模型泵通过管路系统连接稳压罐共同构成循环水路；
所述变转速工况转轴相位锁定装置包括点光源激光器、动圆盘和激光接收器；所述动圆盘的圆周外缘分布有多个圆孔；所述动圆盘垂直于电机轴且固定在电机轴的前端；所述点光源激光器位于动圆盘的外侧，用于发射平行于电机轴的激光射线；所述激光接收器位于动圆盘的内侧，用于将接收到的激光射线转换为脉冲信号输出给瞬态流场同步触发及转速输出装置；所述点光源激光器和激光接收器在同一水平线上；
所述PIV测量系统包括计算机、CCD相机、面光源激光器和瞬态流场同步触发及转速输出装置；所述计算机、CCD相机和瞬态流场同步触发及转速输出装置三者互相连接；所述点光源激光器、激光接收器和面光源激光器均与瞬态流场同步触发及转速输出装置相连；所述瞬态流场同步触发及转速输出装置用于触发点光源激光器和面光源激光器发射激光，将激光接收器发出的脉冲信号传递至计算机；所述计算机用于计算脉冲信号、输出叶片泵的瞬态转速和时间，同时控制CCD相机同步采集瞬态流场信息，并将流场信息输出。
优选的，所述动圆盘的圆周外缘均匀分布有多个圆孔。
优选的，所述动圆盘通过平键与电机轴相连。
一种叶片泵瞬态流场同步精确测量方法，包含如下步骤：
S1：将所述动圆盘垂直固定在电机轴一端随电机轴旋转；计算机控制瞬态流场同步触发及转速输出装置触发点光源激光器发射平行于电机轴的激光射线，激光射线穿过动圆盘外缘的圆孔后光信号被激光接收器接收；
S2：激光接收器将接收到的光信号转换为脉冲信号并通过瞬态流场同步触发及转速输出装置将该脉冲信号传递至计算机；计算机计算并输出叶片泵的瞬态转速和时间；
S3：当计算机接收到的脉冲数量达到设定值D时，计算机控制瞬态流场同步触发及转速输出装置触发面光源激光器发射激光；同时，计算机控制CCD相机同步采集瞬态流场信息；
S4：CCD相机采集到的流场信息由计算机显示屏输出，实现不同转速下同相位瞬时流场测量。
优选的，步骤S2中所述计算机计算叶片泵的瞬态转速公式为：瞬时转速nt＝60×z/(N×T)，其中，z为一个计时单位中包含的脉冲数量，取1≤z≤3；T为计时单位，单位为s；N为动圆盘圆周外缘的圆孔数目。
优选的，步骤S3中所述设定值D为：D＝i+j×N，i＜N，j＝0,1,2,3...n；其中i为初始相位时计算机接收到脉冲信号的个数；N为动圆盘圆周外缘的圆孔数，n为自然数。
本发明的有益效果：
本发明所述的一种叶片泵瞬态流场同步精确测量装置与方法，通过在电机轴前端垂直固定设置的动圆盘两侧布置点光源激光器和激光接收器，由此构成变转速工况转轴相位锁定装置，并将该装置连接PIV测量系统，实现了流场初始相位的准确定位和启动或停机状态下任意相位角的瞬态同相位流场的准确测量，从而获得不同转速下同相位流场的参数采集；此外，动圆盘上圆孔数量越多则测量精度越高。
附图说明
图1为本发明所述叶片泵瞬态流场同步精确测量装置的结构示意图。
图2为本发明所述变转速工况转轴相位锁定装置的结构示意图。
图3为本发明所述动圆盘结构示意图。
附图标记说明如下：
1-电机轴，2-点光源激光器，3-动圆盘，4-激光接收器，5-电机，6-模型泵，7-管路系统，8-稳压罐，9-计算机，10-CCD相机，11-面光源激光器，12-瞬态流场同步触发及转速输出装置。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种叶片泵瞬态流场同步精确测量装置，包括试验装置系统、变转速工况转轴相位锁定装置和PIV测量系统；所述变转速工况转轴相位锁定装置与试验装置系统连接，又分别与PIV测量系统连接，通过PIV测量系统实现瞬态流场数据采集。
所述试验装置系统包括电机5、模型泵6、管路系统7和稳压罐8；所述电机5的电机轴1后端连接模型泵6；所述模型泵6通过管路系统7连接稳压罐8共同构成循环水路；电机5具有变频调速功能用于驱动模型泵6工作。
如图2所示，所述变转速工况转轴相位锁定装置包括点光源激光器2、动圆盘3和激光接收器4；如图3所示，所述动圆盘3的圆周外缘均匀分布有N个圆孔；所述动圆盘3垂直于电机轴1且通过平键固定在电机轴1的前端；所述点光源激光器2位于动圆盘3的外侧，用于发射平行于电机轴1的激光射线；所述激光接收器4位于动圆盘3的内侧，用于接收点光源激光器2发射的经过圆孔的激光；所述点光源激光器2和激光接收器4在同一水平线上。
所述PIV测量系统包括计算机9、CCD相机10、面光源激光器11和瞬态流场同步触发及转速输出装置12；所述计算机9、CCD相机10和瞬态流场同步触发及转速输出装置12三者互相连接；所述点光源激光器2、激光接收器4和面光源激光器11均与瞬态流场同步触发及转速输出装置12相连；所述瞬态流场同步触发及转速输出装置12分别触发点光源激光器2和面光源激光器11发射激光，并将激光接收器4接收到的的脉冲信号传递至计算机9；所述计算机9用于计算脉冲信号、输出叶片泵的瞬态转速和时间，同时控制CCD相机10同步采集瞬态流场信息，并将流场信息输出；所述CCD相机10用于将采集的流场信息传递至计算机9。
一种叶片泵瞬态流场同步精确测量方法，包含如下步骤：
S1：将所述动圆盘3垂直固定在电机轴1一端随电机轴1旋转；计算机9控制瞬态流场同步触发及转速输出装置12触发点光源激光器2发射平行于电机轴1的激光射线，激光射线穿过动圆盘3外缘的圆孔后光信号被激光接收器4接收；
S2：激光接收器4将接收到的光信号转换为脉冲信号输出给瞬态流场同步触发及转速输出装置12，计算机9接收瞬态流场同步触发及转速输出装置12传递的脉冲信号，计算并输出叶片泵的瞬态转速和时间；
瞬态转速为输出同步光信号时的泵转速，为了准确测量，假设T为计时单位，单位为s；z为一个计时单位中包含的脉冲数量，取1≤z≤3；动圆盘3圆周外缘的圆孔数为N，则瞬时转速nt＝60×z/(N×T)。关于瞬态转速，推导式如下：①每脉冲用时tm＝T/z，②每转用时tz＝tm×N，③瞬时转速nt＝60/tz＝60×z/(N×T)。对应该瞬态转速的时间为相对时间，为输出第一个同步脉冲信号到当前同步脉冲之间的时间间隔(精确到毫秒)。
S3：当计算机9接收到的脉冲数量达到设定值D时，计算机9控制瞬态流场同步触发及转速输出装置12触发面光源激光器11发射激光；同时，计算机9控制CCD相机10同步采集瞬态流场信息；
其中所述设定值D为：D＝i+j×N，i＜N，j＝0,1,2,3...n；其中i为初始相位时计算机9接收到脉冲信号的个数；N为动圆盘3圆周外缘的圆孔数，n为自然数。
S4：CCD相机10采集到的流场信息由计算机9显示屏输出，由此获得不同转速下同相位流场的瞬时信息；动圆盘3上圆孔数量越多可测单位相位角越小则测量精度越高。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。