本發(fā)明涉及渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)向器測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種渦輪導(dǎo)向器排氣面積測(cè)量裝置及其測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)是一種廣泛應(yīng)用的動(dòng)力機(jī)械，其工作以空氣為介質(zhì)，通過一定的熱力循環(huán)，將化學(xué)能能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。其核心部件包括風(fēng)扇、燃燒室和燃?xì)鉁u輪部件。

而渦輪導(dǎo)向器的作用是改變高溫高壓燃?xì)鈿饬魉俣群头较颍瑸檗D(zhuǎn)子葉片進(jìn)口提供適當(dāng)?shù)臍饬鞣较?以便通過轉(zhuǎn)子時(shí)獲得大扭速)，同時(shí)改善渦輪轉(zhuǎn)子的工作條件。

對(duì)導(dǎo)向器進(jìn)行排氣面積測(cè)量，一方面控制導(dǎo)向葉片排氣角度，為轉(zhuǎn)子葉片提供設(shè)計(jì)要求的進(jìn)氣角度，保證渦輪性能，另一方面便于導(dǎo)向器組裝時(shí)選配葉片，控制導(dǎo)向器排氣面積。渦輪導(dǎo)向器的喉道是發(fā)動(dòng)機(jī)的“氣門”，喉道排氣面積直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況，是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中需要了解的十分重要的一個(gè)參數(shù)，而導(dǎo)向器排氣面積由喉道面積決定的，總的喉道面積之和為導(dǎo)向器的排氣面積。目前常用的測(cè)量方法是三坐標(biāo)法和標(biāo)準(zhǔn)樣件測(cè)具法等，存在操作過程復(fù)雜、自動(dòng)化程度低的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種渦輪導(dǎo)向器排氣面積測(cè)量裝置及其測(cè)量方法。

本發(fā)明提供的一種渦輪導(dǎo)向器排氣面積測(cè)量裝置，包括：

沿兩個(gè)待測(cè)導(dǎo)向葉片之間喉道寬度方向設(shè)置且互相平行的上平板和下平板，所述上平板、下平板、兩個(gè)待測(cè)導(dǎo)向葉片及其上緣板、下緣板之間構(gòu)成亥姆霍茲共振腔，上平板外表面開有一共振腔通孔作為共振腔開口，所述共振腔通孔的軸線均垂直于上平板的頂面和底面；

聲波傳送通道，設(shè)置在上平板外表面，用于給亥姆霍茲共振腔傳送聲波，聲波傳送通道表面與共振腔通孔接觸處開設(shè)有一圓形孔洞，聲波通過所述圓形孔洞進(jìn)入共振腔通孔，當(dāng)聲波傳送通道被固定在亥姆霍茲共振腔上時(shí)，圓形孔洞與共振腔通孔相重合；

凸臺(tái)，設(shè)置在上平板外表面，用于固定聲波傳送通道。

優(yōu)選的，上平板與下平板之間通過n套雙頭螺栓和螺母連接固定，n的取值范圍為n≥3，并且n套雙頭螺栓不得沿一條直線安裝，以保證上平板與下平板之間的穩(wěn)固，雙頭螺栓的中間設(shè)有臺(tái)階，通過所述臺(tái)階使上平板與下平板之間的距離保持不變。

優(yōu)選的，雙頭螺栓的數(shù)量n＝3，即用3套雙頭螺栓固定上平板和下平板。

優(yōu)選的，上平板、下平板的與待測(cè)導(dǎo)向葉片及其上緣板、下緣板的接觸處設(shè)有可壓縮材料，如硬質(zhì)橡膠，用于順利的將亥姆霍茲共振腔放置到待測(cè)物的喉道處，上平板的上、下側(cè)壁分別與待測(cè)導(dǎo)向葉片的上緣板、下緣板貼合接觸，上平板的左、右側(cè)壁分別與兩個(gè)待測(cè)導(dǎo)向葉片貼合接觸，因此上平板的四周外沿均設(shè)有可壓縮材料，用于保證共振腔與待測(cè)物之間的密封性，保護(hù)待測(cè)物的表面涂層，下平板的四周外沿也均設(shè)有可壓縮材料，同上平板一樣，

優(yōu)選的，聲波傳送通道為一空心軟管，凸臺(tái)側(cè)面設(shè)有一通道通孔，凸臺(tái)通過所述通道通孔固定所述空心軟管。

本發(fā)明還提供了一種渦輪導(dǎo)向器排氣面積測(cè)量方法，該測(cè)量方法包括如下步驟：

步驟一、構(gòu)建亥姆霍茲共振腔及其開口處的聲波傳送通道、凸臺(tái)；

步驟二，在聲波傳送通道的入口端發(fā)送聲波，通過聲波傳送通道入口端和出口端的壓力脈動(dòng)傳感器采集入射波與出射波聲壓信號(hào)，完成聲壓信號(hào)的時(shí)頻變換，得出聲壓信號(hào)的傳遞損失與頻率之間的關(guān)系，由此得出傳遞損失最大的共振頻率f，

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

公式(1)中f為共振頻率，c為聲波傳播速度，S為共振腔通孔的截面積，L為共振腔通孔的孔深，V為亥姆霍茲共振腔的容積；

步驟三，由公式(1)可推導(dǎo)出亥姆霍茲共振腔的容積V：

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

步驟四、在聲波傳送通道入口端傳入共振頻率為f的聲波，聲波經(jīng)過共振腔通孔引起腔內(nèi)氣體共振，亥姆霍茲共振腔的內(nèi)腔腔體高度為d₀，則排氣面積S_hou為：

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

公式(3)中S₂為亥姆霍茲共振腔內(nèi)全部障礙物的面積之和；

由公式(2)及公式(3)可推導(dǎo)出S_hou，

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

優(yōu)選的，在所述步驟四中，當(dāng)使用中間帶臺(tái)階的雙頭螺栓構(gòu)建亥姆霍茲共振腔時(shí)，S₂為n個(gè)雙頭螺栓臺(tái)階面積之和。

本發(fā)明提供的一種渦輪導(dǎo)向器排氣面積測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，利用聲學(xué)原理測(cè)量體積的方式間接測(cè)量導(dǎo)向器排氣面積，通過構(gòu)造亥姆霍茲共振腔結(jié)構(gòu)來測(cè)量氣體共振頻率，從而獲得相應(yīng)的容積值，具有自動(dòng)化程度高、測(cè)量過程操作簡(jiǎn)單、測(cè)量速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際生產(chǎn)過程中可以大大提高排氣面積測(cè)量效率。

附圖說明

圖1為公知的亥姆霍茲共振腔原理示意圖；

圖2為渦輪導(dǎo)向器排氣面積測(cè)量裝置的側(cè)面剖視圖；

圖3為渦輪導(dǎo)向器排氣面積測(cè)量裝置的俯視圖；

圖4為圖3的A-A剖視圖；

圖5為渦輪導(dǎo)向器排氣面積測(cè)量裝置的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為渦輪導(dǎo)向器排氣面積測(cè)量裝置的安裝示意圖；

圖7為聲波傳遞損失-頻率關(guān)系曲線圖。

附圖標(biāo)記說明：空心軟管1，上平板2，下平板3，凸臺(tái)4，通道通孔41，共振腔通孔5，可壓縮材料6，雙頭螺栓7，螺母8，聲波傳送通道91，聲波入口端92，聲波出口端93，亥姆霍茲共振腔94，共振腔頸部95，共振腔腔體96，導(dǎo)向葉片97，喉道寬度98。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的渦輪導(dǎo)向器排氣面積測(cè)量裝置進(jìn)行說明。

圖1所示為一個(gè)公知的亥姆霍茲共振腔結(jié)構(gòu)，包括聲波傳送通道91和亥姆霍茲共振腔94，亥姆霍茲共振腔94的與聲波傳送通道91相接處有一個(gè)共振腔頸部95，聲波通過聲波傳送通道91的聲波入口端92進(jìn)入，從聲波出口端93傳出，中間在經(jīng)過共振腔頸部95時(shí)，會(huì)激勵(lì)共振腔頸部95氣體和共振腔腔體96內(nèi)氣體的振動(dòng)，而不同頻率的聲波對(duì)應(yīng)的能量傳遞損失也不同，某一特定頻率的聲波會(huì)恰好使腔內(nèi)氣體共振，由于阻尼作用能量消耗明顯，相較其它頻率的聲波經(jīng)過時(shí)幅值變化明顯，即在聲波傳送通道入口端92與出口端93傳遞損失最大，則該頻率為亥姆霍茲共振腔94的共振頻率。

具體實(shí)施例：

如圖2所示，本發(fā)明提供的渦輪導(dǎo)向器排氣面積測(cè)量裝置包括亥姆霍茲共振腔、聲波傳送通道91、凸臺(tái)4，聲波傳送通道91在本實(shí)施例中采用空心軟管1；

亥姆霍茲共振腔由兩個(gè)沿待測(cè)導(dǎo)向葉片97之間喉道寬度98方向設(shè)置且互相平行的上平板2和下平板3、兩個(gè)相鄰的待測(cè)導(dǎo)向葉片97及其葉片上緣板、葉片下緣板組成，其中兩個(gè)相鄰的待測(cè)導(dǎo)向葉片97提供相對(duì)的兩個(gè)面，葉片上緣板、葉片下緣板提供相對(duì)的兩個(gè)面，再加上上平板2和下平板3一共組成六個(gè)面，圍成一個(gè)亥姆霍茲共振腔，模擬了公知的亥姆霍茲共振腔結(jié)構(gòu)，并且要求亥姆霍茲共振腔可放入通道內(nèi)的喉部處；上平板2外表面開有一共振腔通孔5作為共振腔開口，所述共振腔通孔5的軸線均垂直于上平板2的頂面和底面；

空心軟管1設(shè)置在上平板2外表面，用于給亥姆霍茲共振腔傳送聲波，空心軟管1與上平板2相接觸的部分有一圓形孔洞，聲波通過該圓形孔洞進(jìn)入共振腔通孔5；

凸臺(tái)4設(shè)置在上平板2外表面，用于將空心軟管1固定在上平板2外表面，保證聲波能準(zhǔn)確傳入到亥姆霍茲共振腔中。

如圖3所示，上平板2與下平板3之間通過三套雙頭螺栓7和螺母8連接固定，并且這三套雙頭螺栓7不得沿一條直線安裝，以保證上平板與下平板之間的穩(wěn)固，為最大化的穩(wěn)固上平板2與下平板3并使其平行，雙頭螺栓7可按三角形的三個(gè)頂點(diǎn)的位置安裝在靠近上平板2外沿的部位；每個(gè)雙頭螺栓7的中間設(shè)有臺(tái)階，通過所述臺(tái)階使上平板2與下平板3之間的距離保持不變。

如圖4所示，上平板2、下平板3的與待測(cè)導(dǎo)向葉片97及其上緣板、下緣板的接觸處設(shè)有可壓縮材料6，如硬質(zhì)橡膠，用于順利的將亥姆霍茲共振腔放置到待測(cè)物的喉道處，并同時(shí)保證共振腔與待測(cè)導(dǎo)向葉片97之間的密封性，保護(hù)待測(cè)物的表面涂層，具體的，上平板2、下平板3的四周外沿都設(shè)有可壓縮材料6，分別與渦輪導(dǎo)向器的兩個(gè)相鄰的葉片葉身、葉片上緣板、葉片下緣板緊密貼合；凸臺(tái)4與上平板2為一體成型結(jié)構(gòu)，凸臺(tái)4側(cè)面設(shè)有一通道通孔41，凸臺(tái)4通過通道通孔41固定所述空心軟管1，并保證空心軟管1內(nèi)的聲波傳播方向與共振腔通孔5軸線垂直。

凸臺(tái)4可以有多種實(shí)施方式，如圖5所示，凸臺(tái)4可以為可拆裝結(jié)構(gòu)，凸臺(tái)4可以根據(jù)需要從上平板2上拆下或裝上，且凸臺(tái)4可以通過緊固件緊固、焊接等方式安裝。

渦輪導(dǎo)向器排氣面積測(cè)量裝置的具體安裝方式如下：

首先將組裝有凸臺(tái)4的上平板2從葉片前緣側(cè)緩緩?fù)迫胫梁淼栏浇恢茫⑹乖O(shè)有凸臺(tái)4的一面朝外，以防止凸臺(tái)4夾在上平板2與下平板3之間，直到上平板2兩側(cè)與葉身擠壓表面壓緊，然后將至少三個(gè)雙頭螺栓7分別裝配到上平板2上，擰緊上平板2一側(cè)的螺母8，然后將下平板3從葉片后緣側(cè)緩緩?fù)迫耄蛊浔砻媾c雙頭螺栓7的臺(tái)階面緊密接觸，并擰緊下平板3螺母一側(cè)的螺母8，然后使空心軟管1穿過凸臺(tái)4側(cè)面的通道通孔41。

本發(fā)明還提供了一種渦輪導(dǎo)向器排氣面積測(cè)量方法，該測(cè)量方法包括以下步驟：

步驟一、構(gòu)建亥姆霍茲共振腔及其開口處的空心軟管1、凸臺(tái)4；

步驟二，在空心軟管1的入口端發(fā)送聲波，通過空心軟管1入口端和出口端的壓力脈動(dòng)傳感器采集入射波與出射波聲壓信號(hào)，完成聲壓信號(hào)的時(shí)頻變換，得出聲壓信號(hào)的傳遞損失與頻率之間的關(guān)系，傳遞損失與頻率之間的關(guān)系曲線圖如圖7所示，由此得出傳遞損失最大的共振頻率f，

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

公式(1)中f為共振頻率，c為聲波傳播速度，S為共振腔通孔5的截面積，L為共振腔通孔5的孔深，V為亥姆霍茲共振腔的容積；

步驟三，由公式(1)可推導(dǎo)出亥姆霍茲共振腔的容積V：

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

步驟四、在空心軟管1入口端傳入共振頻率為f的聲波，聲波經(jīng)過共振腔通孔5引起腔內(nèi)氣體共振，亥姆霍茲共振腔的內(nèi)腔腔體高度為d₀，則排氣面積S_hou為：

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

公式(3)中S₂為三套雙頭螺栓7的中間臺(tái)階的截面積之和；

由公式(2)及公式(3)可推導(dǎo)出S_hou，

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

本發(fā)明所提供的渦輪導(dǎo)向器排氣面積測(cè)量方法，其中的測(cè)量誤差幾乎可以忽略不計(jì)，聲學(xué)測(cè)容積法測(cè)量誤差可由下列公式推導(dǎo)得出，具體推導(dǎo)過程如下：

由公式(5)可得出：

并且因?yàn)棣＜＜V_真，因此由公式(6)可得出：

假設(shè)f_真＝200Hz，若使頻率分辨率控制在0.1Hz以內(nèi)，即令Δf＜0.1Hz，由公式(8)可知，容積測(cè)量誤差可以被控制在千分之一以內(nèi)，而目前這一目標(biāo)通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)識(shí)別手段是可以達(dá)到的；如果分辨率更高，則容積測(cè)量誤差可進(jìn)一步降低，因此可以認(rèn)為，聲學(xué)測(cè)量容積法測(cè)量精度高，與其它誤差相比，測(cè)量誤差幾乎可忽略不計(jì)。

并且，理論上，聲學(xué)法要求公式(1)成立的基本要求是共振腔通孔5及共振腔的特征長(zhǎng)度(或理解為任意方向的可測(cè)量長(zhǎng)度)小于共振頻率波波長(zhǎng)(以避免空腔內(nèi)出現(xiàn)駐波)；在此前提下，亥姆霍茲共振理論可認(rèn)為是較嚴(yán)格成立的。測(cè)量時(shí)空腔內(nèi)流體為空氣，c＝340m/s，通常導(dǎo)向器葉片內(nèi)圍成空腔的特征長(zhǎng)度小于0.2m，因此通常要求共振頻率f＜1700Hz，但f不宜過大或過小，綜合考慮共振腔設(shè)計(jì)時(shí)建議f取50Hz～200Hz，初步認(rèn)為對(duì)于高導(dǎo)排氣面積測(cè)量時(shí)最好在200Hz附近。

本發(fā)明提供的一種渦輪導(dǎo)向器排氣面積測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，已在某型渦輪導(dǎo)向器上測(cè)試使用，測(cè)試的測(cè)量裝置選取的參數(shù)如下：

亥姆霍茲共振腔的內(nèi)腔腔體高度為d₀＝2mm；

共振腔通孔的孔深L＝2mm；

共振腔通孔截面積S＝π(1mm)²；

空心軟管的內(nèi)徑R＝4mm；

共振頻率f≈200～300Hz。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。