专利名称：一种旋转状态下的压力测量方法
技术领域：
本发明涉及压カ测量领域，具体来说，对应变式压力传感器进行旋转状态下的标定以得到不同转速下传感器输出信号与实际感受压カ值对应关系的标定曲线，利用该标定曲线可准确测得旋转状态下的压力，尤其适用于航空发动机涡轮盘等旋转部件的压カ测量。
背景技术：
随着技术的进步，提高涡轮前燃气温度已成为改善现代航 空发动机性能的重要途径，但同时也会造成涡轮盘热负荷过大等负面影响。为了保证涡轮的安全可靠工作，除在涡轮材料上进行改进之外，对涡轮盘的冷却也相当重要。为了改进冷却结构设计、減少对冷却气量的需求，进而提高发动机的性能，需要深入了解不同涡轮盘腔结构中流动的基本特性。在进行航空发动机旋转部件附近流体的流动实验时，其表面所受压カ通常可作为计算该部件所受轴向力、研究旋转部件附近流动等的重要參考。由于旋转部件在压カ测量时存在动静转换的问题，因此存在较大难度。对于旋转状态下的压カ测量，现今有两种可供借鉴的思路其一，由于旋转压カ难以测量而静止压カ在測量方法及測量精度等技术上较为成熟，故可将旋转状态的压力转化为静止压カ进行測量。具体来说，就是在某径向位置处设置取压孔，将旋转压カ引至某静止空腔，然后再在静止空腔内进行压力的測量。该方法存在一定的缺陷首先，静止空腔与旋转件之间的配合需要做到实时严格密封，这在实际的操作中难度较大且在毎次实验时均要达到密封要求，较为繁琐；其次，在高转速情况下，动静部件连接处的轴承发热量较大，这会在取压管内部引起较大的不均匀温升，从而导致测量压力高于实际压カ并且难以量化。其ニ，将测点处的气体引至旋转取压盘内的封闭空腔内，利用置于空腔内的压カ传感器測量腔内压カ并将测得的压カ信号通过滑环引电器输出。该方法中使用的压カ传感器为应变式压カ传感器。应变式压カ传感器内含有膜片结构，其工作原理为当膜片感受到一定压カ时会发生变形，该变形将导致膜片电阻变化进而改变传感器的输出信号，且膜片变形与传感器输出信号之间存在对应关系。在使用传感器測量压カ时，可根据变形导致的输出信号变化来判断压カ值。不过在旋转状态下，传感器除受到压力作用产生变形外，还将因旋转离心カ产生附加变形，其大小由于膜片与旋转离心カ及压カ的关系难以判定。另外，取压管以及取压盘内封闭空腔内的密封问题也较为繁琐，且需要对旋转状态下取压管内的气柱产生的离心增压进行修正。以上两种方法都需要在每次数据采集时做好气密性工作，防止气体泄漏造成的压カ采集结果不准；同时对于实验的误差评估修正方面，两种方法都未能给出较好的分析结果
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提出ー种操作简便、精度容易保证的旋转状态下的压カ测量方法，克服在测量过程中存在的动静接ロ或者取压管、取压盘等设备的气体泄漏问题，对应变式压力传感器进行旋转状态下的标定以得到不同转速下传感器输出信号与实际感受压カ值对应关系的标定曲线，利用标定曲线得到准确的旋转状态下的压力。本发明ー种旋转状态下的压カ测量方法，通过下述步骤完成步骤I :压カ传感器的安装；将压カ传感器安装在实验件上开有的贯穿两侧面的传感器安装孔中，用来测量实验件被测面的压カ分布状况；所述压カ传感器采用应变式压カ传感器。步骤2 :安装标定装置；在实验件被测面上固定标定装置，形成密闭标定腔，且压カ传感器的測量点位于 标定腔内。步骤3 :静止状态下压カ传感器的压カ标定；向标定腔内通入气体，通过测温仪器测得标定腔内的温度，并实时測量通入气体的压カ值，同时压カ传感器实时测得标定腔内气体压カ对应的电压信号值，由此拟合并绘制电压信号与其对应气体压カ间的曲线图，作为静止状态下压カ传感器的压カ标定曲线。步骤4 :旋转状态下压カ传感器的压カ标定；向标定腔内通入定量气体，通过压カ传感器测的当前标定腔内通入气体压カ对应的电压信号值，则根据步骤3中静止状态压カ传感器的压カ标定曲线，得到当前标定腔内通入气体对应的气体压カ值；随后分别以Iiprvn3.……七的转速旋转实验件，各转速的选取与实验エ况中转速设定值一致；通过压カ传感器测得在当前标定腔内通入气体压力下，实验件在各个转速吋，压カ传感器测得的电压信号；随后改变标定腔内通入气体的压力，进行上述过程，最終得到标定腔内各通入气体压力下，实验件在各个转速吋，压カ传感器测得的电压信号值；由此拟合并绘制各转速值下，电压信号与其对应气体压カ间的曲线图，作为旋转状态下压力传感器的压カ标定曲线；上述过程中，通过测温仪器测得标定腔内各通入气体压力下，实验件在各个转速吋，标定腔内的温度值。步骤5 :对旋转状态下压力传感器的压カ标定曲线进行修正拟合；各个通入气体压力下，实验件在各个转速吋，压カ传感器测得的电压信号值对应的标定腔内实际气体压カ值Pj为Pl=/レナ(I)
r0其中，P0为静止状态下标定腔内通入气体压カ值；Tq为静止状态下标定腔内的温度值为旋转状态下各转速下标定腔内温度值。将Pj作为实验件在各个转速吋，压カ传感器测得电压信号值对应的标定腔内气体压カ值，由此实现步骤4中旋转状态下压力传感器的压カ标定曲线的修正。步骤6 :将标定装置取下即可进行实验エ况下旋转压カ的測量，将得到实验エ况下压カ传感器在各个转速下测得信号值结合步骤5中得到的修正后压カ传感器标定曲线，得到压カ传感器实际感受到的压カ值。本发明的优点在于
I、本发明旋转状态下的压カ测量方法，略去了将测点处气体引气至压力測量腔的气路设计，在简化测量结构的同时避免了取压设备存在的气体泄漏情况以及引气过程中存在的气柱离心增压、温度偏差导致的实验误差；2、本发明旋转状态下的压カ测量方法，将气密性工作集中到标定阶段可有效地监测气密性状况，同时保证了实验阶段的流程顺畅和数据准确可信；3、本发明旋转状态下的压カ测量方法，对标定数据进行了误差分析修正，该标定结果应用于实验测量过程使得实验结果具有參考性，同时也保证了实验测量过程中的精度。


图I为本发明旋转状态下的压カ测量方法流程图；
图2为本发明中标定装置结构示意图；图3为本发明中为静止时充入压カ为9. 90KPa后的腔内压カ变化曲线图；图4为本发明中标定腔在旋转平面上的投影图。图中I-实验件 2-压カ传感器 3-外壳 4-气门嘴5-气门芯 6-热电偶7-标定腔 8-弹簧
具体实施例方式下面将结合附图对本发明作进ー步的详细说明。本发明ー种旋转状态下的压カ测量方法，如图I所示，通过下述步骤完成步骤I :压カ传感器2的安装；将压カ传感器2安装在实验件I上开有的贯穿两侧面的传感器安装孔中，用来测量实验件I被测面的压カ分布状況。所述压カ传感器2采用惯性小、灵敏度高的应变式压力传感器2，其工作原理为感压膜片受到一定压カ时发生变形，该变形导致输出信号发生变化。由于在旋转状态下压カ测量实验实际エ况中压カ传感器2随旋转实验件I 一起旋转，感压膜片的变形将是实验件I被测点压力与离心カ的共同結果，因此在进行旋转压力測量前，需要进行旋转状态下的实验件I測量点的压カ标定，以去除感压膜片所受离心カ的影响。步骤2 :安装标定装置；标定装置包括标定壳体3、气门芯5、热电偶6,如图2所不,所述标定外壳3为由壳体与气门嘴4构成的一体结构，其中，壳体为筒状壳体，一端封闭，封闭端上具有筒状气门嘴4，气门嘴4与壳体内部连通，另一端为开ロ，开ロ端通过螺栓固定在实验件I被测面上，保证传感器安装孔截面在竖直平面上的投影位于标定外壳3截面在竖直平面上的投影内部。为了便于标定壳体的连接，标定壳体开ロ端周向设计有法兰；且为了使密闭效果更好，在上述标定壳体开ロ端6与实验件I间设置有胶皮垫片。所述气门芯5位于气门嘴4内部，气门芯5内部安装有可自由伸縮的弹簧8，因此可用于向标定腔7内部充入气体以及防止漏气，通过安装气门芯5，使标定外壳3内部形成密闭结构，作为标定腔7。所述热电偶6安装在实验件I上开有的贯穿两侧面的热电偶安装孔中，使热电偶6的探温端位于标定腔7内，用来測量标定腔7内的温度；热电偶6安装后保证热电偶6与实验件I间紧密贴合不漏气，从而保证标定腔7的气密性。如图3所示，为静止时充入压カ为9. 90KPa后的腔内压カ变化曲线，可以看到压カ在小范围内波动，可达到实验要求。当标定腔7体积足够小，标定腔7内压カ处处等于初始压カ值。但实际情况中，标定腔7存在一定体积，因此会对旋转状态下压力传感器的标定结果产生一定影响。因此本发明中将压カ传感器2測量点置于标定腔7截面中心点下方的径向位置可有效减小因标定腔7体积而造成的标定误差；标定腔7越小越有利于使标定腔7内压カ处处接近初始压カ值，且标定腔7的可接受尺寸与转速、旋转半径等因素关联较大，通过选取标定腔的半径a，通过下述方法得到标定腔中各ニ维微元与初始压カ间的最大值误差A Pmax，直至通过选取的标定腔半径a得到的最大值误差A Pmax满足实现需求，具体方法如下因旋转过程中的离心カ与轴向距离无关，因此可令标定腔7轴向长度为h=l，将三维标定腔7转化为标定腔7底面的ニ维问题予以分析。如图4所示，为标定装置在实验件I旋转平面下的投影，其中标定腔7半径为a，标定腔7底面中心点距离旋转轴的距离为R ;以旋转轴轴心0为极点、标定腔底面中心与旋转轴心的连线为极轴建立极坐标系，由此可确定该坐标系的r方向及0方向；在极坐标r方向上对标定腔7内气体进行微元,取r为极座标原点0到微元的距离；令微元内气体压力P均匀；且微元上、下表面受到压力分别为Prtlr和Pr，则两压力的差值将提供微元内气体的旋转向心力。由于微元内气体的压カ为P，则由气体状态方程计算获得微元内气体质量
权利要求
1.一种旋转状态下的压力测量方法，其特征在于通过下述步骤完成 步骤I :压力传感器的安装； 将压力传感器安装在实验件上开有的贯穿两侧面的传感器安装孔中，用来测量实验件被测面的压力分布状况；所述压力传感器采用应变式压力传感器； 步骤2:安装标定装置； 在实验件被测面上固定标定装置，形成密闭标定腔，且压力传感器的测量点位于标定腔内； 步骤3 :静止状态下压力传感器的压力标定； 向标定腔内通入气体，通过测温仪器测得标定腔内的温度，并实时测量通入气体的压力值，同时压力传感器实时测得标定腔内气体压力对应的电压信号值，由此拟合并绘制电压信号与其对应气体压力间的曲线图，作为静止状态下压力传感器的压力标定曲线； 步骤4 :旋转状态下压力传感器的压力标定； 向标定腔内通入定量气体，通过压力传感器测得当前标定腔内通入气体压力对应的电压信号值，则根据步骤3中静止状态压力传感器的压力标定曲线，得到当前标定腔内通入气体对应的气体压力值；随后分别以A、n2、n3、……、r^_的转速旋转实验件，各转速的选取与实验工况中转速设定值一致；通过压力传感器测得在当前标定腔内通入气体压力下，实验件在各个转速时，压力传感器测得的电压信号；随后改变标定腔内通入气体的压力，进行上述过程，最终得到标定腔内各通入气体压力下，实验件在各个转速时，压力传感器测得的电压信号值；由此拟合并绘制各转速值下，电压信号与其对应通入气体压力间的曲线图，作为旋转状态下压力传感器的压力标定曲线；上述过程中，通过测温仪器测得标定腔内各通入气体压力下，实验件在各个转速时，标定腔内的温度值； 步骤5 :对旋转状态下压力传感器的压力标定曲线进行修正拟合； 各个通入气体压力下，实验件在各个转速时，压力传感器测得的电压信号值对应的标定腔内实际气体压力值Pj为
2.如权利要求I所述一种旋转状态下的压力测量方法，其特征在于所述步骤4中在每次向标定腔内通入气体前，均需进行步骤3，对静止状态下压力传感器进行压力标定。
3.如权利要求书I所述一种旋转状态下的压力测量方法，其特征在于所述步骤3与步骤4中标定腔内注气后需保证标定腔密封。
4.如权利要求I所述一种旋转状态下的压力测量方法，其特征在于所述标定装置包括标定壳体、气门芯、热电偶；其中，标定外壳为由壳体与气门嘴构成的一体结构，其中，壳体为筒状壳体，一端封闭，封闭端上具有筒状气门嘴，气门嘴与壳体内部连通，另一端为开口，开口端通过螺栓在实验件被测面上固定；所述气门芯位于气门嘴内部，使标定外壳内部形成密闭结构，作为标定腔；所述热电偶作为测温仪器安装在实验件上开有的贯穿两侧面的热电偶安装孔中，使热电偶的探温端位于标定腔内；热电偶安装后保证热电偶与实验件间紧密贴合。
5.如权利要求4所述一种旋转状态下的压力测量方法，其特征在于所述标定壳体开口端周向设计有法兰。
6.如权利要求4所述一种旋转状态下的压力测量方法，其特征在于所述标定壳体开口端与实验件间设置有胶皮垫片。
7.如权利要求4所述一种旋转状态下的压力测量方法，其特征在于所述气门芯内部安装有伸缩弹簧。
8.如权利要求4所述一种旋转状态下的压力测量方法，其特征在于将所述气门芯由气门嘴中取出，通过压力校准仪的通气管与气门嘴连接，实现静止状态下标定腔内注气，且实时测量并显示通入气体的压力值。
9.如权利要求4所述一种旋转状态下的压力测量方法，其特征在于将通过打气筒由气门芯向标定腔内通入气体。
10.如权利要求I所述一种旋转状态下的压力测量方法，其特征在于所述标定腔的半径选取方法为 令标定腔半径为a，标定腔底面中心点距离旋转轴的距离为R ；以旋转轴轴心O为极点，标定腔底面中心与旋转轴心的连线为极轴建立极坐标系，由此确定该坐标系的r方向和Θ方向；在r方向上对标定腔内气体进行微元,取r为极坐标原点O到微元的距离；令各微元内气体压力P均匀；且微元上、下表面受到压力分别为Prtlr和Pr，则两压力的差值将提供微元内气体的旋转向心力。由于微元内气体的压力为P，则由气体状态方程计算获得微元内气体质量
全文摘要
本发明公开一种旋转状态下的压力测量方法，在实验件上安装标定装置，形成密闭标定腔，向标定腔内通入气体，测量传感器电压信号值以及对应的腔内气体压力值，拟合曲线，得到静止状态下的压力标定曲线；向标定腔内通入不同压力气体，以不同转速旋转实验件，每次测量当前标定腔内气体压力在各转速下对应传感器电压信号值，拟合曲线，得到旋转状态下压力标定曲线；通过各转速下标定腔内温度得到标定腔内实际压力值，从而修正旋转状态下压力标定曲线；最终通过修正后的标定曲线，结合实验工况下压力传感器在各转速下测得信号值，得到压力传感器实际感受到的压力值。本发明旋转状态下的压力测量方法，使得实验结果具有参考性，同时保证了实验测量精度。
文档编号G01L27/00GK102798496SQ20121026208
公开日2012年11月28日 申请日期2012年7月25日 优先权日2012年7月25日
发明者罗翔, 徐国强, 李登超, 蔡旭, 张达 申请人:北京航空航天大学