[發明專利]一種利用超聲波測量葉柵通道氣流速度場方法

有效

• 申請號: 201811092621.1
• 申請日: 2018-09-19
• 公開（公告）號: CN109100533B
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 田昌;蘇明旭;賈楠
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: G01P5/24
• 分類號: G01P5/24
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 徐穎

本發明涉及一種利用超聲波測量葉柵通道氣流速度場方法，采用超聲波聲時法原理，利用超聲波層析成像技術來實現。通過在葉柵通道內布置超聲波傳感器陣列，結合超聲波信號同步掃描和接收裝置，構建時差法超聲波層析成像系統。當葉柵通道有氣流流過時，超聲波層析成像系統自動獲取順流、逆流狀態下的超聲波傳播時間信號，并利用傳播時間信號構建信號矩陣，最后利用重建算法反演得到葉柵內部葉片間的氣流速度場。測量系統結構簡單，方法可實現無損測量、在線測量，相比于其他探針式測量方式，測量過程中無需在流場插入探針，測量方法非接觸，且不會對流場本身產生干擾。

技術領域

本發明涉及一種流體測試技術，特別涉及一種利用超聲波測量葉柵通道氣流速度場方法。

背景技術

流速測量是流體流動研究的基本要求之一。初期的流體力學研究采用管道平均流速法，通過計量一定時間內通過某個斷面積的流體流量，換算流動速度，這無疑是不準確的，某些情況下(例如氣體流動)甚至是不可能的。第一個準確的測量點流速的方法是“皮托管”法，根據伯努利定理，利用壓力和速度的數量關系，通過測量某點的總壓和靜壓，計算得到該點的流速。這種方法簡單易行，但是空間分辨率低，同時皮托管的大小對流動有一定程度的“污染”，而且由于測壓管路阻尼，只能測量穩態流動的流速，對非穩態流動是無能為力的。

葉柵通道內的氣流流動是極其復雜的。除了高速和旋轉這兩個重要基本特征外，還存在各種復雜的流動現象。比如壓氣機內流動由于增壓流動，會出現失速流動、并發展成喘振，危及機組的安全。燃氣輪機燃燒室流動受熱聲震蕩作用，可能發生爆震，破壞燃燒室的高溫防護內襯。透平流動中，冷卻工質噴射并與主流摻混，可能造成葉片局部熱疲勞斷裂。多級壓氣機和透平的動靜葉片排之間的高速相對運動，可能發生氣流誘導的葉片顫振，危及葉片安全等。這些問題的解決，都依賴于我們對相關流動現象的認識。只有在充分認識了流動規律后，才有可能主動控制相關流動，實現相應機組的高效安全可靠的運行。

目前,應用于葉柵通道氣流速度場測量的非接觸式方法多為基于示蹤粒子的光學成像方法，尚未出現利用超聲波層析成像技術測量葉柵通道氣流速度場的報道。基于此，本發明提出一種利用超聲波層析成像技術，基于超聲波傳播聲時法原理測量葉柵通道內的氣流速度，從而發明一種利用超聲波測量葉柵通道內氣流速度場的方法。

發明內容

本發明是針對現在葉柵通道內氣流速度場測量方法存在的問題，提出了一種利用超聲波測量葉柵通道氣流速度場方法，利用超聲波層析成像技術，通過測量聲波在氣流順流、逆流不同情況下的聲時信號，并構建信號矩陣，利用重建算法反演得到葉柵內部葉片間的氣流速度場，實現葉柵通道氣流速度場無損測量方法。

本發明的技術方案為：一種利用超聲波測量葉柵通道氣流速度場方法，具體包括如下步驟：

1)在葉柵通道內相鄰葉片A和B上分別布置一排微型收發一體式超聲波傳感器，形成傳感器陣列，傳感器耦合層和葉片表面平齊；

2)計算機控制信號發生器發出觸發脈沖，并由前置放大器進行觸發脈沖功率放大，功率放大后的觸發脈沖變成超聲波激勵脈沖，由多路選擇開關控制接通傳感器陣列中葉片A的某一路待激勵超聲波傳感器，完成一次聲波發射；傳感器陣列中葉片B上的接收傳感器也在多路選擇開關控制下連接信號調理電路，進行信號放大、調理和甄別，并經采集卡送入到計算機中，完成傳感器陣列中任一傳感器的有效超聲波渡越時間提取；

3)以掃描方式，葉片A上N個傳感器依次發射聲波，葉片B上N個傳感器接收聲波，完成傳感器陣列中葉片A和B上的所有傳感器有效超聲波渡越時間提取，形成信號向量，實現N×N路徑的順流、逆流時間差值信號獲取；