PDA技术应用在风机动叶流场测量中的几个问题

　　1　引言

　　自从1972年Wisler与Mossey首次将激光多普勒测速(LDA)技术应用到轴流压气机转子叶片旋转流场的测量以后[1,2],叶轮机械的研究者对这种新的测量技术进行了广泛的研究[3~7]。虽然激光测速技术大大方便了旋转流场的测量,但是在利用激光测速技术进行流场测量时,仍然存在许多需要认真考虑和解决的问题。本文结合在对某轴流风机动叶尖部流动的测量中遇到的几个问题(测量窗口的形式的选择、散射粒子的选择、散射粒子加入方式的选择、测量盲区的克服、流动噪声的处理等),提出了解决办法并给出了一些较为理想的测量结果。

　　2　试验装置

　　实验测量对象是由EMERSON公司设计生产的轴流风机动叶轮,其外形结构如图1。测量目的是得到轴流风机动叶叶片尖部的三维流场(测量装置按GB1236-85进行设计)。

　　测量点主要集中于轴流风机动叶叶片尖部区域,叶顶间隙为3·5mm。测量区域是一个集中于叶片尖部的三维空间,沿叶片高度方向,从叶高的50%~102%的范围内沿径向布置15个测量点,如图2所示;对于轴向测量点布置,从进口到出口总共布置了15个测量点,在叶片进口边和出口边测量点布置较稀疏,在叶片周围布置较稠密,如图3所示。

　　3　遇到的问题及其解决办法

　　3.1　测量窗

　　在利用PDA测量旋转流场内部流动时,为了使激光进入旋转流场内部,必须使用透明机匣,本测量装置使用的是有机玻璃桶,便于激光进入测量区域,但激光在穿越不同介质和圆形壁面时,由于折射、反射、有机玻璃桶的内部介质的不均分布和有机玻璃桶的表面不光滑等因素对测量的精度造成了影响。另外,有机玻璃桶的存在会造成入射光强度减弱、反射光返回接受透镜、入射光路偏折等的问题,从而使信噪比大大增加,甚至造成对焦困难、接收不到粒子信号等严重的问题。为此,测量窗不仅要透光性好,而且形状应尽可能平整。目前国内外处理这一问题主要有3种方法:

　　3.1.1　补偿介质法[8]

　　这是目前国内外普遍采用的一种方法,参见图4。为了减小不同介质对折射的影响,在有机玻璃筒外放置一个正方形玻璃水槽,其间注满纯净水以补偿折射的影响,并且可以使测量窗由圆弧形面变为平面。

　　3.1.2　测量点位置修正法[9]

　　通过理论推导推出激光束的理论交点和实际测量点的关系表达式,然后通过程序计算出理论测量点对应的实际测量点。在这里要分别推导轴向、周向、径向的测点位置修正关系表达式,参见图5。

　　3.1.3　光学玻璃窗口法