提高模型水轮机导叶水力矩测量精度的方法

摘要

本发明涉及一种通过优化测量段结构来提高模型水轮机导叶水力矩测量精度的方法，该方法的特征为：将常规导叶轴测量段由实心圆轴结构改为空心圆轴结构。在测量段外形尺寸相同且采用相同的材料和热处理工艺的前提下，在相同受力状态下，采用空心圆轴结构的导叶轴测量段达到弹性稳定状态的时间比传统的实心圆轴结构要短，从而使作用力矩与输出电压信号关系曲线的随机不确定度减小，进而达到提高模型水轮机导叶水力矩测量精度的目的。

主权项

1.一种提高模型水轮机导叶水力矩测量精度的方法，其特征是；通过优化测量段结构来提高模型水轮机导叶水力矩测量精度，将导叶轴测量段由常规实心圆轴结构改为空心圆轴结构来提高模型水轮机导叶水力矩的测量精度，在测量段外径相同且采用相同的测量桥路的情况下，导叶轴空心圆轴结构测量段测得的电信号与标准力矩间对应关系的随机不确定度要小于导叶轴实心圆轴结构测量段测得的电桥信号与标准力矩间对应关系的随机不确定度，对导叶轴测量段空心圆轴结构而言，其抗扭截面模量可按下式计算：$W=\frac{\pi ·D^3}{16}·[1-{\left(\frac{d}{D}\right)}^4]---\left(1\right)$式中：W----抗扭截面模量(m³)；D----空心圆轴外径(m)；d----空心圆轴内径(m)；在测量导叶水力矩时，对于导叶轴测量段发生的弹性形变而言，抗扭截面模量越小，则在受到相同扭矩时其被测表面----粘贴应变片测量电桥的导叶轴测量段表面----达到弹性稳定状态的时间就越短；反之，抗扭截面模量越大，则在受到相同扭矩时其被测表面----粘贴应变片测量电桥的导叶轴测量段表面----达到弹性稳定状态的时间就越长，在受到相同扭矩的作用下，导叶轴测量段被测表面达到弹性稳定状态的时间越短，则测量信号与标准力矩间对应关系的随机不确定度就越小，由式(1)可以发现，对于测量段外形尺寸D相同且采用相同的材料和热处理工艺的模型水轮机导叶而言，影响其抗扭截面模量的唯一因素就是是否采用空心圆轴结构，其差异可以通过下式表示：式中：W_实----实心圆轴抗扭截面模量(m³)，可认为实心圆轴为d＝0的特殊的空心圆轴；W_空----空心圆轴抗扭截面模量(m³)。从式(2)可以很清楚地看出，对于空心圆轴而言故即采用空心圆轴结构的导叶轴测量段在相同受力状态下达到弹性稳定状态的时间比传统的实心圆轴结构要短，测量段外形尺寸相同且采用相同的材料和热处理工艺以及使用相同的应变片和粘贴工艺的模型水轮机导叶，分别在导叶轴测量段为空心圆轴结构和常规实心圆轴结构的情况下，导叶轴测量段的各标准作用力矩与输出电压信号的试验数据以及根据标准作用力矩与输出电压关系曲线计算出的试验作用力矩值试验数据的随机不确定度按下式计算：$u_r=\pm \frac{t·s_y}{\sqrt{n}}---\left(3\right)$式中：u_r----随机不确定度；t-----学生分布系数，$t=1.96+\frac{2.36}{\upsilon }+\frac{3.2}{{\upsilon }^2}+\frac{5.2}{{\upsilon }^{3.84}};$υ----自由度，υ＝n-1；n----测量点数；s_y----标准差，$s_y=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{(y_i-{\hat{y}}_i)}^2}{n-m-1}};$m----根据x和y拟合的关系曲线(多项式)的次数，对于导叶标准作用力矩y与输出电压x间的线性拟合曲线而言，m＝1。根据表1和表2中试验数据计算出的导叶轴测量段为空心圆轴结构时的随机不确定度u_r空和导叶测量段为实心圆轴结构时的随机不确定度u_r实分别为：u_r空＝0.0471，u_r实＝0.0630。