CN104101457B - 动态总压探针 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态总压探针，包括基尔整流罩、刚性引压管、动态压力传感器、动态压力传感器支架和半无限长柔性引压管，基尔整流罩包覆在刚性引压管外部，用来收集大角度范围内的来流总压；刚性引压管穿过动态压力传感器支架并与半无限长柔性引压管连接，用来传导被测气流总压并吸收测量之后的气流能量，防止被测压力信号在引压管中产生反射干扰和谐振效应；动态压力传感器安装在动态压力传感器支架内，并与刚性引压管壁面连接，用来测量气流的动态压力信号。利用本发明，基尔整流罩使得单孔引压管能测量来流角度高达±43°范围内的气流总压，而单孔引压管结构能最大限度的减小探头的几何尺寸和结构复杂度，提高探头对流场测量的空间分辨能力。

Description

动态总压探针

技术领域

本发明涉及电力电子行业流场动态测量技术领域，尤其涉及一种用于燃气轮机大偏角范围和强三维性流场的微型动态总压探针。

背景技术

动态压力测量技术在燃气轮机实验研究中占有越来越重要的地位，而复杂的燃气轮机内部流动也给动态压力测量系统的设计提出了很高的要求。由于燃气轮机内部流场的强非定常性、强三维性、测量环境复杂性和空间局限性，动态压力测量系统不仅要具备很高的测量精度和时空灵敏度，而且要有很好的鲁棒性和操控性。燃气轮机的叶片扫过频率一般为3到30kHz，要想测量叶片通道流场结构，每个通道需要测量至少5个点，这对动态探针的频响要求是很高的；而且，对燃气轮机高压级尤其是离心压气机而言，叶片的尺寸非常短小，通常只有几厘米甚至几毫米，要想测量流场细节并减小探针对流场的干扰，探头的尺寸必须非常小；另外，由于燃气轮机流动的固有非定常性，内部流场具有很强的三维流动特征，表现为流动角度的分布范围非常大，这要求动态探针具备很高的三维测量能力。

在常见的动态压力测量技术中，基于半导体硅压传感器的动态气动探针技术是目前发展最成熟和应用最广泛的一种技术。动态气动探针系统主要由动态压力传感器、探头及支杆、信号放大器和动态数据采集系统组成，其中，动态压力传感器和探头的设计是决定动态测量质量的最关键部分。动态压力传感器一般采用量产的铠装成品，频响一般可达到150kHz以上。探头及支杆的设计则包括气动设计和机械设计，即需要考虑探头及支杆的形状和尺寸对被测流场的干扰程度和探针的机械加工难度，以及传感器在探针上的安装方案。从机械设计和气动设计综合考量的角度来说，动态气动探针系统的各个设计目标之间，往往是相互矛盾的。

传感器安装方案的选择是探针设计的主要矛盾之一。动态压力测量的最关键指标是测量系统的时间分辨率，即频响。将传感器在探头内平齐安装可以保证探针的高频响和测量精度，但是铠装传感器的外形和尺寸导致探头的尺寸无法太小，被测气流的高温环境也会影响传感器的测量精度，如果采用订制的硅压传感器膜片，则价格十分昂贵，且容易造成被测气流对传感器膜片的损坏和加工难度的大大增加。传感器内嵌或远端安装可以有效避免以上问题，但是引压管腔带来的谐振效应和信号衰减作用会使探针的工作频带变窄，动态测量精度降低，如长度为1m的引压管路就会导致频率为1kHz以上的信号的严重衰减。此时，必须对探针的动态响应特性进行实验标定，应用引压管腔的传递函数对被测信号进行误差分析和修正。

探头及支杆的几何设计是探针设计的主要矛盾之二。探头及支杆设计的目标是在保证探针能够进行准确测量的同时，尽量减小其特征尺寸及其对流场的干扰。探头的外形可以选择多种几何形状如圆柱形、球形、楔形、椭球形等多种规则或不规则形状，探头的尺寸及加工方式则取决于传感器即测压孔的个数，常见的有单孔探针和三孔、四孔、气孔等多种多孔探针。总的来说，测压孔越多，探针能够测量到的流场物理量就越多，就能够更加详细得描述被测三维流场。但是，测压孔的增多也在一定程度上增大了测量的误差以及探针的加工和操作难度，更重要的是，复杂的探头结构限制了探头的最小尺寸，这对提高探针的空间分辨率是非常不利的，如Kerrebrockh和Epstein等人研制的球形探头五孔探针，探头直径为5mm；他们研制的圆柱形探头四孔探针，圆柱探头的直径为3.3mm，但是四个传感器之间的最大距离更大。

所以，动态气动探针的设计主要是在保证探针动态特性的基础上，优化探针结构尤其是探头结构与传感器安装方法，以满足燃气轮机三维流场测量和减小探头尺寸即提高探头空间分辨率的要求，并同时尽量减小探头及支杆对被测流场的干扰和堵塞效应。当然，探针的应用还应与信号放大器和数据采集系统结合起来，选取正确的标定方法以提高实验测量的精度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

综合考虑上述动态气动探针设计的问题，本发明的主要目的在于提供一种动态总压探针，以在满足动态频响和空间分辨率要求的基础上，实现燃气轮机大偏角非定常气流的动态总压测量。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种动态总压探针，该动态总压探针包括基尔整流罩1、刚性引压管2、动态压力传感器3、动态压力传感器支架4和半无限长柔性引压管5，其中，基尔整流罩1包覆在刚性引压管2的外部，用来收集大角度范围内的来流总压；刚性引压管2穿过动态压力传感器支架4并与半无限长柔性引压管5连接，用来传导被测气流总压并吸收测量之后的气流能量，防止被测压力信号在引压管中产生反射干扰和谐振效应；动态压力传感器3安装在动态压力传感器支架4内，并与刚性引压管2壁面连接，用来测量气流的动态压力信号。

上述方案中，所述基尔整流罩1的进口采取内倒角处理，且在所述基尔整流罩1中后部壁面上开设有轴对称的排气孔。

上述方案中，所述刚性引压管2采用阶梯管结构，该阶梯管结构由两部分不锈钢管组成，第一部分不锈钢管的内外径分别为D5和D6，第二部分不锈钢管的内外径分别为D6和D7，且D5＜D6＜D7。

上述方案中，所述刚性引压管2在所述基尔整流罩1排气孔上游的部分采用较小外径D6，以使气流能够顺畅通过并收集总压；所述刚性引压管2在所述基尔整流罩1排气孔下游的部分采用较大外径D7，以能够与基尔整流罩出口端无缝连接；所述基尔整流罩1排气孔上游的部分是靠近所述基尔整流罩1进口端的部分。

上述方案中，所述第一部分不锈钢管入口与基尔整流罩壁面上开设的排气孔的上沿距离L5为1mm，以捕捉正确的气流总压；第一部分不锈钢管出口与基尔整流罩的出口截面平齐，以最大限度减小总压收集管的长度，降低信号能量的衰减；第二部分不锈钢管的入口与基尔整流罩壁面上开设的排气孔后沿平齐，以减少气流在整流罩内的涡旋造成的总压测量误差。

上述方案中，所述基尔整流罩1和所述刚性引压管2之间采用激光焊接，构成动态总压探针的单孔带罩式探头。

上述方案中，所述半无限长柔性引压管5采用与第二部分不锈钢管内外径相同的塑料软管，出口端封闭。

上述方案中，所述动态压力传感器支架4选取边长为A的正方体有机玻璃材料，以保证刚性引压管2和动态压力传感器3在动态压力传感器支架4中的安装精度。

上述方案中，所述动态压力传感器支架4具有用于安装所述刚性引压管的横向贯通孔，以及用于所述安装动态压力传感器的竖直孔。

上述方案中，所述刚性引压管2壁面上开有与所述动态压力传感器支架4上的竖直孔同位置和等直径的孔。

上述方案中，所述动态压力传感器3采用外径为D8的圆柱形铠装传感器，将其装入动态压力传感器支架4的竖直孔，其平面与刚性引压管外径切面平齐，以最大限度减小刚性引压管壁面导致的容腔效应。

上述方案中，所述基尔整流罩和刚性引压管采用刚性材料；半无限长柔性引压管采用柔性材料；动态压力传感器支架采用透明刚性材料。

上述方案中，所述基尔整流罩、刚性引压管、半无限长柔性引压管、动态压力传感器和动态压力传感器支架之间采用密封粘结。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的种动态总压探针，基尔整流罩的设计使得单孔引压管能够测量来流角度高达±43。范围内的气流总压，而单孔引压管结构能够最大限度的减小探头的几何尺寸和结构复杂度，这就大大提高了探头对流场测量的空间分辨能力。

2、本发明提供的种动态总压探针，刚性引压管和半无限长柔性引压管结合的方式，一方面在信号到达动态压力传感器之前，刚性壁面避免了被测压力信号的衰减；另一方面信号在通过动态压力传感器之后，半无限长引压管的柔性壁面吸收了压力信号的能量，避免了信号在引压管中的反射和谐振效应引起的对测量精度的干扰；另外，动态压力传感器的远端安装有效避免了其温漂效应和物理损坏。

3、本发明提供的种动态总压探针，采用的量化铠装动态压力传感器，其结构简单，方便购买，避免了订做特定形状和性能的动态压力传感器所带来的高成本问题。

附图说明

图1为依照本发明实施例的动态总压探针的主体结构剖视图；

图2为依照本发明实施例的动态总压探针的基尔整流罩结构的剖视图；

图3为依照本发明实施例的动态总压探针的加工和使用流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，本发明提供的具体参数值无需严格遵守，而是在可接受的误差容限或设计约束内近似于所述值。

图1为依照本发明实施例的动态总压探针的主体结构剖视图，从左至右依次是基尔整流罩1、刚性引压管2、动态压力传感器3、动态压力传感器支架4和半无限长柔性引压管5。其中，基尔整流罩1包覆在刚性引压管2的外部，用来收集大角度范围内的来流总压；刚性引压管2穿过动态压力传感器支架4并与半无限长柔性引压管5连接，用来传导被测气流总压并吸收测量之后的气流能量，防止被测压力信号在引压管中产生反射干扰和谐振效应；动态压力传感器3安装在动态压力传感器支架4内，并与刚性引压管2壁面连接，用来测量气流的动态压力信号。

图2为依照本发明实施例的动态总压探针的基尔整流罩结构的剖视图。基尔整流罩的进口采取内倒角处理，且在基尔整流罩中后部壁面上开设有轴对称的排气孔。D1、D2和L3分别为基尔整流罩的外径、内径和长度，为了适应动态压力传感器的安装，优选地，D1＝2.5mm，D2＝1.6mm，L3＝6mm。经过数值模拟的验证和优化，为了最大限度提高整流罩的整流能力，在入口处采取30°内倒角处理；在距离进口长度为L4的壁面上对称布置4个直径为D4的排气孔，并将从进口到排气孔后边缘范围以内的内径扩为D3，以使气流能够顺畅的流出整流罩，优选地，L4＝4mm，D4＝1mm，D3＝1.8mm。

刚性引压管2采用阶梯管结构，该阶梯管结构由两部分不锈钢管组成，第一部分不锈钢管的内外径分别为D5和D6，第二部分不锈钢管的内外径分别为D6和D7，且D5＜D6＜D7。所述刚性引压管2在所述基尔整流罩1排气孔上游的部分采用较小外径D6，以使气流能够顺畅通过并收集总压；所述刚性引压管2在所述基尔整流罩1排气孔下游的部分采用较大外径D7，以能够与基尔整流罩出口端无缝连接；所述基尔整流罩1排气孔上游的部分是靠近所述基尔整流罩1进口端的部分。为了在达到总压收集目的的同时减小对被测压力信号的干扰，要尽量增大引压管的内径，根据阶梯管状结构和密封安装要求，优选地，D5＝1mm，D6＝1.2mm，D7＝1.6mm。

基尔整流罩1和刚性引压管2之间采用激光焊接，构成动态总压探针的单孔带罩式探头。所述第一部分不锈钢管入口与基尔整流罩壁面上开设的排气孔的上沿距离L5为1mm，以捕捉正确的气流总压；第一部分不锈钢管出口与基尔整流罩的出口截面平齐，以最大限度减小总压收集管的长度，降低信号能量的衰减；第二部分不锈钢管的入口与基尔整流罩壁面上开设的排气孔后沿平齐，以减少气流在整流罩内的涡旋造成的总压测量误差。

半无限长柔性引压管5采用与第二部分不锈钢管内外径相同的塑料软管，出口端封闭，在此实施例中其长度选取将L2设计为10m，以便在动态压力传感器3下游最大限度地吸收被测信号的能量，进而减少压力波在刚性引压管内部的反射所导致的测量误差。

动态压力传感器支架4选取边长为A的正方体有机玻璃材料，以保证刚性引压管2和动态压力传感器3在动态压力传感器支架4中的安装精度。动态压力传感器支架4具有用于安装所述刚性引压管的横向贯通孔，以及用于所述安装动态压力传感器的竖直孔。所述刚性引压管2壁面上开有与所述动态压力传感器支架4上的竖直孔同位置和等直径的孔。在正方体有机玻璃左表面上，距离上表面高度为H的前后中心位置，开直径为D7的横向贯通孔，然后将刚性引压管2的出口端从此横向贯通孔插入，在保证安装条件许可的前提下L1应尽力小，以减小被测信号在到达动态压力传感器3之间的能量衰减效应。然后，在正方体有机玻璃的上表面上正中心位置开直径D8＝1.7mm的竖直孔，并利用钻头的锥角将刚性引压管2的壁面打通，以便动态压力传感器3可以与刚性引压管2平滑过渡连接，优选地，H＝5.8mm。表1列出了本发明具体实施例中各部件的具体尺寸。

表1动态总压探针各部件的具体尺寸

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D7

2.5mm

1.6mm

1.8mm

1mm

1mm

1.2mm

1.6mm

D8

L3

L4

L5

L6

A

H

1.7mm

6mm

4mm

1mm

5mm

10mm

5.8mm

动态压力传感器3采用外径为D8的圆柱形铠装传感器，将其装入动态压力传感器支架4的竖直孔，其平面与刚性引压管外径切面平齐，以最大限度减小刚性引压管壁面导致的容腔效应。

所述基尔整流罩和刚性引压管采用刚性材料；半无限长柔性引压管采用柔性材料；动态压力传感器支架采用透明刚性材料。所述基尔整流罩、刚性引压管、半无限长柔性引压管、动态压力传感器和动态压力传感器支架之间采用密封粘结。

图3为依照本发明实施例的动态总压探针的加工和使用流程图。动态压力传感器的单孔带罩式探头保证探针在收集大偏角范围气流的总压的同时，降低探头的结构难度并提高探头的空间分辨率。探头对来流偏角的测量灵敏度采用标准风洞进行标定确定，在给定的不同来流速度和不同来流偏角条件下，检验动态压力传感器的总压读数与真实总压值，标定探头对来流速度和来流角度的灵敏度。

动态总压探针采用动态压力传感器远端安装的方式，需要对导压管和相关机械加工误差造成的容腔效应进行系统辨识，即探针的频响特性标定。采用标准激波管产生的阶跃信号做为输入信号，在激波管相同轴向位置安装测量输入和输出信号的参考动态压力传感器和动态总压探针，保证参考动态压力传感器的入口和动态总压探针的入口在同一轴向截面上。采用Matlab系统辨识工具箱，由输入信号和输出信号计算和分析标准系统模型下的探针频响特性。

在探针主体结构的基础上，需要针对具体实验环境和安装条件进行探针支杆的设计，将探针安装在需要的位置并设计需要的机械动作。在进行实际测量之前，采用实测环境下的离散脉冲信号做为输入信号，标定并计算出动态总压探针在实测信号环境下的传递函数。综合激波管标定的探针频响特性和实测环境下标定的探针传递函数，分析动态总压探针的动态特性。结合探头对来流偏角的灵敏度特性和探针的动态特性，分析评价动态总压探针的主要性能。使用动态总压探针对被测信号进行指定工况下的测量，使用实测环境下的传递函数对探针的输出信号进行逆运算，得到修正后的探头入口处的真实被测压力信号，并通过探针的动态特性对修正压力信号进行误差分析。

在实际测量前需进行动态标定，采用激波管产生的阶跃信号和真实测量环境下的脉冲信号做为动态标定的输入函数，通过动态标定得到动态总压探针的频响特性和传递函数，再对实测输出信号进行逆向修正，得到真实动态压力信号。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种动态总压探针，包括基尔整流罩(1)和动态压力传感器(3)，基尔整流罩(1)用以收集大角度范围内的来流总压，动态压力传感器(3)用以测量气流的动态压力信号，其特征在于，该动态总压探针还包括刚性引压管(2)、动态压力传感器支架(4)和半无限长柔性引压管(5)，其中，

基尔整流罩(1)包覆在刚性引压管(2)的外部，动态压力传感器(3)安装在动态压力传感器支架(4)内，并与刚性引压管(2)壁面连接；

刚性引压管(2)穿过动态压力传感器支架(4)与半无限长柔性引压管(5)连接，用来传导被测气流总压并吸收测量之后的气流能量，防止被测压力信号在引压管中产生反射干扰和谐振效应。

2.根据权利要求1所述的动态总压探针，其特征在于，所述基尔整流罩(1)的进口采取内倒角处理，且在所述基尔整流罩(1)中后部壁面上开设有轴对称的排气孔。

3.根据权利要求1所述的动态总压探针，其特征在于，所述刚性引压管(2)采用阶梯管结构，该阶梯管结构由两部分不锈钢管组成，第一部分不锈钢管的内外径分别为D5和D6，第二部分不锈钢管的内外径分别为D6和D7，且D5﹤D6﹤D7。

4.根据权利要求3所述的动态总压探针，其特征在于，所述刚性引压管(2)在所述基尔整流罩(1)排气孔上游的部分采用较小外径D6，以使气流能够顺畅通过并收集总压；所述刚性引压管(2)在所述基尔整流罩(1)排气孔下游的部分采用较大外径D7，以能够与基尔整流罩出口端无缝连接；所述基尔整流罩(1)排气孔上游的部分是靠近所述基尔整流罩(1)进口端的部分。

5.根据权利要求3所述的动态总压探针，其特征在于，所述第一部分不锈钢管入口与基尔整流罩壁面上开设的排气孔的上沿距离L5为1mm，以捕捉正确的气流总压；第一部分不锈钢管出口与基尔整流罩的出口截面平齐，以最大限度减小总压收集管的长度，降低信号能量的衰减；第二部分不锈钢管的入口与基尔整流罩壁面上开设的排气孔后沿平齐，以减少气流在整流罩内的涡旋造成的总压测量误差。

6.根据权利要求1所述的动态总压探针，其特征在于，所述基尔整流罩(1)和所述刚性引压管(2)之间采用激光焊接，构成动态总压探针的单孔带罩式探头。

7.根据权利要求1所述的动态总压探针，其特征在于，所述半无限长柔性引压管(5)采用与第二部分不锈钢管内外径相同的塑料软管，出口端封闭。

8.根据权利要求1所述的动态总压探针，其特征在于，所述动态压力传感器支架(4)选取边长为A的正方体有机玻璃材料，以保证刚性引压管(2)和动态压力传感器(3)在动态压力传感器支架(4)中的安装精度。

9.根据权利要求8所述的动态总压探针，其特征在于，所述动态压力传感器支架(4)具有用于安装所述刚性引压管横向贯通孔，以及用于安装所述动态压力传感器的竖直孔。

10.根据权利要求9所述的动态总压探针，其特征在于，所述刚性引压管(2)壁面上开有与所述动态压力传感器支架(4)上的竖直孔同位置和等直径的孔。

11.根据权利要求1所述的动态总压探针，其特征在于，所述动态压力传感器(3)采用外径为D8的圆柱形铠装传感器，将其装入动态压力传感器支架(4)的竖直孔，其平面与刚性引压管外径切面平齐，以最大限度减小刚性引压管壁面导致的容腔效应。

12.根据权利要求1所述的动态总压探针，其特征在于，所述基尔整流罩和刚性引压管采用刚性材料；半无限长柔性引压管采用柔性材料；动态压力传感器支架采用透明刚性材料。

13.根据权利要求1所述的动态总压探针，其特征在于，所述基尔整流罩、刚性引压管、半无限长柔性引压管、动态压力传感器和动态压力传感器支架之间采用密封粘结。