CN107101798A - 一种动态五孔探针 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动态五孔探针，包括压力受感部、测压孔过渡段、压力采集段、动态压力传感器和柔壁缓压管，压力受感部设置测压孔，感受被测气流的三维动态压力分量；测压孔过渡段将进口端面的五孔结构过渡为出口端面的五孔结构；压力采集段内部有与过渡段出口截面相同的中心对称测压孔结构，以及压力传感器安装孔，与五个测压孔连通；动态压力传感器分别安装在传感器安装孔内，用以测量气流的动态压力；柔壁缓压管用来减弱管腔效应。利用本发明，压力受感部的直径可达到3mm以下，并且能够保证气流偏航角和俯仰角的测量范围均不低于30°，而测压孔过渡段与柔壁缓压管的结构设计能够有效避免管腔效应导致的动态信号失真，保证探针的动态频响。
Description
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，尤其涉及一种用于航空发动机与燃气轮机等叶轮机械三维非定常流场测量的动态气动探针。
背景技术
动态测量技术在叶轮机械实验测量和性能测试中占据非常重要的地位，尤其是随着对叶轮机械内部流动的研究逐渐向全三维粘性层面深入，对三维非定常流场的高精度测量技术水平越来越决定着叶轮机械技术的发展水平。真实的叶轮机械内部流场包含多种三维非定常流动结构，而且各种复杂流场之间的相互耦合又增加了测量的难度，给动态测量技术带来了更大的挑战。
叶轮机械动态测量技术的发展面临着许多矛盾，从测量技术的发展历程来看，基于半导体硅压阻传感器的气动探针技术具有高频响和耐用性强等优点，但由于是接触式测量，探针对气流的干扰作用无法避免，然而，受限于传感器的尺寸，探针的几何尺寸不能无限缩小，这在很大程度上限制了气动探针技术的发展。另一种典型的接触式测量技术是基于热平衡原理的热线和热膜测速仪，这种技术能够大大降低探头的尺寸，但操作不方便和容易损坏限制了其在叶轮机械动态测量尤其是工业领域的大范围应用。近年来，非接触式测量技术发展非常迅速，如粒子成像测速技术(PIV)、激光多普勒测速技术(LDV)和压力敏感涂层技术(PSP)等，它们能够很好地满足空间分辨率要求并解决对流场干扰的问题，但目前的技术成熟度还不能完全满足非定常流场的测量要求。总的来说，每一种动态测量技术都有其优缺点，对测量方法的选择必须符合被测对象的特点，比如空间分辨率需求、动态频响要求、测量温度范围、试验台安装条件等。随着先进非接触式测量技术的高速发展，动态测量系统发展的大趋势必然是新技术取代传统测量技术，而从现阶段动态测量技术水平和需求来看，依靠动态压力传感器技术的微型化发展，接触式测量技术依然占据主要市场地位，在叶轮机械实验测量工作中依旧发挥重要作用。
气动探针技术是目前发展最为成熟和被最广泛应用的一种接触式动态测量技术，其动态频响高、系统稳定且操作方便。动态气动探针系统一般由气动探针、信号放大器和动态数据采集系统组成，其中，气动探针是动态测量系统的核心部分，它一般由动态传感器、探头和探针支架等部分构成。经过半个多世纪的发展，半导体硅压阻传感器实现了微小化和高频响能力，可用动态频响一般可达到30-50kHz以上，这对一般的叶轮机械非定常流场(最大叶片通过频率一般在10kHz-15kHz)测量是足够的。然而，要想测量三维大梯度流场，往往需要对探针的探头和传感器的安装方式进行设计，其中包括气动设计和机械设计，即需要考虑探头和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可行性。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，以下针对气动探针设计的几个关键问题进行分析。
第一个问题是动态探针的频率响应问题。动态测量质量的最重要指标之一是测量系统的时间分辨率，即动态频响能力。将动态压力传感器暴露在被测流场内或在探头内与探头壁面平齐安装，可以最大限度地利用传感器的频响，但是传感器的外形和尺寸限制了探头的设计自由度，并导致探头的尺寸无法太小，另外，被测气流的高温环境会影响传感器的测量精度并可能对硅压膜片造成损坏。所以，很多设计者采用将传感器内嵌在探头内或支杆内的方式避开以上限制，然而，与传感器内嵌安装随之而来的问题是传感器测量面与探头表面之间的容腔导致的谐振效应和对被测动态信号能量的衰减效应，这使得动态探针的工作频带变窄，动态测量精度降低。如美国Aeroprobe公司于2010年左右研制的动态五孔探针，虽然探头直径将至2mm左右，由于管腔效应的存在，但其动态频率响应只有4kHz左右，这显然不能满足叶轮机械非定常测量的需求。
第二个问题是动态探针的空间分辨率也就是探头的尺寸问题。任何接触式测量工具都存在与被测对象发生相互作用的问题，所以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即探针的空间分辨率。探头的几何形状有多种选择如圆柱形、球形、楔形、椭球形等，探头的尺寸及加工方式则取决于传感器即测压孔的个数，如单孔、三孔、四孔、七孔等。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。如美国麻省理工学院(MIT)的Kerrebrock等人于1980年研制的球形探头五孔探针，其动态频响约为15kHz，但探头直径大于5mm；同样是MIT的Epstein等人于1985年基于Kerrebrock的设计基础研制了一款圆柱形探头四孔探针，频率响应可达到20kHz，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，这在某种程度上又降低了探针的空间分辨率。
第三个问题的探针的制造和维护成本问题。为了兼顾动态频率响应和空间分辨率，许多设计人员采用裸露的硅压膜片代替铠装压力传感器，这大大减小了传感器的尺寸，为探头设计和加工带来更大的自由度。然而，微小型多孔探头的加工和硅压膜片的安装需要非常精密的机械加工设备和专业的机械加工技术，而且裸露的硅压阻膜片在高温被测流场中仍然存在温度偏移和容易损坏的问题，这给探针的设计和加工带来了很大的难度，也大大增加了探针的制造与维护成本。如Kulite传感器公司在2011年研制的一款五孔动态探针，虽然其探头直径大于6mm，但其动态频响高达80kHz，这充分体现了其作为一家专业压力传感器公司的技术实力，但此款产品的售价超过10万美金，制造成本可见一斑。
以上三个问题是动态气动探针设计和制造过程中必须面临的难点，目前还没有一款探针能够完全解决这三个问题，只能是根据被测流场的需要有所偏重，在某一方面达到高性能的要求，而在要求不高的指标上做出一定让步。
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五孔探针技术，在满足三维测量要求和空间分辨率的基础上，能够保持较高的动态频率响应水准，而且具有较低的制造与维护成本。
(二)技术方案
一种动态五孔探针，包括压力受感部、测压孔过渡段和压力采集段；
压力受感部置于被测流场中，其设置有受感部测压孔，受感部测压孔经测压孔过渡段的过渡段测压孔过渡到压力采集段的采集段测压孔，利用压力采集段的采集段测压孔测量气流的动态压力。
优选地，还包括压力传感器，压力采集段设置有传感器安装孔，传感器安装孔与采集段测压孔连通，压力传感器设置在传感器安装孔内，测量气流的动态压力。
优选地，还包括缓压管，缓压管尾端封闭，另一端与采集段测压孔连通，用于减弱管腔效应。
优选地，所述压力受感部为半球形，受感部测压孔数量为五个，五个受感部测压孔在半球形表面以梅花结构均匀布置，并贯穿至半球形底部截面，感受被测气流的三维动态压力分量。
优选地，测压孔过渡段为L结构，包括水平过渡段和竖直过渡段，其水平过渡段与上游的压力受感部等径相连，其竖直过渡段与下游的压力采集段等径相连；
过渡段测压孔为L形，将受感部测压孔过渡到采集段测压孔。
优选地，受感部测压孔、过渡段测压孔和采集段测压孔一一对应连通，采集段测压孔出口截面与采集段测压孔进口截面相同。
优选地，传感器安装孔底部通过小孔与采集段测压孔连通。
优选地，采集部测压孔为中心对称结构；传感器安装孔数量与采集部测压孔一致，为中心对称结构。
优选地，水平过渡段的过渡段测压孔向同一个圆周上延伸，每个过渡段测压孔具有不同的方向和长度，在竖直过渡段内继续进行方向的变化，在竖直过渡段出口端形成中心对称结构。
优选地，压力受感部、测压孔过渡段和压力采集段采用刚性材料，缓压管采用柔性管材。
(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、本发明提供的动态五孔探针，五个压力传感器安装在压力采集段而不是压力受感部，使得压力受感部也就是探头的尺寸大大降低，可以在3mm以下，这有效地保证了动态五孔探针的空间分辨率。
2、本发明提供的动态五孔探针，采用了测压孔过渡段与柔壁缓压管的结构设计，能够有效避免管腔效应导致的动态信号失真，保证探针的动态频响在20-30kHz左右，能够满足一般叶轮机械非定常测量的需求。
3、本发明提供的动态五孔探针，采用结构简单采购方便的柱状压力传感器，加工安装和操作使用方便，保证本探针具有较低的制造和维护成本。
附图说明
图1是依照本发明实施例的动态五孔探针的主体结构图；
图2A为依照本发明实施例的动态五孔探针的水平过渡段结构的正视图；
图2B为依照本发明实施例的动态五孔探针的水平过渡段内部测压孔结构剖视图；
图3A为依照本发明实施例的动态五孔探针的测压孔过渡段和压力采集段结构的侧视图；
图3B为依照本发明实施例的动态五孔探针的测压孔过渡段和压力采集段的结构剖视图；
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，对本发明作进一步的详细说明。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五孔探针的主体结构图，从下往上依次是压力受感部1、测压孔过渡段2、压力采集段3、动态压力传感器4和柔壁缓压管5，其中：
压力受感部1为半球形结构，半球形探头的直径小于3mm，优选地，半球的直径为2.8mm。其半球外表面至底部截面贯穿地开设有五个受感部测压孔，以梅花结构均匀布置，用来感受被测气流的三维动态压力分量，优选地，测压孔的直径为0.3mm。
测压孔过渡段2外形为L结构，包括水平过渡段和竖直过渡段，其水平过渡段与上游的半球形探头以相等外径相连，竖直过渡段与下游的压力采集段3等外径相连，水平过渡段外径基本保持不变，竖直过渡段外形可呈漏斗状，与压力采集段3相接的一端面积大于与水平过渡段相接的一端，水平过渡段与竖直过渡段相接的直角拐角处可采用圆弧倒角平滑结构，以减弱对被测气流的干扰和堵塞效应，优选地，其水平过渡段长度为10mm，竖直过渡段直径为7mm。过渡段内部具有L型的五个过渡段测压孔，与半球形探头的五个受感部测压孔一一对应连通，通过这五个过渡段测压孔将进口端面的梅花五孔结构过渡为出口端面的中心对称五孔结构，五个过渡段测压孔也大致呈L结构，由水平气孔转变为竖直气孔，内径基本保持一致。
图2A和图2B分别为依照本发明实施例的动态五孔探针的水平过渡段及其内部测压孔的结构图，图3A和图3B分别为依照本发明实施例的动态五孔探针的测压孔过渡段和压力采集段及其内部测压孔的结构示意图。结合图2和图3所示，测压孔过渡段2内部的五个过渡段测压孔的结构为了达到将进口梅花结构过渡为出口中心对称结构的目的，必须设计特有的路径，从图2可以看出，在测压孔过渡段的水平过渡段内，先将梅花结构的五个孔向同一个圆周上过渡，每个孔都需要有不同的方向和长度。从图3可以看出，测压孔6在竖直过渡段内继续进行方向的变化，最终在压力采集段内形成规范的中心对称结构。
压力采集段3为气流动态压力的信号采集部位，在压力采集段内部有五个中心对称结构的采集段测压孔与测压孔过渡段出口截面的五个孔一一对应连通。对应每个采集段测压孔，还设置有五个同样是中心对称结构的传感器安装孔，在每个传感器安装孔的底部与对应采集段测压孔打通，以使压力传感器进行气流压力的测量。
五个动态压力传感器4分别安装在压力采集段3内部的五个传感器安装孔8内，用以进行动态总压信号的测量，优选地，动态压力传感器选用直径为1.4mm，长度为10mm的柱状压力传感器，如图3所示，传感器安装孔底部通过小孔7与测压孔6连通，优选地，传感器安装孔的深度选择5mm，半段传感器采用焊接或粘接方式埋装在压力采集段之内，进行动态压力信号的测量。
五个尾部封闭的柔壁缓压管5分别与压力采集段3内部的五个采集段测压孔连通，安装在压力采集段内的五个采集段测压孔下游，目的是吸收被测动态压力的信号的非定常波动能量，减弱测压管内的容腔效应对被测信号带来的影响，避免测压孔的管腔效应，减弱管腔效应对被测信号带来的失真影响。优选地，柔壁缓压管的长度选为300mm，尾端封口。柔壁缓压管能够吸收被测动态压力的能量。压力受感部1、测压孔过渡段2和压力采集段3可采用刚性材料，柔壁缓压管5可采用柔性管材。
动态五孔探针的半球形探头及其表面的五个测压孔可以采集气流的五个压力分量，进而计算出气流的总压、静压和三维速度分量，其中的对应关系需要在标准风洞上进行标定，在不同马赫数条件下给定一系列气流偏航角与俯仰角，记录每个气流速度和方向角状态下五孔的压力值，最后对整个偏航角与俯仰角平面进行五孔测量值与计算值之间换算关系的拟合。
本发明实施例提供的动态五孔探针采用了动态压力传感器远端安装的方式，这就需要对测压孔和相关机械加工误差造成的衰减效应进行系统辨识，即探针的动态频率响应标定。采用激波管产生的阶跃信号和不同频率的标准正弦信号作为输入信号，分别求出五个传感器的阶跃响应特性曲线和频率响应函数，在进行实际测量时，用频率响应函数对被测信号进行修正，保证动态探针的频率响应不低于20kHz。
在上述探针主体结构的基础上，还需要针对具体测试环境和安装条件进行探针支杆的设计，以将探针安装在合适的位置并进行测量所需要的机械动作。探针支杆的设计主要遵循的原则是尽量降低对被测流场的干扰，一般是采用尽量小的尺寸并保证支杆的外形不会造成较大的气流漩涡。
本发明提供的动态五孔探针，五个压力传感器安装在压力采集段而不是压力受感部，使得压力受感部也就是探头的尺寸大大降低，可以在3mm以下，这有效地保证了动态五孔探针的空间分辨率。
本发明提供的动态五孔探针，采用了测压孔过渡段与柔壁缓压管的结构设计，能够有效避免管腔效应导致的动态信号失真，保证探针的动态频响在20-30kHz左右，能够满足一般叶轮机械非定常测量的需求。
本发明提供的动态五孔探针，采用结构简单采购方便的柱状压力传感器，加工安装和操作使用方便，保证本探针具有较低的制造和维护成本。
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，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 (10)
1.一种动态五孔探针，其特征在于，包括压力受感部、测压孔过渡段和压力采集段；
压力受感部置于被测流场中，其设置有受感部测压孔，受感部测压孔经测压孔过渡段的过渡段测压孔过渡到压力采集段的采集段测压孔，利用压力采集段的采集段测压孔测量气流的动态压力。
2.如权利要求1所述的动态五孔探针，其中，还包括压力传感器，压力采集段设置有传感器安装孔，传感器安装孔与采集段测压孔连通，压力传感器设置在传感器安装孔内，测量气流的动态压力。
3.如权利要求2所述的动态五孔探针，其特征在于，还包括缓压管，缓压管尾端封闭，另一端与采集段测压孔连通，用于减弱管腔效应。
4.如权利要求1至3任一项所述的动态五孔探针，其特征在于，所述压力受感部为半球形，受感部测压孔数量为五个，五个受感部测压孔在半球形表面以梅花结构均匀布置，并贯穿至半球形底部截面，感受被测气流的三维动态压力分量。
5.如权利要求1至3任一项所述的动态五孔探针，其特征在于，
测压孔过渡段为L结构，包括水平过渡段和竖直过渡段，其水平过渡段与上游的压力受感部等径相连，其竖直过渡段与下游的压力采集段等径相连；
过渡段测压孔为L形，将受感部测压孔过渡到采集段测压孔。
6.如权利要求1至3任一项所述的动态五孔探针，其特征在于，受感部测压孔、过渡段测压孔和采集段测压孔一一对应连通，采集段测压孔出口截面与采集段测压孔进口截面相同。
7.如权利要求2所述的动态五孔探针，其特征在于，传感器安装孔底部通过小孔与采集段测压孔连通。
8.如权利要求2所述的动态五孔探针，其特征在于，
采集段测压孔为中心对称结构；
传感器安装孔数量与采集段测压孔一致，为中心对称结构。
9.如权利要求5所述的动态五孔探针，其特征在于，水平过渡段的过渡段测压孔向同一个圆周上延伸，每个过渡段测压孔具有不同的方向和长度，在竖直过渡段内继续进行方向的变化，在竖直过渡段出口端形成中心对称结构。
10.如权利要求3所述的动态五孔探针，其特征在于，压力受感部、测压孔过渡段和压力采集段采用刚性材料，缓压管采用柔性管材。
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