CN111220348A - 一种复合型五孔压力-温度探针 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种复合型五孔压力‑温度探针，包含设置在探针杆体内部的一个总温热电偶、五根压力测压管、四根静压测压管和四个静温热电偶，探针杆体的前端为静参数段，探针杆体的后端为引出段，过渡段连接测压头部和静参数段，总温热电偶和压力测压管的探测端设置在测压头部的端部，静压测压管和静温热电偶的探测端设置在静参数段的侧壁，所有测压管和热电偶从引出段伸出。本发明可同时同地测量跨声速和超声速来流条件下气流的总温、静温、总压、静压、马赫数、三维流速、气流的偏转角和俯仰角等气动参数，有效降低探针对流场的干扰，实现精准的测量。

Description

一种复合型五孔压力-温度探针
技术领域
本发明涉及压力、温度和速度测试领域，具体涉及一种复合型五孔压力-温度探针。
背景技术
气动探针是叶轮机械风洞实验中最主要和便捷的测量工具。现有技术中，普遍采用的五孔气动压力探针只能测量测点处的总压、静压、马赫数、气流的偏转角和俯仰角。对于气流三维速度值的测量，则需要与额外的温度传感器相配合，通过测量到的总温去间接计算得到三维速度值。
叶轮机械风洞实验中，在低速和高亚声速来流条件下，温度探针大都安置在风洞的稳定段来测量气流温度，并忽略了风洞稳定段内和测量点之间气流的温度差，这种忽略较小误差的处理在低速和高亚声速来流条件下是可以被接受的。但是，在跨、超声速来流条件下，由于气动探针测压头部存在激波结构，造成局部熵增，气流的温度会产生阶跃式突变，在这种情况下就需要测量同一测点处的压力和温度值。然而，现有的技术中，一种方式是采用单独的气动压力探针和单独的温度探针在测点处依次分别测量气动参数，这种方式能够测得同一空间，但不是同一时间的气动参数；一种方式是采用压力探针和温度探针组合在一起来一次性测量气动参数，但是公开的文献所示的组合探针大都是两根独立的探针通过捆绑、焊接等方式组合在一起，两根探针并不完全在同一空间位置上，可以认为能够测得同一时间，但不是同一空间的气动参数。此外，这种探针的几何尺寸均大于普通的气动探针，则会对流场造成较大的干扰。
因此，现行的大多数的气动探针均无法获得同一空间点在同一时间的总温、静温、总压、静压、马赫数、三维流速、气流的偏转角和俯仰角等气动参数。
发明内容
本发明提供的一种复合型五孔压力-温度探针，可同时同地测量跨声速和超声速来流条件下气流的总温、静温、总压、静压、马赫数、三维流速、气流的偏转角和俯仰角等气动参数，有效降低探针对流场的干扰，实现精准的测量。
为了达到上述目的，本发明提供一种复合型气动探针，包含：设置在探针杆体内部的一个总温热电偶、五根压力测压管、四根静压测压管和四个静温热电偶，探针杆体的前端为静参数段，探针杆体的后端为引出段，过渡段连接测压头部和静参数段；
所述的总温热电偶和压力测压管的探测端设置在测压头部的端部，所述的静压测压管和静温热电偶的探测端设置在静参数段的侧壁，所有测压管和热电偶从引出段伸出。
所述的测压头部的端部为圆锥体，圆锥半角角度为10°～35°。
所述的一个总温热电偶和一根压力测压管设置在所述的测压头部的端部的中心位置，其余四根压力测压管围绕测压头部的中心而呈现正交对称布置。
所述的总温热电偶的探测端安装有滞止罩。
所述的过渡段是一段变径的规则旋转体，所述的过渡段连接测压头部的一端的直径小于连接静参数段的一端的直径。
所述的四根静压测压管正交对称布置在静参数段的侧壁；所述的四个静温热电偶的探测端正交对称布置在静参数段的侧壁，所述的静压测压管和所述的静温热电偶彼此交替布置。
所述的静压测压管和静温热电偶的探测端与测压头部的端部之间的距离大于等于10倍的测压头部的圆锥形头部平面的外径，所述的静压测压管和静温热电偶的探测端与探针杆体由水平向垂直折转段之间的距离大于等于5倍的测压头部的圆锥形头部平面的外径，所述的静参数段的直径小于等于测压头部最大直径的两倍。
所述的引出段呈花瓣式结构，所述的五根压力测压管在引出段上线性排布，其中一根压力测压管设置在中间；所述的一个总温热电偶和四个静温热电偶在引出段上线性排布，其中一个总温热电偶设置在中间；所述的四根静压测压管对称布置在线性排布的压力测压管和静温热电偶两侧。
本发明具有以下优点：
1、采用总温热电偶内嵌在探针测压头管套内，而不是捆绑在探针杆体外面，使得测压头的尺寸大大降低，可以维持在传统的压力探针的相同尺寸上，有效地降低了复合型探针对流场的干扰。
2、采用过渡段连接测压头部的五孔探针和静参数段的静压探针、静温探针，使得超声速气流在过渡段型面上产生一系列弱的斜激波，从而将超声速气流处于等熵压缩流动状态，为精准地测得不受激波结构影响的气流静压提供保证。
3、采用过渡段变径结构形式，使得探针测压头部的几何尺寸尽可能小，探针杆体的几何尺寸尽可能大，既能够削弱探针测压头影响流场的干扰程度，又能够提高探针杆体承受超声速来流的冲击力。
4、采用结构简单、采购方便的柱状不锈钢管，加工、安装和操作使用方便，保证探针具有较低的制造和维护成本。
附图说明
图1是本发明提供的一种复合型五孔压力-温度探针的主体结构图。
图2是本发明提供的一种复合型五孔压力-温度探针的测压管、温度热电偶结构流向剖视图。
图3A～3D是本发明提供的一种复合型五孔压力-温度探针的测压头部结构布局方式。
图4是本发明提供的一种复合型五孔压力-温度探针的静压测压管与静温热电偶结构法向剖视图。
图5是本发明提供的一种复合型五孔压力-温度探针的引出段结构布局方式。
图6是本发明提供的一种复合型五孔压力-温度探针的引出段的俯视图。
具体实施方式
以下根据图1～图6，具体说明本发明的较佳实施例。
如图1所示，本发明提供一种复合型五孔压力-温度探针，包含：设置在探针杆体4内部的一个总温热电偶、五根压力测压管、四根静压测压管和四个静温热电偶，探针杆体4的前端为静参数段3，探针杆体4的后端为引出段5，过渡段2连接测压头部1和静参数段3，探针杆体4起到包裹所有的测压管和温度热电偶的作用，并增强整个探针的结构强度。所述的总温热电偶和压力测压管的探测端设置在测压头部1的端部，总温热电偶和压力测压管依次通过测压头部1、过渡段2、静参数段3和探针杆体4，最后从引出段5伸出。所述的静压测压管和静温热电偶的探测端设置在静参数段3的侧壁，静压测压管和静温热电偶依次通过静参数段3和探针杆体4，最后从引出段5伸出。伸出引出段5的所有测压管和热电偶可通过气动接头接入数字传感器阵列压力测试模块(DSA)和分布式光纤温度传感系统(DTS)。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，所述的测压头部1的端部为圆锥体，圆锥半角角度为10°～35°，直径根据压力测压管和总温热电偶的几何尺寸来确定。
如图2、图3A～图3D所示，在本发明的一个实施例中，包含五根压力测压管，其中，一根中间压力测压管7和总温热电偶11位于测压头部1的中心位置。根据测压头部结构，中间压力测压管7和总温热电偶11的布局方式共有四种方案：如图3A所示，方案一是总温热电偶11在中间压力测压管7上面；如图3B所示，方案二是总温热电偶11在中间压力测压管7左面；如图3C所示，方案三是总温热电偶11在中间压力测压管7下面；如图3D所示，方案四是总温热电偶11在中间压力测压管7右面。其余四根压力测压管6、8、9和10围绕测压头部1的中心而呈现正交对称布置。具体地，顺着气流方向，压力测压管6居下位，压力测压管8居上位，压力测压管9居左位，压力测压管10居右位。各个压力测压管的直径和总温热电偶11的直径可依据具体结构尺寸调整。
在本发明的一个实施例中，总温热电偶11的探测端并不是直接设置在测压头部1的尖端，而是加装有一个滞止罩，其尺寸可依据具体结构调整。具体地，这个滞止罩使得流进测压头部的超声速气流速度降低到一定程度，从而使得速度误差减小到气流Ma<0.2这个允许范围之内，从而确保总温热电偶测量得到的是精准的气流总温。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，所述的过渡段2是一段变径的规则旋转体，其一端连接测压头部1，另一端连接静参数段3。所述的过渡段2连接测压头部1的一端的直径小于连接静参数段3的一端的直径。过渡段2型面的作用在于：超声速气流经过该过渡段2型面，会产生一系列弱的斜激波，这个斜激波系能够使超声速气流断减速，一直降到亚声速。因为每个斜激波都很弱，所以超声速气流经过斜激波系是接近等熵压缩的。根据此，测量经过过渡段后的静参数段上的亚声速气流的静压和静温，就可以推算出超声速来流的静压和静温。同时，过渡段2的变径结构设计，一方面，尽可能地减小了测压头部1的几何尺寸，从而降低了气动探针对叶轮机械风洞实验的干扰；一方面，增大了探针杆体4的几何尺寸，从而提升了气动探针在超声速气流中的稳定性。
如图2和图4所示，在本发明的一个实施例中，包含四根静压测压管13～16和四个静温热电偶17～20，静压测压管13～16和静温热电偶17～20的探测端正交对称布置在静参数段3的侧壁。根据实验空气动力学原理，静参数的测量是垂直于气流方向的分量，所以为了保证这个垂直方向的采集的准确性，需要将静压测压管和静温热电偶设置在静参数段3的外壁。如图4所示，静压测压管13～16的结构形式呈现正交对称布置，具体地，顺着气流方向，静压测压管13居上位，静压测压管14居右位，静压测压管15居下位，静压测压管16居左位。静温热电偶17～20的结构形式呈现正交对称布置，具体地，顺着气流方向，静温热电偶17居右上位，静温热电偶18居右下位，静温热电偶19居左下位，静温热电偶20居左上位。根据文献表明，静参数的测量受到探针头部和探针杆体垂直部分两个方面的干扰影响，为了测量的精准，需要使静参数的测量位置处在两段干扰区域之外。如图2所示，静压测压管和静温热电偶的探测端距离测压头部1尖端的距离依流场测量要求，可以等于10倍的测压头部的圆锥形头部平面的外径(即10d)或更长。同时，静压测压管和静温热电偶的探测端距离探针杆体4由水平向垂直折转段的距离依流场测量要求，可以等于5d或更长。静参数段3的直径不超过测压头部1末端(该末端指测压头部1与过渡段2连接的一端)直径的两倍，以免较大的偏差造成采集的气流不是相同流线。
如图5和图6所示，在本发明的一个实施例中，所述的引出段5呈现花瓣式结构外形，该引出段5上引出各个测压管和热电偶，各个测压管和热电偶连接气动接头。具体地，中间压力测压管7设置在后排中间，其余压力测压管6、8、9和10与中间压力测压管7线性排布即可。总温热电偶11设置在前排中间，其余静温热电偶17～20与总温热电偶11线性排布即可。静压测压管13～16对称布置在线性排布的压力测压管和静温热电偶两侧。
本发明经过超声速风洞校准，在实际测量过程，压力测量系统测量得到测压头部1各压力测压管6～10感受的压力，将其换算成总压校准系数Cpt、静压校准系数Cps和方向特性校准系数Kα、Kβ，根据校准算法即可得到总压、静压、马赫数、俯仰角、偏转角。通过总温热电偶11和静温热电偶17～20输出的电信号以及校准关系可以得到总温和静温。利用已经得到的总温、静温、马赫数即可换算得到速度大小。
综上，本发明可同时同地测量跨声速和超声速来流条件下气流的总温、静温、总压、静压、马赫数、三维流速、气流的偏转角和俯仰角等气动参数，可以用于叶轮机械和其他相关领域的风洞实验，能够实现精准的测量。
与现有技术相比，采用本发明设计的复合型五孔压力-温度探针可以达到以下技术效果：
1、采用总温热电偶内嵌在探针测压头管套内，而不是捆绑在探针杆体外面，使得测压头的尺寸大大降低，可以维持在传统的压力探针的相同尺寸上，有效地降低了复合型探针对流场的干扰。
2、采用过渡段连接测压头部的五孔探针和静参数段的静压探针、静温探针，使得超声速气流在过渡段型面上产生一系列弱的斜激波，从而将超声速气流处于等熵压缩流动状态，为精准地测得不受激波结构影响的气流静压提供保证。
3、采用过渡段变径结构形式，使得探针测压头部的几何尺寸尽可能小，同时探针杆体的几何尺寸满足足够的强度，既能够削弱探针测压头影响流场的干扰程度，又能够提高探针杆体承受超声速来流的冲击力。
4、测压头部1、过渡段2、静参数段3、探针杆体4，以及引出段5全部采用结构简单、采购方便的柱状不锈钢管，加工、安装和操作使用方便，保证探针具有较低的制造和维护成本。
本发明是一种在传统压力探针中内嵌总温、静温热电偶的复合型五孔压力-温度探针，在跨声速和超声速来流条件下实现对流场的总温、静温、总压、静压、马赫数、三维流速、气流的偏转角和俯仰角等气动参数的同时同地测量，可以有效地控制探针的几何尺寸，以免其尺寸过大而造成对流场的较大干扰。
需要说明的是，本发明的上述实施方式中所提及的“上”、“下”、“左”、“右”和“前”等均以各图所示的方向为基准，这些用来限制方向的词语仅仅是为了便于说明，并不代表对本发明具体技术方案的限制。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种复合型五孔压力-温度探针，其特征在于，包含：设置在探针杆体内部的一个总温热电偶、五根压力测压管、四根静压测压管和四个静温热电偶，探针杆体的前端为静参数段，探针杆体的后端为引出段，过渡段连接测压头部和静参数段；
所述的总温热电偶和压力测压管的探测端设置在测压头部的端部，所述的静压测压管和静温热电偶的探测端设置在静参数段的侧壁，所有测压管和热电偶从引出段伸出。
2.如权利要求1所述的复合型五孔压力-温度探针，其特征在于，所述的测压头部的端部为圆锥体，圆锥半角角度为10°～35°。
3.如权利要求1所述的复合型五孔压力-温度探针，其特征在于，所述的一个总温热电偶和一根压力测压管设置在所述的测压头部的端部的中心位置，其余四根压力测压管围绕测压头部的中心而呈现正交对称布置。
4.如权利要求3所述的复合型五孔压力-温度探针，其特征在于，所述的总温热电偶的探测端安装有滞止罩。
5.如权利要求1所述的复合型五孔压力-温度探针，其特征在于，所述的过渡段是一段变径的规则旋转体，所述的过渡段连接测压头部的一端的直径小于连接静参数段的一端的直径。
6.如权利要求1所述的复合型五孔压力-温度探针，其特征在于，所述的四根静压测压管正交对称布置在静参数段的侧壁；所述的四个静温热电偶的探测端正交对称布置在静参数段的侧壁，所述的静压测压管和所述的静温热电偶彼此交替布置。
7.如权利要求1所述的复合型五孔压力-温度探针，其特征在于，所述的静压测压管和静温热电偶的探测端与测压头部的端部之间的距离大于等于10倍的测压头部的圆锥形头部平面的外径。
8.如权利要求1所述的复合型五孔压力-温度探针，其特征在于，所述的静压测压管和静温热电偶的探测端与探针杆体由水平向垂直折转段之间的距离大于等于5倍的测压头部的圆锥形头部平面的外径。
9.如权利要求1所述的复合型五孔压力-温度探针，其特征在于，所述的静参数段的直径小于等于测压头部最大直径的两倍。
10.如权利要求1所述的复合型五孔压力-温度探针，其特征在于，所述的引出段呈花瓣式结构，所述的五根压力测压管在引出段上线性排布，其中一根压力测压管设置在中间；所述的一个总温热电偶和四个静温热电偶在引出段上线性排布，其中一个总温热电偶设置在中间；所述的四根静压测压管对称布置在线性排布的压力测压管和静温热电偶两侧。
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