CN111366293A - 一种利用等离子体射流减小支杆堵塞效应的超音速稳态压力探针梳 - Google Patents

一种利用等离子体射流减小支杆堵塞效应的超音速稳态压力探针梳 Download PDF

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CN111366293A CN202010375475.4A CN202010375475A CN111366293A CN 111366293 A CN111366293 A CN 111366293A CN 202010375475 A CN202010375475 A CN 202010375475A CN 111366293 A CN111366293 A CN 111366293A
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Abstract

本发明属于流场压力测试技术领域，具体涉及一种利用等离子体射流减小支杆堵塞效应的超音速稳态压力探针。探针头部包含多个稳态压力探头，与探针梳支杆焊接；引压管封装于探针梳支杆和安装座内部，一端与探针头部的测压孔相通，另一端由安装座尾部引出；探针梳支杆与安装座焊接，其内部包含多个相互独立的结构：引压管通道和等离子体发生腔；高压触发电极、阳极和阴极安装在等离子体发生腔内部；等离子体发生腔开设一个收缩形射流槽与探针梳支杆下游相通。本发明通过在多个等离子体发生腔产生等离子体，并通过射流槽在探针梳支杆周围产生吹气和吸气作用，能有效减弱探针梳支杆的堵塞效应，减少支杆对被测流场的干扰。

Description

一种利用等离子体射流减小支杆堵塞效应的超音速稳态压力 探针梳
技术领域
本发明属于流场压力测试技术领域，具体涉及一种利用等离子体射流减小支杆堵塞效应的超音速稳态压力探针梳，适用于叶轮机械内超音速稳态流场中沿叶片高度方向多点压力的测量。
背景技术
在叶轮机械如压气机、涡轮的进口和级间的超音速稳态流场测量中，通常采用接触式压力测量装置获取其总压、静压、马赫数、气流角等流场参数。压力测量装置有单点压力探针和多点压力探针梳两种。
多点压力探针梳一般由3～5个三孔、四孔或五孔压力探头组成，这些探头需要支杆支撑并插入到被测流场中测量，由于超音速流场的马赫数都在1.2以上，甚至更高，而支杆所产生的气动阻力与速度的平方成正比，所以探针梳支杆在超音速流场中引起的堵塞效应不可避免的会对被测流场产生较大的干扰，造成流动掺混损失增加、部件性能下降，甚至影响部件的正常运行。特别是当探针梳在小尺寸压气机中测量时，堵塞效应更加严重，甚至会引起失速喘振的发生。在马赫数较高的被测流场中测量时，来流在压力探针支杆前方形成的激波不仅会改变探针附近的气流参数，还会在其后方产生明显的三维非定常尾迹，这些尾迹会随着叶轮机械的运动向下游传播，甚至也会影响上游的流场。
针对探针梳支杆对流场的影响问题通常通过优化探针梳支杆的尺寸和结构，来减小对被测流场的干扰。一方面，由于超音速气流会对探针梳支杆产生很强的气动力，受到结构强度方面的限制，所以探针梳支杆的尺寸不能进一步减小；另一方面，传统的超音速探针梳支杆结构通过优化设计后会对流场的干扰问题并没有明显改善，而常规的主动控制方法均不能应用于对超音速流场的流动控制。
上述的这些探针梳支杆对流场的影响问题制约着研究人员对叶轮机械内流场的深入研究，难以满足在尽可能小的对被测流场产生干扰的同时精确获取流场中压力、马赫数等参数信息的要求。因此，急需一种利用等离子体射流减小支杆堵塞效应的超音速稳态压力探针梳，用于叶轮机械中压气机、涡轮等进口和级间的超音速稳态流场中压力的测量。
发明内容
针对现有的压力探针梳在测量超音速稳态流场总压、静压、马赫数、气流角等参数时其支杆会对被测流场产生干扰、造成堵塞效应的问题，本发明提出了一种利用等离子体射流减小支杆堵塞效应的超音速稳态压力探针梳，通过在探针梳支杆内部设置多个等离子体发生器，在等离子体发生器工作时通过收缩形射流槽在探针梳支杆周围产生吹气和吸气作用，达到控制支杆尾迹的效果，从而减小支杆的堵塞效应和对被测流场的干扰。最重要的是，本发明摒弃了传统压力探针梳支杆的设计思路以及传统的等离子体发生器诱导的气流速度低的缺点，创造性地将等离子体应用在了超音速探针梳支杆的设计上，弥补了传统超音速稳态压力探针梳在流场测量时的不足。
本发明的技术方案是：
1、一种利用等离子体射流减小支杆堵塞效应的超音速稳态压力探针梳，其特征在于：由探针梳支杆(1)、探针头部(2)、安装座(3)、射流槽(4)、引压管(5)、引压管通道(6)、等离子体发生腔(7)、高压触发电极(8)、阳极(9)、阴极(10)、端部绝热绝缘层(11)、侧壁绝热绝缘层(12)和电极引出线缆(13)组成，所述的探针头部(2)包含多个稳态压力探头，与探针梳支杆(1)焊接；引压管(5)封装于探针梳支杆(1)和安装座(3)内部，一端与探针头部(2)的测压孔相通，另一端由安装座(3)尾部引出；所述的探针梳支杆(1)与安装座(3)焊接，其内部包含多个相互独立的结构：引压管通道(6)和等离子体发生腔(7)；所述的高压触发电极(8)、阳极(9)和阴极(10)安装在等离子体发生腔(7)内部，电极引出线缆(13)从安装座(3)尾部引出；所述的等离子体发生腔(7)开设一个收缩形射流槽(4)，与探针梳支杆(1)下游相通。
2、进一步，探针头部(2)长度为2毫米～20毫米，可以为单孔、三孔、四孔、五孔、七孔等压力探头，探头个数为3～5个。
3、进一步，探针梳支杆(1)截面分为三部分：前部、中部和后部；前部为尖劈形，其两侧面夹角为30°～90°，中部为矩形，后部为半圆形，直径为3毫米～20毫米。
4、进一步，等离子体发生腔(7)内壁为圆柱形，轴线与探针梳支杆(1)后半圆轴线平行，上端与安装座(3)底面齐平，下端与探针梳支杆(1)顶端距离为0.1毫米～2毫米，截面直径为2毫米～6毫米。
5、进一步，等离子体发生腔(7)个数为1～3个；等离子体发生腔(7)为1个时，其截面圆心与探针梳支杆(1)后半圆圆心的距离为0毫米～5毫米；等离子体发生腔(7)为2个时，两个等离子体发生腔(7)截面圆心对称分布，与探针梳支杆(1)后半圆圆心之间的夹角为90°～180°，距离为2毫米～5毫米，两个等离子体发生腔(7)可以同步工作，也可以交替工作；等离子体发生腔(7)为3个时，三个等离子体发生腔(7)截面圆心呈环形分布，圆环中心为探针梳支杆(1)后半圆圆心，圆环半径为2毫米～5毫米，其中两个等离子体发生腔(7)圆心在圆环上的圆心角为100°～150°，三个等离子体发生腔(7)可以同步工作，也可以交替工作。
6、进一步，射流槽(4)排气方向与主流方向平行，并沿排气方向呈收缩形，其收缩型线为直线，收缩角为-45°～45°；射流槽(4)出口宽度为0.1毫米～4毫米，长度与等离子体发生腔(7)高度相同。
7、进一步，用端部绝热绝缘层(11)将高压触发电极(8)、阳极(9)和阴极(10)上下两端固定在等离子体发生腔(7)中，起到绝热、绝缘、密封、固定的作用；用侧壁绝热绝缘层(12)与探针梳支杆(1)相隔，起到绝热、绝缘的作用。
8、进一步，高压触发电极(8)、阳极(9)和阴极(10)直径为0.5毫米～1.5毫米，间距为0.2毫米～1毫米，高压触发电极(8)与阴极(10)间距小于阳极(9)与阴极(10)间距，材质为铈钨合金、钛合金或不锈钢等。
9、进一步，高压触发电极(8)所需电源为高压脉冲电源，电压为1kV～20kV；阳极(9)所需电源为直流电源，电压为300V～800V。
10、进一步，通过超音速校准风洞对探针梳进行标定，获得不同来流方向、不同马赫数下探针梳气动校准系数，并在已知来流压力、方向和马赫数的条件下，确定等离子体发生所需电源的电压、脉冲参数等条件；实际测量中，利用超音速校准风洞获得的在不同来流方向、不同马赫数下探针梳气动校准系数，计算出被测流场的总压、静压、马赫数、气流角，并据此获得的总压、静压、马赫数、气流角，设定等离子体发生所需电源的电压、脉冲参数等条件，控制等离子体的生成量以及射流量，通过射流槽(4)在探针梳支杆(1)周围产生吹气和吸气作用，能有效减弱探针梳支杆(1)的堵塞效应，减少探针梳支杆(1)对被测流场的干扰。
本发明的有益效果是：
与现有的超音速稳态流场压力探针梳相比，本发明一种利用等离子体射流减小支杆堵塞效应的超音速稳态压力探针梳可取得以下有益效果：
有益效果一：本发明通过在支杆内部的等离子体发生腔中产生等离子体，并通过收缩形射流槽在探针梳支杆周围产生吹气和吸气作用，明显加强了对超音速压力探针梳支杆周围流体的控制效果，能有效减少探针梳支杆对被测流场的干扰和堵塞效应。
有益效果二：本发明中等离子体的产生通过控制不同电极的电压和脉冲参数实现，可根据被测流场的来流马赫数、雷诺数对电源进行调控，从而控制等离子体的生成，不同等离子体发生器可以同时工作，也可以交替工作，达到对探针梳支杆周围流体的最佳控制效果。与其他控制方法相比，等离子体射流无需额外运动部件和气源管道，是一种质量轻、响应快、结构简单的零质量控制方式。
有益效果三：传统的等离子体产生的诱导速度不超过10m/s，不能够应用于超音速气流的主动控制，本发明通过对等离子体发生器结构的独特设计，大大提高了射流速度，实现了对探针梳支杆尾迹区域流场的控制效果。
附图说明
图1是本发明实施例一中的一种利用等离子体射流减小支杆堵塞效应的超音速稳态压力探针梳的结构示意图。
图2是图1的左视图
图3是图1的局部放大视图。
图4是图1的剖视图。
图5是图1的B向视图。
图6是本发明实施例二中的一种利用等离子体射流减小支杆堵塞效应的超音速稳态压力探针梳的结构示意图。
图7是图6的左视图
图8是图6的剖视图。
图9是图6的B向视图。
其中：1-探针梳支杆、2-探针头部、3-安装座、4-射流槽、5-引压管、6-引压管通道、7-等离子体发生腔、8-高压触发电极、9-阳极、10-阴极、11-端部绝热绝缘层、12-侧壁绝热绝缘层、13-电极引出线缆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例一：
对于涡轮级间超音速三维流场的测量，其测量空间狭窄、来流三维性较强，为了保证空间分辨率和精细化测量，因此可采用下述实施方式：
如图1～5所示为本发明一种利用等离子体射流减小支杆堵塞效应的超音速稳态压力探针梳。其特征在于：由探针梳支杆(1)、探针头部(2)、安装座(3)、射流槽(4)、引压管(5)、引压管通道(6)、等离子体发生腔(7)、高压触发电极(8)、阳极(9)、阴极(10)、端部绝热绝缘层(11)、侧壁绝热绝缘层(12)和电极引出线缆(13)组成，所述的探针头部(2)包含多个稳态压力探头，与探针梳支杆(1)焊接；引压管(5)封装于探针梳支杆(1)和安装座(3)内部，一端与探针头部(2)的测压孔相通，另一端由安装座(3)尾部引出；所述的探针梳支杆(1)与安装座(3)焊接，其内部包含多个相互独立的结构：引压管通道(6)和等离子体发生腔(7)；所述的高压触发电极(8)、阳极(9)和阴极(10)安装在等离子体发生腔(7)内部，电极引出线缆(13)从安装座(3)尾部引出；所述的等离子体发生腔(7)开设一个收缩形射流槽(4)，与探针梳支杆(1)下游相通。
本实施例，探针头部(2)设置五个圆柱形五孔压力探头，探头直径为4毫米，长度为10毫米。
探针梳支杆(1)截面分为三部分：前部、中部和后部；前部为尖劈形，其两侧面夹角为40°，中部为矩形，后部为半圆形，直径为8毫米，探针梳支杆(1)长度为50毫米。
等离子体发生腔(7)内壁为圆柱形，轴线与探针梳支杆(1)后半圆轴线平行，上端与安装座(3)底面齐平，下端与探针梳支杆(1)顶端距离为1.5毫米，截面直径为3毫米。
等离子体发生腔(7)个数为3个；三个等离子体发生腔(7)截面圆心呈环形分布，圆环中心为探针梳支杆(1)后半圆圆心，圆环半径为2.1毫米，其中两个等离子体发生腔(7)圆心在圆环上的圆心角为108°，三个等离子体发生腔(7)交替工作。
射流槽(4)排气方向与主流方向平行，并沿排气方向呈收缩形，其收缩型线为直线，中间射流槽(4)收缩角为30°，两侧射流槽(4)收缩角为12°；射流槽(4)出口宽度均为0.3毫米，长度与等离子体发生腔(7)高度相同。
用端部绝热绝缘层(11)将高压触发电极(8)、阳极(9)和阴极(10)上下两端固定在等离子体发生腔(7)中，起到绝热、绝缘、密封、固定的作用；用侧壁绝热绝缘层(12)与探针梳支杆(1)相隔，起到绝热、绝缘的作用。
高压触发电极(8)、阳极(9)和阴极(10)直径均为0.5毫米，高压触发电极(8)与阴极(10)间距为0.3毫米，阳极(9)与阴极(10)间距为0.5毫米，材质均为铈钨合金。
高压触发电极(8)所需电源为高压脉冲电源，电压为2.8kV；阳极(9)所需电源为直流电源，电压为480V。
通过超音速校准风洞对探针梳进行标定，获得不同来流方向、不同马赫数下探针梳气动校准系数，并在已知来流压力、方向和马赫数的条件下，确定等离子体发生所需电源的电压、脉冲参数等条件；实际测量中，利用超音速校准风洞获得的在不同来流方向、不同马赫数下探针梳气动校准系数，计算出被测流场的总压、静压、马赫数、气流偏转角和气流俯仰角，并据此获得的总压、静压、马赫数、气流偏转角和气流俯仰角，设定等离子体发生所需电源的电压、脉冲参数等条件，控制等离子体的生成量以及射流量，通过射流槽(4)在探针梳支杆(1)周围产生吹气和吸气作用，能有效减弱探针梳支杆(1)的堵塞效应，减少探针梳支杆(1)对被测流场的干扰。
实施例二：
为了获取压气机进口的总压、静压和马赫数参数，采用下述实施方式的超音速稳态压力探针来对出口的二维流场进行测量：
如图6～9所示为本发明一种利用等离子体射流减小支杆堵塞效应的超音速稳态压力探针梳。其特征在于：由探针梳支杆(1)、探针头部(2)、安装座(3)、射流槽(4)、引压管(5)、引压管通道(6)、等离子体发生腔(7)、高压触发电极(8)、阳极(9)、阴极(10)、端部绝热绝缘层(11)、侧壁绝热绝缘层(12)和电极引出线缆(13)组成，所述的探针头部(2)包含多个稳态压力探头，与探针梳支杆(1)焊接；引压管(5)封装于探针梳支杆(1)和安装座(3)内部，一端与探针头部(2)的测压孔相通，另一端由安装座(3)尾部引出；所述的探针梳支杆(1)与安装座(3)焊接，其内部包含多个相互独立的结构：引压管通道(6)和等离子体发生腔(7)；所述的高压触发电极(8)、阳极(9)和阴极(10)安装在等离子体发生腔(7)内部，电极引出线缆(13)从安装座(3)尾部引出；所述的等离子体发生腔(7)开设一个收缩形射流槽(4)，与探针梳支杆(1)下游相通。
本实施例，探针头部(2)设置五个扁平梯形体的三孔压力探头，长度为6毫米。
探针梳支杆(1)截面分为三部分：前部、中部和后部；前部为尖劈形，其两侧面夹角为52°，中部为矩形，后部为半圆形，直径为10毫米，探针梳支杆(1)长度为80毫米。
等离子体发生腔(7)内壁为圆柱形，轴线与探针梳支杆(1)后半圆轴线平行，上端与安装座(3)底面齐平，下端与探针梳支杆(1)顶端距离为2毫米，截面直径为4毫米。
等离子体发生腔(7)个数为2个；两个等离子体发生腔(7)截面圆心对称分布，与探针梳支杆(1)后半圆圆心之间的夹角为135°，距离为2.7毫米，两个等离子体发生腔(7)同步工作。
射流槽(4)排气方向与主流方向平行，并沿排气方向呈收缩形，其收缩型线为直线，射流槽(4)收缩角均为27°；射流槽(4)出口宽度均为0.5毫米，长度与等离子体发生腔(7)高度相同。
用端部绝热绝缘层(11)将高压触发电极(8)、阳极(9)和阴极(10)上下两端固定在等离子体发生腔(7)中，起到绝热、绝缘、密封、固定的作用；用侧壁绝热绝缘层(12)与探针梳支杆(1)相隔，起到绝热、绝缘的作用。
高压触发电极(8)、阳极(9)和阴极(10)直径均为0.7毫米，高压触发电极(8)与阴极(10)间距为0.4毫米，阳极(9)与阴极(10)间距为1毫米，材质均为铈钨合金。
高压触发电极(8)所需电源为高压脉冲电源，电压为3.2kV；阳极(9)所需电源为直流电源，电压为550V。
通过超音速校准风洞对探针梳进行标定，获得不同来流方向、不同马赫数下探针梳气动校准系数，并在已知来流压力、方向和马赫数的条件下，确定等离子体发生所需电源的电压、脉冲参数等条件；实际测量中，利用超音速校准风洞获得的在不同来流方向、不同马赫数下探针梳气动校准系数，计算出被测流场的总压、静压、马赫数、气流偏转角，并据此获得的总压、静压、马赫数、气流偏转角，设定等离子体发生所需电源的电压、脉冲参数等条件，控制等离子体的生成量以及射流量，通过射流槽(4)在探针梳支杆(1)周围产生吹气和吸气作用，能有效减弱探针梳支杆(1)的堵塞效应，减少探针梳支杆(1)对被测流场的干扰。

Claims (1)

1.一种利用等离子体射流减小支杆堵塞效应的超音速稳态压力探针梳，其特征在于：由探针梳支杆(1)、探针头部(2)、安装座(3)、射流槽(4)、引压管(5)、引压管通道(6)、等离子体发生腔(7)、高压触发电极(8)、阳极(9)、阴极(10)、端部绝热绝缘层(11)、侧壁绝热绝缘层(12)和电极引出线缆(13)组成，所述的探针头部(2)包含多个稳态压力探头，与探针梳支杆(1)焊接；引压管(5)封装于探针梳支杆(1)和安装座(3)内部，一端与探针头部(2)的测压孔相通，另一端由安装座(3)尾部引出；所述的探针梳支杆(1)与安装座(3)焊接，其内部包含多个相互独立的结构：引压管通道(6)和等离子体发生腔(7)；所述的高压触发电极(8)、阳极(9)和阴极(10)安装在等离子体发生腔(7)内部，电极引出线缆(13)从安装座(3)尾部引出；所述的等离子体发生腔(7)开设一个收缩形射流槽(4)，与探针梳支杆(1)下游相通；
探针头部(2)长度为2毫米～20毫米，可以为单孔、三孔、四孔、五孔、七孔等压力探头，探头个数为3～5个；
探针梳支杆(1)截面分为三部分：前部、中部和后部；前部为尖劈形，其两侧面夹角为30°～90°，中部为矩形，后部为半圆形，直径为3毫米～20毫米；
等离子体发生腔(7)内壁为圆柱形，轴线与探针梳支杆(1)后半圆轴线平行，上端与安装座(3)底面齐平，下端与探针梳支杆(1)顶端距离为0.1毫米～2毫米，截面直径为2毫米～6毫米；
等离子体发生腔(7)个数为1～3个；等离子体发生腔(7)为1个时，其截面圆心与探针梳支杆(1)后半圆圆心的距离为0毫米～5毫米；等离子体发生腔(7)为2个时，两个等离子体发生腔(7)截面圆心对称分布，与探针梳支杆(1)后半圆圆心之间的夹角为90°～180°，距离为2毫米～5毫米，两个等离子体发生腔(7)可以同步工作，也可以交替工作；等离子体发生腔(7)为3个时，三个等离子体发生腔(7)截面圆心呈环形分布，圆环中心为探针梳支杆(1)后半圆圆心，圆环半径为2毫米～5毫米，其中两个等离子体发生腔(7)圆心在圆环上的圆心角为100°～150°，三个等离子体发生腔(7)可以同步工作，也可以交替工作；
射流槽(4)排气方向与主流方向平行，并沿排气方向呈收缩形，其收缩型线为直线，收缩角为-45°～45°；射流槽(4)出口宽度为0.1毫米～4毫米，长度与等离子体发生腔(7)高度相同；
用端部绝热绝缘层(11)将高压触发电极(8)、阳极(9)和阴极(10)上下两端固定在等离子体发生腔(7)中，起到绝热、绝缘、密封、固定的作用；用侧壁绝热绝缘层(12)与探针梳支杆(1)相隔，起到绝热、绝缘的作用；
高压触发电极(8)、阳极(9)和阴极(10)直径为0.5毫米～1.5毫米，间距为0.2毫米～1毫米，高压触发电极(8)与阴极(10)间距小于阳极(9)与阴极(10)间距，材质为铈钨合金、钛合金或不锈钢等；
高压触发电极(8)所需电源为高压脉冲电源，电压为1kV～20kV；阳极(9)所需电源为直流电源，电压为300V～800V；
通过超音速校准风洞对探针梳进行标定，获得不同来流方向、不同马赫数下探针梳气动校准系数，并在已知来流压力、方向和马赫数的条件下，确定等离子体发生所需电源的电压、脉冲参数等条件；实际测量中，利用超音速校准风洞获得的在不同来流方向、不同马赫数下探针梳气动校准系数，计算出被测流场的总压、静压、马赫数、气流角，并据此获得的总压、静压、马赫数、气流角，设定等离子体发生所需电源的电压、脉冲参数等条件，控制等离子体的生成量以及射流量，通过射流槽(4)在探针梳支杆(1)周围产生吹气和吸气作用，能有效减弱探针梳支杆(1)的堵塞效应，减少探针梳支杆(1)对被测流场的干扰。
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