CN114112176A - 一种连接喘振压差或压力传感器的外部管路设计方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于航空发动机设计技术领域，具体涉及一种连接喘振压差或压力传感器的外部管路设计方法。所述方法包括步骤S1、确定影响传压管系统频响特性的参数；步骤S2、根据上述参数，设计不同的传压管管路结构，进行动态特性标定试验，获得在传感器工作频率和特定压力下不同管路参数对响应时间和幅值灵敏度影响结果；步骤S3、根据所述影响结果确定传压管管路参数的理想数值，或者参数范围，或者设计原则；步骤S4、根据外部管路强度要求、布置的空间、装配工艺限制参数综合确定所述传压管的管路参数。本申请通过对传压管管路的改进，能够提高喘振系统判喘的有效性。

Description

一种连接喘振压差或压力传感器的外部管路设计方法
技术领域
本申请属于航空发动机设计技术领域，具体涉及一种连接喘振压差或压力传感器的外部管路设计方法。
背景技术
航空发动机压缩部件(风扇、压气机)的喘振可能会导致发动机性能降低、机件碰磨、涡轮热负荷和振动应力增加等危害，甚至危及发动机结构完整性，直接威胁飞行安全。航空发动机消喘系统的喘振信号采集系统通常由喘振压差或压力受感部、传感器和受感部至传感器之间的外部管路(以下简称：外部管路)等组成，喘振压差或压力信号采集系统作为喘振信号的原始输入对于有效判喘至关重要。外部管路作为受感部和传感器信号传输的通道，对信号的传输的完整性和实时性有着重要作用，对于保证实时、准确地识别喘振发生起到至关重要的作用。
现有连接喘振压差或压力传感器的外部管路在长度、通径等特征尺寸和管路结构走向等设计需求不明确，相应的管路布置没有保证喘振信号特征采集方面的明确约束，外部管路长度、通径等特征尺寸和管路结构走向等参数与发动机不能完全匹配的现象时有发生；管路结构设计、外部空间布局、管路参数不合理导致受感部到传感器之前压力信号损失和延迟，通常不能保证喘振信号有关幅值灵敏度和相位灵敏度(时间延迟)等需求，导致判喘滞后或失败。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提供了一种连接喘振压差或压力传感器的外部管路设计方法，主要包括：
步骤S1、确定影响传压管系统频响特性的参数；
步骤S2、根据上述参数，设计不同的传压管管路结构，进行动态特性标定试验，获得在传感器工作频率和特定压力下不同管路参数对响应时间和幅值灵敏度影响结果；
步骤S3、根据所述影响结果确定传压管管路参数的理想数值，或者参数范围，或者设计原则；
步骤S4、根据外部管路强度要求、布置的空间、装配工艺限制参数综合确定所述传压管的管路参数。
优选的是，步骤S1中，根据传压管系统频响特性的谐振频率确定影响传压管系统频响特性的参数。
优选的是，步骤S1中，所述影响传压管系统频响特性的参数包括：传压管的长度、传压管后端与压力传感器连接的空腔的体积，传压管的内径、管路长径比、弯折角度、对称性。
优选的是，所述动态特性标定试验包括激波管动态压力标定试验，和/或正弦压力校准装置标定试验。
优选的是，在所述激波管动态压力标定试验中，根据试验结果时域特性的第一个完整波形获得各标定装置的上升时间、建立时间、滞后时间、过冲量和谐振频率，进一步得到不同影响条件对响应时间的定量影响。
优选的是，在所述正弦压力校准装置标定试验中，在给定的信号压力和测试频率下进行试验，获得传压管管路通径、有效管长、弯折角度对幅值灵敏度相对误差和相移的定量影响。
本申请通过对传压管管路的改进，能够提高喘振系统判喘的有效性。
附图说明
图1是本申请连接喘振压差或压力传感器的外部管路设计方法的一优选实施例的流程图。
图2是本申请传压管结构示意图。
图3是本申请管路设计前后对比示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
本申请提供了一种连接喘振压差或压力传感器的外部管路设计方法，如图1所示，主要包括：
步骤S1、确定影响传压管系统频响特性的参数；
步骤S2、根据上述参数，设计不同的传压管管路结构，进行动态特性标定试验，获得在传感器工作频率和特定压力下不同管路参数对响应时间和幅值灵敏度影响结果；
步骤S3、根据所述影响结果确定传压管管路参数的理想数值，或者参数范围，或者设计原则；
步骤S4、根据外部管路强度要求、布置的空间、装配工艺限制参数综合确定所述传压管的管路参数。
在步骤S1之前，进一步包括外部管路设计需求分析，具体是指在传感器工作频率、压力范围内，压力信号从受感部到传感器传输过程不失真：幅值灵敏度误差小，响应时间短(即明确喘振压力测量幅值灵敏度和相位灵敏度需求)。
例如，先进、高性能航空发动机外部管路设计需求通常为：在激励频率为40Hz时，压力信号从受感部到传感器传输过程幅值灵敏度误差不大于±6％，相移不超过±5°。
在步骤S1中，主要是根据传压管系统频响特性的谐振频率确定影响传压管系统频响特性的参数，具体是指基于传压管系统频响特性的谐振频率等理论分析和计算，确定影响频响特性的因素，包括管路长度、通径、结构(管路长径比、弯折角度、对称性等等)，定性分析获得管路设计趋势化原则。
有腔的传压管系统结构示意如图2所示，一阶固有频率可按下式计算：
Figure BDA0003347314610000031
其中，c——声速；
d——传压管内径直径；
l——传压管长度；
V——空腔体积。
根据传压管相关理论和计算结果，随着频率的增加，幅值灵敏度相对误差也相应增大，当达到谐振频率时幅值灵敏度相对误差达到最大。为保证压力信号从受感部到传感器传输过程保持较小的损失，需传压管一阶固有频率大于传感器工作频率。从上述公式可知，可从减小传压管的长度、空腔体积，增大内径三个方面进行调整，使压力信号传输过程损失减小。同时根据气体动力学，管路转弯半径也会导致压力传输损失；喘振压差传感器包含两根外部管路，两管路长度不同也会对传输过程产生一定影响。因此，确定管路长度、通径、结构(管路长径比、弯折角度、对称性等等)等因素为外部管路信号传输效果的影响因素。
在步骤S2中，所述动态特性标定试验包括激波管动态压力标定试验，和/或正弦压力校准装置标定试验。并在步骤S3中，确定传压管管路参数的理想数值，或者参数范围，或者设计原则。
该实施例中，设计不同通径、有效管长、弯折角度的管路，通过激波管或正弦压力发生器等设备进行动态特性标定试验，获得在传感器工作频率和特定压力下不同管路参数对响应时间和幅值灵敏度影响结果，获得满足上述需求的管路参数的理想参数或设计原则。
根据理论分析结果可定性得出管路设计趋势化原则，但各影响因素的影响量级不明确，无法区分主次影响因素进而在在各因素间进行权衡，因此需要进行管路动态特性标定试验，获得定量的影响结果。
设计、加工不同通径、有效管长、弯折角度的管路试验件。
1)激波管动态压力标定试验
激波管动态压力标准采用阶跃压力对压力传感器进行检定，它可以产生上升时间为纳秒级的阶跃压力。将试验件安装在激波管标定装置试验台上，进行试验标定。
根据试验结果时域特性的第一个完整波形获得各标定装置的上升时间、建立时间、滞后时间、过冲量和谐振频率等技术指标，得到不同影响条件对响应时间定量的影响结果。
2)正弦压力校准装置标定试验
在给定的信号压力和测试频率(根据传感器工作压力和频率选取)下进行试验，获得管路通径、有效管长、弯折角度等因素对幅值灵敏度相对误差和相移定量的结果。
根据以上两个试验结果，得出影响管路幅值灵敏度相对误差和响应时间主要的影响因素和使动态压力测试精度达到标准级和普通级的管路参数范围。
最后，确定管路参数的理想参数后，根据外部管路强度要求、布置的空间、装配工艺等限制参数综合选取管路参数，提出管路结构、特征尺寸设计需求。
该实施例中，考虑受感部和传感器接口方向和位置对管路走向和长度的限制、装机轮廓距离对折弯半径限制、装配顺序及外涵机匣开口大小和管路强度要求对管路通径的限制等因素，与试验和理论分析结果综合权衡，确定管路长度、通径、折弯半径和对称性等设计需求。
某先进、高性能发动机外部管路设计前后对比如图3所示。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本申请作了详尽的描述，但在本申请基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本申请精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本申请要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种连接喘振压差或压力传感器的外部管路设计方法，其特征在于，包括：
步骤S1、确定影响传压管系统频响特性的参数；
步骤S2、根据上述参数，设计不同的传压管管路结构，进行动态特性标定试验，获得在传感器工作频率和特定压力下不同管路参数对响应时间和幅值灵敏度影响结果；
步骤S3、根据所述影响结果确定传压管管路参数的理想数值，或者参数范围，或者设计原则；
步骤S4、根据外部管路强度要求、布置的空间、装配工艺限制参数综合确定所述传压管的管路参数。
2.如权利要求1所述的连接喘振压差或压力传感器的外部管路设计方法，其特征在于，步骤S1中，根据传压管系统频响特性的谐振频率确定影响传压管系统频响特性的参数。
3.如权利要求1所述的连接喘振压差或压力传感器的外部管路设计方法，其特征在于，步骤S1中，所述影响传压管系统频响特性的参数包括：传压管的长度、传压管后端与压力传感器连接的空腔的体积，传压管的内径、管路长径比、弯折角度、对称性。
4.如权利要求1所述的连接喘振压差或压力传感器的外部管路设计方法，其特征在于，所述动态特性标定试验包括激波管动态压力标定试验，和/或正弦压力校准装置标定试验。
5.如权利要求4所述的连接喘振压差或压力传感器的外部管路设计方法，其特征在于，在所述激波管动态压力标定试验中，根据试验结果时域特性的第一个完整波形获得各标定装置的上升时间、建立时间、滞后时间、过冲量和谐振频率，进一步得到不同影响条件对响应时间的定量影响。
6.如权利要求4所述的连接喘振压差或压力传感器的外部管路设计方法，其特征在于，在所述正弦压力校准装置标定试验中，在给定的信号压力和测试频率下进行试验，获得传压管管路通径、有效管长、弯折角度对幅值灵敏度相对误差和相移的定量影响。
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