CN115435931B - 一种能测量级间气流方向的高频熵探针 - Google Patents
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Abstract
本发明属于流场测试技术领域，具体涉及一种能测量级间气流方向的高频熵探针，包括探针头部、热线、叉杆、音速喷管、探针后盖、探针支杆、吸气通道、真空泵接嘴、航空插头、热线线缆。探针头部由圆柱体与双纽线旋成体组合而成，圆柱正对主流侧开有一音速喷管，音速喷管周围分布四根叉杆，其上共焊有两条水平的热线，圆柱背向主流一侧开有探针后盖，探针支杆背向主流一侧伸出真空泵接嘴，探针支杆尾部连接航空插头。本发明探针可同时测量亚音流场中总温、总压、偏转角和熵的变化，探针频响可达50kHz以上，具有尺寸小、可靠性高、空间分辨率高、时间分辨率高、测量精度高的特点。
Description
技术领域
本发明属于流场测试技术领域，具体涉及一种能测量级间气流方向的高频熵探针，适用于测量流场中总温、总压、气流偏转角和熵随时间的变化，探针频响可达50kHz以上。
背景技术
由于强非定常性和叶排的相互影响，压气机和涡轮机的流场非常复杂，对于损失形成的理解，还有很多实验工作要做。效率一般表示为实际功与等熵功的比值，熵增加会降低效率，因此，熵的测量是损失机制研究的主要目标。
熵无法直接测量，需要通过测量四个流场参数间接得到：
Tt1、Tt2是转子进、出口总温，pt1、pt2是转子进、出口总压，可见测量熵的变化需要先得到总温总压的变化。目前常采用高频压力探针来测量流场的动态压力，采用热电偶或热电阻来获得亚音流场的动态温度。然而压气机和涡轮级间流动具有非常强的非定常性，叶片通过频率高达10kHz以上，相应的温度场和压力场也是高频动态的，压力传感器可以满足测量的需求，但是最快的温度传感器细丝热电偶也与10kHz相差两个量级。
双丝吸气式热线通过总温和其他参数的关系式，进行耦合求解总温，是测量高频温度测量系统频响的有效尝试，有少数几个人取得了成功。双丝吸气式探针最早是由麻省理工学院W.F.Ng设计出来的，探头内含有两根热线，其设计的吸气受感部频响达到了10kHz。原理是将恒温式热线放置在音速喷管前，热线所在电桥输出电压的平方和流体的总温总压存在关系：
如果两根热线在不同的工作温度Tw下，同时测得的两个电压值就可以推导出总温Tt和总压Pt。
清华大学的孙锡九教授曾用W.F.Ng等人的方法制作了一个受感部模型，进行了初步的研究，得出了一些结论，其试验时用的受感部外径为10mm，用有机玻璃制成，测得频响为1kHz，为验证性试验。
北京航空航天大学的王洪伟等人改进了W.F.Ng等人受感部的结构设计，采用单热膜技术，设计了一种吸气式的动态温度受感部。
杨林等发明了一种动态熵探针，首先用两个动态压力传感器测得了总压和静压，进而得到了马赫数：
杨林认为热膜电压是流体速度和气流温度的函数，于是将前一步骤得到的速度(马赫数)代入函数，即可计算出气流总温：
E2＝[A+B(ρU)n](Tw-rTt)
吸气式探针和熵探针，尽管可以同时测量当地总温总压的波动，但存在一些缺陷。一是上述已有探针无法测量偏转角，它们使用时需要提前获取气流方向。二是上述已有探针不敏感角较小，当所测流场的偏转角超过20°时，测量结果会产生非常大的误差。三是热线放置在探头内部，热线感受到的流场参数可能有别于与真实流场，尤其对于高频响的动态测量来说，探头内部的热线感受到的流场参数会有较大的相位差和测量误差。四是上述探针皆为“L”型或者“一”字型，“一”字型不能用于级间流场的测量，因为级间宽度有限，“一”字型会与叶片发生干涉。而“L”型探针也很难伸入到狭窄的压气机或者涡轮级间。五是探针的频响有限，无法捕获更高频的信号，上述已有探针最高频响仅为10kHz，无法测量更高频的温度和压力变化。六是吸气式探针的音速喷管为简单线性收缩，马赫数和密度会出现变化不均匀的情况，这会影响到热线平面处的流场，进而影响热线的电压变化。七是前文所述的动态熵探针只能测量不可压缩流场，因为其发明者认为热膜电压仅与流体速度和气流温度有关，密度ρ被假设为常数，这种情况只适用于不可压缩流场。
因此，急需发展一种高精度、适用于狭窄空间测量、高频响、工作稳定且能测量级间气流方向的高频熵探针，以准确测量级间的总温、总压、气流偏转角和熵的变化。
发明内容
本发明的一种能测量级间气流方向的高频熵探针，探针头部是由圆柱体与双纽线旋成体组合而成，圆柱侧面开有一音速喷管，音速喷管周围分布四根叉杆，其上共焊有两条互相平行的热线，圆柱背向主流一侧开有探针后盖，探针支杆背向主流一侧伸出真空泵接嘴，探针支杆尾部连接航空插头。测量总温总压原理与吸气式探针一致，使用时，真空泵接嘴连接真空泵，使得喷嘴背压小于来流总压，音速喷管喉道处达到声速，整个喷管达到壅塞的状态，此时，热线的电压变化与速度无关，仅与来流的总温总压相关。在此基础上，还可以测量气流偏转角的变化。气流偏转角的测量原理是，对于无限长的热线来说，其对角度的敏感性可以描述为：
Veff＝Vcosα1
其中，Veff为热线感受到的有效冷却速度，而α1就是探针的偏转角，如图6所示，与β无关。对于本发明来说，2l/d≥500，实际使用时，可看作无限长热线。测量偏转角时，不对探针进行抽气，然后转动探针，当热线电压达到最大时，即热线感受到的有效冷却速度最大时，热线正对准来流。
本发明使用时，先测量流场的偏转角，待其气流方向或者气流方向变化规律确定后，转动探针使热线和音速喷管正对来流，这时真空泵接嘴连接真空泵，对探针进行抽气，使音速喷管达到壅塞状态进而测量流场的动态总温和总压。本发明探针可以测量偏转角的变化，结构为“丨”型，尺寸小，适用于狭窄级间的测量。音速喷管开在圆柱侧面，热线最先感受到来流的变化，流场信息不失真，不会受到探针本身的影响。音速喷管型线使用维多辛斯基曲线，喷管流动更加均匀，不会影响热线平面处的流动。热线可以使用5μm的镀金钨丝，搭配最新的CTA(恒温热线风速仪)模块，可以使频响达到50kHz以上。
本发明提供了一种能测量级间气流方向的高频熵探针，要解决的技术问题是：第一，解决了原有吸气式探针和熵探针无法测量偏转角的问题。第二，解决了原有吸气式探针和熵探针在所测流场的偏转角超过20°时测量结果会产生非常大的误差的问题。第三，解决了原有“L”型结构和“一”型结构的探针很难伸入到狭窄的压气机或者涡轮级间测量的问题。第四，解决了放在探头内部的热线感受到的流场参数有别于真实流场的问题。第五，解决了探针频响低的问题。第六，解决了音速喷管流动不均匀对热线造成干扰的问题。
本发明的技术解决方案是：
1、一种能测量级间气流方向的高频熵探针，由探针头部(1)、探针支杆(2)、热线(3)、叉杆(4)、音速喷管(5)、探针后盖(6)、热线线缆(7)、真空泵接嘴(8)、航空插头(9)、探针头部通孔(10)、绝缘胶(11)、圆形管道(12)组成，其特征在于：探针头部(1)由圆柱体与双纽线旋成体组合而成，圆柱正对主流侧开有一音速喷管(5)，音速喷管周围分布四根叉杆(4)，其上共焊有两条水平的热线(3)，圆柱背向主流一侧开有探针后盖(6)，探针支杆背向主流一侧伸出真空泵接嘴(8)，探针支杆尾部连接航空插头(9)。
2、进一步，探针头部(1)圆柱形的直径为2～8毫米，长度为10～45毫米，沿轴向内部开有圆形管道(12)，圆形管道贯穿整个探针，圆形管道的直径为1～7毫米，旋成体由双纽线上AB曲线段绕轴L旋转形成，A点为双纽线交点，B点切线与A点切线垂直，旋转轴L过A点且与A点切线垂直。
3、进一步，探针头部(1)圆柱侧面开有音速喷管(5)，喷管收缩的型线可以为直线、维托辛斯基曲线或者双纽线，喷管进口垂直于圆柱轴线的投影的截面直径为0.8～2毫米，喷管出口垂直于圆柱轴线的投影的截面直径为0.4～1毫米，喷管中心线距探针头部顶端的距离为2～5毫米，背对喷管的圆柱侧面开有探针后盖(6)，其横截面为扇环，扇环圆心角为45°～90°，后盖的长为2～8毫米，后盖沿圆柱轴向顶端距探针头部顶端为1～4毫米。
4、进一步，热线(3)的直径为1微米至30微米，长度为0.8～2毫米，材料为钨丝、铂丝、镀金钨丝或铂铱合金丝，两条热线水平放置，之间的距离为0.1～0.5毫米。
5、进一步，叉杆(4)呈锥形，其穿过管壁，内部与热线线缆(7)连接，外部焊接热线(3)，其头部直径为0.1毫米至0.3毫米，叉杆(4)露出探针的长度为0.1～1毫米。
6、进一步，探针支杆(2)为圆柱体，直径为2毫米～10毫米，其与航空插头(9)通过螺纹连接。
7、进一步，真空泵接嘴(8)与圆形管道(12)相连，真空泵接嘴(8)管外径为1～4毫米，内径为0.5～3.5毫米，热线线缆(7)穿过圆形管道(12)与航空插头(9)相连，航空插头(9)下方螺纹直径为1～6毫米。
8、进一步，本发明使用过程为：先测量偏转角，这时不对探针进行抽气，然后转动探针，当热线电压达到最大时，热线正对准来流。确定了气流方向或者其变化规律以后，转动探针使热线和音速喷管正对来流，这时真空泵接嘴(8)连接真空泵，对探针进行抽气，使音速喷管(5)达到壅塞状态，进而测量流场的动态总温、总压和熵。
本发明一种能测量级间气流方向的高频熵探针，具有以下有益效果：
有益效果一：本发明可测量偏转角。使用时，先测量流场的偏转角，待其气流方向或者气流方向变化规律确定后，转动探针使热线和音速喷管正对来流，接着测量流场的动态总温和总压，工程应用更加广泛。
有益效果二：本发明不存在不敏感角小的问题，探针本身可以获取偏转角的变化，可以测量大角度的流场总温、总压和熵的变化。
有益效果三：本发明探针为“丨”型，尺寸小，适用于狭窄压气机和涡轮级间的测量，提高了探针的空间分辨率。
有益效果四：本发明音速喷管开在圆柱侧面，热线焊接在音速喷管进口处，进而最先感受到来流的变化，流场信息不失真，不会受到探针本身结构造成的干扰。
有益效果五：本发明使用热线的直径范围更小，热线的热惯性小，探针频响高，可达50kHz。所用电阻材料温度系数(材料的电阻随温度变化而变化的速率)差距大，两条热线电压差距明显，标定空间分明，测量精度更高。
有益效果六：音速喷管使用维多辛斯基曲线，喷管流动更加均匀，对热线造成的干扰小。
有益效果七：叉杆穿过探针头部管壁，并以绝缘胶实现叉杆与探针头部的固定和绝缘，探针结构更加简单，并且绝缘性和密封性好。探针支杆与航空插座通过螺纹连接，密封性好，防止漏气，工作稳定。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种能测量级间气流方向的高频熵探针的结构示意图。
图2是图1的A向视图。
图3是图1的左视图。
图4是图1的右视图。
图5是图1的B向视图。
其中：1-探针头部、2-探针支杆、3-热线、4-叉杆、5-音速喷管、6-探针后盖、7-热线线缆、8-真空泵接嘴、9-航空插头、10-探针头部通孔、11-绝缘胶、12-圆形管道。
图6是双纽线旋成体生成图。
图7是热线感受到的速度分量图。
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：
如图1～5所示为一种能测量级间气流方向的高频熵探针。一种能测量级间气流方向的高频熵探针，由探针头部(1)、探针支杆(2)、热线(3)、叉杆(4)、音速喷管(5)、探针后盖(6)、热线线缆(7)、真空泵接嘴(8)、航空插头(9)、探针头部通孔(10)、绝缘胶(11)、圆形管道(12)组成，其特征在于：探针头部(1)由圆柱体与双纽线旋成体组合而成，圆柱正对主流侧开有一音速喷管(5)，音速喷管周围分布四根叉杆(4)，其上共焊有两条水平的热线(3)，圆柱背向主流一侧开有探针后盖(6)，探针支杆背向主流一侧伸出真空泵接嘴(8)，探针支杆尾部连接航空插头(9)。
探针头部(1)圆柱形的直径为5毫米，长度为15毫米，沿轴向内部开有圆形管道(12)，圆形管道贯穿整个探针，圆形管道的直径为3.2毫米，旋成体由双纽线上AB曲线段绕轴L旋转形成，A点为双纽线交点，B点切线与A点切线垂直，旋转轴L过A点且与A点切线垂直。
探针头部(1)圆柱侧面开有音速喷管(5)，喷管收缩的型线可以为直线、维托辛斯基曲线或者双纽线，喷管进口垂直于圆柱轴线的投影的截面直径为1.5毫米，喷管出口垂直于圆柱轴线的投影的截面直径为0.8毫米，喷管中心线距探针头部顶端的距离为2毫米，背对喷管的圆柱侧面开有探针后盖(6)，其横截面为扇环，扇环圆心角为45°～90°，后盖的长为5毫米，后盖沿圆柱轴向顶端距探针头部顶端为2毫米。
对于热线(3)来说，一条为5微米，材料为镀金钨丝，另外一条为10微米，材料为铂铱合金丝，由于两条热线直径和材料不同，热线电压差距大，标定空间明显，测量精度更高，两条热线水平放置，之间的距离为0.2毫米。
叉杆(4)呈锥形，其穿过管壁，内部与热线线缆(7)连接，外部焊接热线(3)，其头部直径为0.1毫米，叉杆(4)露出探针的长度为0.1毫米。
探针支杆(2)为圆柱体，直径为8毫米，其与航空插头(9)通过螺纹连接。
真空泵接嘴(8)与圆形管道(12)相连，真空泵接嘴(8)管外径为1～4毫米，内径为0.5～3.5毫米，热线线缆(7)穿过圆形管道(12)与航空插头(9)相连，航空插头(9)下方螺纹直径为1～6毫米。
本发明使用过程为：先测量偏转角，这时不对探针进行抽气，然后转动探针，当热线电压达到最大时，热线正对准来流。确定了气流方向或者其变化规律以后，转动探针使热线和音速喷管正对来流，这时真空泵接嘴(8)连接真空泵，对探针进行抽气，使音速喷管(5)达到壅塞状态，进而测量流场的动态总温和总压。
本发明一种能测量级间气流方向的高频熵探针可测量流场的总温、总压、偏转角和熵的变化。具体使用方法如下：
使用前需对本发明探针进行校准，获得探针上两条热线电压随温度、压力的变化。所述的探针校准在温度压力标定箱中进行，分别在不同温度压力下进行抽气，经校准确定本发明探针两条热线电压随温度、压力变化的曲线。
使用时将本发明插入被测流场，刚开始使用时，不进行抽气，使用位移机构使探针旋转，使热线感受来流的速度变化，确定来流的偏转角过后，使探针正对来流，再进行抽气，获得两条热线电压随时间的变化，根据已知的校准曲线，反推出流场的总温、总压的变化。测量温度和压力后，根据前文所列公式，就可测量熵的变化。
Claims (1)
1.一种能测量级间气流方向的高频熵探针，由探针头部(1)、探针支杆(2)、热线(3)、叉杆(4)、音速喷管(5)、探针后盖(6)、热线线缆(7)、真空泵接嘴(8)、航空插头(9)、探针头部通孔(10)、绝缘胶(11)、圆形管道(12)组成，其特征在于：探针头部(1)由圆柱体与双纽线旋成体组合而成，圆柱正对主流侧开有一音速喷管(5)，音速喷管周围分布四根叉杆(4)，其上共焊有两条水平的热线(3)，圆柱背向主流一侧开有探针后盖(6)，探针支杆背向主流一侧伸出真空泵接嘴(8)，探针支杆尾部连接航空插头(9)；
探针头部(1)圆柱形的直径为2～8毫米，长度为10～45毫米，沿轴向内部开有圆形管道(12)，圆形管道贯穿整个探针，圆形管道的直径为1～7毫米，旋成体由双纽线上AB曲线段绕轴L旋转形成，A点为双纽线交点，B点切线与A点切线垂直，旋转轴L过A点且与A点切线垂直；
探针头部(1)圆柱侧面开有音速喷管(5)，喷管收缩的型线可以为直线、维托辛斯基曲线或者双纽线，喷管进口垂直于圆柱轴线的投影的截面直径为0.8～2毫米，喷管出口垂直于圆柱轴线的投影的截面直径为0.4～1毫米，喷管中心线距探针头部顶端的距离为2～5毫米，背对喷管的圆柱侧面开有探针后盖(6)，其横截面为扇环，扇环圆心角为45°～90°，后盖的长为2～8毫米，后盖沿圆柱轴向顶端距探针头部顶端为1～4毫米；
热线(3)的直径为1微米至30微米，长度为0.8～2毫米，材料为钨丝、铂丝、镀金钨丝或铂铱合金丝，两条热线水平放置，之间的距离为0.1～0.5毫米；
叉杆(4)呈锥形，其穿过管壁，内部与热线线缆(7)连接，外部焊接热线(3)，其头部直径为0.1毫米至0.3毫米，叉杆(4)露出探针的长度为0.1～1毫米；
探针支杆(2)为圆柱体，直径为2毫米～10毫米，其与航空插头(9)通过螺纹连接；
真空泵接嘴(8)与圆形管道(12)相连，真空泵接嘴(8)管外径为1～4毫米，内径为0.5～3.5毫米，热线线缆(7)穿过圆形管道(12)与航空插头(9)相连，航空插头(9)下方螺纹直径为1～6毫米；
本发明使用过程为：先测量偏转角，这时不对探针进行抽气，然后转动探针，当热线电压达到最大时，热线正对准来流；确定了气流方向或者其变化规律以后，转动探针使热线和音速喷管正对来流，这时真空泵接嘴(8)连接真空泵，对探针进行抽气，使音速喷管(5)达到壅塞状态，进而测量流场的动态总温、总压和熵。
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Citations (4)
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Patent Citations (4)
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