CN115436656B - 一种测量压气机级间二维速度场的“八”字型热线探针 - Google Patents
一种测量压气机级间二维速度场的“八”字型热线探针 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于亚音速二维流场参数测试技术领域，具体涉及一种测量压气机级间二维速度场的“八”字型热线探针。包括探针头部、探针支杆、热线、定位块，探针头部上有呈梯形排布的两根长叉杆和两根短叉杆，长叉杆和相邻的短叉杆之间焊有热线，叉杆通过探针头部通孔与线缆相连，线缆通过探针支杆内通道引出探针尾部，探针尾部套装一个定位块。本发明两条热线顺着来流方向看呈“八”字型，热线受到的干扰小，整个探针呈“∣”型，经过校准风洞标定，可以测量多级压气机级间二维速度随时间的变化，测试频率可达几十千赫兹，为改进压气机性能提供实测数据依据。
Description
技术领域
本发明属于亚音速二维流场参数测试技术领域，具体涉及一种测量压气机级间二维速度场的“八”字型热线探针，适用于测量多级压气机级间二维速度随时间的变化，探针频响可达几十千赫兹。
背景技术
获取多级压气机级间二维非定常速度场，对于提高压气机性能具有重要的作用。由于级间流场受到动叶尾迹、泄漏涡、角涡以及其他二次流动的扫掠影响，流场具有很强的非定常性、有旋性；另外，多级压气机的级间间隙相对较小，尤其后面级的级间间隙会更小。
热线测速的原理是：将热金属丝置于气流中，由于热交换的原因，热线的热量将被气流带走，因而热线的温度发生变化，温度变化的大小和快慢主要取决于气流的速度、热线和气流的温度差、该气体的物理性质和金属丝的物理性质和几何尺寸，一般后三项是可以预先知道或者人为给定的，从而就可以在热线的温度和气流的速度之间建立起一个对应关系。而热线的电阻会随温度变化，这时输出电压就和来流速度保持特定关系。
对于二维速度场的测量，常规使用“X”型双丝探针，其可以测量两热线所在平面内的两瞬时速度(u和v)，两条热线距离很近，如图1所示。“X”型探头在压气机级间使用的主要问题是，第一，其所测量的u和v与所关心的轴向速度与周向速度不匹配，如图2所示，要想使u和v与所关心的轴向速度与轴向速度相匹配，就需要使探针头部为“L”型，而“L”型探针由于尺寸的原因很难插入压气机转子与静子之间测量。第二，“X”型双丝探针使用时，热线会受到叉杆尾迹的影响。热线在使用时为了保证高频响，都会选择较大的过热比，过热温升相较于气流温度会超过200℃，两条热线之间距离过近时，气流流经热线后温度会迅速升高，下游的热线就会受到干扰，这种情况在气流与两热线所在平面存在夹角时尤其明显，如图2所示，当周向速度存在时，热线输出电压与来流速度的之间关系复杂，速度无法被准确测量。第三，现有的“X”型双丝探针多采用插拔式，虽然更换方便，但是在压气机级间流场会面临严重的强度问题，尤其对于跨音速压气机，其气流速度高，探针会受到气流的高速冲击，出于安全考虑热线探针无法在此区域内使用。第四，现有的“X”型双丝探针缺少定位装置，在使用时定位困难。
压气机级间二维速度场变化速度快、测量空间狭小，现有的“X”型双丝探针在压气机级间使用时存在强度问题，很难插入压气机级间，测量结果不可靠，定位困难。因此，亟待发展一种准确可靠、应用在狭小空间、强度高、定位简单的测量压气机级间二维速度场的热线探针。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种测量压气机级间二维速度场的“八”字型热线探针，整个探针呈“丨”型，尺寸小，可直接插入转静间进行测量，两条热线顺着来流方向看呈“八”字型，对主流的偏转敏感，原理上可以解算出二维速度，实际应用时可进行标定，这样的排布使热线不受叉杆的影响，并且热线之间不会互相干扰，可以实现准确测量，探针头部与探针支杆通过螺纹连接，强度可靠，并且自带定位功能。
本发明的技术解决方案是：
1、一种测量压气机级间二维速度场的“八”字型热线探针，由探针头部(1)、探针支杆(2)、热线(3)、长叉杆(4)、短叉杆(5)、线缆(7)、定位块(9)组成，其特征在于：所述探针头部(1)为圆柱形，圆柱形顶端伸出长叉杆(4)和短叉杆(5)，各有两根，长叉杆(4)和相邻的短叉杆(5)之间焊有热线(3)，两条热线(3)顺着来流方向看呈“八”字型。
2、进一步，热线(3)的直径为1微米至30微米，长度为1毫米至10毫米，材料为钨丝、铂丝或者镀金钨丝，热线(3)与长叉杆(4)的夹角为θ，取值范围为5°≤θ≤85°。
3、进一步，长叉杆(4)呈锥形，其头部直径为0.1毫米至0.3毫米，长叉杆(4)露出探针头部(1)的长度为1毫米至30毫米，长叉杆(4)和短叉杆(5)在探针头部(1)上的排布方式为“等腰梯形”，“等腰梯形”的高为0.5毫米至8毫米，“等腰梯形”的锐角为α，取值范围为5°≤α≤85°，短叉杆(5)在长叉杆(4)前方，热线长叉杆(4)的材料为不锈钢。
4、进一步，短叉杆(5)呈锥形，其头部直径为0.1毫米至0.3毫米，短叉杆(5)露出探针头部(1)的长度为0.5毫米至30毫米，短叉杆(5)比长叉杆(4)短h，取值范围为0.5毫米≤h≤30毫米，短叉杆(5)的材料为不锈钢。
5、进一步，探针头部(1)为圆柱形直径为d，取值范围为2毫米≤d≤10毫米，长4d至8d，探针头部(1)内部开有探针头部通孔(6)。
6、进一步，长叉杆(4)和短叉杆(5)通过探针头部通孔(6)与线缆(7)相连，绝缘胶(8)实现长叉杆(4)和短叉杆(5)与探针头部(1)的固定和绝缘。
7、进一步，探针支杆(2)为圆柱体，直径为D，取值范围为2毫米≤D≤10毫米，其内部开有圆型管道，探针头部(1)与探针支杆(2)通过螺纹连接，线缆(6)通过探针支杆(2)内的管道引出探针尾部，探针尾部套装一个长方体定位块(9)。
8、进一步，长方体定位块(9)通过定位块通孔(10)套装于探针尾部，由埋头螺钉(12)穿过长方体定位块(9)两侧螺纹孔(11)固定，埋头螺钉(12)全部嵌入螺纹孔(11)内。
9、进一步，长方体定位块(9)的4个侧面均可作为定位面，定位块通孔直径为D+0.05毫米，长方体定位块(9)底面为正方形，其边长为M，取值范围为D+2毫米≤M≤D+8毫米，长方体定位块(9)厚度为H，取值范围为2毫米≤H≤5毫米。
本发明的有益效果是：
与现有的“X”型双丝探针相比，本发明为一种测量压气机级间二维速度场的“八”字型热线探针，具有以下有益效果：
有益效果一：本发明叉杆在探针头部上的排布方式为“等腰梯形”，短叉杆在长叉杆前方，两条热线在来流方向呈“八”字型。由于短叉杆在前方，其尾迹不会对热线造成影响。两条热线呈“八”字型，热线之间的干扰也可以忽略不计。此时，热线的输出电压只与来流速度有关，测量的结果更加准确。
有益效果二：整个探针呈“丨”型，相比“L”型探针尺寸更小，一方面探针可以插入多级压气机转静间进行测量，对被测流场产生的干扰小，另一方面探针具有较高的空间分辨率。
有益效果三：叉杆穿过探针头部通孔，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。探针头部与探针支杆通过螺纹连接，强度高，更适合在气流速度高的压气机级间使用。
有益效果四：本发明采用的定位块尺寸小，在测量过程中，对探针的影响小，由于定位块四个侧面均可作为定位面，相互之间可以替换，定位过程简单、方便，更适合实际工程应用。
附图说明
图1是“X”型双丝探针。
图2是“X”型双丝探针的测试布局图。
图3是本发明的结构示意图。
图4是图3的右视图。
图5是图4的局部放大图。
其中：1-探针头部，2-探针支杆，3-热线，4-长叉杆，5-短叉杆，6-探针头部通孔，7-线缆，8-绝缘胶，9-长方体定位块，10-定位块通孔，11-螺纹孔，12-埋头螺钉。
具体实施方式
如图3所示，一种测量压气机级间二维速度场的“八”字型高频热线探针，由探针头部(1)、探针支杆(2)、热线(3)、长叉杆(4)、短叉杆(5)、线缆(7)、长方体定位块(9)组成，其特征在于：所述探针头部(1)为圆柱形，圆柱形顶端伸出长叉杆(4)和短叉杆(5)，各有两根，长叉杆(4)和相邻的短叉杆(5)之间焊有热线(3)，两条热线(3)顺着来流方向看呈“八”字型；
热线(3)的直径为10微米，长度为3毫米，材料为镀金钨丝。热线(3)与长叉杆(4)的夹角为45°；
长叉杆(4)呈锥形，其头部直径为0.2毫米，长叉杆(4)露出探针头部(1)的长度为6毫米，长叉杆(4)和短叉杆(5)在探针头部(1)上的排布方式为“等腰梯形”，“等腰梯形”的锐角为45°，短叉杆(5)在长叉杆(4)前方，如图4所示，热线长叉杆(4)的材料为不锈钢；
短叉杆(5)呈锥形，其头部直径为0.2毫米，短叉杆(5)露出探针头部(1)的长度为4毫米，短叉杆(5)比长叉杆(4)短2毫米，短叉杆(5)的材料为不锈钢；
探针头部(1)为圆柱形直径为4毫米，长20毫米，探针头部(1)内部开有探针头部通孔(7)；
长叉杆(4)和短叉杆(5)通过探针头部通孔(6)与线缆(7)相连，绝缘胶(8)实现长叉杆(4)和短叉杆(5)与探针头部(1)的固定和绝缘；
探针支杆(2)为圆柱体，直径为4毫米，其内部开有圆型管道，探针头部(1)与探针支杆(2)通过螺纹连接，线缆(7)通过探针支杆(2)内的管道引出探针尾部，探针尾部套装一个长方体定位块(9)；
长方体定位块(9)通过定位块通孔(10)套装于探针尾部，由埋头螺钉(12)穿过长方体定位块(9)两侧螺纹孔(11)固定，埋头螺钉(12)全部嵌入螺纹孔(11)内，如图5所示；
长方体定位块(10)的4个侧面均可作为定位面，定位块通孔直径为4.05毫米，长方体定位块(9)底面为正方形，其边长为10毫米，长方体定位块(9)厚度为5毫米；
使用前，在校准风洞中对探针进行标定，选取长方体定位块(9)中一个侧面作为定位面，通过水平仪确定长方体定位块(9)定位面与热线(3)的相对位置，由埋头螺钉(12)固定长方体定位块(9)，在不同来流方向、不同速度大小下，获得热线探针气动校准系数。在压气机级间测量时，利用测量数据通过热线探针气动校准系数反算出来流的速度大小及方向。
Claims (1)
1.一种测量压气机级间二维速度场的“八”字型热线探针，由探针头部(1)、探针支杆(2)、热线(3)、长叉杆(4)、短叉杆(5)、线缆(7)、定位块(9)组成，其特征在于：所述探针头部(1)为圆柱形，圆柱形顶端伸出长叉杆(4)和短叉杆(5)，各有两根，长叉杆(4)和相邻的短叉杆(5)之间焊有热线(3)，两条热线(3)顺着来流方向看呈“八”字型；
热线(3)的直径为10微米，长度为1毫米至10毫米，材料为钨丝、铂丝或者镀金钨丝，热线(3)与长叉杆(4)的夹角为θ，取值范围为5°≤θ≤85°；
长叉杆(4)呈锥形，其头部直径为0.1毫米至0.3毫米，长叉杆(4)露出探针头部(1)的长度为1毫米至30毫米，长叉杆(4)和短叉杆(5)在探针头部(1)上的排布方式为“等腰梯形”，“等腰梯形”的高为0.5毫米至8毫米，“等腰梯形”的锐角为α，取值范围为5°≤α≤85°，短叉杆(5)在长叉杆(4)前方，热线长叉杆(4)的材料为不锈钢；
短叉杆(5)呈锥形，其头部直径为0.1毫米至0.3毫米，短叉杆(5)露出探针头部(1)的长度为0.5毫米至30毫米，短叉杆(5)比长叉杆(4)短h，取值范围为0.5毫米≤h≤30毫米，短叉杆(5)的材料为不锈钢；
探针头部(1)为圆柱形直径为d，取值范围为2毫米≤d≤10毫米，长4d至8d，探针头部(1)内部开有探针头部通孔(6)；
长叉杆(4)和短叉杆(5)通过探针头部通孔(6)与线缆(7)相连，绝缘胶(8)实现长叉杆(4)和短叉杆(5)与探针头部(1)的固定和绝缘；
探针支杆(2)为圆柱体，直径为D，取值范围为2毫米≤D≤10毫米，其内部开有圆型管道，探针头部(1)与探针支杆(2)通过螺纹连接，线缆(7)通过探针支杆(2)内的管道引出探针尾部，探针尾部套装一个长方体定位块(9)；
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