CN218822484U

CN218822484U - 一种测量级间三维全参数高频探针

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Publication number: CN218822484U
Application number: CN202221980402.9U
Authority: CN
Inventors: 马宏伟; 李彦仪; 赵国松
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2022-07-29
Filing date: 2022-07-29
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2032-07-29

Abstract

本发明属于高频流场动态测试技术领域，具体涉及一种测量级间三维全参数高频探针，包括探针头部、探针支杆、热线、叉杆、音速喷管、探针后盖、热线线缆、真空泵接嘴、航空插头、压力感受孔、压力传感器、压力传感器线缆、压力传感器通道。探针头部为“跑道形”柱体结构，柱体正对来流面开有一音速喷管，音速喷管上下分布两根叉杆，其上焊有热线，音速喷管下方开有压力感受孔，压力感受孔与压力传感器连接，背对喷管的探针头部背风侧为一探针后盖，接近探针支杆尾部有一真空泵接嘴，探针支杆尾部连接一航空插头，本发明适用于测量流场中总温、总压、静压、静温、马赫数、偏转角、俯仰角、速度、密度和熵随时间的变化，探针频响可达50kHz以上。

Description

一种测量级间三维全参数高频探针

技术领域

本发明属于高频流场动态测试技术领域，具体涉及一种测量级间三维全参数高频探针，适用于测量流场中总温、总压、静压、静温、马赫数、偏转角、俯仰角、速度、密度和熵等全参数随时间的变化，探针频响可达50kHz以上。

背景技术

目前在航空发动机领域中准确测量压气机和涡轮级间流动的气动性能参数仍然是一个重要的工程问题。压气机和涡轮级间流动特点为强三维性、可压缩性、不稳定性和强非定常性，叶片通过频率达到了10kHz以上，相应的温度场以及压力场也是高频动态变化的，由此导致要准确获得压气机和涡轮级间的温度和压力随时间的变化变得十分困难。因此，想要准确获得压气机和涡轮级间的动态压力场以及动态温度场，必需要发展高频的动态压力、温度测量手段。

目前常采用热电偶、热电阻来获得流场的动态温度，采用高频动态压力探针来测量流场的动态压力，使用多孔压力探针测量气流的方向。现有的动态压力传感器频响可以满足压气机/涡轮级间的测量要求，而现有的温度传感器的频响低，即使频响最高的细丝热电偶温度传感器也与10kHz相差两个量级，使用传统的温度传感器测量压气机/涡轮级间的非定常温度场是非常困难的。

吸气式热线与动态压力传感器组合探针通过总温和其他参数的关系式获取总温，这种测量手段是提高动态温度测量频率的有效尝试。吸气式热线与动态压力传感器组合探针最早是由爱荷华州立大学D.E.Van Zante设计出来的，探头由一个内嵌热线的吸气式通道以及一个动态压力传感器组成，其温度测量频响可以达到10kHz。原理是将一根热线放在音速喷管前，通过吸气使得喷管达到壅塞状态，以此获得热线所在电桥输出电压与气流总温总压之间的关系式：

再通过高频压力传感器获取气流动态总压，由此推导出气流的总温。

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，通过总压、静压、Ma数的关系式：

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：

E²＝[A+B(ρU)ⁿ](T_w-rT_T)

即可计算出气流总温。

现有的吸气式热线与动态压力传感器组合探针以及动态熵探针，尽管可以同时测量当地总温总压的波动，但存在一些缺陷。第一，上述探针都是按照正对主流的要求设计，但是又无法测量气流的俯仰角和偏转角，它们使用时需要提前获取气流方向。第二，上述已有探针不敏感角较小，当所测流场的偏转角或者俯仰角超过20°时，测量结果会产生非常大的误差。第三，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。第四，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。第五，上述探针的频响有限，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。第六，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，急需发展一种测量级间三维全参数高频探针，以准确测量级间三维流场的总温、总压、静温、静压、马赫数、偏转角、俯仰角、速度、密度和熵等全参数的动态变化。

发明内容

本发明的一种测量级间三维全参数高频探针，探针头部为“跑道形”柱体结构，顶端通过弧形光滑过渡，柱体侧面圆弧部分开有一音速喷管，音速喷管上下分布两根叉杆，其上焊有热线，热线与探针轴线平行或者呈一定角度，音速喷管下方开有压力感受孔，压力感受孔与压力传感器连接，背对喷管的探针头部背风侧开有探针后盖，接近探针支杆尾部背风侧开有一真空泵接嘴，探针支杆尾部连接一航空插头。其测量总温的原理与吸气式热线与动态压力传感器组合探针相同。在使用时，将真空泵接嘴连接真空泵抽气，使得喷管背压低于来流总压，音速喷管喉道处达到声速，整个喷管达到壅塞状态。此时，热线电压仅为来流总温总压的函数，与气流速度无关，同时结合压力传感器获得来流总压参数，推导出气流总温。

在此基础上，本发明还可以测量来流俯仰角、偏转角、静压，同时计算出来流静温、速度、密度以及熵。其原理是，对于无限长的热线来说，其对角度的敏感性可以描述为：

V_eff＝V cos α1

其中，V_eff为热线感受到的有效冷却速度，而α1就是探针的俯仰角，如图6所示。对于本发明来说，2l/d≥500，实际使用时，可看作无限长热线。测量俯仰角时，不对探针进行抽气，然后调整探针俯仰角度，可以获得来流的俯仰角。同时，通过压力感受孔以及压力传感器可以测量出气流的总压、静压以及偏转角，其原理与单孔压力探针测量原理相同。由所测量的总温、总压、静压、俯仰角、偏转角等参数，可以推导出静温、速度、密度和熵等气流的全部参数。

本发明在使用时可以先通过压力传感器测量出气流的总压、静压、偏转角，气流方向确定过后，调整探针使其正对主流，再进行抽气测量来流温度的动态变化。本发明探针为“丨”型，尺寸小，适用于狭窄的级间测量。音速喷管开在探针头部柱体侧面圆弧部分，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。

本发明提供了一种测量级间三维全参数高频探针，要解决的技术问题是：第一，解决了原有的吸气式热线与动态压力传感器组合探针无法测量气流俯仰角以及偏转角的问题。第二，解决了上述已有探针不敏感角较小，当所测流场的俯仰角和偏转角超过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，解决了现有温度探针频响低的问题。

本发明的技术解决方案是：

1、一种测量级间三维全参数高频探针，由探针头部(1)、探针支杆(2)、热线(3)、叉杆(4)、音速喷管(5)、圆柱形稳定段(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(13)、压力感受孔(14)、压力传感器(15)、压力传感器线缆(16)、压力传感器通道(17)组成，其特征在于：探针头部(1)为“跑道形”柱体结构，其横截面形线由两个等径半圆和一个矩形组成，探针头部(1)顶端通过弧形光滑过渡，柱体正对来流面开有一音速喷管(5)，音速喷管上下分布两根叉杆(4)，其上焊有热线(3)，音速喷管(5)下方开有压力感受孔(14)，压力感受孔(14)与压力传感器(15)连接，背对喷管的探针头部(1)背风侧为一探针后盖(7)，接近探针支杆尾部有一真空泵接嘴(9)，探针支杆尾部连接一航空插头(10)。

2、探针头部(1)两个半圆形的直径D为2～8毫米，矩形部分宽度与半圆形直径相同，长度为0.5D～3D，沿轴向内部开有圆形管道(13)，圆形管道(13)的直径为1～7毫米。

3、探针头部(1)侧面圆弧部分开有音速喷管(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，喷管进口垂直于探针头部(1)柱体轴线的投影的截面直径为0.8～3毫米，喷管出口垂直于探针头部(1)柱体轴线的投影的截面直径为0.4～2毫米，喷管中心线距探针头部(1)顶端的距离为2～8毫米，音速喷管(5)通过圆柱形稳定段(6)与圆形管道(13)连接，圆柱形稳定段(6)直径与喷管进口垂直于探针头部(1)柱体轴线的投影的截面直径相同，背对喷管的背风侧开有探针后盖(7)，其横截面为扇环，扇环圆心角为45°～90°，探针后盖(7)长为2～8毫米，探针后盖(7)中心位置距探针头部(1)顶端为2～8毫米。

4、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、铂丝或者镀金钨丝，热线与探针轴线夹角为0°～15°。

5、叉杆(4)呈锥形，其穿过探针头部通孔(11)，并以绝缘胶(12)实现与探针头部的连接与绝缘，叉杆(4)内部与热线线缆(8)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、探针支杆(2)为与探针头部(1)相同形状的柱体结构，其圆形管道(13)尾部与航空插头(10)通过螺纹连接；探针支杆背风侧的真空泵接嘴(9)与圆形管道(13)相连，真空泵接嘴(9)管外径为1～4毫米，内径为0.5～3.5毫米，热线线缆(8)穿过圆形管道(13)与航空插头(10)相连，航空插头(10)下方螺纹直径为1～6毫米。

7、压力感受孔直径为0.1～2毫米，其中心线距音速喷管中心线距离为1～4毫米，压力传感器(15)固定于探针支杆(2)内的压力传感器通道(17)，压力传感器通道直径为0.5～4毫米，压力传感器线缆(16)由传感器通道(17)引出探针尾部。

本发明一种测量级间三维全参数高频探针，具有以下有益效果：

有益效果一：本发明可测量气流俯仰角以及偏转角。使用时，先测量流场的俯仰角以及偏转角，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，使用时对俯仰角和偏转角范围没有限制，可以测量大角度的流场全参数的变化。

有益效果三：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，不会受到探针本身结构造成的干扰。

有益效果四：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，同时提高了探针的空间分辨率。

有益效果五：由于热线直径在5微米左右，热惯性很小，其频响能达到50kHz以上，提高了温度的测量频率。

有益效果六：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测量级间三维全参数高频探针的结构示意图。

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的仰视图。

其中：1-探针头部、2-探针支杆、3-热线、4-叉杆、5-音速喷管、6-圆柱形稳定段、7-探针后盖、8-热线线缆、9-真空泵接嘴、10-航空插头、11-探针头部通孔、12-绝缘胶、13-圆形管道、14-压力感受孔、15-压力传感器、16-压力传感器线缆、17-压力传感器通道。

图6是热线感受到的速度分量。

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所示为一种测量级间三维全参数高频探针，由探针头部(1)、探针支杆(2)、热线(3)、叉杆(4)、音速喷管(5)、圆柱形稳定段(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(13)、压力感受孔(14)、压力传感器(15)、压力传感器线缆(16)、压力传感器通道(17)组成，其特征在于：探针头部(1)为“跑道形”柱体结构，其横截面形线由两个等径半圆和一个矩形组成，探针头部(1)顶端通过弧形光滑过渡，柱体正对来流面开有一音速喷管(5)，音速喷管上下分布两根叉杆(4)，其上焊有热线(3)，音速喷管(5)下方开有压力感受孔(14)，压力感受孔(14)与压力传感器(15)连接，背对喷管的探针头部(1)背风侧为一探针后盖(7)，接近探针支杆尾部有一真空泵接嘴(9)，探针支杆尾部连接一航空插头(10)。

Claims

1.一种测量级间三维全参数高频探针，由探针头部(1)、探针支杆(2)、热线(3)、叉杆(4)、音速喷管(5)、圆柱形稳定段(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(13)、压力感受孔(14)、压力传感器(15)、压力传感器线缆(16)、压力传感器通道(17)组成，其特征在于：探针头部(1)为“跑道形”柱体结构，其横截面形线由两个等径半圆和一个矩形组成，探针头部(1)顶端通过弧形光滑过渡，柱体正对来流面开有一音速喷管(5)，音速喷管上下分布两根叉杆(4)，其上焊有热线(3)，音速喷管(5)下方开有压力感受孔(14)，压力感受孔(14)与压力传感器(15)连接，背对喷管的探针头部(1)背风侧为一探针后盖(7)，接近探针支杆尾部有一真空泵接嘴(9)，探针支杆尾部连接一航空插头(10)；

探针头部(1)两个半圆形的直径D为2～8毫米，矩形部分宽度与半圆形直径相同，长度为0.5D～3D，沿轴向内部开有圆形管道(13)，圆形管道(13)的直径为1～7毫米；

探针头部(1)侧面圆弧部分开有音速喷管(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，喷管进口垂直于探针头部(1)柱体轴线的投影的截面直径为0.8～3毫米，喷管出口垂直于探针头部(1)柱体轴线的投影的截面直径为0.4～2毫米，喷管中心线距探针头部(1)顶端的距离为2～8毫米，音速喷管(5)通过圆柱形稳定段(6)与圆形管道(13)连接，圆柱形稳定段(6)直径与喷管进口垂直于探针头部(1)柱体轴线的投影的截面直径相同，背对喷管的背风侧开有探针后盖(7)，其横截面为扇环，扇环圆心角为45°～90°，探针后盖(7)长为2～8毫米，探针后盖(7)中心位置距探针头部(1)顶端为2～8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、铂丝或者镀金钨丝，热线与探针轴线夹角为0°～15°；

叉杆(4)呈锥形，其穿过探针头部通孔(11)，并以绝缘胶(12)实现与探针头部的连接与绝缘，叉杆(4)内部与热线线缆(8)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)为与探针头部(1)相同形状的柱体结构，其圆形管道(13)尾部与航空插头(10)通过螺纹连接；探针支杆背风侧的真空泵接嘴(9)与圆形管道(13)相连，真空泵接嘴(9)管外径为1～4毫米，内径为0.5～3.5毫米，热线线缆(8)穿过圆形管道(13)与航空插头(10)相连，航空插头(10)下方螺纹直径为1～6毫米；

压力感受孔直径为0.1～2毫米，其中心线距音速喷管中心线距离为1～4毫米，压力传感器(15)固定于探针支杆(2)内的压力传感器通道(17)，压力传感器通道直径为0.5～4毫米，压力传感器线缆(16)由传感器通道(17)引出探针尾部。