[发明专利]一种动态五孔探针

说明书

本发明公开了一种动态五孔探针，包括压力受感部、测压孔过渡段、压力采集段、动态压力传感器和柔壁缓压管，压力受感部设置测压孔，感受被测气流的三维动态压力分量；测压孔过渡段将进口端面的五孔结构过渡为出口端面的五孔结构；压力采集段内部有与过渡段出口截面相同的中心对称测压孔结构，以及压力传感器安装孔，与五个测压孔连通；动态压力传感器分别安装在传感器安装孔内，用以测量气流的动态压力；柔壁缓压管用来减弱管腔效应。利用本发明，压力受感部的直径可达到3mm以下，并且能够保证气流偏航角和俯仰角的测量范围均不低于30°，而测压孔过渡段与柔壁缓压管的结构设计能够有效避免管腔效应导致的动态信号失真，保证探针的动态频响。

技术领域

本发明涉及电力电子行业流场动态测量技术领域，尤其涉及一种用于航空发动机与燃气轮机等叶轮机械三维非定常流场测量的动态气动探针。

背景技术

动态测量技术在叶轮机械实验测量和性能测试中占据非常重要的地位，尤其是随着对叶轮机械内部流动的研究逐渐向全三维粘性层面深入，对三维非定常流场的高精度测量技术水平越来越决定着叶轮机械技术的发展水平。真实的叶轮机械内部流场包含多种三维非定常流动结构，而且各种复杂流场之间的相互耦合又增加了测量的难度，给动态测量技术带来了更大的挑战。

叶轮机械动态测量技术的发展面临着许多矛盾，从测量技术的发展历程来看，基于半导体硅压阻传感器的气动探针技术具有高频响和耐用性强等优点，但由于是接触式测量，探针对气流的干扰作用无法避免，然而，受限于传感器的尺寸，探针的几何尺寸不能无限缩小，这在很大程度上限制了气动探针技术的发展。另一种典型的接触式测量技术是基于热平衡原理的热线和热膜测速仪，这种技术能够大大降低探头的尺寸，但操作不方便和容易损坏限制了其在叶轮机械动态测量尤其是工业领域的大范围应用。近年来，非接触式测量技术发展非常迅速，如粒子成像测速技术(PIV)、激光多普勒测速技术(LDV)和压力敏感涂层技术(PSP)等，它们能够很好地满足空间分辨率要求并解决对流场干扰的问题，但目前的技术成熟度还不能完全满足非定常流场的测量要求。总的来说，每一种动态测量技术都有其优缺点，对测量方法的选择必须符合被测对象的特点，比如空间分辨率需求、动态频响要求、测量温度范围、试验台安装条件等。随着先进非接触式测量技术的高速发展，动态测量系统发展的大趋势必然是新技术取代传统测量技术，而从现阶段动态测量技术水平和需求来看，依靠动态压力传感器技术的微型化发展，接触式测量技术依然占据主要市场地位，在叶轮机械实验测量工作中依旧发挥重要作用。

气动探针技术是目前发展最为成熟和被最广泛应用的一种接触式动态测量技术，其动态频响高、系统稳定且操作方便。动态气动探针系统一般由气动探针、信号放大器和动态数据采集系统组成，其中，气动探针是动态测量系统的核心部分，它一般由动态传感器、探头和探针支架等部分构成。经过半个多世纪的发展，半导体硅压阻传感器实现了微小化和高频响能力，可用动态频响一般可达到30-50kHz以上，这对一般的叶轮机械非定常流场(最大叶片通过频率一般在10kHz-15kHz)测量是足够的。然而，要想测量三维大梯度流场，往往需要对探针的探头和传感器的安装方式进行设计，其中包括气动设计和机械设计，即需要考虑探头和支杆的形状和尺寸对被测流场的干扰程度和探针的机械加工可行性。从机械设计和气动设计综合考量的角度来说，动态气动探针系统的各个设计目标之间往往是相互矛盾的，以下针对气动探针设计的几个关键问题进行分析。