[实用新型]一种动态五孔探针

说明书

技术领域

本实用新型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。

第一个问题是动态探针的频率响应问题。动态测量质量的最重要指标之一是测量系统的时间分辨率，即动态频响能力。将动态压力传感器暴露在被测流场内或在探头内与探头壁面平齐安装，可以最大限度地利用传感器的频响，但是传感器的外形和尺寸限制了探头的设计自由度，并导致探头的尺寸无法太小，另外，被测气流的高温环境会影响传感器的测量精度并可能对硅压膜片造成损坏。所以，很多设计者采用将传感器内嵌在探头内或支杆内的方式避开以上限制，然而，与传感器内嵌安装随之而来的问题是传感器测量面与探头表面之间的容腔导致的谐振效应和对被测动态信号能量的衰减效应，这使得动态探针的工作频带变窄，动态测量精度降低。如美国Aeroprobe公司于2010年左右研制的动态五孔探针，虽然探头直径将至2mm左右，由于管腔效应的存在，但其动态频率响应只有4kHz左右，这显然不能满足叶轮机械非定常测量的需求。