一种可调静叶进口气流参数的组合式叶型探针测量方法与流程

本发明涉及航空发动机多级轴流压气机气动性能试验研究领域，提出了一种在宽广工作转速变化范围内准确测量多级轴流压气机可调静叶进口气流参数的组合式叶型探针测量方法。

背景技术：

为了研制性能先进的航空发动机用轴流压气机部件，设计阶段需要详细了解轴流压气机设计工况和非设计工况下的内部复杂流动信息，而试验测量是公认的获取轴流压气机气动性能参数最为有效和可靠的技术手段。由于轴流压气机转子和静子叶排交错排列，流道空间狭窄，常规带支杆的插入式探针无法很好的满足压气机级间气流参数的测试需求，尤其是对于小尺寸紧凑式结构布局压气机试验而言，需要发展更为先进的测试技术来获取压气机级间性能参数。叶型探针技术是目前压气机级间稳态流场测量中采用较多的一种测试手段。它通过在压气机各级静子叶排中选取数个叶片作为支撑载体，在其叶片表面沿径向埋设多点探头，在显著降低传统插入式探针对级间流场堵塞和干扰作用的同时，可以真实获取压气机各级转子出口稳态压力、温度的具体数值和径向分布，较为准确地反映出压气机级间流场信息。鉴于叶型探针技术的明显优势，早在上世纪70年代，国外各主要发动机公司就已经将叶型探针应用到航空轴流压气机科研试验中，国内发动机研究所从“十五”期间以来，在多级轴流压气机级间性能试验中也开始大量采用该项测试技术。

对于多级轴流压气机级间性能参数测量而言，为了得到每级转子后流动参数，除了进口导叶不安装叶型探针外，其他静叶一般均安装叶型探针。当压气机采用了可调节角度静子叶片时，静叶安装角随着压气机工作转速的变化而调节，导致安装在可调静叶上的叶型探针也随之发生偏转，当偏转角度超过其不敏感角度范围时，叶型探针测量误差将明显增大。由于常规的叶型探针滞止罩轴线基本沿着静子叶片进口几何构造角方向，不敏感角范围一般不超过±15°，无法适应压气机中低转速可调节静叶的旋转角度，导致压气机中低转速转子后流场参数测量结果的准确性降低，不能满足试验测量精度要求，严重制约了航空轴流压气机全工况气动性能的有效评定。目前，针对如何解决多级轴流压气机可调静叶上叶型探针的不敏感角范围受限问题，通过技术查新、文献检索等途径未发现相关技术与方法的介绍。

技术实现要素：

本发明的目的：针对多级轴流压气机可调静叶上叶型探针不敏感角范围无法适应全工况气流参数测量的问题，将常规的叶型探针和带偏角的叶型探针进行有效组合(即组合式叶型探针测量方法)，其中常规的叶型探针仅用于高转速区域测量，而带偏角的叶型探针用于中低转速区域测量，从而实现宽广工作转速变化范围内压气机可调静叶进口气流参数的完全准确测量。并通过合理设计叶型探针的偏角，减小带偏角叶型探针对压气机内部流场的负面影响，提高组合式叶型探针测量方法的流场适应性，为多级轴流压气机级间气流参数全工况测量提供一种有效测量方法。

本发明的技术方案：为了达到上述目的，本发明的技术方案阐述如下：

一种可调静叶进口气流参数的组合式叶型探针测量方法，其特征在于，至少一个叶型探针在安装时带偏角，与常规安装叶型探针测点存在相对方向角之差θ，带偏角安装叶型探针的径向位置和测点数，根据需求与常规安装叶型探针相同，同一径向位置处至少存在一个带偏角安装的叶型探针；且θ不大于20度，且不大于叶型探针的不敏感角范围αw，不小于10度，常规的叶型探针作为高速叶型探针，用于相对换算转速90％以上工况测量；带偏角的叶型探针作为低速叶型探针，用于相对换算转速85％以下工况测量。

所述叶型探针均采用套管型结构。

本发明的有益效果：

本发明提出了一种用于测量可调静叶进口气流参数的组合式叶型探针测量方法，与传统意义上的叶型探针技术相比，本发明充分考虑了多级轴流压气机静叶角度调节对叶型探针测量的影响，通过采用带偏转角的叶型探针来抵消压气机中低转速下可调静叶角度的变化，确保了静叶进口气流参数始终处于叶型探针不敏感角范围内，明显提高了压气机全工况级间流场参数的测量精度。与此同时，通过给定叶型探针偏转角变化范围，合理控制了带偏角叶型探针对压气机内部流场带来的附加扰动影响。本发明所提出的组合式叶型探针测量方法已经在叶栅和压气机试验中进行了充分验证，验证效果表明：组合式叶型探针测量方法较好具有更宽的不敏感角测量范围，能够显著提升压气机中低转速工作区域级间总压参数测量精度，有效平衡了常规叶型探针自身不敏感角范围有限与中低转速下可调静叶大角度偏转之间的矛盾，实现了在整个性能录取转速范围内压气机级间气流参数的准确测量。

本发明适用于带可调静叶的多级轴流压气机全工况级间流场参数测量的需求，方法简单、易于实现，填补了国内航空压气机内流试验测试技术的空白，在军/民用航空发动机压缩部件气动性能试验研究领域具有较高的推广应用价值，有望产生良好的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本发明中的角度可调静叶叶型探针改进设计示意图；

图2是本发明中的组合式叶型探针测量方法不敏感角范围示意图；

图3是本发明中套管型带偏角总压叶型探针探头设计方案。

图1中θ为叶型探针的相对方向角，β为静叶的进口几何构造角。图2中αw为叶型探针的不敏感角宽度，αw+θ为组合式叶型探针测量方法不敏感角范围，其中θ为两组叶型探针的测点相对方向角之差，ω为测量的误差。图3中θ为叶型探针的相对方向角。

具体实施方式：

下面通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：

保留常规的叶型探针作为高速叶型探针，用于相对换算转速90％以上的压气机级间气流参数测量，而带偏角的叶型探针作为低速叶型探针，用于相对换算转速85％及以下压气机级间气流参数测量，以此来增大叶型探针总的不敏感角范围，使得在整个性能录取转速范围内压气机可调静叶进口气流参数都满足测量精度要求。常规的叶型探针和带偏角的叶型探针的径向位置和测点数完全相同，即同一径向位置处存在两个周向位置不同的叶型探针测点。带偏角的叶型探针测点相对方向角θ越大，总的不敏感角范围就越宽，为了保证组合式叶型探针测量方法总的不敏感角范围连续，带偏角的叶型探针测点相对方向角θ(图2所示)不能大于αw，否则组合式叶型探针测量方法还需另外增加一组叶型探针进行过渡。带偏角的叶型探针测点相对方向角越大，虽然更有利于低转速时大偏角气流的测量，但会导致带偏角的叶型探针在高转速时形成相反方向的气流偏角，由于高转速下压气机内部气流马赫数较大，使得带偏角的叶型探针测压管尾迹损失较大，会对高转速下压气机内部流场带来额外干扰。另外，叶型探针测点偏角设置得过大，也会增加叶型探针的加工难度，焊接强度难以保证。因此，带偏角的叶型探针测点相对方向角不宜过大，一般不大于20o。由于单管型结构叶型探针的不敏感角度范围比套管型结构叶型探针的不敏感角度范围窄，采用单管型叶型探针不能达到本发明偏角设计之目的。所以，带偏角的叶型探针应和常规的叶型探针一样，均采用套管型结构设计。

下面实施例是测量轴流压气机首级可调静叶进口气流参数情况下本发明方法的具体应用方式：

采用组合式叶型探针测量方法测量某高压压气机进口气流总压的具体技术方案表述如下：

1)保留常规的叶型探针作为高速叶型探针，用于相对换算转速90％以上的高压压气机进口总压测量，而带偏角的叶型探针作为低速叶型探针，用于相对换算转速85％及以下高压压气机进口总压测量。本实施例选取了两组叶片进行测量，每组两个叶片，每组中一个叶片布置3点，一个叶片布置2点，模拟径向5点分布，模拟了一只径向五点梳状稳、动态总压探针用于测量高压压气机进口气流稳、动态总压，其径向位置按等环或者等距分布。测量时一组叶片上安装常规的叶型探针，另一组叶片上安装带偏角的叶型探针，偏角的叶型探针和常规的叶型探针的径向位置和测点数完全相同，即同一径向位置处存在两个周向位置不同的叶型探针测点；

2)如附图2中所示，假设叶型探针的不敏感角范围为αw，当采用组合式叶型探针测量方法时，其总的不敏感角范围为αw+θ，其中θ为两组叶型探针的测点相对方向角之差。当组合式叶型探针测量方法总的不敏感角范围大于气流偏角变化范围时，整个工作转速变化范围内的级间气流参数能够得到准确测量。带偏角的叶型探针的测点相对方向角θ越大，总的不敏感角范围越宽，为了使组合式叶型探针测量方法总的不敏感角范围连续变化，带偏角的叶型探针测点相对方向角θ不大于αw，否则还需另外增加一组叶型探针进行过渡。带偏角的叶型探针测点相对方向角越大，虽然更有利于低转速时大偏角气流的测量，但会导致带偏角的叶型探针在高转速时形成相反方向的气流偏角，由于高转速下压气机内部气流马赫数较大，使得带偏角的叶型探针测压管尾迹损失较大，会对高转速下压气机内部流场带来额外干扰。另外，叶型探针测点偏角设置得过大，也会增加叶型探针的加工难度，焊接强度难以保证。因此，带偏角的叶型探针测点相对方向角不宜过大。所以采用组合式叶型探针测量方法测量某高压压气机进口气流总压时，偏角设计叶型探针的相对方向角即附图中的θ角选为15°；

3)由于单管型结构叶型探针的不敏感角度范围比套管型结构叶型探针的不敏感角度范围窄，采用单管型叶型探针不能达到本发明偏角设计之目的。所以，带偏角的叶型探针应和常规的叶型探针一样，均采用附图3所示的套管型结构设计；

4)高速总压叶型探针和低速总压叶型探针的径向位置和测点数完全相同，即同一径向位置处存在两个周向位置不同的叶型探针测点，因此直接取两种探针在相同径向位置处的测点总压的最大值作为该径向位置处的总压即可，无需对试验件转速进行判断。