一种适用于涡轮级间宽测量范围的三孔压力探针

1.本发明属于内流压力测试技术领域，具体涉及一种适用于涡轮级间宽测量范围的三孔压力探针，适用 于发动机涡轮级间二维流场的测量。


背景技术：

2.为了获取发动机中涡轮部件的性能参数以及其内部的流场结构，需要对其级间进行压力测量，目前工 程应用中常用的测量手段主要是通过接触式压力探针来实现。三孔压力探针由于其尺寸小、结构简单，而 被广泛应用于二维流场的测量中。
3.但发动机涡轮部件级间距离较小，空间结构紧凑，这对探针的尺寸产生了很大限制，也对探针的结构 设计提出了很高的要求。如果采用附图12a所示(在大分离区内使用三孔探针测试的探索，流体力学实验 与测量)的直型探针头部结构，在涡轮级间测量时无法实现对垂直于探针方向气流的测量；如果采用附图 12b所示(发明专利：三孔跨音速压力探针，201510730721.2)的直接在探针头部侧面开孔的结构，探针 头部会对来流形成滞止作用，影响探针测量的精度；附图12c所示的“l”型的头部结构虽然可以避免头 部对测量的影响，但是“l”型伸出的部分太长，无法插入到涡轮级间较窄的空间中完成测。此外，探针 的尺寸太大也会对被测的流场环境造成严重干扰，影响测量的准确性，随着对涡轮部件的不断优化，其内 部气流速度不断提高，速度可以达到高亚音甚至超音，被测流场具有很宽的马赫数变化范围，探针对流场 本身的破坏也会更加严重，这也对探针的气动设计、几何尺寸和结构设计带来了更大的挑战。
4.随着现代发动机对高性能的追求，涡轮叶片大多采用弯掠造型设计，叶片曲率变化很大，这意味着气 流在经过一级叶片后角度也会产生很大变化，在不同的叶高方向角度差别更大，可以达到
±
60
°
范围或更 高的变化，常规的三孔探针测量的偏转角范围为
±
30
°
左右，难以满足在涡轮级间这种复杂内流环境中的 测量需求。通过位移机构夹持三孔探针在不同叶高位置自转的方式虽然能够测量气流角度变化大的流场结 构，然而在一些体积较小、结构紧凑的涡轮试验器上却难以加装位移机构。此外，通过旋转来覆盖宽气流 角的测量范围，会使得测试时间成倍增长，也会引入很多不必要的测试误差。
5.上述的这些三孔压力探针在尺寸、结构和角度测量范围等方面存在问题，严重制约了针对发动机涡轮 部件开展的测试任务和科学研究。因此，急需一种适用于涡轮级间宽测量范围的三孔压力探针，用于超涡 轮级间二维流场参数的测量。


技术实现要素：

6.针对现有的三孔压力探针难以满足在涡轮级间宽范围测量需求的问题，本发明提出了一种适用于涡轮 级间宽测量范围的三孔压力探针，首先通过创新性的探针头部和头部支杆结构设计，实现对涡轮级间宽马 赫数流场的高精度测量；然后提出了两种新的三孔压力探针数据处理方法，可以实现对涡轮级间宽偏转角 变化范围的测量。本发明提出了一种新型的三孔压力探针结构，并克服了传统三孔压力探针气动校准方法 存在的缺点，创造
性地将三孔压力探针测量角度范围扩大到
±
80
°
，能适用于0.1～1.4马赫数范围的级间 流场测量，弥补了传统三孔压力探针在该测试环境下测量的不足。
7.本发明的技术方案是：
8.1、一种适用于涡轮级间宽测量范围的三孔压力探针，由探针支杆(1)、探针头部(2)、头部支杆(3)、 测压中孔(4)、测压左孔(5)、测压右孔(6)、引压管通道(7)、引压管(8)组成，其特征在于： 所述的头部支杆(3)与探针支杆(1)焊接；探针头部(2)位于头部支杆(3)前端，开设互不 相通的测压中孔(4)、测压左孔(5)、测压右孔(6)；所述的引压管(8)封装于探针支杆(1) 内部，一端与探针头部(2)的三个测压孔相通，另一端经引压管通道(7)从探针支杆(1)尾部 引出。
9.2、进一步，探针支杆(1)为圆柱体，其截面直径为3毫米～30毫米。
10.3、进一步，头部支杆(3)整体呈“了”型，中间转角处采用圆弧过渡，其截面为三角形，顶角正对 来流方向，其夹角为30
°
～120
°
，底边边长为0.6毫米～5毫米，三条棱边打磨圆角或保持锐角； 头部支杆(3)侧面作为探针水平定位面使用。
11.4、进一步，头部支杆(2)尺寸在顶部方向投影不超出探针支杆(1)截面，与探针支杆(1)截面外 边距离为0.5毫米～1毫米，探针头部(2)中心轴线距离头部支杆(3)与探针支杆(1)连接面的 尺寸为2～6倍探针支杆(1)底边边长。
12.5、进一步，探针头部(2)结构为尖劈形，其夹角为30
°
～120
°
，测压中孔(4)、测压左孔(5)和 测压右孔(6)呈“一”型排列，测压中孔(4)中心轴线正对来流方向，探针头部(2)高度为 0.4毫米～2毫米，宽度为0.8毫米～4毫米。
13.6、进一步，在校准风洞中对一种适用于涡轮级间宽测量范围的三孔压力探针进行宽范围校准，校准 的速度范围为0.1马赫～1.4马赫，偏转角范围为-80
°
～80
°
。
14.7、进一步，通过宽范围三孔探针数据处理方法，获得每个马赫数下，不同偏转角系数-偏转角、偏转 角-总压系数和偏转角-静压系数的校准曲线，所述的宽范围三孔探针数据处理方法包含以下三种方 法：
15.第一种方法为两域法，其特征在于：
16.步骤一：偏转角系数、总压系数和静压系数的定义如下：
17.偏转角系数：
[0018][0019]
总压系数：
[0020][0021]
静压系数：
[0022][0023]
其中：c
py
为偏转角系数，c
pt
为总压系数，c
ps
为静压系数，校准风洞的来流总压和静压分别 为p
t
和ps，三孔压力探针中孔、左孔和右孔测得的压力值分别为p1、p2、和p3。
[0024]
步骤二：通过步骤一中的定义计算获得每个来流马赫数不同偏转角下的偏转角-偏转角系数、偏转 角-总压系数和偏转角-静压系数的校准曲线，将校准曲线在左孔压力值和右孔压力值相等的点分为 两个域。
[0025]
步骤三：实际测量时，用测得的三个孔的压力值计算得出偏转角系数，然后比较左孔压力值和右 孔压力值的大小，判断选取偏转角系数-偏转角校准曲线对应的域进行插值计算出偏转角初值：
[0026]
当左右孔压力值相等时，偏转角为0
°
；
[0027]
当左孔压力值大于右孔压力值时，选取校准曲线的左域；
[0028]
当右孔压力值大于左孔压力值时，选取校准曲线的右域。
[0029]
步骤四：用得出的偏转角初值，再根据偏转角-总压系数和偏转角-静压系数校准曲线插值计算出总 压初值、静压初值和马赫数初值。
[0030]
步骤五：根据马赫数初值迭代不同马赫数下的校准曲线，最终获得被测流场的气流偏转角、总压、 静压、马赫数。
[0031]
第二种方法为三域法，其特征在于：
[0032]
步骤一：偏转角系数、总压系数和静压系数的定义如下：
[0033]
偏转角系数：
[0034][0035]
总压系数：
[0036][0037]
静压系数：
[0038][0039]
其中：c
py
为偏转角系数，c
pt
为总压系数，c
ps
为静压系数，校准风洞的来流总压和静压分别 为p
t
和ps，三孔压力探针中孔、左孔和右孔测得的压力值分别为p1、p2、和p3。
[0040]
步骤二：通过步骤一中的定义计算获得每个来流马赫数不同偏转角下的偏转角-偏转角系数、偏转 角-总压系数和偏转角-静压系数的校准曲线，将校准曲线在左孔压力值与中孔压力值相等的点、右 孔压力值与中孔压力值相等的点分成三个域。
[0041]
步骤三：实际测量时，用测得的三个孔的压力值计算得出偏转角系数，然后比较偏转角系数的正 负以及左、右孔压力值的大小，判断选取偏转角系数-偏转角校准曲线对应的域进行插值计算出偏 转角初值：
[0042]
当左右孔压力值相等时，偏转角为0
°
；
[0043]
当左孔压力值大于右孔压力值，且偏转角系数为负时，选取校准曲线的右域；
[0044]
当左孔压力值大于右孔压力值，且偏转角系数为正时，选取校准曲线的中域；
[0045]
当左孔压力值小于右孔压力值，且偏转角系数为负时，选取校准曲线的中域；
[0046]
当左孔压力值小于右孔压力值，且偏转角系数为正时，选取校准曲线的左域。
[0047]
步骤四：用得出的偏转角初值，再根据偏转角-总压系数和偏转角-静压系数校准曲线插值计算出总 压初值、静压初值和马赫数初值。
[0048]
步骤五：根据马赫数初值迭代不同马赫数下的校准曲线，最终获得被测流场的气流偏转角、总压、 静压、马赫数。
[0049]
第三种方法为组合法，其特征在于：
[0050]
步骤一：将校准数据按照不同的偏转角范围划分为三个域，分别为：
[0051]
左域：-80
°
～-10
°
[0052]
中域：-30
°
～30
°
[0053]
右域：10
°
～80
°
[0054]
步骤二：各域的偏转角系数、总压系数和静压系数的定义如下：
[0055]
左域和右域：
[0056][0057][0058][0059]
中域：
[0060][0061][0062][0063]
其中：c
py
为偏转角系数，c
pt
为总压系数，c
ps
为静压系数，校准风洞的来流总压和静压分别 为p
t
和ps，三孔压力探针中孔、左孔和右孔测得的压力值分别为p1、p2、和p3；
[0064]
步骤三：通过步骤二中的定义分别获得每个来流马赫数下各域的偏转角-偏转角系数、偏转角-总压 系数和偏转角-静压系数的校准曲线；
[0065]
步骤四：实际测量时，根据宽范围校准获得的三个感压孔数据，比较各孔压力值，以压力值最大 孔所在方位选择相应的域，按照该域的偏转角系数定义计算得出偏转角系数，之后对该域的偏转 角系数-偏转角校准曲线进行插值计算出偏转角初值；
[0066]
步骤五：用得出的偏转角初值，再根据该域的偏转角-总压系数和偏转角-静压系数校准曲线插值计 算出总压初值、静压初值和马赫数初值；
[0067]
步骤六：根据马赫数初值迭代不同马赫数下该域的校准曲线，最终获得被测流场的气流偏转角、 总压、静压、马赫数。
[0068]
本发明的有益效果是：
[0069]
与现有的三孔压力探针相比，本发明一种适用于涡轮级间宽测量范围的三孔压力探针可取得以下有益 效果：
[0070]
有益效果一：本发明中的探针头部支杆采用三角形设计，探针头部采用尖劈形设计，这样的结构能有 效降低头部支杆对超音速气流的干扰和堵塞影响，使其能够适用于涡轮级间较宽马赫数范围流场的测试。
[0071]
有益效果二：本发明中三孔探针头部支杆在顶部方向投影不超出探针支杆截面的设计，可以便于插入 到涡轮级间的狭窄空间开展测试；其头部支杆整体呈“了”型，中间转角处采用圆弧过渡，这样的结构设 计可以使探针头部尽可能远离头部支杆及探针支杆，有效的减少头部支杆及探针支杆对测量精度带来的影 响。
[0072]
有益效果三：本发明中提出三种新的三孔探针数据处理方法，与现有的三孔探针数据处理方法相比， 都可以使三孔压力探针测量的气流方向范围达到
±
80
°
，使其能更好的应用于涡轮级间宽气流角度变化范 围的测试研究。
[0073]
有益效果四：本发明提出的三孔探针数据处理方法中的组合法，可以有效降低各域交界区域的测量误 差，使三孔压力探针在
±
80
°
全范围内实现气流参数的精确测量。
附图说明
[0074]
图1是本发明实施例一中的一种适用于涡轮级间宽测量范围的三孔压力探针的结构示意图。
[0075]
图2是图1的左视图
[0076]
图3是图2的局部放大视图。
[0077]
图4是图1的a截面剖视图。
[0078]
图5是图1的b截面剖视图。
[0079]
图6是图1的俯视图。
[0080]
其中：1-探针支杆、2-探针头部、3-头部支杆、4-测压中孔、5-测压左孔、6-测压右孔、7-引压管通道、 8-引压管。
[0081]
图7是本发明实施例一的安装示意图。
[0082]
其中：1-机匣壁面，2-第一级转子，3-第一级静子，4-第二级转子，5-第二级静子，6-第三级转子，7
‑ꢀ
第三级静子，8-轮毂壁面，9-用于涡轮级间宽范围测量的本发明三孔探针。
[0083]
图8是图7的局部放大视图。
[0084]
图9是本发明实施例一中的三域法校准曲线。
[0085]
其中：c
py
为偏转角系数，c
pt
为总压系数，c
ps
为静压系数。
[0086]
图10是本发明实施例一中的组合法校准曲线。
[0087]
图11是本发明实施例一中的压力最大孔分布图。图12是现有技术的结构示意图。
具体实施方式
[0088]
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。
[0089]
实施例一：
[0090]
对于涡轮级间超音速二维流场的测量，其测量空间狭窄、来流角度和马赫数变化范围大，为了保证空 间分辨率和精细化测量，因此可采用下述实施方式：
[0091]
如图1～6所示为本发明一种适用于涡轮级间宽测量范围的三孔压力探针，图7和图8为本发明探针用 于测量多级涡轮第二级静子出口级间二维流场的示意图。
[0092]
本实施例中，一种适用于涡轮级间宽测量范围的三孔压力探针，由探针支杆(1)、探针头部(2)、头 部支杆(3)、测压中孔(4)、测压左孔(5)、测压右孔(6)、引压管通道(7)、引压管(8)组成，其特 征在于：所述的头部支杆(3)与探针支杆(1)焊接；探针头部(2)位于头部支杆(3)前端，开设互不 相通的测压中孔(4)、测压左孔(5)、测压右孔(6)；所述的引压管
(8)封装于探针支杆(1)内部，一 端与探针头部(2)的三个测压孔相通，另一端经引压管通道(7)从探针支杆(1)尾部引出。
[0093]
进一步，探针支杆(1)为圆柱体，其截面直径为8毫米。
[0094]
进一步，头部支杆(3)整体呈“了”型，中间转角处采用圆弧过渡，其截面为等边三角形，顶角正 对来流方向，边长为2.5毫米，三条棱边打磨圆角；头部支杆(3)侧面作为探针水平定位面使用。
[0095]
进一步，头部支杆(2)尺寸在顶部方向投影不超出探针支杆(1)截面，与探针支杆(1)截面外边 距离为0.5毫米，探针头部(2)中心轴线距离头部支杆(3)与探针支杆(1)连接面的尺寸为3倍探针支 杆(1)底边边长。
[0096]
进一步，探针头部(2)结构为尖劈形，其夹角为60
°
，测压中孔(4)、测压左孔(5)和测压右孔(6) 呈“一”型排列，测压中孔(4)中心轴线正对来流方向，探针头部(2)高度为1毫米，宽度为3毫米。
[0097]
进一步，在校准风洞中对一种适用于涡轮级间宽测量范围的三孔压力探针进行宽范围校准，校准的速 度范围为0.1马赫～1.4马赫，校准间隔为0.1马赫，偏转角范围为-70
°
～70
°
，校准间隔为5
°
。
[0098]
进一步，通过宽范围三孔探针数据处理方法中的三域法和组合法分别对以上校准数据进行处理，其特 征在于：
[0099]
三域法：
[0100]
步骤一：偏转角系数、总压系数和静压系数的定义如下：
[0101]
偏转角系数：
[0102][0103]
总压系数：
[0104][0105]
静压系数：
[0106][0107]
其中：c
py
为偏转角系数，c
pt
为总压系数，c
ps
为静压系数，校准风洞的来流总压和静压分别 为p
t
和ps，三孔压力探针中孔、左孔和右孔测得的压力值分别为p1、p2、和p3。
[0108]
步骤二：通过步骤一中的定义计算获得每个来流马赫数不同偏转角下的偏转角-偏转角系数、偏转 角-总压系数和偏转角-静压系数的校准曲线，将校准曲线在左孔压力值与中孔压力值相等的点、右 孔压力值与中孔压力值相等的点分成三个域，校准曲线如图9所示。
[0109]
步骤三：在对多级涡轮第二级静子出口级间二维流场进行实际测量时，用测得的三个孔的压力值 计算得出偏转角系数，然后比较偏转角系数的正负以及左、右孔压力值的大小，判断选取偏转角 系数-偏转角校准曲线对应的域进行插值计算出偏转角初值：
[0110]
当左右孔压力值相等时，偏转角为0
°
；
[0111]
当左孔压力值大于右孔压力值，且偏转角系数为负时，选取校准曲线的右域；
[0112]
当左孔压力值大于右孔压力值，且偏转角系数为正时，选取校准曲线的中域；
[0113]
当左孔压力值小于右孔压力值，且偏转角系数为负时，选取校准曲线的中域；
[0114]
当左孔压力值小于右孔压力值，且偏转角系数为正时，选取校准曲线的左域。
[0115]
步骤四：用得出的偏转角初值，再根据偏转角-总压系数和偏转角-静压系数校准曲线插值计算出总 压初值、静压初值和马赫数初值。
[0116]
步骤五：根据马赫数初值迭代不同马赫数下的校准曲线，最终获得被测流场的气流偏转角、总压、 静压、马赫数。
[0117]
组合法：
[0118]
步骤一：将校准数据按照不同的偏转角范围划分为三个域，分别为：
[0119]
左域：-70
°
～-10
°
[0120]
中域：-30
°
～30
°
[0121]
右域：10
°
～70
°
[0122]
步骤二：各域的偏转角系数、总压系数和静压系数的定义如下：
[0123]
左域和右域：
[0124][0125][0126][0127]
中域：
[0128][0129][0130][0131]
其中：c
py
为偏转角系数，c
pt
为总压系数，c
ps
为静压系数，校准风洞的来流总压和静压分别 为p
t
和ps，三孔压力探针中孔、左孔和右孔测得的压力值分别为p1、p2、和p3。
[0132]
步骤三：通过步骤二中的定义分别获得每个来流马赫数下各域的偏转角-偏转角系数、偏转角-总压 系数和偏转角-静压系数的校准曲线，如图10所示；
[0133]
步骤四：实际测量时，根据宽范围校准获得的三个感压孔数据，比较各孔压力值，以压力值最大 孔所在方位选择相应的域，校准数据的压力最大孔分布如图11所示；按照该域的偏转角系数定义 计算得出偏转角系数，之后对该域的偏转角系数-偏转角校准曲线进行插值计算出偏转角初值；
[0134]
步骤五：用得出的偏转角初值，再根据该域的偏转角-总压系数和偏转角-静压系数校准曲线插值计 算出总压初值、静压初值和马赫数初值；
[0135]
步骤六：根据马赫数初值迭代该域不同马赫数下的校准曲线，最终获得被测流场的气流偏转角、 总压、静压、马赫数。