[實(shí)用新型]一種動態(tài)五孔探針

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201720538027.5
• 申請日: 2017-05-12
• 公開（公告）號: CN206725183U
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王偲臣;杜娟;李帆;童志庭;聶超群;張宏武
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院工程熱物理研究所
• 主分類號: G01M9/00
• 分類號: G01M9/00;G01L11/00
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司11021
• 代理人: 任巖

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及電力電子行業(yè)流場動態(tài)測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于航空發(fā)動機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)等葉輪機(jī)械三維非定常流場測量的動態(tài)氣動探針。

背景技術(shù)

動態(tài)測量技術(shù)在葉輪機(jī)械實(shí)驗(yàn)測量和性能測試中占據(jù)非常重要的地位，尤其是隨著對葉輪機(jī)械內(nèi)部流動的研究逐漸向全三維粘性層面深入，對三維非定常流場的高精度測量技術(shù)水平越來越?jīng)Q定著葉輪機(jī)械技術(shù)的發(fā)展水平。真實(shí)的葉輪機(jī)械內(nèi)部流場包含多種三維非定常流動結(jié)構(gòu)，而且各種復(fù)雜流場之間的相互耦合又增加了測量的難度，給動態(tài)測量技術(shù)帶來了更大的挑戰(zhàn)。

葉輪機(jī)械動態(tài)測量技術(shù)的發(fā)展面臨著許多矛盾，從測量技術(shù)的發(fā)展歷程來看，基于半導(dǎo)體硅壓阻傳感器的氣動探針技術(shù)具有高頻響和耐用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但由于是接觸式測量，探針對氣流的干擾作用無法避免，然而，受限于傳感器的尺寸，探針的幾何尺寸不能無限縮小，這在很大程度上限制了氣動探針技術(shù)的發(fā)展。另一種典型的接觸式測量技術(shù)是基于熱平衡原理的熱線和熱膜測速儀，這種技術(shù)能夠大大降低探頭的尺寸，但操作不方便和容易損壞限制了其在葉輪機(jī)械動態(tài)測量尤其是工業(yè)領(lǐng)域的大范圍應(yīng)用。近年來，非接觸式測量技術(shù)發(fā)展非常迅速，如粒子成像測速技術(shù)(PIV)、激光多普勒測速技術(shù)(LDV)和壓力敏感涂層技術(shù)(PSP)等，它們能夠很好地滿足空間分辨率要求并解決對流場干擾的問題，但目前的技術(shù)成熟度還不能完全滿足非定常流場的測量要求。總的來說，每一種動態(tài)測量技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，對測量方法的選擇必須符合被測對象的特點(diǎn)，比如空間分辨率需求、動態(tài)頻響要求、測量溫度范圍、試驗(yàn)臺安裝條件等。隨著先進(jìn)非接觸式測量技術(shù)的高速發(fā)展，動態(tài)測量系統(tǒng)發(fā)展的大趨勢必然是新技術(shù)取代傳統(tǒng)測量技術(shù)，而從現(xiàn)階段動態(tài)測量技術(shù)水平和需求來看，依靠動態(tài)壓力傳感器技術(shù)的微型化發(fā)展，接觸式測量技術(shù)依然占據(jù)主要市場地位，在葉輪機(jī)械實(shí)驗(yàn)測量工作中依舊發(fā)揮重要作用。

氣動探針技術(shù)是目前發(fā)展最為成熟和被最廣泛應(yīng)用的一種接觸式動態(tài)測量技術(shù)，其動態(tài)頻響高、系統(tǒng)穩(wěn)定且操作方便。動態(tài)氣動探針系統(tǒng)一般由氣動探針、信號放大器和動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，其中，氣動探針是動態(tài)測量系統(tǒng)的核心部分，它一般由動態(tài)傳感器、探頭和探針支架等部分構(gòu)成。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，半導(dǎo)體硅壓阻傳感器實(shí)現(xiàn)了微小化和高頻響能力，可用動態(tài)頻響一般可達(dá)到30-50kHz以上，這對一般的葉輪機(jī)械非定常流場(最大葉片通過頻率一般在10kHz-15kHz)測量是足夠的。然而，要想測量三維大梯度流場，往往需要對探針的探頭和傳感器的安裝方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包括氣動設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)，即需要考慮探頭和支桿的形狀和尺寸對被測流場的干擾程度和探針的機(jī)械加工可行性。從機(jī)械設(shè)計(jì)和氣動設(shè)計(jì)綜合考量的角度來說，動態(tài)氣動探針系統(tǒng)的各個設(shè)計(jì)目標(biāo)之間往往是相互矛盾的，以下針對氣動探針設(shè)計(jì)的幾個關(guān)鍵問題進(jìn)行分析。

第一個問題是動態(tài)探針的頻率響應(yīng)問題。動態(tài)測量質(zhì)量的最重要指標(biāo)之一是測量系統(tǒng)的時間分辨率，即動態(tài)頻響能力。將動態(tài)壓力傳感器暴露在被測流場內(nèi)或在探頭內(nèi)與探頭壁面平齊安裝，可以最大限度地利用傳感器的頻響，但是傳感器的外形和尺寸限制了探頭的設(shè)計(jì)自由度，并導(dǎo)致探頭的尺寸無法太小，另外，被測氣流的高溫環(huán)境會影響傳感器的測量精度并可能對硅壓膜片造成損壞。所以，很多設(shè)計(jì)者采用將傳感器內(nèi)嵌在探頭內(nèi)或支桿內(nèi)的方式避開以上限制，然而，與傳感器內(nèi)嵌安裝隨之而來的問題是傳感器測量面與探頭表面之間的容腔導(dǎo)致的諧振效應(yīng)和對被測動態(tài)信號能量的衰減效應(yīng)，這使得動態(tài)探針的工作頻帶變窄，動態(tài)測量精度降低。如美國Aeroprobe公司于2010年左右研制的動態(tài)五孔探針，雖然探頭直徑將至2mm左右，由于管腔效應(yīng)的存在，但其動態(tài)頻率響應(yīng)只有4kHz左右，這顯然不能滿足葉輪機(jī)械非定常測量的需求。