7孔復(fù)合探針在平面葉柵流場測量中的應(yīng)用

王　東，雷志軍，劉建明，馬　磊，武　卉，郝晟淳（.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽005；.中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京0090）

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7孔復(fù)合探針在平面葉柵流場測量中的應(yīng)用

王東1，雷志軍2，劉建明1，馬磊1，武卉1，郝晟淳1
（1.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽110015；2.中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京100190）

摘要：結(jié)合流場校測和壓氣機葉柵試驗測試方法的研究工作，應(yīng)用算術(shù)平均、質(zhì)量平均和摻混均勻法3種數(shù)據(jù)處理方法，獲得了葉柵流場數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比和誤差分析，探索了復(fù)合探針在葉柵流場測量中的應(yīng)用范圍及條件。試驗結(jié)果表明：復(fù)合探針在跨聲速、俯仰角為-15°～15°范圍內(nèi)具有良好的氣動特性，3種數(shù)據(jù)處理方法均可用于平面葉柵流場測量。通過流場校測和葉柵試驗，驗證了復(fù)合探針在流場測量中具有準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性的特點，其數(shù)據(jù)處理方法為葉柵流場提供了基礎(chǔ)性的測量手段。

關(guān)鍵詞：復(fù)合探針；平面葉柵；流場測量；數(shù)據(jù)處理方法

引用格式：王東，雷志軍，劉建明，等.7 孔符合探針在平面葉柵流場測量中的應(yīng)用[J].航空發(fā)動機，2016,42（3）：67-73.WANG Dong,LEI Zhijun,LIU Jianming,et al.Application of seven-holes composite probe in the measurement of the plane cascade flow field[J].Aeroengine,2016,42(3):67-73.

0　引言

隨著航空發(fā)動機技術(shù)的不斷發(fā)展，對平面葉柵流場精細(xì)化測量提出了更高要求。探針的結(jié)構(gòu)設(shè)計、位置精度、結(jié)構(gòu)尺寸和安裝要求以及數(shù)據(jù)處理方法對流場測量準(zhǔn)確度均有影響。采用尺寸小、形狀尖而薄、用途多的探針，測量較多的氣動參數(shù)，是測試技術(shù)發(fā)展的方向。由于探針測量設(shè)備簡單、對環(huán)境要求低、價格低廉，對于流場測量有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。隨著對葉柵內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)和損失機理研究的不斷深入，探針在葉柵流場測量中發(fā)揮的作用日趨重要。要使探針測得到、測得準(zhǔn)、測得穩(wěn)，需要對探針的制作、校準(zhǔn)方法、數(shù)據(jù)處理方法和試驗技術(shù)，以及測控系統(tǒng)的安全可靠運行進(jìn)行研究。

本文從復(fù)合探針的設(shè)計與加工、校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)處理方法及校核試驗過程方面，運用算術(shù)平均、質(zhì)量平均和摻混均勻3種數(shù)據(jù)處理方法對同1套擴壓葉柵進(jìn)行了測量，對自動對向和非自動對向測量結(jié)果進(jìn)行了誤差分析，并對復(fù)合探針特點、空間分辨率、適用范圍作了說明。

1　復(fù)合探針的設(shè)計與加工

1.1復(fù)合探針的設(shè)計

復(fù)合探針適用于跨聲速、超聲速氣流測量，其設(shè)計原則是力求尺寸小、形狀尖而薄，用途多，結(jié)構(gòu)緊湊[2]等，基于這一原則，設(shè)計了既能用于自動對向又能用于非自動對向的復(fù)合探針。相比目前所用的楔形探針，其顯著特點是有1根獨立的靜壓探頭，可以提高跨聲速區(qū)流場靜壓的測量精度，與5孔尖劈探針一樣均用于測量氣流角在±15°范圍內(nèi)的2維流場。探針主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 復(fù)合探針

復(fù)合探針將A、B兩個探頭組合在一起，其中A探頭由φ1.2、材料為1Cr18Ni9Ti的3個管組成尖劈楔形體，尖劈楔型體左、右管頭部在相反方向切成45°角的斜面，用于測量方向，中間管截面與管壁垂直，用于測量總壓；B探頭由φ1.2、材料為1Cr18Ni9Ti的管前端加錐型探頭組成，并在管側(cè)邊與A探頭測量總壓相同的截面上均布開了4個φ0.3靜壓孔，靜壓孔位于錐型探針頭后管直徑6～10倍的位置[3]。研究經(jīng)驗表明，在靜壓探頭上，靜壓孔距探頭的距離應(yīng)超過10倍直徑，復(fù)合探針設(shè)計的4個靜壓孔的位置距探頭為13倍直徑，通過1根引壓管引出，以避免激波引起壓力測量誤差。靜壓探頭與總壓探頭相距16 mm，可同時測量氣流總壓和靜壓?？倝簻y量管和方向測量管組成的尖劈楔形體做得盡量小，以減小探頭迎風(fēng)面積，減弱激波的強度和減少損失[2]。

1.2復(fù)合探針的加工

探針加工的關(guān)鍵在于保證探針頭部的設(shè)計尺寸和方向測量管的斜面角度的加工精度，首先按設(shè)計尺寸加工靜壓探頭和總壓3孔管，靜壓探頭錐角保證15°，3孔管之間通過焊接連接，焊后保持3孔管并排面平整光潔，方向測量管頭部的斜面為45°，斜面角度公差為0.02°，斜面平整光潔，孔邊保持銳邊。在完成所有零部件加工后，將3孔管和靜壓管的一端插入探針安裝頭上，接入引壓接嘴，校準(zhǔn)測量孔位置，尤其要保證測壓孔的位置度及3孔管相對探針桿軸線的垂直度不超過0.05。3孔管和靜壓管與探針安裝頭接合面涂樂泰膠496，涂膠時不能堵塞測量孔。連接支桿、接嘴、橫桿和定位桿，并進(jìn)行釬焊，焊料采用HLAgCu30-35，焊后打磨光焊縫。若不將整根管接入引壓接嘴，則應(yīng)連接測量管和引壓管之間的軟管，并進(jìn)行尺寸檢查，檢查合格后進(jìn)行通暢性和密封檢查，合格后對探針安裝頭進(jìn)行材料填充，材料可采用樹脂或銀焊料。

2　校準(zhǔn)

2.1復(fù)合探針校準(zhǔn)復(fù)合探針在中國科學(xué)院工程熱物理研究所風(fēng)洞上校準(zhǔn)，目的是得到馬赫數(shù)與探針壓力孔測得的總壓之間惟一的函數(shù)關(guān)系[4]。在標(biāo)定過程中，包括標(biāo)定風(fēng)洞的總溫、總壓、靜壓，及復(fù)合探針測量到的PL、Pc、Pr和Pst4個壓力參數(shù)。對以上6個壓力參數(shù)進(jìn)行無量綱處理，得到與氣流角、Ma成一定關(guān)系的7個角度壓力系數(shù)（如圖2所示）。PL、Pc、Pr和Pst分別對應(yīng)復(fù)合探針的第1～4測量端，復(fù)合探針在Ma=0.2～1.0的7個工況下進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定角度范圍為±15°，角度間隔0.5°，校準(zhǔn)曲線如圖2所示。

圖2 復(fù)合探針校準(zhǔn)曲線

2.2測量數(shù)據(jù)修正

首先假設(shè)探針測量到的氣流角α=0，再根據(jù)復(fù)合探針測量壓力（Pc和Pst）計算出的KM值中進(jìn)行查詢，并插值得出測量Ma的估計值；然后插值得出該Ma值下的KΦ1和KΦ2隨氣流角的變化曲線，再通過測量的KΦ1和KΦ2的較小者，插值得到氣流角的第1次修正值α2；根據(jù)α2查詢KM～Ma曲線，并通過插值方法修正Ma；最后對比前后2次求得的Ma之間的差值是否小于0.001，直到滿足要求。修正流程如圖3所示。

圖3 復(fù)合探針測量結(jié)果修正流程

3　數(shù)據(jù)處理

在柵后0.5～1倍弦長處，采用復(fù)合探針，使探針定位于葉片中間截面，且探頭對準(zhǔn)來流方向，每個測量點步長設(shè)定為0.25 mm。測量時，探針沿測量截面移動，測量葉柵的出口總壓、靜壓和出口氣流角。對探針?biāo)鶞y的葉柵流場數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，通常采用測量截面氣動參數(shù)算術(shù)平均、質(zhì)量平均和摻混均勻3種計算方法。

3.1算術(shù)平均法

算術(shù)平均法數(shù)據(jù)處理過程依據(jù)葉柵測試系統(tǒng)的狀態(tài)設(shè)定。在壓力測量數(shù)據(jù)中，使用探針自動對向測量出口總壓，測量值為，需要測量1個柵距內(nèi)的壓力分布。當(dāng)進(jìn)行超聲速流場測量時，伴隨著探針前方的1個正激波會有其他的復(fù)雜現(xiàn)象。根據(jù)瑞利-皮托公式[5]來推導(dǎo)式（1），如果Ma＜1，則測量的總壓與出口總壓一致；如果Ma＞1，則測量的總壓需要進(jìn)行Ma修正，因為使用了自動對向的測量方式，因此使用正激波下的激波前后總壓的關(guān)系式進(jìn)行修正

3.2質(zhì)量平均法

質(zhì)量平均就是以測量點的質(zhì)量流量為加權(quán)的平均值[6]，即

經(jīng)無量綱化后，可表示為

需要特別說明的是，測量截面葉柵損失系數(shù)的質(zhì)量平均值定義為：

式中：Y為圖4測量截面葉柵損失系數(shù)；P*為探針測量總壓；Ps測量壁面靜壓；下標(biāo)1為葉柵進(jìn)口，下標(biāo)2y為葉柵出口測量截面；下標(biāo)mav為質(zhì)量平均。

3.3摻混均勻法

摻混均勻截面計算如圖4所示。以從測量截面到摻混均勻截面之間的1個柵距寬度的面積為控制體，通過求解其質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒方程，即可得到摻混均勻截面的各項氣動參數(shù)[7]。假設(shè)控制體工質(zhì)為理想氣體，具有恒定的比熱容。

圖4 摻混均勻截面計算

質(zhì)量守恒方程

能量守恒方程

式中：下標(biāo)1、2y和2分別為上游進(jìn)口測量截面、葉柵下游測量截面及摻混均勻截面；ω為氣流速度。根據(jù)上面的假設(shè)，K1=K2，T02=T01，也即IMa*=IMa。通過求解上述2次方程，可得

一般來說，式（11）的最小正值即為要求解的臨界Ma。求出摻混均勻截面的無量綱氣動函數(shù)θ、q2/P2*和P2/P2*。將臨界Ma代入下式，可求得摻混均勻截面的Ma及氣流角。

將上述求得的各參數(shù)代入周向動量守恒方程中，得到摻混均勻截面的無量綱總壓P2*/P1*。在進(jìn)口總壓P1*已知的情況下，可求解摻混均勻截面的P2*、P2、q2、M2及氣流角α2，繼而求得摻混均勻葉柵損失系數(shù)：

式中：Ym為圖4摻混均勻截面葉柵損失系數(shù)；下標(biāo)2為葉柵下游摻混均勻截面。

4　試驗結(jié)果對比

為驗證復(fù)合探針測量結(jié)果，分別采用復(fù)合探針、5孔尖劈探針對標(biāo)準(zhǔn)壓氣機平面葉柵試驗件進(jìn)行測量。

4.1試驗器和測控系統(tǒng)簡介

試驗在沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所近聲速平面葉柵試驗器上進(jìn)行，該試驗器是連續(xù)式常溫開口射流式風(fēng)洞試驗器，有效風(fēng)口面積為100 mm×250 mm，湍流度≤1%，進(jìn)口Ma1≤0.95，進(jìn)口氣流角β1=20°～110°[8]，試驗件及復(fù)合探針如圖5（a）所示。復(fù)合探針標(biāo)定范圍為0.15～1.00，復(fù)合探針使用范圍為0.2～1.0。平面葉柵流場測控系統(tǒng)由位移機構(gòu)、位移控制系統(tǒng)和平面葉柵測量系統(tǒng)組成。柵后直線定位單元重復(fù)定位精度為±0.025 mm，柵后角位移最小分辨率均設(shè)為0.0036°，角位移重復(fù)定位精度為±0.01°。5孔尖劈探針為跨聲速探針，其實物照片和結(jié)構(gòu)尺寸分別如圖5（b）、（c）所示。測量來流Ma＜1.6，總壓孔徑為0.8 mm，靜壓孔徑為0.3 mm，尖劈半角為15°±10′。使用前用30倍放大鏡檢查孔口無缺陷和毛刺，保持銳邊。自動對向方式下，需在風(fēng)洞上標(biāo)定探針的氣動零點，標(biāo)定范圍為0.3～1.0，超出1.0的零點值按Ma=1.0的氣動零點計算。采用自動對向方式時，探針自動跟蹤系統(tǒng)的角位移控制精度為± 0.3°[9]。大氣壓力表誤差為0.05%，壓力采集模塊采用PSI9010和DSA3217，精度為0.05% FS。尖劈探針測量壓力誤差≤0.1%，考慮葉柵端壁的影響，探針自動跟蹤系統(tǒng)測量角度的誤差為±0.5°。

圖5 平面葉柵試驗件、復(fù)合探針和5孔尖劈探針

4.2所選壓氣機葉柵測量特性

圖6 葉柵流場特性（β1=45°）

跨聲速渦輪葉柵的葉型損失包括葉片附面層損失、尾緣摻混損失及激波損失[10]。葉柵中的損失通過試驗研究分為葉型損失、2次流損失和間隙2次流損失[11]。角渦與葉面附面層相互作用是決定角區(qū)流型和損失的基本物理機制[12]。為便于分析探針測量結(jié)果，先分析風(fēng)洞流場和葉柵出口半葉高的尾跡特性。葉柵風(fēng)洞在100 mm×120 mm風(fēng)口下測量的速度分布如圖6（a）所示，測量葉柵半葉高損失區(qū)域如圖6（b）所示。圖中Y軸為柵距，X軸為葉高。測量結(jié)果表明，除去端壁附面層的影響，在主流區(qū)總壓場是均勻的，靜壓場變化在467.96 Pa，靜壓場的不均勻度反映了速度場的不均勻度，在主流區(qū)內(nèi)速度場的不均勻度為1.34%。半葉高損失區(qū)域顯示葉柵尾跡窄，總壓虧損小，該狀態(tài)下負(fù)荷不大，端壁附面層＜20 mm，盡管復(fù)合探針總壓和靜壓相距16 mm，測量點不在1個流線上，但主流區(qū)的面積遠(yuǎn)大于16 mm2，且受端壁附面層的影響小，測量的Ma能反映出葉柵出口的真實速度；葉柵油流圖譜如圖6（c）、（d）所示。圖6（c）驗證了圖6（b）測量的結(jié)果；圖6（d）表明：在Ma=0.74狀態(tài)下，葉柵尾跡明顯變寬，出現(xiàn)的角渦屬二次流，其分離在很大程度上影響二次流的分布[13]，所以葉柵損失明顯增大。

4.3不同對向方式試驗結(jié)果

復(fù)合探針和5孔尖劈探針在相同工況下以自動對向和非自動對向方式測得的結(jié)果如圖7所示。從圖7（a）中可見，在亞臨界范圍內(nèi)，葉柵損失系數(shù)相差不超過0.01，符合葉柵流場要求[14]；當(dāng)Ma＞0.8后，探針測得葉柵損失系數(shù)差異較大，復(fù)合探針采用2種方式測得的損失系數(shù)不超過0.02；復(fù)合探針和5孔尖劈探針測得的損失系數(shù)相差0.02。產(chǎn)生這種差異的原因是葉柵超臨界后氣流發(fā)生嚴(yán)重分離，在靠近葉片尾緣處氣流異?；靵y，出現(xiàn)了渦的流動結(jié)構(gòu)，這種不穩(wěn)定流動是復(fù)雜的氣體流動，是3元的、非定常的分離流動[15]，導(dǎo)致葉柵在失速狀態(tài)下測量結(jié)果重復(fù)性變差。另外2種探針測量誤差主要原因為：在葉片后緣造成很強的低壓區(qū)，且在葉片尾緣處氣流方向很亂，超臨界后自動對向方式很難測出氣流真實的總壓；復(fù)合探針和5孔尖劈探針在結(jié)構(gòu)、尺寸上不同，探針受堵塞比的影響也會有所差異，且復(fù)合探針迎風(fēng)面積較小，測孔受剪切層的影響小，測量結(jié)果更接近真實值；從圖6（c）中可見，在Ma=0.74狀態(tài)下，葉柵尾跡明顯變寬，出現(xiàn)了角渦，表明了探針在該狀態(tài)下測量損失明顯增大的原因。從圖7（b）中可見，在0.2＜Ma＜0.8范圍內(nèi)，葉柵出口氣流角不超過1°，均滿足±0.5°的測量技術(shù)要求；在Ma=0.2狀態(tài)時，角度差異較大，其原因在于自動對向系統(tǒng)±10 kPa差壓變送器量程范圍不適合在Ma=0.2下使用，在低Ma范圍內(nèi)，靈敏度下降導(dǎo)致角度的測量誤差。

圖7 葉柵出口測量截面2種探針測量試驗數(shù)據(jù)對比

4.4不同數(shù)據(jù)處理方法的試驗結(jié)果

復(fù)合探針采用算術(shù)平均、質(zhì)量平均和摻混均勻3種數(shù)據(jù)處理方法，對試驗件在相同工況下測量結(jié)果進(jìn)行處理得到的曲線如圖8所示。試驗結(jié)果表明，對負(fù)荷較小的葉柵，在亞臨界范圍內(nèi)，葉柵損失系數(shù)不超過1%，出口氣流角偏差不超過1°，滿足葉柵試驗精度基本要求；當(dāng)Ma＞0.8以后，由圖6（c）可知，二次流和尾跡摻混損失明顯增大，葉柵處于失速狀態(tài)，葉柵負(fù)荷較大，在此狀況下，3種數(shù)據(jù)理處理結(jié)果有明顯差異，損失曲線對比表明，在葉柵超臨界后摻混均勻的數(shù)據(jù)處理方法更趨合理。

圖8 葉柵出口測量截面3種數(shù)據(jù)處理方法結(jié)果對比

4.5不同測量截面的試驗結(jié)果

復(fù)合探針采用質(zhì)量平均數(shù)據(jù)處理方法，對試驗件在相同工況下不同測量截面的測量處理后得到的曲線如圖9所示。試驗結(jié)果表明，在柵后不同測量截面測量的葉柵損失系數(shù)和出口氣流角均有一定差異，這種差異并非由測量和數(shù)據(jù)處理結(jié)果造成，縱向梯度能引起俯仰角測量誤差；梯度使氣流方向測量值向負(fù)梯度方向偏轉(zhuǎn)[16]，測量截面密流比因出口不同有所差異，且尾跡寬窄不同，最終導(dǎo)致?lián)p失和氣流角積分結(jié)果的差異。測量截面應(yīng)考慮2方面因素：探針后移可大大降低氣動阻塞影響并減小葉片尾緣渦流剪切層帶來的誤差；離葉片尾緣越遠(yuǎn)，氣流摻混越嚴(yán)重，黏性損失也越大，測值越不能反映葉片出口真實流動[17]。所以柵后測量截面選擇在柵后0.5～1倍弦長位置。

圖9 不同測量截面葉柵出口測量氣動參數(shù)對比

4.6試驗結(jié)果誤差分析

試驗段主流區(qū)Ma的控制精度為0.5%，自動對向控制精度如圖10所示。從圖中可見，角位移隨動控制精度誤差域值不大于±0.3°，角位移編碼器為20位，角度最小分辨率為0.0036°，系統(tǒng)角度測量誤差小于±0.5°，滿足GJB 1179-1991高速風(fēng)洞和低速風(fēng)洞流場品質(zhì)規(guī)范[18]的技術(shù)要求。對壓力值精度進(jìn)行分析，可從探針在通過對總壓恢復(fù)系數(shù)求導(dǎo)得到數(shù)據(jù)誤差

同理，出口探針測得總壓誤差與其類似。但須考慮非對向測量插值誤差，經(jīng)過試驗測試插值誤差≤0.2%，故出口總壓誤差為

圖10 采用自動對向方式測量葉柵出口尾跡結(jié)果

所有壓力值測量均為表壓，所以在試驗中絕對壓力值的精度為0.2%，滿足平面葉柵壓力測量精度的基本要求：ΔP＜±0.3%。

5　結(jié)論

通過上述分析，得到以下結(jié)論：

（1）采用復(fù)合探針，3種數(shù)據(jù)處理方法測得平面葉柵結(jié)果沒有太大差異，測量誤差均滿足文獻(xiàn)[18]的技術(shù)要求，算術(shù)平均、質(zhì)量平均和摻混均勻數(shù)據(jù)處理方法在平面葉柵流場測量中得到驗證。

（2）對出口損失區(qū)較大、負(fù)荷較大的葉柵流場測量，受二次流的影響，試驗結(jié)果表明，采用質(zhì)量流量平均數(shù)據(jù)處理方法比采用算術(shù)平均數(shù)據(jù)處理方法測得的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

（3）與普通尖劈探針相比，復(fù)合探針提高了對跨聲速區(qū)靜壓的敏感度，消除了壁面附面層對靜壓測量的影響，空間分辨率更高，在風(fēng)洞主流區(qū)范圍內(nèi)測量出口實際Ma更為準(zhǔn)確。

（4）7孔復(fù)合探針和5孔尖劈探針在葉柵亞臨界范圍內(nèi)測量氣動參數(shù)不確定度均＜1%，超臨界后7孔復(fù)合探針不確定度均＜2%，符合超聲速風(fēng)洞流場校測的技術(shù)要求[14]。超臨界后7孔復(fù)合探針比5孔尖劈探針的測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

（5）由于測量截面密流比和尾跡寬窄不同，柵后不同測量截面測量結(jié)果有所差異，對展向壓力梯度大的葉柵，復(fù)合探針測量實際Ma會有偏差，為提高測量葉柵速度場的準(zhǔn)確度，應(yīng)將復(fù)合探針布置在葉中截面。

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（編輯：趙明菁）

Application of Seven-Holes Composite Probe in Measurement of Plane Cascade Flow Field

WANG Dong1,LEI Zhi-jun2,LIU Jian-ming1,MA Lei1,WU Hui1,HAO Sheng-chun1
（1.Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China;2.Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China）

Abstract:Combined with the study of the field calibration and test method of the compressor cascade test,the flow field data were obtained by three data processing methods,including arithmetic average,mass average and uniform mixing methods.The data were compared and the error was analyzed.The application scope and condition of the combination probe in the measurement of the flow field of cascade were explored.Results show that the gas dynamic characteristics of the combination probe are well within the pitching angle range from -15°to15°in the transonic;three data processing methods can be used to measure the flow field of the planar cascade.By flow field calibration and cascade test,the characteristics of the combination probe in the flow field were verified which proved accuracy,stability and reliability.The data disposing methods basically serve for the cascade flow field.

Key words:compositeprobe;planecascade;flow field measurement;dataprocessingmethod

中圖分類號：V211.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.03.013

收稿日期：2015-11-03基金項目：燃?xì)廨啓C工程研究項目

作者簡介：王東（1961），男，高級工程師，主要從事平面葉柵試驗技術(shù)研究工作；E-mail：458628749@qq.com。