摘要：本文介绍了一种双孔压力探针测量某型压气机轴流段某级转子出口流场分布的动态测试方案，包括受感器的设计、传感器的选择、测点的布局设计、动态数据采集系统的组成、数据处理方法等，对方案设计中需注意的一些问题予以说明。该双孔压力探针已在某压气机车台经过试验验证，满足测量要求，方案设计合理可行，有很好的工程应用价值。
关键词：双孔压力探针 压气机转子出口 动态测试
众所周知，中小型航空发动机流量小、转速高、通道狭窄，测试现场存在振动、油雾等恶劣条件，很难采用激光多普勒测速仪、粒子图像速度仪等光学测量技术或热线技术测量压气机内部流场。为解决以上问题，国内外研究机构纷纷将高频压力探针的研制作为重要的突破口，基于以上情况，本文介绍了一种双孔压力探针[1-5]测量压气机转子出口流场的测试方案，该方案对了解压气机内部流场的真实情况具有重要的指导作用。
1 测试系统的基本组成
动态流场的测量采用基于同步锁相技术的等相位平均法，通常将压力受感器中嵌入的动态压力传感器输出的电信号(通常小型动态压力传感器为压阻式，输出信号为电压信号)先接入多通道高速信号放大器进行放大处理，再由多通道高速数据采集卡采集并送入计算机进行处理，同时，压气机转子上装有转速同步触发器在每一采集起始相位进行触发，由转速同步触发器将触发信号提供给采集卡来控制其采集，并为采集的数据提供相位信号。
2 测试系统的选用原则
2.1压力受感器的选用原则
1）按测试技术要求选用满足试验要求的压力传感器；
2）试验前，需在校准风洞上进行探针气动特性校准，选用其中气动特性较好的探针；
3）压力受感器的工作频带应高于被测气流的脉动频率；
4）压力受感器的气流方向角测量精度不大于±2°。
2.2 动态数据采集仪的选用原则
1）按试验测试技术要求选用动态数据采集仪；
2）选用测量精度高、采集速度快、各通道同步采集、可实时连续记录动态数据的数据采集与处理系统，动态数据采集仪的采样率应不低于被测气流脉动频率的10倍；
2.3位移机构的选用原则
转子出口流场测量中，位移机构作为重要的测量辅助设备，它的分辨率、精度和响应频率等特性对最终的试验结果有重要的影响，同时，为保证试验的安全，防止受感器和叶片发生触碰导致试验件损坏，位移机构上最好装有限位装置。同时，测量试验使用的位移机构还应满足下列要求:
1）位移机构既能沿压气机径向移动，又能绕自身轴线旋转；
2）位移机构的径向移动能力大于压气机流道的高度；
3）试验前，应认真检查压力受感器安装及定位是否合适，密封是否严实；
4）试验前，检查位移机构运转、控制是否准确，
5）位移机构的精度、速度应满足下列指标：
线位移分辨率0.05mm，定位精度±0.05mm；
角位移分辨率0.1°，定位精度±0.25°；
线位移速度不小于4mm/s；
角位移速度不小于10°/s。
3 转子出口动态流场测试
该试验件是由3级轴流压气机和1级离心压气机组成，其压气机额定转速为26853r/min，一、二、三级压气机转子出口叶片通过频率分别为8kHz、11kHz、20kHz，为保证测量准确，数据采集系统的采样率应大于200kHz，为排除试验件加工误差、转子转速不均匀性和其他干扰的影响，采用了多次采集实行平均的方法。
在该型压气机轴流段第二级转子出口机匣上方开个直径比受感器支杆直径稍大的孔，将双孔动态高频探针插入转子出口，探针感压孔对准转子出口主流方向，并做好密封。
3.1动态压力测试系统
1）动态压力测试系统组成
动态压力测试系统一般采用传统的侵入式测试手段，设备主要包括位移机构、动态压力受感器、同步锁相发生器、动态数据采集仪等，测试系统基本组成框图如图1所示。
图1 测试系统基本组成框图
2) 受感器设计与传感器选择
如图2所示，该受感器由直杆和探头两部分组成，探头有2个测压孔，圆柱面上开一个正孔，即1号孔，直径为0.5mm，楔顶斜面上开一个斜孔，即2号孔，直径为0.5mm。探头内置2只美国库利特XCE-062微型高温压力传感器；传感器直径为1.65mm，长度为9.5mm；传感器固有频率>300kHz。带温度补偿，温度补偿范围为25℃至232℃，10伏直流供电，它符合尺寸小，便于安装，灵敏度高，频响高，动态特性好的要求。
图2 双孔动态压力探针头部结构
受感器经风洞吹风校准验证和激波管动态标定，将测得的数据进行处理，获得气流角测量误差小于2°，受感器气动性能较好，频响可达25kHz，满足测试方案的要求。
3) 动态数据采集仪
本方案选用奥地利德维创公司DEWE-818高速数据采集记录仪，内置信号放大器，测量精度高、采集速度快、采样率设置为1MS/s/ch，可以多通道同步实时连续记录采集，完全满足试验对测量的技术要求。
4) 同步锁相发生器
同步锁相发生器的基本组成如图3所示：
图3 同步锁相发生器
安装方式如下：
在试验件或连接轴上开一个长10mm、宽5 mm的槽，槽的位置对应所测转子的某个叶片，做好标记，然后采用磁电式传感器检测槽的位置。每当槽通过磁电式传感器时，磁电式传感器产生一脉冲电压，这一脉冲电压经放大器整形即可作为同步锁相的外触发信号。
5）位移机构
本方案选用RTA-090型位移机构驱动和定位双孔压力受感器，具有安全限位功能，线位移分辨率为0.01mm，定位精度为±0.025mm；角位移分辨率为0.1°，定位精度为±0.25°；线位移速度大于5mm/s；角位移速度大于45°/s；满足测试方案的选用原则。
3.2动态压力测试系统的误差
动态压力测试系统的误差由测试系统的动态响应误差ΔPdy（压力受感器动态响应误差ΔPdx和动态数据采集系统动态响应误差ΔPdc）和测试系统静态校准误差ΔPjc（含压力受感器静态误差ΔPjs）组成。
因我所目前没有动态压力校准的条件，因此测试系统动态误差ΔPdy无法给出。动态压力测试系统的静态误差ΔPjc，经试验前在台架上进行的测试系统的静态校准，动态压力测试系统的静态误差ΔPjc ≯1.9%，满足动态测试的误差标准±3%的要求。
4 试验测量和数据结果处理方法
4.1试验测量
试验时，在叶根、叶中和叶尖各设置一个测试点，移动位移机构，在每个径向位置，先将探针1号孔对准转子出口主流方向，采集正孔压力P1和斜孔压力P2，再将探针分别顺时针和逆时针分别旋转40°，测得正孔压力P3和正孔压力P4。这四组压力感受孔的数据为组合四孔压力探针的测量数据，用于探针数据处理。两个孔相配合，用于测量三维流场的气动参数。
在每个探针旋转角度下，数据采集系统根据轴脉冲触发锁相采集动态压力，每个触发采集时间大于转子转过一圈的时间，小于转子转过两圈的时间。
4.2数据处理方法
为较为准确地测出转子出口流场，进行数据采集时，在每个径向位置、每个旋转角度下，至少采集50个数据点，重复采样50次以上。从动态测量得到的是瞬态的压力分布值，具有其特殊性，需对各测点的采集数据进行插值、平均处理才能得到规律性的压力分布状况，进而确定转子出口流场分布特点，数据处理相关的插值方法及流动参数的计算参考文献[6]。
5 结束语
本文介绍了一种双孔动态压力探针测量压气机转子出口动态流场的测试方案，该方案设计合理，可行性高，测试系统准确可靠，有很好的工程应用价值，是压气机流动诊断的重要手段之一。
参考文献：
[1]单晓明.微型高频压力探针的研制与应用[J].南华动力，1998，(01):77-83.
[2]李井洋,马宏伟,贺象.楔顶双孔探针测量跨声多级压气机转子出口三维动态流场的方法[J].航空动力学报，2012，(10):2262-2268.
[3]马宏伟,蒋浩康.单转子压气机出口三维流场紊流特性[J].航空动力学报，2000, (01):31-34.
[4]王涛,李飞行.五孔探针结构和校准[J].现代机械，2012, (04):19-22.
[5]李井洋,马宏伟.圆柱型两孔针三维流场测试数据处理方法[J].燃气轮机技术，2012, (02):43-47.
[6]黎琨.楔顶双孔探针校准试验数据处理方法研究[J].南华动力，2016，(04):162-167.
论文作者:林柏生,张塘卫,倪立斌
论文发表刊物:《电力设备》2018年第15期
论文发表时间:2018/8/21
标签：动态论文; 转子论文; 探针论文; 位移论文; 压力论文; 测量论文; 测试论文; 《电力设备》2018年第15期论文;