一种测量转静间端区二次流的小扰动高分辨率动态探针

本发明属于亚音速三维流场参数测试技术领域，具体涉及一种测量转静间端区二次流的小扰动高分辨率动态探针，适用于测量叶轮机转子与静子之间端区二次流流场参数的动态变化，流场参数包括气流俯仰角、气流偏转角、总压、静压和马赫数。

获取风扇、压气机、涡轮、泵、风机、压缩机等叶轮机转静间端区二次流流场参数，对于提高叶轮机性能具有重要的作用。叶轮机转静间端区包括叶顶尖区和叶根角区，对于叶轮机转静间叶顶尖区和叶根角区内部的三维流场参数的测试，由于流场包含动叶尾迹、泄漏涡、角涡以及其他二次流动，流场具有很强的非定常性、有旋性，并且叶轮机转静间轴向间隙非常小，尤其在中小型叶轮机中转静间轴向间隙更小，因此对于叶轮机转静间端区二次流内部的三维流场参数的测试，存在气流俯仰角较大、气流偏转角较大、测量空间狭小等测量难点。

常规的稳态压力探针，只能获取流场参数的稳态值，不能获取流场参数的动态变化；热线探针能够测量出流场动态速度信号，但不能提供气流俯仰角、气流偏转角、总压、静压和马赫数的动态信息。在叶轮机试验中，对转静间端区二次流流场参数的测量，我们更希望获得转静间端区二次流流场气流俯仰角、气流偏转角、总压、静压和马赫数的动态变化，用于验证叶轮机设计和流场诊断，以便改进机器性能，而上述探针无法满足目前的测试需求。

目前对亚音速三维流场动态参数的测量，通常采用单孔/多孔动态压力探针。单孔动态压力探针在测量三维流场动态参数时，需要沿支杆轴线旋转7个角度，给试验操作及后续的数据处理增加了难度。多孔动态压力探针在测量三维流场动态参数时，通常沿支杆轴线旋转3个角度，试验操作及数据处理相对简单。目前三维多孔动态压力探针主要包括双孔、4孔、5孔、7孔动态压力探针，由于压力感受孔数目与探针头部内封装的动态压力传感器数目一致，当压力感受孔数目大于等于4时，对应的传感器数目较多，一方面会增加探针制作成本，另一方面受传感器尺寸的限制，动态压力探针头部尺寸不容易做小，导致探针无法插入中小型叶轮机转静间进行测试。另外头部尺寸较大还会降低探针的空间分辨率，降低测量精度，严重干扰被测流场。双孔动态压力探针由于传感器数目少，探针头部尺寸小，具有测量中小型叶轮机转静间三维流场动态参数的潜力，专利201710118829.5介绍了一种测量转子出口跨音三维流的圆锥双孔动态压力探针，其探针头部为共底面的圆柱体和圆锥体；专利201710126245.2中介绍了一种测量转子出口亚音三维流的圆柱型双孔动态压力探针，探针头部为共底面的圆柱体和圆柱斜切体。这两种探针的头部连接处均不是光滑曲面过渡，当来流气流角较大时，气流容易在探针头部附近产生分离，严重干扰被测流场；当探针用于端区三维流场动态参数测量时，来流绕过圆柱会产生马蹄涡，马蹄涡会降低探针的测试精度；此外，圆锥体和圆柱斜切体尖端空间较小，动态压力传感器无法靠近压力感受孔安装，导致压力感受孔到传感器之间的空腔较大，容腔效应明显，探针的频响较低；探针头部尺寸较大，并且两个压力感受孔圆心之间的距离较远，探针空间分辨率较低。因此，这两种三维双孔动态压力探针对于测量叶轮机转静间端区二次流流场参数的效果不是很理想，并且这两种探针均没有涉及定位块的权利要求。

目前关于探针定位块的介绍较少，例如专利201710200518.3中介绍了一种压力探针定位块，定位块底座的一个侧面套装一个气泡水平仪，该定位块存在尺寸大、定位面单一等缺点。因此，为了测量叶轮机转静间端区二次流流场的气流俯仰角、气流偏转角、总压、静压和马赫数的动态变化，亟需研制一种自带定位功能的小扰动高分辨率动态探针。

本发明要解决的技术问题是：测量亚音速转静间端区二次流流场中，气流俯仰角、气流偏转角、总压、静压和马赫数的动态变化。为此，本发明提供了一种测量转静间端区二次流的小扰动高分辨率动态探针。与其它测量叶轮机三维流场双孔动态压力探针相比，本发明自带定位功能，探针头部采用双扭线旋成体结构，压力感受孔圆心与探针头部最低点的垂直距离小，斜孔圆心和正孔圆心之间的距离小，具有对端区流场干扰小、空间分辨率高、频响高、可精确测量端区二次流气流俯仰角、气流偏转角、总压、静压和马赫数的动态变化的优点。本发明适合于测量叶轮机转静间端区二次流流场中，气流俯仰角、气流偏转角、总压、静压和马赫数的动态变化。

本发明的技术解决方案是：

1、一种测量转静间端区二次流的小扰动高分辨率动态探针，由探针头部(1)、支杆(2)、动态压力传感器(7)、定位块(9)组成，其特征在于：所述探针头部(1)为共底面的圆柱体(3)和双扭线旋成体(4)，圆柱体(3)与双扭线旋成体(4)连接处光滑曲面过渡，探针头部(1)内封装2个动态压力传感器(7)；在双扭线旋成体(4)侧面，开设一个压力感受孔，为斜孔(5)，斜孔(5)与探针头部(1)内封装的一个动态压力传感器(7)连通；在斜孔(5)所在双扭线旋成体(4)侧面的同一侧圆柱体(3)侧面上开有另一个压力感受孔，为正孔(6)，正孔(6)与封装的另一个动态压力传感器(7)连通；斜孔(5)的中心线、正孔(6)的中心线与探针头部(1)圆柱体(3)轴线在同一个平面上；探针头部(1)圆柱体(3)轴线与探针支杆(2)轴线重合。

2、进一步，探针头部(1)圆柱体(3)的直径为d，取值范围为2.5毫米≤d≤3.6毫米，长4d至8d。

3、进一步，旋成体(4)由双纽线上AB曲线段绕轴L旋转形成，A点为双纽线交点，B点切线与A点切线垂直，旋转轴L过A点且与A点切线垂直。

4、进一步，斜孔(5)的直径为0.2毫米至0.4毫米，斜孔(5)的中心线与探针头部(1)圆柱体(3)的轴线夹角为θ，取值范围为0°≤θ＜90°。

5、进一步，斜孔(5)圆心与双扭线旋成体(4)表面最低点的垂直距离为h1，取值范围为0d≤h＜0.29d。

6、进一步，正孔(6)的直径为0.2毫米至0.4毫米，正孔(5)圆心与旋成体(4)表面最低点的垂直距离为h2，取值范围为0.29d≤h2≤0.6d。

7、进一步，探针支杆(2)为圆柱体，直径为D，取值范围为4毫米≤D≤10毫米，其内部开有圆型管道，探针头部(1)内封装的动态压力传感器的线缆(8)通过探针支杆(2)内的管道引出探针尾部，探针尾部套装一个定位块(9)。

8、进一步，定位块(9)为一体结构，包含长方体底座(10)、圆柱体凸台(11)、通孔(12)、螺纹孔(13)，通过通孔(12)套装于探针尾部，由埋头螺钉(14)穿过凸台(11)两侧螺纹孔(13)固定，埋头螺钉(14)全部嵌入螺纹孔(13)内。

9、进一步，长方体底座(10)包含四个长方形侧面和两个正方形底面，四个侧面中相邻两个侧面互相垂直，四个侧面均可作为定位面，底座(10)中一个底面与圆柱体凸台(11)连接，底面的中垂线与凸台(11)轴线重合，凸台(11)轴线与通孔(12)中心线重合，通孔直径为D+0.05毫米，凸台(11)外径为M，取值范围为D+2毫米≤M≤D+5毫米,底座(10)底面边长为M至M+3毫米，底座(10)厚度为H，取值范围为2毫米≤H≤5毫米。

本发明的有益效果是：

与目前用于其它双孔动态压力探针相比，本发明为一种测量转静间端区二次流的小扰动高分辨率动态探针，具有以下有益效果：

有益效果一：本发明探针头部采用双扭线旋成体结构，两个压力感受孔圆心与双扭线旋成体表面最低点的垂直距离较小，本发明可以测得距离壁面更近的端区二次流流场动态参数。

有益效果二：双扭线旋成体与探针头部圆柱体光滑曲面过渡，当气流流过双扭线旋成体表面时，双扭线旋成体的特殊结构可以抑制气流在其表面发生气流分离，减弱支杆头部绕流对所测量区域流场的干扰，另一方面，当靠近端壁进行流场参数测量时，本发明可以抑制探针头部前端马蹄涡的尺度，降低测量误差。

有益效果三：旋成体呈扁平状，这种结构一方面使斜孔圆心和正孔圆心之间的距离更加接近，提高了探针空间分辨率，另一方面，使与斜孔连通的动态压力传感器可以更靠近斜孔进行安装，极大程度减小了斜孔与传感器之间的容腔体积，降低了容腔效应，提高了探针的频响。

有益效果四：本发明探针头部尺寸相对较小，本发明可以插入叶轮机转静间测量端区二次流流场参数的动态变化，并对被测流场产生的干扰较小。

有益效果五：本发明采用的定位块尺寸小，在测量过程中，对探针的影响小，由于定位块四个侧面均可作为定位面，相互之间可以替换，定位过程简单、方便，更适合实际工程应用。

图1是本发明的结构示意图。

图2是双纽线旋成体生成过程。

图3是图1的右侧视图。

图4是图3的局部放大图。

图5是图3的俯视图。

图6是探针的测试布局图。

其中：1-探针头部，2-探针支杆，3-圆柱体，4-双纽线旋成体，5-斜孔，6-正孔，7-动态压力传感器，8-动态压力传感器的线缆，9-定位块，10-长方体底座，11-圆柱体凸台，12-通孔，13-螺纹孔，14-埋头螺钉,15-机匣，16-转子，17-静子，18-轮毂。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细阐述。

如图1所示，本实施例中介绍了一种测量转静间端区二次流的小扰动高分辨率动态探针，由探针头部(1)、支杆(2)、动态压力传感器(7)、定位块(9)组成，其特征在于：所述探针头部(1)为共底面的圆柱体(3)和双扭线旋成体(4)，圆柱体(3)与双扭线旋成体(4)连接处光滑曲面过渡，探针头部(1)内封装2个动态压力传感器(7)；在双扭线旋成体(4)侧面，开设一个压力感受孔，为斜孔(5)，斜孔(5)与探针头部(1)内封装的一个动态压力传感器(7)连通；在斜孔(5)所在双扭线旋成体(4)侧面的同一侧圆柱体(3)侧面上开有另一个压力感受孔，为正孔(6)，正孔(6)与封装的另一个动态压力传感器(7)连通；斜孔(5)的中心线、正孔(6)的中心线与探针头部(1)圆柱体(3)轴线在同一个平面上；探针头部(1)圆柱体(3)轴线与探针支杆(2)轴线重合。

探针头部(1)圆柱体(3)的直径为3.5毫米，长15毫米。

旋成体(4)由双纽线上AB曲线段绕轴L旋转形成，A点为双纽线交点，B点切线与A点切线垂直，旋转轴L过A点且与A点切线垂直。

斜孔(5)的直径为0.3毫米，斜孔(5)的中心线与探针头部(1)圆柱体(3)的轴线夹角为73°。

斜孔(5)圆心与双扭线旋成体(4)表面最低点的垂直距离为0.2毫米。

正孔(6)的直径为0.3毫米，正孔(6)圆心与旋成体(4)表面最低点的垂直距离为1毫米。

探针支杆(2)为圆柱体，直径为6毫米，其内部开有圆型管道，探针头部(1)内封装的动态压力传感器的线缆(8)通过探针支杆(2)内的管道引出探针尾部，探针尾部套装一个定位块(9)。

定位块(9)为一体结构，包含长方体底座(10)、圆柱体凸台(11)、通孔(12)、螺纹孔(13)，通过通孔(12)套装于探针尾部，由埋头螺钉(14)穿过凸台(10)两侧螺纹孔(13)固定，埋头螺钉(14)全部嵌入螺纹孔(13)内。

长方体底座(10)包含四个长方形侧面和两个正方形底面，四个侧面中相邻两个侧面互相垂直，四个侧面均可作为定位面，底座(10)中一个底面与圆柱体凸台(11)连接，底面的中垂线与凸台(11)轴线重合，凸台(11)轴线与通孔(12)中心线重合，通孔直径为6.05毫米，凸台外径为9毫米，底座(10)底面边长为11毫米，底座(10)厚度为3毫米。

在亚音速校准风洞中对探针进行标定，选取定位块(9)底座(10)中一个侧面作为定位面，通过水平仪确定定位块(9)定位面与正孔(6)的相对位置，由埋头螺钉(14)固定定位块(9)，在不同来流方向、不同马赫数下，获得探针气动校准系数；

实际测量中，将探针安装固定在位移机构上，具体过程为，利用水平仪调整位移机构定位面水平，将探针安装在位移机构上，在探针定位块(9)的定位面上放置水平仪，沿探针支杆(2)轴线旋转探针，通过水平仪调整定位面水平，确定正孔(6)中心线与位移机构定位面的相对位置，将探针固定在位移机构上；安装探针的位移机构通过定位装置安装到被测叶轮机机匣(15)上，调整位移机构将该探针插入端区流场的某一径向位置，如图6所示，根据已知的平均来流方向，通过位移机构调整探针，使正孔(6)对准平均来流方向，以此位置为基准，利用位移机构带动探针绕探针支杆(2)轴线向逆时针和顺时针方向各旋转1个角度，旋转角度为40°，共测量3个角度位置，在每个角度位置下，结合亚音速校准风洞获得的在不同来流方向、不同马赫数下探针气动校准系数，计算出被测流场的气流俯仰角、气流偏转角、总压、静压和马赫数。

本发明自带定位功能，所采用的定位块(9)尺寸小，在测量过程中，对探针的影响小，由于四个侧面均可作为定位面，相互之间可以替换，定位过程简单、方便，更适合实际工程应用。本发明压力感受孔斜孔(5)圆心、正孔(6)圆心与双扭线旋成体(4)表面最低点的垂直距离较小，可以测得叶轮机转子(16)和静子(17)间距离壁面更近的端区二次流流场动态参数；探针头部(1)双扭线旋成体(4)可以抑制气流流过其表面时发生分离，减弱支杆头部绕流对被测流场的干扰，当测量近壁端区流场参数时，双扭线旋成体(4)还可以抑制探针头部(1)前端马蹄涡的尺度，因此这种结构可以降低对端区二次流流场的测量误差；旋成体(4)呈扁平状，一方面使斜孔(5)圆心和正孔(6)圆心之间的距离可以更加接近，提高了探针空间分辨率，另一方面使与斜孔(5)连通的动态压力传感器(7)可以更靠近斜孔(5)进行安装，可以极大程度减小斜孔(5)与传感器之间的容腔体积，降低容腔效应，提高探针频响。本发明探针头部(1)尺寸相对较小，对被测流场干扰小，可插入叶轮机转子(16)和静子(17)间测量端区二次流气流俯仰角、气流偏转角、总压、静压和马赫数的动态变化。