一种测量多级压气机转静间端壁二维动态附面层探针

本发明属于亚音速二维流场参数测试技术领域，具体涉及一种测量多级压气机转静间端壁二维动态附面层探针，适用于测量多级压气机转子与静子之间端壁附面层内二维流场参数的动态变化，流场参数包括气流偏转角、总压、静压和马赫数。

获取多级压气机转静间端壁附面层二维流场参数，对于提高压气机性能具有重要的作用。多级压气机转静间端壁附面层包括机匣附面层和轮毂附面层，对于压气机转静间机匣/轮毂附面层内部的二维流场参数的测试，由于附面层流场受到动叶尾迹、泄漏涡、角涡以及其他二次流动的扫掠影响，流场具有很强的非定常性、有旋性；另外，多级压气机的转静间间隙相对较小，尤其后面级的转静间间隙会更小；因此，附面层流场的测试存在气流偏转角较大、附面层厚度较薄以及测量空间狭小等测量难点。

目前针对附面层流场参数的测量可以分为接触式测量和非接触式测量两种方法。

接触式测量主要采用附面层探针、热线以及动态壁面静压传感器等测量方法。常规的附面层探针，由于探针头部为L型，无法插入压气机转子与静子之间进行测量，并且附面层探针还存在非常大的容腔效应，只能获得测点的稳态总压值，无法测量气流偏转角、静压和马赫数的动态变化；根据附面层探针对于气流方向的不敏感性，当流场偏转角较大时，附面层探针更无法获得精确的总压值。采用热线探针测量边界层流场时，通常只能够测量出一维流场动态速度信号，不能提供气流偏转角、总压、静压和马赫数的动态参数信息。动态壁面静压传感器可以安装在机匣表面，测量机匣附面层动态静压，由于轮毂是旋转的，传感器在轮毂表面的安装受到限制，测量轮毂附面层动态静压非常困难，并且动态壁面静压传感器无法测量气流偏转角、总压和马赫数。

非接触式测量主要包括粒子图像测速技术(PIV)、激光多普勒测速技术(LDV)、相位多普勒粒子分析仪(PDPA)以及压敏漆(PSP)等测量方法，PIV/LDV/PDPA不会对流场产生干扰，常用于流场速度的测量，但在测量附面层流场速度过程中存在壁面反光、粒子浓度低等问题，无法获取准确的附面层速度场数据，并且这类测量方法不能提供总压、静压的动态变化信息。压敏漆(PSP)利用压敏涂料对压力的敏感性，可以获得壁面动态静压的分布云图，可以反映端壁附面层内静压的动态变化，但压敏漆是一种宏观测量方法，不能获得准确的静压值，同时更不能获得气流偏转角、总压和马赫数的动态信息。

对于压气机试验的端壁附面层二维流场参数的测量，我们更希望在试验时获得端壁附面层内流场的气流偏转角、总压、静压和马赫数的动态信息，用于验证压气机设计和流场诊断，以便改进机器性能，而上述测量方法均无法满足目前的测试需求。

本发明要解决的技术问题是：测量多级压气机转静间端壁附面层二维流场中，气流偏转角、总压、静压和马赫数的动态变化，本发明提供了一种测量多级压气机转静间端壁二维动态附面层探针，与其它附面层探针相比，本发明具有自带定位功能、探针头部呈“丨”型、尺寸小、空间分辨率高、可以插入转静间进行测量、对被测流场干扰小、测量精度高以及多参数动态测量的优点。本发明适合于测量多级压气机转静间端壁附面层内二维流场中，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、一种测量多级压气机转静间端壁二维动态附面层探针，由探针头部(1)、支杆(2)、动态压力传感器(6)、定位块(8)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)内封装一个动态压力传感器(6)；在探针头部(1)圆柱体(3)侧面上，开设一个压力感受孔(5)，为正孔(5)，正孔(5)与探针头部(1)内封装的动态压力传感器(6)连通；正孔(5)的中心线与探针头部(1)圆柱体(3)的轴线在同一个平面上，探针头部(1)圆柱体(3)的轴线与探针支杆(2)的轴线重合。

2、进一步，探针头部(1)圆柱体(3)的直径为d，取值范围为1.5毫米≤d≤2.3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，正孔(5)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h,取值范围为0.29d≤h≤0.6d。

5、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(7)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(8)；

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

7、进一步，长方体底座(9)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(9)中一个底面与圆柱体凸台(10)连接，底面的中垂线与凸台(10)轴线重合，凸台(10)轴线与通孔(11)中心线重合，通孔直径为D+0.05毫米，凸台外径为M，取值范围为D+2毫米≤M≤D+5毫米,底座(9)底面边长为M至M+3毫米，底座(9)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：

与其它附面层探针相比，本发明为一种测量多级压气机转静间端壁二维动态附面层探针，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，动态压力传感器可以更靠近压力感受孔进行安装，极大程度减小了压力感受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，可以测量流场动态参数；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，可以实现端壁附面层内部二维流场参数的测量，参数包括气流偏转角、总压、静压和马赫数；探针头部呈“丨”型，并且尺寸较小，一方面探针可以插入多级压气机转静间进行测量，对被测流场产生的干扰小，另一方面探针具有较高的空间分辨率。

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附面层内流场的干扰；另外，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，提高测量精度。

有益效果三：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-正孔，6-动态压力传感器，7-动态压力传感器的线缆，8-定位块，9-长方体底座，10-圆柱体凸台，11-通孔，12-螺纹孔，13-埋头螺钉，14-机匣，15-转子，16-静子，17-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多级压气机转静间端壁二维动态附面层探针，由探针头部(1)、支杆(2)、动态压力传感器(6)、定位块(8)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)内封装一个动态压力传感器(6)；在探针头部(1)圆柱体(3)侧面上，开设一个压力感受孔(5)，为正孔(5)，正孔(5)与探针头部(1)内封装的动态压力传感器(6)连通；正孔(5)的中心线与探针头部(1)圆柱体(3)的轴线在同一个平面上，探针头部(1)圆柱体(3)的轴线与探针支杆(2)的轴线重合。

探针头部(1)圆柱体(3)的直径为2毫米，长10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。

正孔(5)的直径为0.3毫米，正孔(5)的中心线与双扭线旋成体(4)表面最低点的垂直距离为0.6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(7)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(8)。

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

长方体底座(9)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(9)中一个底面与圆柱体凸台(10)连接，底面的中垂线与凸台(10)轴线重合，凸台(10)轴线与通孔(11)中心线重合，通孔直径为6.05毫米，凸台外径为9毫米，底座(9)底面边长为11毫米，底座(9)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(8)底座(9)中一个侧面作为定位面，通过水平仪确定定位块(8)定位面与压力感受孔(5)的相对位置，由埋头螺钉(13)固定定位块(8)，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(8)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(5)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压气机机匣(14)上，调整位移机构将该探针插入压气机转子(15)与静子(16)间轮毂(17)附面层内的某一径向位置，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(5)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(8)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。本发明探针头部(1)包含的双扭线旋成体(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附面层内流场的干扰，当靠近端壁进行测量时，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，这种结构提高了对端壁附面层流场的测量精度。本发明只包含一个压力感受孔(5)，探针头部(1)圆柱体(3)内只封装一个动态压力传感器(6)，探针头部(1)呈“丨”型，并且尺寸较小，对被测流场干扰小，具有较高的空间分辨率，可插入多级压气机转子(15)和静子(16)间测量端壁附面层二维流场气流偏转角、总压、静压和马赫数的动态变化。