鞏歲平，樊嘉峰，徐 芳，韓 偉，石蕓苧

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

1 引言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)向高推重比、高可靠性方向發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)非定常特性越來(lái)越受關(guān)注[1]。掌握發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流非定常特性的發(fā)展、變化規(guī)律，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片通道全三維優(yōu)化設(shè)計(jì)、內(nèi)流失穩(wěn)機(jī)理、故障診斷及主動(dòng)控制、進(jìn)氣畸變性能的準(zhǔn)確評(píng)定等均具有重要的意義。

發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流非定常測(cè)量主要通過(guò)動(dòng)態(tài)壓力傳感器實(shí)現(xiàn)。依據(jù)測(cè)試需求，一般動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量裝置的響應(yīng)頻率不低于1.5 kHz。常用動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量裝置有齊平安裝結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管結(jié)構(gòu)兩種形式[2-3]。其中，齊平安裝結(jié)構(gòu)是將傳感器置于流道內(nèi)，直接感受流道內(nèi)的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)；準(zhǔn)無(wú)線長(zhǎng)管結(jié)構(gòu)則是將動(dòng)態(tài)壓力傳感器安裝在試驗(yàn)件外端，感受由一段管腔引出的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)。兩種結(jié)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)/部件試驗(yàn)中均有使用，各有優(yōu)缺點(diǎn)。齊平安裝結(jié)構(gòu)由于直接感受流道壓力信號(hào)，響應(yīng)頻率接近傳感器固有頻率，但昂貴的傳感器容易損壞，無(wú)法在發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件(壓氣機(jī)出口、燃燒室、渦輪)上使用。準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管結(jié)構(gòu)避免了齊平安裝結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)，大大降低了對(duì)傳感器工作溫度和安裝尺寸的限制，但由于存在一段感壓容腔，使傳感器的動(dòng)態(tài)特性受到影響，工作頻帶變窄，幅值存在一定的衰減和波動(dòng)。目前，關(guān)于容腔效應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量的作用機(jī)理，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了大量的研究[4-10]，但鮮有從技術(shù)角度開(kāi)展定量分析的報(bào)道，導(dǎo)致工程應(yīng)用中普遍存在因容腔效應(yīng)問(wèn)題對(duì)準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管結(jié)構(gòu)測(cè)量準(zhǔn)確性產(chǎn)生的猜疑。因此，需要對(duì)工程應(yīng)用中典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)定，以便對(duì)準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管測(cè)量裝置的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行校準(zhǔn)和分析。

本文對(duì)齊平安裝測(cè)量裝置和準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，然后結(jié)合工程應(yīng)用需求，對(duì)兩種測(cè)量裝置典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定，并對(duì)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行了定量分析。同時(shí)，根據(jù)工程應(yīng)用實(shí)際，設(shè)計(jì)了典型結(jié)構(gòu)的齊平安裝和準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管動(dòng)態(tài)總壓探針，在某型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣畸變?cè)囼?yàn)中開(kāi)展對(duì)比研究，以期為兩種結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量裝置的工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

2 常用動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量裝置

動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量主要包括動(dòng)態(tài)總壓測(cè)量和動(dòng)態(tài)靜壓測(cè)量，二者均可采用齊平安裝結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管結(jié)構(gòu)測(cè)量方式。齊平安裝結(jié)構(gòu)壓力傳感器前端感壓面應(yīng)與測(cè)量區(qū)域無(wú)距離的接觸，其測(cè)量精度和壓力傳感器自身技術(shù)指標(biāo)基本一致，可直接滿足工程應(yīng)用需求。通常情況下，由于受安裝環(huán)境、安全性等因素的影響，傳感器感壓面與測(cè)量截面存在1～3 mm的安裝間隙(圖1)，這種結(jié)構(gòu)也可近似認(rèn)為是齊平安裝結(jié)構(gòu)。

理想準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管結(jié)構(gòu)如圖2，主要包括感壓管(金屬管)、微型高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器、準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管(一般為銅管，長(zhǎng)度不少于20.0 m)。準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管終端密封處理，以消除管腔駐波對(duì)動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量的影響。準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管測(cè)量系統(tǒng)并不是一個(gè)理想的二階系統(tǒng)，管腔的固有頻率可以通過(guò)公式(1)[11]計(jì)算。

式中：a為聲速，L1為感壓管腔長(zhǎng)度，r為管腔半徑，VS為傳感器安裝空腔體積。

考慮準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管測(cè)量裝置的加工、裝配以及便于使用等問(wèn)題，工程應(yīng)用中準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管結(jié)構(gòu)和經(jīng)典結(jié)構(gòu)存在一定的差異，常用結(jié)構(gòu)如圖3所示。

從大量相關(guān)文獻(xiàn)資料[4-6，12-15]可知，準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)、加工、應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)注意以下問(wèn)題：

(1)由于感壓管內(nèi)壁附面層的存在，以及傳感器容腔體積的影響，感壓管內(nèi)徑不小于1.0 mm。感壓管應(yīng)采用內(nèi)壁光滑的型材直接加工，管口保持銳邊，無(wú)毛刺、缺口等缺陷。

(2)準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管可消除管腔駐波，但感壓管和傳感器安裝空腔的存在會(huì)引起動(dòng)態(tài)壓力衰減或波動(dòng)。因此，應(yīng)盡量減小感壓管腔長(zhǎng)度和傳感器安裝間隙，提高管腔固有頻率。

(3)管腔系統(tǒng)需要保持通徑，不允許存在變徑、臺(tái)階等。在傳感器座、感壓管、準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管的設(shè)計(jì)和裝配過(guò)程中，注意配合間隙、管腔同心度等技術(shù)要求。

(4)管腔的存在會(huì)導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的相移，工程應(yīng)用中應(yīng)依據(jù)需要有選擇性地對(duì)動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量裝置標(biāo)定使用。

3 動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量裝置標(biāo)定

動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量裝置的標(biāo)定按照《動(dòng)態(tài)壓力傳感器檢定規(guī)程》執(zhí)行。主要評(píng)定指標(biāo)為幅頻特性K(fi)、幅值靈敏度相對(duì)誤差δ(fi)、相頻特性?(f)、諧振頻率ωr、上升時(shí)間tr等參數(shù)。

幅頻特性見(jiàn)公式(2)。

式中：Adij為檢定頻率fi標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器輸出的正弦壓力的幅值，Bdij為fi校驗(yàn)測(cè)量裝置輸出的正弦壓力的幅值。

幅值靈敏度相對(duì)誤差見(jiàn)公式(3)。

式中：Ks為靜態(tài)靈敏度。

本文采用幅值比K(fij)的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)描述幅頻特性的波動(dòng)量σ：

式中：m為采集樣本點(diǎn)數(shù)，μ為幅值比均值。

正弦壓力發(fā)生器是目前國(guó)內(nèi)研究動(dòng)態(tài)壓力傳感器以及探針動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的主要技術(shù)手段，其原理見(jiàn)圖4。標(biāo)定試驗(yàn)在中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院DP-SPG正弦壓力標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行，該裝置的主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為Genesis系統(tǒng)。

(1)齊平安裝測(cè)量裝置的標(biāo)定

齊平安裝測(cè)量裝置的壓力傳感器型號(hào)為Kulite XCE-093，傳感器感壓面距離測(cè)量端面2.0 mm，滿足齊平安裝間隙的要求，標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)圖5。

表1 正弦壓力標(biāo)準(zhǔn)裝置主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main indicators of sine pressure standard devices

(2)準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管測(cè)量裝置的標(biāo)定

設(shè)計(jì)了三個(gè)不同感壓管腔長(zhǎng)度的準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管測(cè)量裝置(分別以ILP1、ILP2、ILP3表示)。三個(gè)測(cè)量裝置感壓管內(nèi)徑為4.0 mm，長(zhǎng)度為20.0 m，傳感器安裝空腔體積為6.3 mm3，傳感器均為PCB公司的M101A05型。ILP1、ILP2、ILP3感壓管腔長(zhǎng)度分別為50.0 mm、120.0 mm、160.0 mm，管腔諧振頻率分別約為1 686 Hz、775 Hz、534 Hz。標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)圖6。

根據(jù)齊平安裝與不同感壓管腔長(zhǎng)度的準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量裝置標(biāo)定結(jié)果可知：

(1)在2 kHz范圍內(nèi)，齊平安裝測(cè)量裝置的幅值比基本未出現(xiàn)衰減(約為1.0)，幅頻特性波動(dòng)量為0.6%，幅值靈敏度相對(duì)誤差不超過(guò)1.7%；但隨著頻率范圍的增加，相移略有滯后，最大相差為6°。

(2) 準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管結(jié)構(gòu)消除了管腔中駐波，在1.5 kHz范圍內(nèi)，幅值比未出現(xiàn)明顯衰減，但存在一定波動(dòng)，波動(dòng)量隨感壓管腔長(zhǎng)度的增加而增加。對(duì)于常用的內(nèi)徑為4.0 mm感壓管，ILP1幅頻特性波動(dòng)量為4.2%，幅值靈敏度相對(duì)誤差不超過(guò)-9.9%；ILP2幅頻特性波動(dòng)量為7.8%，幅值靈敏度相對(duì)誤差不超過(guò)-17.7%；ILP3幅頻特性波動(dòng)量為8.0%，幅值靈敏度相對(duì)誤差不超過(guò)-19.6%。

(3)準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量裝置因管腔的存在而產(chǎn)生相移，相移大小隨感壓管腔長(zhǎng)度的增大而增大，與頻率基本呈線性相關(guān)關(guān)系。

4 工程應(yīng)用

某型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力畸變?cè)囼?yàn)中，需在流量管氣動(dòng)界面(AIP截面)測(cè)量畸變流場(chǎng)脈動(dòng)總壓，根據(jù)公式(6)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口面平均紊流度(簡(jiǎn)稱紊流度)，用于評(píng)定發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣畸變性能[16]。為此，設(shè)計(jì)了典型結(jié)構(gòu)齊平安裝和準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管動(dòng)態(tài)總壓探針在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣畸變?cè)囼?yàn)中進(jìn)行對(duì)比研究。

式中：(Δp)RMS為AIP截面動(dòng)態(tài)總壓脈動(dòng)均方根值；pˉ為脈動(dòng)總壓時(shí)均值；t為樣本采樣時(shí)間，該時(shí)間應(yīng)大于氣流脈動(dòng)的最長(zhǎng)周期(通常取 0.5～2.0 s)；εi為點(diǎn)紊流度；εav為面平均紊流度。

齊平安裝動(dòng)態(tài)總壓探針結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。傳感器采用小型高頻響Kulite XCQ-093傳感器，內(nèi)置在迎流感壓面測(cè)量端。

準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管動(dòng)態(tài)總壓探針結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。感壓管采用?6×1不銹鋼管型材加工而成，內(nèi)腔直徑4.0 mm，內(nèi)壁光滑，感壓管腔長(zhǎng)度約為80.0 mm。為提高測(cè)量總壓有效偏流角范圍，感壓端倒角處理，打光毛刺，保持銳邊。傳感器選用PCB公司的M101A05傳感器，傳感器量程103.4 kPa。準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管為?6×1銅管，長(zhǎng)20.0 m。

探針測(cè)點(diǎn)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流量管AIP截面0.9R處，周向均布8支，見(jiàn)圖9。周向1號(hào)位至8號(hào)位依次對(duì)應(yīng)順時(shí)針 30°、75°、120°、165°、210°、255°、300°、345°。

兩種動(dòng)態(tài)總壓探針的徑向、軸向測(cè)量截面均一致，試驗(yàn)過(guò)程中換裝。動(dòng)態(tài)總壓采集系統(tǒng)均采用Genesis系統(tǒng)，采樣頻率為2 kHz。試驗(yàn)中，分別獲取兩種動(dòng)態(tài)總壓探針在馬赫數(shù)Ma=0.2、0.3、0.4、0.5，畸變板插入深度H=20%、30%狀態(tài)下的AIP截面紊流度。8號(hào)位齊平安裝動(dòng)態(tài)總壓探針在試驗(yàn)過(guò)程中傳感器損壞。兩種結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)總壓探針紊流度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10。由圖可知，兩種結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)總壓探針在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣畸變?cè)囼?yàn)中紊流度平均值基本一致，二者相對(duì)誤差不超過(guò)9.7%。該結(jié)果與標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

為更準(zhǔn)確地描述周向8點(diǎn)脈動(dòng)紊流度的情況，計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的紊流度，得到周向8點(diǎn)紊流度分布曲線，見(jiàn)圖11。從圖中可看出，H=20%時(shí)，不同馬赫數(shù)下兩種結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)總壓探針測(cè)量的紊流度差異較小，相對(duì)誤差不超過(guò)9.6%。H=30%，Ma=0.2、0.3、0.4工況下，兩種結(jié)構(gòu)紊流度測(cè)量相對(duì)誤差不超過(guò)11.8%，該結(jié)果與標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。但當(dāng)Ma=0.5時(shí)，二者1號(hào)位至4號(hào)位(順時(shí)針30°、75°、120°、165°)差異偏大。從趨勢(shì)上看，Ma=0.5準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管結(jié)構(gòu)探針測(cè)量的紊流度周向變化規(guī)律與Ma=0.2、0.3、0.4工況的一致，但測(cè)量的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。分析認(rèn)為，插板較深，畸變板后氣流隨馬赫數(shù)增大導(dǎo)致偏流角增大，而齊平安裝結(jié)構(gòu)因探針尺寸較小，感壓端未進(jìn)行倒角處理，探針有效偏流角范圍相對(duì)較小，氣流偏角超出了探針有效偏流角范圍，導(dǎo)致脈動(dòng)總壓失真。因此，在工程應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)總壓探針有效偏流角范圍進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定，保證在其有效偏流角范圍內(nèi)使用。

5 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究成果和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)齊平安裝與準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍，以及設(shè)計(jì)、加工、使用過(guò)程中的細(xì)節(jié)特征進(jìn)行了說(shuō)明。設(shè)計(jì)了幾種不同規(guī)格的齊平安裝與準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管典型結(jié)構(gòu)脈動(dòng)壓力探針，并采用正弦壓力發(fā)生器進(jìn)行了多輪動(dòng)態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)，完成了標(biāo)定誤差定量分析。最后對(duì)兩種測(cè)量裝置典型結(jié)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣畸變?cè)囼?yàn)中進(jìn)行了對(duì)比應(yīng)用研究，表明其工程應(yīng)用結(jié)果與動(dòng)態(tài)標(biāo)定基本吻合。本研究對(duì)動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量中齊平安裝結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)無(wú)限長(zhǎng)管結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)、選擇應(yīng)用提供了一定的依據(jù)。

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