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一種寬角度測(cè)量范圍的高溫水冷測(cè)壓探針

文檔序號(hào):42323292發(fā)布日期:2025-07-01 19:39閱讀:5來源:國(guó)知局

本專利屬于高溫流場(chǎng)壓力測(cè)試,具體涉及一種寬角度測(cè)量范圍的高溫水冷測(cè)壓探針,適用于測(cè)量高溫環(huán)境如燃燒室、渦輪中的總壓、靜壓、馬赫數(shù)、偏轉(zhuǎn)角、俯仰角等流場(chǎng)參數(shù),其中偏轉(zhuǎn)角測(cè)量范圍可達(dá)到-135°~135°,俯仰角測(cè)量范圍可達(dá)到-20°~50°,有效拓寬探針偏轉(zhuǎn)角測(cè)量范圍并保證探針在高溫環(huán)境(最高達(dá)2300k)下可靠、穩(wěn)定地工作。


背景技術(shù):

1、壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的三大核心部件,試驗(yàn)是研究渦輪和燃燒室性能的重要手段,而燃燒室出口、渦輪進(jìn)口處的氣流不僅流動(dòng)復(fù)雜具有強(qiáng)三維性,而且具有高溫(高達(dá)2000k以上)高壓(高達(dá)3.5mpa以上)的特點(diǎn),這對(duì)燃燒室和渦輪等高溫環(huán)境下的測(cè)試探針設(shè)計(jì)提出了很高的要求。

2、對(duì)于燃燒室和渦輪的壓力場(chǎng)的測(cè)量是評(píng)價(jià)各部件壓降損失的主要手段,但高溫環(huán)境下的壓力場(chǎng)測(cè)量存在較多難點(diǎn),其中一個(gè)主要挑戰(zhàn)是要求壓力探針在惡劣的環(huán)境中要有足夠的強(qiáng)度和可靠性,即要求探針具有有效的冷卻結(jié)構(gòu)和較高的精度。目前,針對(duì)高溫環(huán)境下的壓力探針主要有兩種冷卻方式:氣膜冷卻和水冷。這兩種冷卻方式各有優(yōu)點(diǎn),但也存在一定的技術(shù)缺陷,影響探針的性能和使用壽命。

3、氣膜冷卻的優(yōu)點(diǎn)在于可以較容易地根據(jù)主流溫度和流量調(diào)節(jié)冷卻氣流的溫度和流量。然而,這種結(jié)構(gòu)在探針頭部的冷卻上存在一定缺陷:如果在探針頭部開氣膜孔,沖出的冷卻氣流會(huì)對(duì)探針頭部的流場(chǎng)造成干擾,影響測(cè)試精度。如果探針支桿前緣不開氣膜孔,僅靠?jī)?nèi)部的對(duì)流換熱進(jìn)行冷卻,冷卻效果不足,探針頭易被燒壞。

4、水冷探針的優(yōu)點(diǎn)在于冷卻水流動(dòng)不會(huì)對(duì)流場(chǎng)造成干擾,且由于水的比熱容遠(yuǎn)大于空氣,冷卻效果更佳。然而,水冷系統(tǒng)的復(fù)雜性增加了設(shè)計(jì)和維護(hù)難度。冷卻水流量在試驗(yàn)狀態(tài)變化時(shí)難以迅速調(diào)節(jié),可能導(dǎo)致探針局部溫度過高或壓力過大,增加結(jié)構(gòu)損壞的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),現(xiàn)有水冷探針的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠合理,內(nèi)部阻力大,冷卻水與探針支桿接觸不充分,存在死水區(qū)等問題,導(dǎo)致冷卻效果不理想。且由于探針尺寸較小,水冷探針的工作難度更大。

5、另一個(gè)挑戰(zhàn)是角度測(cè)量范圍的限制。在燃燒室、渦輪等部件乃至在變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)中,高溫氣流具有強(qiáng)三維性,流動(dòng)方向和速度矢量變化劇烈,如變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)中由于可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié),氣流偏轉(zhuǎn)角變化范圍可達(dá)到-10°~40°,而常用的五孔壓力探針的角度測(cè)量范圍在±30°左右,甚至更小,難以滿足復(fù)雜流動(dòng)下的寬角度范圍測(cè)試需求?,F(xiàn)有探針在面對(duì)此類復(fù)雜流場(chǎng)時(shí),往往只能提供有限角度內(nèi)的數(shù)據(jù),無法全面捕捉三維流場(chǎng)的真實(shí)情況,從而影響了流場(chǎng)分析的準(zhǔn)確性和全面性。

6、角度測(cè)量范圍的不足還會(huì)導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)的分辨率降低,影響瞬態(tài)流動(dòng)現(xiàn)象的捕捉和分析。特別是在高湍流度或有顯著旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的流場(chǎng)中,探針需要在多個(gè)方向上精準(zhǔn)測(cè)量流速和溫度,以便準(zhǔn)確表征流場(chǎng)的性質(zhì)。由于測(cè)量角度范圍的限制,研究人員只能獲取局部或不完整的數(shù)據(jù),影響了對(duì)流場(chǎng)的全面理解和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

7、公開號(hào)為cn107063560a和公開號(hào)為cn107131999a的兩個(gè)發(fā)明專利中分別提出了一種高溫水冷動(dòng)態(tài)壓力探針和高溫水冷穩(wěn)態(tài)壓力探針;公開號(hào)為cn206930646u的實(shí)用新型專利中提出了一種水冷探針,上述水冷探針的角度測(cè)量范圍與常規(guī)五孔探針相近,不能滿足寬角度測(cè)量需求;此外,上述探針的水冷結(jié)構(gòu)均為套管結(jié)構(gòu),冷卻水與探針支桿在不同方向上可能存在換熱不夠均勻的問題,且上述探針主要都是對(duì)探針支桿進(jìn)行冷卻,并沒有對(duì)探針頭部進(jìn)行冷卻,這可能導(dǎo)致探針頭部的損壞風(fēng)險(xiǎn)增加,影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

8、因此,急需發(fā)展一種具有寬角度測(cè)量范圍、能同時(shí)對(duì)探針支桿和探針頭具有良好冷卻效果、在高溫環(huán)境下能穩(wěn)定可靠工作的壓力探針,以滿足燃燒室、渦輪等氣流流動(dòng)復(fù)雜的高溫環(huán)境下的壓力測(cè)試需求。


技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本專利的目的是:針對(duì)溫度高、流動(dòng)情況復(fù)雜的氣流,提供一種角度測(cè)量范圍寬、可靠性高的壓力測(cè)量手段,能同時(shí)冷卻探針支桿和探針頭,并能保證探針內(nèi)部水流阻力小,換熱效果理想且均勻。

2、本專利的解決方案:

3、一種寬角度測(cè)量范圍的高溫水冷測(cè)壓探針,包括探針支桿(1)、探針頭(2)、套管(3)、安裝座(4)、定位孔(5)、冷卻水進(jìn)水管(6)、冷卻水出水管(7)、引壓管(8)、螺旋式冷卻水流道(9)和c字型回流結(jié)構(gòu)(10)、螺旋式散熱片(11)組成,其特征在于:探針頭(2)位于探針支桿(1)頂端,探針頭(2)探針頭(2)表面有七個(gè)測(cè)壓孔,套管(3)裝于探針支桿(1)外部,且兩者之間設(shè)有螺旋式散熱片(11)和螺旋式冷卻水流道(9),安裝座(4)裝于套管(3)上,安裝座(4)上設(shè)有定位孔(5),冷卻水進(jìn)水管(6)和出水管(7)裝于套管(3)上、安裝座(4)后方,引壓管(8)裝于探針支桿(1)內(nèi)。

4、進(jìn)一步,探針支桿(1)外徑為2毫米至8毫米,對(duì)應(yīng)套管(3)外徑為4毫米至10毫米,探針支桿(1)和套管(3)通過螺旋式散熱片(11)連接為一體。

5、進(jìn)一步,螺旋式散熱片(11)沿軸向厚度為0.5至1毫米,沿徑向高度為0.5至1毫米,螺距為5毫米至10毫米,不僅可以充當(dāng)套管(3)的支撐結(jié)構(gòu),還可以增大套管和冷卻水的接觸面積,以增強(qiáng)換熱效果。

6、進(jìn)一步,探針頭(2)探針頭(2)設(shè)有7個(gè)測(cè)壓孔,分別與7根引壓管連通,測(cè)壓孔和引壓管直徑相同,為0.6毫米至1.5毫米,其中1號(hào)測(cè)壓孔(21)與1號(hào)引壓管(81)連通、2號(hào)測(cè)壓孔(22)與2號(hào)引壓管(82)連通、3號(hào)測(cè)壓孔(23)與3號(hào)引壓管(83)連通、4號(hào)測(cè)壓孔(24)與4號(hào)引壓管(84)連通、5號(hào)測(cè)壓孔(25)與5號(hào)引壓管(85)連通,且上述五個(gè)測(cè)壓孔均位于探針頭(2)的圓柱體部分表面,且在同一水平面內(nèi),相鄰測(cè)壓孔之間的夾角為30°至50°,1號(hào)測(cè)壓孔(21)和5號(hào)測(cè)壓孔(25)夾角最大為180°;6號(hào)測(cè)壓孔(26)與6號(hào)引壓管(86)連通、7號(hào)測(cè)壓孔(27)與7號(hào)引壓管(87)連通,上述兩者位于半球形曲面并處在另一水平面內(nèi),且6號(hào)測(cè)壓孔(26)位于2號(hào)測(cè)壓孔(22)正下方豎直距離為3倍至5倍測(cè)壓孔直徑處,7號(hào)測(cè)壓孔(27)位于4號(hào)測(cè)壓孔(24)正下方豎直距離為3倍至5倍測(cè)壓孔直徑處。

7、進(jìn)一步,探針頭(2)包括探針支桿(1)及套管(3)的頂端長(zhǎng)3倍至5倍套管(3)直徑的圓柱體部分和圓柱體端部的半球體部分,半球體的直徑與套管(3)直徑相等。

8、進(jìn)一步,探針頭(2)處6號(hào)測(cè)壓孔(26)和7號(hào)測(cè)壓孔(27)所在曲面為半球形曲面,或圓錐形曲面,圓錐頂角的角度為30°至60°。

9、進(jìn)一步,安裝座(4)為跑道形,安裝座(4)厚度為2毫米至5毫米,安裝座(4)上開有兩個(gè)定位孔(5),定位孔(5)直徑為2毫米至3毫米。

10、進(jìn)一步,c字型回流結(jié)構(gòu)(10)位于探針支桿(1)頂端,通過相切或近似相切的方式光滑連通冷卻水進(jìn)水通道和冷卻水出水通道,形成螺旋式冷卻水流道(9)。

11、進(jìn)一步,螺旋式冷卻水流道(9)寬度為1.5毫米至4毫米,沿徑向高度為0.5毫米至2毫米,螺距為5毫米至10毫米。

12、進(jìn)一步,本專利角度測(cè)量范圍拓寬方法為:分別以邊孔1號(hào)測(cè)壓孔(21)和非邊孔2號(hào)測(cè)壓孔(22)為例說明具體分區(qū)方法,指定1號(hào)測(cè)壓孔(21)為中心的測(cè)量區(qū)域?yàn)?區(qū),指定2號(hào)測(cè)壓孔(22)為中心的測(cè)量區(qū)域?yàn)?區(qū),其他區(qū)域的劃分方式與上述兩孔相同。定義1區(qū)校準(zhǔn)系數(shù)如下:

13、

14、定義2區(qū)校準(zhǔn)系數(shù)如下:

15、

16、式中cpy為偏轉(zhuǎn)角系數(shù),cpp為俯仰角系數(shù),cpt為總壓系數(shù),cps為靜壓系數(shù),校準(zhǔn)風(fēng)洞的來流總壓和靜壓分別為pt和ps,p1、p2、p3和p6分別對(duì)應(yīng)七孔壓力探針1號(hào)測(cè)壓孔(21)、2號(hào)測(cè)壓孔(22)、3號(hào)測(cè)壓孔(23)和6號(hào)測(cè)壓孔(26)測(cè)得的壓力值。pp為左孔、右孔、上孔和下孔測(cè)得壓力值的平均值。

17、本專利一種寬角度測(cè)量范圍的高溫水冷測(cè)壓探針,具有以下有益效果:

18、有益效果一:本專利探針頭部設(shè)有7個(gè)測(cè)壓孔,經(jīng)過校準(zhǔn)風(fēng)洞校準(zhǔn)后,能同時(shí)流場(chǎng)中的總壓、靜壓、馬赫數(shù)、偏轉(zhuǎn)角、俯仰角等氣流參數(shù),結(jié)合探針測(cè)量范圍拓寬方法,可將探針偏轉(zhuǎn)角測(cè)量范圍大幅提高至±135°,即周向270°的范圍。

19、有益效果二:本專利采用螺旋式冷水卻水流通道并采用c字型回流結(jié)構(gòu),使得冷卻水與探針支桿的具有較大的有效換熱面積,保證換熱更加充分和均勻的同時(shí)有效降低冷卻水水流阻力。

20、有益效果三:本專利的高溫水冷測(cè)壓探針能同時(shí)冷卻探針支桿和探針頭,有效防止探針頭局部溫度過高而損壞,可保證探針在高溫環(huán)境(最高達(dá)2300k)下可靠、穩(wěn)定地工作并保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

21、有益效果四:本專利的高溫水冷測(cè)壓探針為一體式設(shè)計(jì),相較于組合式水冷探針,本專利結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠,定位準(zhǔn)確,適宜推廣使用。

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