兩種動態(tài)壓力測量裝置試驗對比研究

鞏歲平，樊嘉峰，徐 芳，韓 偉，石蕓苧

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

1 引言

隨著航空發(fā)動機向高推重比、高可靠性方向發(fā)展，發(fā)動機內(nèi)部流動非定常特性越來越受關(guān)注[1]。掌握發(fā)動機內(nèi)流非定常特性的發(fā)展、變化規(guī)律，對于發(fā)動機葉片通道全三維優(yōu)化設(shè)計、內(nèi)流失穩(wěn)機理、故障診斷及主動控制、進氣畸變性能的準確評定等均具有重要的意義。

發(fā)動機內(nèi)流非定常測量主要通過動態(tài)壓力傳感器實現(xiàn)。依據(jù)測試需求，一般動態(tài)壓力測量裝置的響應(yīng)頻率不低于1.5 kHz。常用動態(tài)壓力測量裝置有齊平安裝結(jié)構(gòu)和準無限長管結(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)的動態(tài)壓力信號；準無線長管結(jié)構(gòu)則是將動態(tài)壓力傳感器安裝在試驗件外端，感受由一段管腔引出的動態(tài)壓力信號。兩種結(jié)構(gòu)在發(fā)動機整機/部件試驗中均有使用，各有優(yōu)缺點。齊平安裝結(jié)構(gòu)由于直接感受流道壓力信號，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，無法在發(fā)動機高溫部件(壓氣機出口、燃燒室、渦輪)上使用。準無限長管結(jié)構(gòu)避免了齊平安裝結(jié)構(gòu)缺點，大大降低了對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。目前，關(guān)于容腔效應(yīng)對動態(tài)壓力測量的作用機理，國內(nèi)外已開展了大量的研究[4-10]，但鮮有從技術(shù)角度開展定量分析的報道，導致工程應(yīng)用中普遍存在因容腔效應(yīng)問題對準無限長管結(jié)構(gòu)測量準確性產(chǎn)生的猜疑。因此，需要對工程應(yīng)用中典型結(jié)構(gòu)進行標定，以便對準無限長管測量裝置的動態(tài)特性進行校準和分析。

本文對齊平安裝測量裝置和準無限長管測量裝置結(jié)構(gòu)特點進行了分析，然后結(jié)合工程應(yīng)用需求，對兩種測量裝置典型結(jié)構(gòu)進行動態(tài)標定，并對標定結(jié)果進行了定量分析。同時，根據(jù)工程應(yīng)用實際，設(shè)計了典型結(jié)構(gòu)的齊平安裝和準無限長管動態(tài)總壓探針，在某型發(fā)動機進氣畸變試驗中開展對比研究，以期為兩種結(jié)構(gòu)動態(tài)壓力測量裝置的工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

2 常用動態(tài)壓力測量裝置

動態(tài)壓力測量主要包括動態(tài)總壓測量和動態(tài)靜壓測量，二者均可采用齊平安裝結(jié)構(gòu)和準無限長管結(jié)構(gòu)測量方式。齊平安裝結(jié)構(gòu)壓力傳感器前端感壓面應(yīng)與測量區(qū)域無距離的接觸，其測量精度和壓力傳感器自身技術(shù)指標基本一致，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)也可近似認為是齊平安裝結(jié)構(gòu)。

理想準無限長管結(jié)構(gòu)如圖2，主要包括感壓管(金屬管)、微型高頻動態(tài)壓力傳感器、準無限長管(一般為銅管，長度不少于20.0 m)。準無限長管終端密封處理，以消除管腔駐波對動態(tài)壓力測量的影響。準無限長管測量系統(tǒng)并不是一個理想的二階系統(tǒng)，管腔的固有頻率可以通過公式(1)[11]計算。

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

考慮準無限長管測量裝置的加工、裝配以及便于使用等問題，工程應(yīng)用中準無限長管結(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)文獻資料[4-6，12-15]可知，準無限長管結(jié)構(gòu)在設(shè)計、加工、應(yīng)用過程中應(yīng)注意以下問題：

(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，無毛刺、缺口等缺陷。

(2)準無限長管可消除管腔駐波，但感壓管和傳感器安裝空腔的存在會引起動態(tài)壓力衰減或波動。因此，應(yīng)盡量減小感壓管腔長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、臺階等。在傳感器座、感壓管、準無限長管的設(shè)計和裝配過程中，注意配合間隙、管腔同心度等技術(shù)要求。

(4)管腔的存在會導致測量系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的相移，工程應(yīng)用中應(yīng)依據(jù)需要有選擇性地對動態(tài)壓力測量裝置標定使用。

3 動態(tài)壓力測量裝置標定

動態(tài)壓力測量裝置的標定按照《動態(tài)壓力傳感器檢定規(guī)程》執(zhí)行。主要評定指標為幅頻特性K(fi)、幅值靈敏度相對誤差δ(fi)、相頻特性?(f)、諧振頻率ωr、上升時間tr等參數(shù)。

幅頻特性見公式(2)。

式中：Adij為檢定頻率fi標準壓力傳感器輸出的正弦壓力的幅值，Bdij為fi校驗測量裝置輸出的正弦壓力的幅值。

幅值靈敏度相對誤差見公式(3)。

式中：Ks為靜態(tài)靈敏度。

本文采用幅值比K(fij)的標準差來描述幅頻特性的波動量σ：

式中：m為采集樣本點數(shù)，μ為幅值比均值。

正弦壓力發(fā)生器是目前國內(nèi)研究動態(tài)壓力傳感器以及探針動態(tài)響應(yīng)特性的主要技術(shù)手段，其原理見圖4。標定試驗在中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院DP-SPG正弦壓力標準裝置上進行，該裝置的主要性能指標見表1。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為Genesis系統(tǒng)。

(1)齊平安裝測量裝置的標定

齊平安裝測量裝置的壓力傳感器型號為Kulite XCE-093，傳感器感壓面距離測量端面2.0 mm，滿足齊平安裝間隙的要求，標定結(jié)果見圖5。

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

(2)準無限長管測量裝置的標定

設(shè)計了三個不同感壓管腔長度的準無限長管測量裝置(分別以ILP1、ILP2、ILP3表示)。三個測量裝置感壓管內(nèi)徑為4.0 mm，長度為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。標定結(jié)果見圖6。

根據(jù)齊平安裝與不同感壓管腔長度的準無限長管動態(tài)壓力測量裝置標定結(jié)果可知：

(1)在2 kHz范圍內(nèi)，齊平安裝測量裝置的幅值比基本未出現(xiàn)衰減(約為1.0)，幅頻特性波動量為0.6%，幅值靈敏度相對誤差不超過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) 準無限長管結(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，波動量隨感壓管腔長度的增加而增加。對于常用的內(nèi)徑為4.0 mm感壓管，ILP1幅頻特性波動量為4.2%，幅值靈敏度相對誤差不超過-9.9%；ILP2幅頻特性波動量為7.8%，幅值靈敏度相對誤差不超過-17.7%；ILP3幅頻特性波動量為8.0%，幅值靈敏度相對誤差不超過-19.6%。

(3)準無限長管動態(tài)壓力測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)動機進氣壓力畸變試驗中，需在流量管氣動界面(AIP截面)測量畸變流場脈動總壓，根據(jù)公式(6)計算發(fā)動機進口面平均紊流度(簡稱紊流度)，用于評定發(fā)動機進氣畸變性能[16]。為此，設(shè)計了典型結(jié)構(gòu)齊平安裝和準無限長管動態(tài)總壓探針在發(fā)動機進氣畸變試驗中進行對比研究。

式中：(Δp)RMS為AIP截面動態(tài)總壓脈動均方根值；pˉ為脈動總壓時均值；t為樣本采樣時間，該時間應(yīng)大于氣流脈動的最長周期(通常取 0.5～2.0 s)；εi為點紊流度；εav為面平均紊流度。

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

準無限長管動態(tài)總壓探針結(jié)構(gòu)見圖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，感壓管腔長度約為80.0 mm。為提高測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。準無限長管為?6×1銅管，長20.0 m。

探針測點布置在發(fā)動機進口流量管AIP截面0.9R處，周向均布8支，見圖9。周向1號位至8號位依次對應(yīng)順時針 30°、75°、120°、165°、210°、255°、300°、345°。

兩種動態(tài)總壓探針的徑向、軸向測量截面均一致，試驗過程中換裝。動態(tài)總壓采集系統(tǒng)均采用Genesis系統(tǒng)，采樣頻率為2 kHz。試驗中，分別獲取兩種動態(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號位齊平安裝動態(tài)總壓探針在試驗過程中傳感器損壞。兩種結(jié)構(gòu)動態(tài)總壓探針紊流度計算結(jié)果見圖10。由圖可知，兩種結(jié)構(gòu)動態(tài)總壓探針在發(fā)動機進氣畸變試驗中紊流度平均值基本一致，二者相對誤差不超過9.7%。該結(jié)果與標定試驗結(jié)果基本吻合。

為更準確地描述周向8點脈動紊流度的情況，計算各測點的紊流度，得到周向8點紊流度分布曲線，見圖11。從圖中可看出，H=20%時，不同馬赫數(shù)下兩種結(jié)構(gòu)動態(tài)總壓探針測量的紊流度差異較小，相對誤差不超過9.6%。H=30%，Ma=0.2、0.3、0.4工況下，兩種結(jié)構(gòu)紊流度測量相對誤差不超過11.8%，該結(jié)果與標定試驗結(jié)果基本吻合。但當Ma=0.5時，二者1號位至4號位(順時針30°、75°、120°、165°)差異偏大。從趨勢上看，Ma=0.5準無限長管結(jié)構(gòu)探針測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，但測量的數(shù)據(jù)更準確。分析認為，插板較深，畸變板后氣流隨馬赫數(shù)增大導致偏流角增大，而齊平安裝結(jié)構(gòu)因探針尺寸較小，感壓端未進行倒角處理，探針有效偏流角范圍相對較小，氣流偏角超出了探針有效偏流角范圍，導致脈動總壓失真。因此，在工程應(yīng)用中，應(yīng)對動態(tài)總壓探針有效偏流角范圍進行試驗標定，保證在其有效偏流角范圍內(nèi)使用。

5 結(jié)束語

結(jié)合國內(nèi)外研究成果和工程應(yīng)用經(jīng)驗，對齊平安裝與準無限長管動態(tài)壓力測量裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點、適用范圍，以及設(shè)計、加工、使用過程中的細節(jié)特征進行了說明。設(shè)計了幾種不同規(guī)格的齊平安裝與準無限長管典型結(jié)構(gòu)脈動壓力探針，并采用正弦壓力發(fā)生器進行了多輪動態(tài)標定試驗，完成了標定誤差定量分析。最后對兩種測量裝置典型結(jié)構(gòu)在發(fā)動機進氣畸變試驗中進行了對比應(yīng)用研究，表明其工程應(yīng)用結(jié)果與動態(tài)標定基本吻合。本研究對動態(tài)壓力測量中齊平安裝結(jié)構(gòu)和準無限長管結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計、選擇應(yīng)用提供了一定的依據(jù)。

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