半無限長管在高溫脈動壓力測試中的應用研究

摘 要：文章簡要介紹了半無限長管傳壓系統(tǒng)的原理，以試驗的方法對半無限長管測試系統(tǒng)及不同傳遞長度的動態(tài)特性進行了試驗研究，總結了完善半無限管測試系統(tǒng)的方法，為采用半無限長管系統(tǒng)的測試結果的修正提供了依據。

關鍵詞：半無限長管；高溫脈動壓力；測試

引言

航空發(fā)動機燃燒室和加力燃燒室脈動壓力測試一直是發(fā)動機研制與生產過程中十分關注的問題。氣流的脈動壓力測試通常采用傳感器平貼直接感受脈動壓力信號的方法，然而在高溫氣流的測試中，由于受到傳感器耐溫能力的限制，實現平貼式測試十分困難。半無限長管測試技術可以使傳感器遠離高溫源，其幅頻特性與采用延長堵塞法相比得到了明顯改善，并解決了容腔效應問題，是一種在不具有耐高溫傳感器情況下所采用的測試方法。然而半無限長管測試技術在應用的過程中，受傳壓管加工品質、感頭孔徑、傳感器安裝位置等因素的影響，測試誤差較大。因此通過試驗的方法獲得最優(yōu)的結構尺寸及頻幅特性，對修正測試數據、完善半無限長管系統(tǒng)具有重要意義。

1 半無限長管系統(tǒng)的傳遞機理

半無限長管系統(tǒng)是將壓力傳感器裝在一個三通管道上，被測壓力通過連接管道至傳感器后，再延伸一段很長的管道。假設延長管為無限長，則壓力波進入管道后一直向前傳播而沒有反射，就不會產生共振，因而就消除了頻率特性的峰值，改善了整個系統(tǒng)的頻率特性。然而，真正的無限長并不存在，事實上只要用一個“半無限長”的管來代替無限長管，便可近似獲得那種無共振的優(yōu)異頻率特性。

2 半無限長管的環(huán)節(jié)動態(tài)特性

2.1 傳壓感頭孔徑

在常規(guī)穩(wěn)態(tài)靜壓測量時，感頭的孔徑一般較小，為Ф0.5～Ф1.0mm左右。但在脈動壓力測量中，如果孔徑太小，則會造成壓力幅值信號的衰減。若選擇孔徑過大，氣流經孔口時，流線向內彎曲并在孔內引起漩渦，從而引起測量誤差。為此，采用活塞式正弦壓力信號發(fā)生器對不同孔徑的半無限長管進行低頻內幅頻響應試驗，通過試驗確定Ф1或Ф2的半無限長傳壓管的脈動壓力幅值衰減較大，而Ф3或Ф4管徑的脈動壓力幅值衰減并不嚴重。因此在本次試驗研究中，半無限長傳壓管的內徑均選擇了Ф4mm。

2.2 傳壓管系統(tǒng)

理想的半無限長管系統(tǒng)應該使管道所有內徑尺寸保持一致，內壁光滑、無凸緣、臺階和毛刺，測壓感頭孔口保持銳邊、無毛刺。安裝過程中要保證測壓感頭壓力傳感器與被測壁面保持齊平、垂直，以減小脈動信號傳遞中的摩擦阻力，防止反射波的產生，以及相互的擾動形成駐波。為此，試驗中采用了Ф6×1不銹鋼管，將感頭、傳壓管、轉接管做成了一體結構，減少了管徑的轉接環(huán)節(jié)。而轉接管后端采用了內徑與前端管路內徑等同的尼龍管，并采用了新的無縫對接工藝。

2.3 終端管長度

由于半無限長管末端反射回來的壓力波，在氣體本身粘性和阻尼以及管壁的摩擦作用下衰減，只要使反射壓力在沒到達傳感器處就衰減到可以忽略的程度，不構成對入射壓力波的可觀干涉就不會發(fā)生共振。終端管的長度由式1所示。

式中：a-音速m/s；v-空氣動力粘度N·S/m2；ω-相位角；γ-傳壓管內半徑；ε-反射壓力波到達傳感器時衰減到原來幅值的百分比

計算得到的壓力波頻率為750Hz時，如取終端管長度為20m，則反射壓力波到達傳感器原來入射波幅值的0.2%，就不至于激起共振。隨著頻率增加，反射壓力衰減更快。因此，低頻只要能消除共振，高頻也就不會發(fā)生共振。所以終端管長度選擇了20m。

2.4 傳感器及系統(tǒng)頻率

在動態(tài)參數的測量中，測試系統(tǒng)的固有頻率應大于被測信號頻率的5倍，這是脈動壓力測量系統(tǒng)必須具備的條件。在系統(tǒng)特性試驗之前，利用激波管校準設備對半無限長管測試用傳感器及傳壓管整套系統(tǒng)進行了固有頻率的檢測。三支傳感器的固有頻率分別是195KHz、198KHz、192KHz。傳感器的傳遞位置分別是70mm、170mm、270mm的三套系統(tǒng)的固有頻率分別為58KHz、41KHz、35KHz，由此證明所用系統(tǒng)滿足使用要求。

3 半無限長系統(tǒng)幅值衰減特性

在本次試驗中，利用轉盤調制式壓力正弦信號發(fā)生器，分別對三種傳遞長度的半無限長管系統(tǒng)進行了幅值衰減特性試驗，三種系統(tǒng)幅頻關系呈明顯的單調下降，振動波形相位的滯后與頻率和傳遞長度成正比。變化規(guī)律符合理想的半無限長管應具有的幅值比與頻率的特性關系，體現了該套系統(tǒng)的可用價值。在高溫氣流脈動壓力的測量中就可依據不同的工作溫度，選擇不同的傳遞長度。雖然幅值隨著傳遞長度、頻率的改變有著不同程度的衰減，但通過幅頻衰減曲線對試驗數據加以修正，便可以獲得正確的脈動壓力值。

4 試驗結果與分析

為了驗證半無限長系統(tǒng)的測量結果可信度，對某型發(fā)動機加力燃燒室后的脈動壓力進行了測試試驗，通過對試驗數據進行整理分析，得出以下結論：（1）嚴格控制傳壓管環(huán)節(jié)特性及品質要求，以免造成壓力波的反射與共振，影響應用效果；（2）感頭孔徑對脈動壓力振幅影響較大，若孔徑由Ф4減到Ф2或Ф1時，振幅則成倍衰減。而由Ф4減到Ф3時，振幅衰減的影響并不明顯，在不同頻率下均在6%以下；（3）在條件允許下，傳感器安裝距振源100mm內，振動頻率在2000Hz以內信號衰減并不明顯，可不必修正，修正誤差δ≤2%；（4）此系統(tǒng)相位變化滯后，隨傳遞長度、頻率的增加，振幅不斷衰減，并且振動波形相位滯后也是趨愈嚴重，因此半無限長法不適合壓力平均值急劇變化或過渡態(tài)變化的測量。

5 結束語

半無限長管高溫脈動壓力測試方法具有無共振系統(tǒng)、不需冷卻，簡單易行、經濟實惠等優(yōu)點，在設計與制造合理的基礎上，測試結果經修正后可以接近真實，為航空發(fā)動機高溫脈動壓力測試提供了一種可行的方法。

參考文獻

[1]西北工業(yè)大學.航空發(fā)動機氣動參數測量[M].國防工業(yè)出版社，1980.

[2]朱明武.動壓測量[M].國防工業(yè)出版社，1982.