兩種動態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

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

1 引言

隨著航空發動機向高推重比、高可靠性方向發展，發動機內部流動非定常特性越來越受關注[1]。掌握發動機內流非定常特性的發展、變化規律，對于發動機葉片通道全三維優化設計、內流失穩機理、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。

發動機內流非定常測量主要通過動態壓力傳感器實現。依據測試需求，一般動態壓力測量裝置的響應頻率不低于1.5 kHz。常用動態壓力測量裝置有齊平安裝結構和準無限長管結構兩種形式[2-3]。其中，齊平安裝結構是將傳感器置于流道內，直接感受流道內的動態壓力信號；準無線長管結構則是將動態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壓力信號。兩種結構在發動機整機/部件試驗中均有使用，各有優缺點。齊平安裝結構由于直接感受流道壓力信號，響應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。準無限長管結構避免了齊平安裝結構缺點，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，關于容腔效應對動態壓力測量的作用機理，國內外已開展了大量的研究[4-10]，但鮮有從技術角度開展定量分析的報道，導致工程應用中普遍存在因容腔效應問題對準無限長管結構測量準確性產生的猜疑。因此，需要對工程應用中典型結構進行標定，以便對準無限長管測量裝置的動態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構特點進行了分析，然后結合工程應用需求，對兩種測量裝置典型結構進行動態標定，并對標定結果進行了定量分析。同時，根據工程應用實際，設計了典型結構的齊平安裝和準無限長管動態總壓探針，在某型發動機進氣畸變試驗中開展對比研究，以期為兩種結構動態壓力測量裝置的工程應用提供技術支撐。

2 常用動態壓力測量裝置

動態壓力測量主要包括動態總壓測量和動態靜壓測量，二者均可采用齊平安裝結構和準無限長管結構測量方式。齊平安裝結構壓力傳感器前端感壓面應與測量區域無距離的接觸，其測量精度和壓力傳感器自身技術指標基本一致，可直接滿足工程應用需求。通常情況下，由于受安裝環境、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)，這種結構也可近似認為是齊平安裝結構。

理想準無限長管結構如圖2，主要包括感壓管(金屬管)、微型高頻動態壓力傳感器、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壓力測量的影響。準無限長管測量系統并不是一個理想的二階系統，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，工程應用中準無限長管結構和經典結構存在一定的差異，常用結構如圖3所示。

從大量相關文獻資料[4-6，12-15]可知，準無限長管結構在設計、加工、應用過程中應注意以下問題：

(1)由于感壓管內壁附面層的存在，以及傳感器容腔體積的影響，感壓管內徑不小于1.0 mm。感壓管應采用內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壓力衰減或波動。因此，應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、準無限長管的設計和裝配過程中，注意配合間隙、管腔同心度等技術要求。

(4)管腔的存在會導致測量系統出現明顯的相移，工程應用中應依據需要有選擇性地對動態壓力測量裝置標定使用。

3 動態壓力測量裝置標定

動態壓力測量裝置的標定按照《動態壓力傳感器檢定規程》執行。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。

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，μ為幅值比均值。

正弦壓力發生器是目前國內研究動態壓力傳感器以及探針動態響應特性的主要技術手段，其原理見圖4。標定試驗在中國航發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。數據采集系統為Genesis系統。

(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，標定結果見圖5。

表1 正弦壓力標準裝置主要技術指標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。標定結果見圖6。

根據齊平安裝與不同感壓管腔長度的準無限長管動態壓力測量裝置標定結果可知：

(1)在2 kHz范圍內，齊平安裝測量裝置的幅值比基本未出現衰減(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) 準無限長管結構消除了管腔中駐波，在1.5 kHz范圍內，幅值比未出現明顯衰減，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)準無限長管動態壓力測量裝置因管腔的存在而產生相移，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關系。

4 工程應用

某型發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，根據公式(6)計算發動機進口面平均紊流度(簡稱紊流度)，用于評定發動機進氣畸變性能[16]。為此，設計了典型結構齊平安裝和準無限長管動態總壓探針在發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。

齊平安裝動態總壓探針結構見圖7。傳感器采用小型高頻響Kulite XCQ-093傳感器，內置在迎流感壓面測量端。

準無限長管動態總壓探針結構見圖8。感壓管采用?6×1不銹鋼管型材加工而成，內腔直徑4.0 mm，內壁光滑，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號位依次對應順時針 30°、75°、120°、165°、210°、255°、300°、345°。

兩種動態總壓探針的徑向、軸向測量截面均一致，試驗過程中換裝。動態總壓采集系統均采用Genesis系統，采樣頻率為2 kHz。試驗中，分別獲取兩種動態總壓探針在馬赫數Ma=0.2、0.3、0.4、0.5，畸變板插入深度H=20%、30%狀態下的AIP截面紊流度。8號位齊平安裝動態總壓探針在試驗過程中傳感器損壞。兩種結構動態總壓探針紊流度計算結果見圖10。由圖可知，兩種結構動態總壓探針在發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%。該結果與標定試驗結果基本吻合。

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，不同馬赫數下兩種結構動態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，兩種結構紊流度測量相對誤差不超過11.8%，該結果與標定試驗結果基本吻合。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準無限長管結構探針測量的紊流度周向變化規律與Ma=0.2、0.3、0.4工況的一致，但測量的數據更準確。分析認為，插板較深，畸變板后氣流隨馬赫數增大導致偏流角增大，而齊平安裝結構因探針尺寸較小，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，在工程應用中，應對動態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使用。

5 結束語

結合國內外研究成果和工程應用經驗，對齊平安裝與準無限長管動態壓力測量裝置結構優缺點、適用范圍，以及設計、加工、使用過程中的細節特征進行了說明。設計了幾種不同規格的齊平安裝與準無限長管典型結構脈動壓力探針，并采用正弦壓力發生器進行了多輪動態標定試驗，完成了標定誤差定量分析。最后對兩種測量裝置典型結構在發動機進氣畸變試驗中進行了對比應用研究，表明其工程應用結果與動態標定基本吻合。本研究對動態壓力測量中齊平安裝結構和準無限長管結構的工程設計、選擇應用提供了一定的依據。

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