7孔复合探针在平面叶栅流场测量中的应用

王　东，雷志军，刘建明，马　磊，武　卉，郝晟淳（.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳005；.中国科学院工程热物理研究所，北京0090）



7孔复合探针在平面叶栅流场测量中的应用

王东1，雷志军2，刘建明1，马磊1，武卉1，郝晟淳1
（1.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015；2.中国科学院工程热物理研究所，北京100190）

摘要：结合流场校测和压气机叶栅试验测试方法的研究工作，应用算术平均、质量平均和掺混均匀法3种数据处理方法，获得了叶栅流场数据，并对数据进行了对比和误差分析，探索了复合探针在叶栅流场测量中的应用范围及条件。试验结果表明：复合探针在跨声速、俯仰角为-15°～15°范围内具有良好的气动特性，3种数据处理方法均可用于平面叶栅流场测量。通过流场校测和叶栅试验，验证了复合探针在流场测量中具有准确性、稳定性和可靠性的特点，其数据处理方法为叶栅流场提供了基础性的测量手段。

关键词：复合探针；平面叶栅；流场测量；数据处理方法

引用格式：王东，雷志军，刘建明，等.7 孔符合探针在平面叶栅流场测量中的应用[J].航空发动机，2016,42（3）：67-73.WANG Dong,LEI Zhijun,LIU Jianming,et al.Application of seven-holes composite probe in the measurement of the plane cascade flow field[J].Aeroengine,2016,42(3):67-73.

0　引言

随着航空发动机技术的不断发展，对平面叶栅流场精细化测量提出了更高要求。探针的结构设计、位置精度、结构尺寸和安装要求以及数据处理方法对流场测量准确度均有影响。采用尺寸小、形状尖而薄、用途多的探针，测量较多的气动参数，是测试技术发展的方向。由于探针测量设备简单、对环境要求低、价格低廉，对于流场测量有着广阔的应用前景[1]。随着对叶栅内部流动结构和损失机理研究的不断深入，探针在叶栅流场测量中发挥的作用日趋重要。要使探针测得到、测得准、测得稳，需要对探针的制作、校准方法、数据处理方法和试验技术，以及测控系统的安全可靠运行进行研究。

本文从复合探针的设计与加工、校准、数据处理方法及校核试验过程方面，运用算术平均、质量平均和掺混均匀3种数据处理方法对同1套扩压叶栅进行了测量，对自动对向和非自动对向测量结果进行了误差分析，并对复合探针特点、空间分辨率、适用范围作了说明。

1　复合探针的设计与加工

1.1复合探针的设计

复合探针适用于跨声速、超声速气流测量，其设计原则是力求尺寸小、形状尖而薄，用途多，结构紧凑[2]等，基于这一原则，设计了既能用于自动对向又能用于非自动对向的复合探针。相比目前所用的楔形探针，其显著特点是有1根独立的静压探头，可以提高跨声速区流场静压的测量精度，与5孔尖劈探针一样均用于测量气流角在±15°范围内的2维流场。探针主要结构如图1所示。

图1 复合探针

复合探针将A、B两个探头组合在一起，其中A探头由φ1.2、材料为1Cr18Ni9Ti的3个管组成尖劈楔形体，尖劈楔型体左、右管头部在相反方向切成45°角的斜面，用于测量方向，中间管截面与管壁垂直，用于测量总压；B探头由φ1.2、材料为1Cr18Ni9Ti的管前端加锥型探头组成，并在管侧边与A探头测量总压相同的截面上均布开了4个φ0.3静压孔，静压孔位于锥型探针头后管直径6～10倍的位置[3]。研究经验表明，在静压探头上，静压孔距探头的距离应超过10倍直径，复合探针设计的4个静压孔的位置距探头为13倍直径，通过1根引压管引出，以避免激波引起压力测量误差。静压探头与总压探头相距16 mm，可同时测量气流总压和静压。总压测量管和方向测量管组成的尖劈楔形体做得尽量小，以减小探头迎风面积，减弱激波的强度和减少损失[2]。

1.2复合探针的加工

探针加工的关键在于保证探针头部的设计尺寸和方向测量管的斜面角度的加工精度，首先按设计尺寸加工静压探头和总压3孔管，静压探头锥角保证15°，3孔管之间通过焊接连接，焊后保持3孔管并排面平整光洁，方向测量管头部的斜面为45°，斜面角度公差为0.02°，斜面平整光洁，孔边保持锐边。在完成所有零部件加工后，将3孔管和静压管的一端插入探针安装头上，接入引压接嘴，校准测量孔位置，尤其要保证测压孔的位置度及3孔管相对探针杆轴线的垂直度不超过0.05。3孔管和静压管与探针安装头接合面涂乐泰胶496，涂胶时不能堵塞测量孔。连接支杆、接嘴、横杆和定位杆，并进行钎焊，焊料采用HLAgCu30-35，焊后打磨光焊缝。若不将整根管接入引压接嘴，则应连接测量管和引压管之间的软管，并进行尺寸检查，检查合格后进行通畅性和密封检查，合格后对探针安装头进行材料填充，材料可采用树脂或银焊料。

2　校准

2.1复合探针校准复合探针在中国科学院工程热物理研究所风洞上校准，目的是得到马赫数与探针压力孔测得的总压之间惟一的函数关系[4]。在标定过程中，包括标定风洞的总温、总压、静压，及复合探针测量到的PL、Pc、Pr和Pst4个压力参数。对以上6个压力参数进行无量纲处理，得到与气流角、Ma成一定关系的7个角度压力系数（如图2所示）。PL、Pc、Pr和Pst分别对应复合探针的第1～4测量端，复合探针在Ma=0.2～1.0的7个工况下进行标定，标定角度范围为±15°，角度间隔0.5°，校准曲线如图2所示。

图2 复合探针校准曲线

2.2测量数据修正

首先假设探针测量到的气流角α=0，再根据复合探针测量压力（Pc和Pst）计算出的KM值中进行查询，并插值得出测量Ma的估计值；然后插值得出该Ma值下的KΦ1和KΦ2随气流角的变化曲线，再通过测量的KΦ1和KΦ2的较小者，插值得到气流角的第1次修正值α2；根据α2查询KM～Ma曲线，并通过插值方法修正Ma；最后对比前后2次求得的Ma之间的差值是否小于0.001，直到满足要求。修正流程如图3所示。

图3 复合探针测量结果修正流程

3　数据处理

在栅后0.5～1倍弦长处，采用复合探针，使探针定位于叶片中间截面，且探头对准来流方向，每个测量点步长设定为0.25 mm。测量时，探针沿测量截面移动，测量叶栅的出口总压、静压和出口气流角。对探针所测的叶栅流场数据进行后处理，通常采用测量截面气动参数算术平均、质量平均和掺混均匀3种计算方法。

3.1算术平均法

算术平均法数据处理过程依据叶栅测试系统的状态设定。在压力测量数据中，使用探针自动对向测量出口总压，测量值为，需要测量1个栅距内的压力分布。当进行超声速流场测量时，伴随着探针前方的1个正激波会有其他的复杂现象。根据瑞利-皮托公式[5]来推导式（1），如果Ma＜1，则测量的总压与出口总压一致；如果Ma＞1，则测量的总压需要进行Ma修正，因为使用了自动对向的测量方式，因此使用正激波下的激波前后总压的关系式进行修正

3.2质量平均法

质量平均就是以测量点的质量流量为加权的平均值[6]，即

经无量纲化后，可表示为

需要特别说明的是，测量截面叶栅损失系数的质量平均值定义为：

式中：Y为图4测量截面叶栅损失系数；P*为探针测量总压；Ps测量壁面静压；下标1为叶栅进口，下标2y为叶栅出口测量截面；下标mav为质量平均。

3.3掺混均匀法

掺混均匀截面计算如图4所示。以从测量截面到掺混均匀截面之间的1个栅距宽度的面积为控制体，通过求解其质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，即可得到掺混均匀截面的各项气动参数[7]。假设控制体工质为理想气体，具有恒定的比热容。

图4 掺混均匀截面计算

质量守恒方程

能量守恒方程

式中：下标1、2y和2分别为上游进口测量截面、叶栅下游测量截面及掺混均匀截面；ω为气流速度。根据上面的假设，K1=K2，T02=T01，也即IMa*=IMa。通过求解上述2次方程，可得

一般来说，式（11）的最小正值即为要求解的临界Ma。求出掺混均匀截面的无量纲气动函数θ、q2/P2*和P2/P2*。将临界Ma代入下式，可求得掺混均匀截面的Ma及气流角。

将上述求得的各参数代入周向动量守恒方程中，得到掺混均匀截面的无量纲总压P2*/P1*。在进口总压P1*已知的情况下，可求解掺混均匀截面的P2*、P2、q2、M2及气流角α2，继而求得掺混均匀叶栅损失系数：

式中：Ym为图4掺混均匀截面叶栅损失系数；下标2为叶栅下游掺混均匀截面。

4　试验结果对比

为验证复合探针测量结果，分别采用复合探针、5孔尖劈探针对标准压气机平面叶栅试验件进行测量。

4.1试验器和测控系统简介

试验在沈阳发动机设计研究所近声速平面叶栅试验器上进行，该试验器是连续式常温开口射流式风洞试验器，有效风口面积为100 mm×250 mm，湍流度≤1%，进口Ma1≤0.95，进口气流角β1=20°～110°[8]，试验件及复合探针如图5（a）所示。复合探针标定范围为0.15～1.00，复合探针使用范围为0.2～1.0。平面叶栅流场测控系统由位移机构、位移控制系统和平面叶栅测量系统组成。栅后直线定位单元重复定位精度为±0.025 mm，栅后角位移最小分辨率均设为0.0036°，角位移重复定位精度为±0.01°。5孔尖劈探针为跨声速探针，其实物照片和结构尺寸分别如图5（b）、（c）所示。测量来流Ma＜1.6，总压孔径为0.8 mm，静压孔径为0.3 mm，尖劈半角为15°±10′。使用前用30倍放大镜检查孔口无缺陷和毛刺，保持锐边。自动对向方式下，需在风洞上标定探针的气动零点，标定范围为0.3～1.0，超出1.0的零点值按Ma=1.0的气动零点计算。采用自动对向方式时，探针自动跟踪系统的角位移控制精度为± 0.3°[9]。大气压力表误差为0.05%，压力采集模块采用PSI9010和DSA3217，精度为0.05% FS。尖劈探针测量压力误差≤0.1%，考虑叶栅端壁的影响，探针自动跟踪系统测量角度的误差为±0.5°。

图5 平面叶栅试验件、复合探针和5孔尖劈探针

4.2所选压气机叶栅测量特性

图6 叶栅流场特性（β1=45°）

跨声速涡轮叶栅的叶型损失包括叶片附面层损失、尾缘掺混损失及激波损失[10]。叶栅中的损失通过试验研究分为叶型损失、2次流损失和间隙2次流损失[11]。角涡与叶面附面层相互作用是决定角区流型和损失的基本物理机制[12]。为便于分析探针测量结果，先分析风洞流场和叶栅出口半叶高的尾迹特性。叶栅风洞在100 mm×120 mm风口下测量的速度分布如图6（a）所示，测量叶栅半叶高损失区域如图6（b）所示。图中Y轴为栅距，X轴为叶高。测量结果表明，除去端壁附面层的影响，在主流区总压场是均匀的，静压场变化在467.96 Pa，静压场的不均匀度反映了速度场的不均匀度，在主流区内速度场的不均匀度为1.34%。半叶高损失区域显示叶栅尾迹窄，总压亏损小，该状态下负荷不大，端壁附面层＜20 mm，尽管复合探针总压和静压相距16 mm，测量点不在1个流线上，但主流区的面积远大于16 mm2，且受端壁附面层的影响小，测量的Ma能反映出叶栅出口的真实速度；叶栅油流图谱如图6（c）、（d）所示。图6（c）验证了图6（b）测量的结果；图6（d）表明：在Ma=0.74状态下，叶栅尾迹明显变宽，出现的角涡属二次流，其分离在很大程度上影响二次流的分布[13]，所以叶栅损失明显增大。

4.3不同对向方式试验结果

复合探针和5孔尖劈探针在相同工况下以自动对向和非自动对向方式测得的结果如图7所示。从图7（a）中可见，在亚临界范围内，叶栅损失系数相差不超过0.01，符合叶栅流场要求[14]；当Ma＞0.8后，探针测得叶栅损失系数差异较大，复合探针采用2种方式测得的损失系数不超过0.02；复合探针和5孔尖劈探针测得的损失系数相差0.02。产生这种差异的原因是叶栅超临界后气流发生严重分离，在靠近叶片尾缘处气流异常混乱，出现了涡的流动结构，这种不稳定流动是复杂的气体流动，是3元的、非定常的分离流动[15]，导致叶栅在失速状态下测量结果重复性变差。另外2种探针测量误差主要原因为：在叶片后缘造成很强的低压区，且在叶片尾缘处气流方向很乱，超临界后自动对向方式很难测出气流真实的总压；复合探针和5孔尖劈探针在结构、尺寸上不同，探针受堵塞比的影响也会有所差异，且复合探针迎风面积较小，测孔受剪切层的影响小，测量结果更接近真实值；从图6（c）中可见，在Ma=0.74状态下，叶栅尾迹明显变宽，出现了角涡，表明了探针在该状态下测量损失明显增大的原因。从图7（b）中可见，在0.2＜Ma＜0.8范围内，叶栅出口气流角不超过1°，均满足±0.5°的测量技术要求；在Ma=0.2状态时，角度差异较大，其原因在于自动对向系统±10 kPa差压变送器量程范围不适合在Ma=0.2下使用，在低Ma范围内，灵敏度下降导致角度的测量误差。

图7 叶栅出口测量截面2种探针测量试验数据对比

4.4不同数据处理方法的试验结果

复合探针采用算术平均、质量平均和掺混均匀3种数据处理方法，对试验件在相同工况下测量结果进行处理得到的曲线如图8所示。试验结果表明，对负荷较小的叶栅，在亚临界范围内，叶栅损失系数不超过1%，出口气流角偏差不超过1°，满足叶栅试验精度基本要求；当Ma＞0.8以后，由图6（c）可知，二次流和尾迹掺混损失明显增大，叶栅处于失速状态，叶栅负荷较大，在此状况下，3种数据理处理结果有明显差异，损失曲线对比表明，在叶栅超临界后掺混均匀的数据处理方法更趋合理。

图8 叶栅出口测量截面3种数据处理方法结果对比

4.5不同测量截面的试验结果

复合探针采用质量平均数据处理方法，对试验件在相同工况下不同测量截面的测量处理后得到的曲线如图9所示。试验结果表明，在栅后不同测量截面测量的叶栅损失系数和出口气流角均有一定差异，这种差异并非由测量和数据处理结果造成，纵向梯度能引起俯仰角测量误差；梯度使气流方向测量值向负梯度方向偏转[16]，测量截面密流比因出口不同有所差异，且尾迹宽窄不同，最终导致损失和气流角积分结果的差异。测量截面应考虑2方面因素：探针后移可大大降低气动阻塞影响并减小叶片尾缘涡流剪切层带来的误差；离叶片尾缘越远，气流掺混越严重，黏性损失也越大，测值越不能反映叶片出口真实流动[17]。所以栅后测量截面选择在栅后0.5～1倍弦长位置。

图9 不同测量截面叶栅出口测量气动参数对比

4.6试验结果误差分析

试验段主流区Ma的控制精度为0.5%，自动对向控制精度如图10所示。从图中可见，角位移随动控制精度误差域值不大于±0.3°，角位移编码器为20位，角度最小分辨率为0.0036°，系统角度测量误差小于±0.5°，满足GJB 1179-1991高速风洞和低速风洞流场品质规范[18]的技术要求。对压力值精度进行分析，可从探针在通过对总压恢复系数求导得到数据误差

同理，出口探针测得总压误差与其类似。但须考虑非对向测量插值误差，经过试验测试插值误差≤0.2%，故出口总压误差为

图10 采用自动对向方式测量叶栅出口尾迹结果

所有压力值测量均为表压，所以在试验中绝对压力值的精度为0.2%，满足平面叶栅压力测量精度的基本要求：ΔP＜±0.3%。

5　结论

通过上述分析，得到以下结论：

（1）采用复合探针，3种数据处理方法测得平面叶栅结果没有太大差异，测量误差均满足文献[18]的技术要求，算术平均、质量平均和掺混均匀数据处理方法在平面叶栅流场测量中得到验证。

（2）对出口损失区较大、负荷较大的叶栅流场测量，受二次流的影响，试验结果表明，采用质量流量平均数据处理方法比采用算术平均数据处理方法测得的数据更准确。

（3）与普通尖劈探针相比，复合探针提高了对跨声速区静压的敏感度，消除了壁面附面层对静压测量的影响，空间分辨率更高，在风洞主流区范围内测量出口实际Ma更为准确。

（4）7孔复合探针和5孔尖劈探针在叶栅亚临界范围内测量气动参数不确定度均＜1%，超临界后7孔复合探针不确定度均＜2%，符合超声速风洞流场校测的技术要求[14]。超临界后7孔复合探针比5孔尖劈探针的测量数据准确。

（5）由于测量截面密流比和尾迹宽窄不同，栅后不同测量截面测量结果有所差异，对展向压力梯度大的叶栅，复合探针测量实际Ma会有偏差，为提高测量叶栅速度场的准确度，应将复合探针布置在叶中截面。

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（编辑：赵明菁）

Application of Seven-Holes Composite Probe in Measurement of Plane Cascade Flow Field

WANG Dong1,LEI Zhi-jun2,LIU Jian-ming1,MA Lei1,WU Hui1,HAO Sheng-chun1
（1.Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China;2.Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China）

Abstract:Combined with the study of the field calibration and test method of the compressor cascade test,the flow field data were obtained by three data processing methods,including arithmetic average,mass average and uniform mixing methods.The data were compared and the error was analyzed.The application scope and condition of the combination probe in the measurement of the flow field of cascade were explored.Results show that the gas dynamic characteristics of the combination probe are well within the pitching angle range from -15°to15°in the transonic;three data processing methods can be used to measure the flow field of the planar cascade.By flow field calibration and cascade test,the characteristics of the combination probe in the flow field were verified which proved accuracy,stability and reliability.The data disposing methods basically serve for the cascade flow field.

Key words:compositeprobe;planecascade;flow field measurement;dataprocessingmethod

中图分类号：V211.7

文献标识码：A

doi：10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.03.013

收稿日期：2015-11-03基金项目：燃气轮机工程研究项目

作者简介：王东（1961），男，高级工程师，主要从事平面叶栅试验技术研究工作；E-mail：458628749@qq.com。