两种动态压力测量装置试验对比研究

巩岁平，樊嘉峰，徐 芳，韩 伟，石芸苧

(中国航发四川燃气涡轮研究院，四川江油621703)

1 引言

随着航空发动机向高推重比、高可靠性方向发展，发动机内部流动非定常特性越来越受关注[1]。掌握发动机内流非定常特性的发展、变化规律，对于发动机叶片通道全三维优化设计、内流失稳机理、故障诊断及主动控制、进气畸变性能的准确评定等均具有重要的意义。

发动机内流非定常测量主要通过动态压力传感器实现。依据测试需求，一般动态压力测量装置的响应频率不低于1.5 kHz。常用动态压力测量装置有齐平安装结构和准无限长管结构两种形式[2-3]。其中，齐平安装结构是将传感器置于流道内，直接感受流道内的动态压力信号；准无线长管结构则是将动态压力传感器安装在试验件外端，感受由一段管腔引出的动态压力信号。两种结构在发动机整机/部件试验中均有使用，各有优缺点。齐平安装结构由于直接感受流道压力信号，响应频率接近传感器固有频率，但昂贵的传感器容易损坏，无法在发动机高温部件(压气机出口、燃烧室、涡轮)上使用。准无限长管结构避免了齐平安装结构缺点，大大降低了对传感器工作温度和安装尺寸的限制，但由于存在一段感压容腔，使传感器的动态特性受到影响，工作频带变窄，幅值存在一定的衰减和波动。目前，关于容腔效应对动态压力测量的作用机理，国内外已开展了大量的研究[4-10]，但鲜有从技术角度开展定量分析的报道，导致工程应用中普遍存在因容腔效应问题对准无限长管结构测量准确性产生的猜疑。因此，需要对工程应用中典型结构进行标定，以便对准无限长管测量装置的动态特性进行校准和分析。

本文对齐平安装测量装置和准无限长管测量装置结构特点进行了分析，然后结合工程应用需求，对两种测量装置典型结构进行动态标定，并对标定结果进行了定量分析。同时，根据工程应用实际，设计了典型结构的齐平安装和准无限长管动态总压探针，在某型发动机进气畸变试验中开展对比研究，以期为两种结构动态压力测量装置的工程应用提供技术支撑。

2 常用动态压力测量装置

动态压力测量主要包括动态总压测量和动态静压测量，二者均可采用齐平安装结构和准无限长管结构测量方式。齐平安装结构压力传感器前端感压面应与测量区域无距离的接触，其测量精度和压力传感器自身技术指标基本一致，可直接满足工程应用需求。通常情况下，由于受安装环境、安全性等因素的影响，传感器感压面与测量截面存在1～3 mm的安装间隙(图1)，这种结构也可近似认为是齐平安装结构。

理想准无限长管结构如图2，主要包括感压管(金属管)、微型高频动态压力传感器、准无限长管(一般为铜管，长度不少于20.0 m)。准无限长管终端密封处理，以消除管腔驻波对动态压力测量的影响。准无限长管测量系统并不是一个理想的二阶系统，管腔的固有频率可以通过公式(1)[11]计算。

式中：a为声速，L1为感压管腔长度，r为管腔半径，VS为传感器安装空腔体积。

考虑准无限长管测量装置的加工、装配以及便于使用等问题，工程应用中准无限长管结构和经典结构存在一定的差异，常用结构如图3所示。

从大量相关文献资料[4-6，12-15]可知，准无限长管结构在设计、加工、应用过程中应注意以下问题：

(1)由于感压管内壁附面层的存在，以及传感器容腔体积的影响，感压管内径不小于1.0 mm。感压管应采用内壁光滑的型材直接加工，管口保持锐边，无毛刺、缺口等缺陷。

(2)准无限长管可消除管腔驻波，但感压管和传感器安装空腔的存在会引起动态压力衰减或波动。因此，应尽量减小感压管腔长度和传感器安装间隙，提高管腔固有频率。

(3)管腔系统需要保持通径，不允许存在变径、台阶等。在传感器座、感压管、准无限长管的设计和装配过程中，注意配合间隙、管腔同心度等技术要求。

(4)管腔的存在会导致测量系统出现明显的相移，工程应用中应依据需要有选择性地对动态压力测量装置标定使用。

3 动态压力测量装置标定

动态压力测量装置的标定按照《动态压力传感器检定规程》执行。主要评定指标为幅频特性K(fi)、幅值灵敏度相对误差δ(fi)、相频特性ϕ(f)、谐振频率ωr、上升时间tr等参数。

幅频特性见公式(2)。

式中：Adij为检定频率fi标准压力传感器输出的正弦压力的幅值，Bdij为fi校验测量装置输出的正弦压力的幅值。

幅值灵敏度相对误差见公式(3)。

式中：Ks为静态灵敏度。

本文采用幅值比K(fij)的标准差来描述幅频特性的波动量σ：

式中：m为采集样本点数，μ为幅值比均值。

正弦压力发生器是目前国内研究动态压力传感器以及探针动态响应特性的主要技术手段，其原理见图4。标定试验在中国航发四川燃气涡轮研究院DP-SPG正弦压力标准装置上进行，该装置的主要性能指标见表1。数据采集系统为Genesis系统。

(1)齐平安装测量装置的标定

齐平安装测量装置的压力传感器型号为Kulite XCE-093，传感器感压面距离测量端面2.0 mm，满足齐平安装间隙的要求，标定结果见图5。

表1 正弦压力标准装置主要技术指标Table 1 Main indicators of sine pressure standard devices

(2)准无限长管测量装置的标定

设计了三个不同感压管腔长度的准无限长管测量装置(分别以ILP1、ILP2、ILP3表示)。三个测量装置感压管内径为4.0 mm，长度为20.0 m，传感器安装空腔体积为6.3 mm3，传感器均为PCB公司的M101A05型。ILP1、ILP2、ILP3感压管腔长度分别为50.0 mm、120.0 mm、160.0 mm，管腔谐振频率分别约为1 686 Hz、775 Hz、534 Hz。标定结果见图6。

根据齐平安装与不同感压管腔长度的准无限长管动态压力测量装置标定结果可知：

(1)在2 kHz范围内，齐平安装测量装置的幅值比基本未出现衰减(约为1.0)，幅频特性波动量为0.6%，幅值灵敏度相对误差不超过1.7%；但随着频率范围的增加，相移略有滞后，最大相差为6°。

(2) 准无限长管结构消除了管腔中驻波，在1.5 kHz范围内，幅值比未出现明显衰减，但存在一定波动，波动量随感压管腔长度的增加而增加。对于常用的内径为4.0 mm感压管，ILP1幅频特性波动量为4.2%，幅值灵敏度相对误差不超过-9.9%；ILP2幅频特性波动量为7.8%，幅值灵敏度相对误差不超过-17.7%；ILP3幅频特性波动量为8.0%，幅值灵敏度相对误差不超过-19.6%。

(3)准无限长管动态压力测量装置因管腔的存在而产生相移，相移大小随感压管腔长度的增大而增大，与频率基本呈线性相关关系。

4 工程应用

某型发动机进气压力畸变试验中，需在流量管气动界面(AIP截面)测量畸变流场脉动总压，根据公式(6)计算发动机进口面平均紊流度(简称紊流度)，用于评定发动机进气畸变性能[16]。为此，设计了典型结构齐平安装和准无限长管动态总压探针在发动机进气畸变试验中进行对比研究。

式中：(Δp)RMS为AIP截面动态总压脉动均方根值；pˉ为脉动总压时均值；t为样本采样时间，该时间应大于气流脉动的最长周期(通常取 0.5～2.0 s)；εi为点紊流度；εav为面平均紊流度。

齐平安装动态总压探针结构见图7。传感器采用小型高频响Kulite XCQ-093传感器，内置在迎流感压面测量端。

准无限长管动态总压探针结构见图8。感压管采用ϕ6×1不锈钢管型材加工而成，内腔直径4.0 mm，内壁光滑，感压管腔长度约为80.0 mm。为提高测量总压有效偏流角范围，感压端倒角处理，打光毛刺，保持锐边。传感器选用PCB公司的M101A05传感器，传感器量程103.4 kPa。准无限长管为ϕ6×1铜管，长20.0 m。

探针测点布置在发动机进口流量管AIP截面0.9R处，周向均布8支，见图9。周向1号位至8号位依次对应顺时针 30°、75°、120°、165°、210°、255°、300°、345°。

两种动态总压探针的径向、轴向测量截面均一致，试验过程中换装。动态总压采集系统均采用Genesis系统，采样频率为2 kHz。试验中，分别获取两种动态总压探针在马赫数Ma=0.2、0.3、0.4、0.5，畸变板插入深度H=20%、30%状态下的AIP截面紊流度。8号位齐平安装动态总压探针在试验过程中传感器损坏。两种结构动态总压探针紊流度计算结果见图10。由图可知，两种结构动态总压探针在发动机进气畸变试验中紊流度平均值基本一致，二者相对误差不超过9.7%。该结果与标定试验结果基本吻合。

为更准确地描述周向8点脉动紊流度的情况，计算各测点的紊流度，得到周向8点紊流度分布曲线，见图11。从图中可看出，H=20%时，不同马赫数下两种结构动态总压探针测量的紊流度差异较小，相对误差不超过9.6%。H=30%，Ma=0.2、0.3、0.4工况下，两种结构紊流度测量相对误差不超过11.8%，该结果与标定试验结果基本吻合。但当Ma=0.5时，二者1号位至4号位(顺时针30°、75°、120°、165°)差异偏大。从趋势上看，Ma=0.5准无限长管结构探针测量的紊流度周向变化规律与Ma=0.2、0.3、0.4工况的一致，但测量的数据更准确。分析认为，插板较深，畸变板后气流随马赫数增大导致偏流角增大，而齐平安装结构因探针尺寸较小，感压端未进行倒角处理，探针有效偏流角范围相对较小，气流偏角超出了探针有效偏流角范围，导致脉动总压失真。因此，在工程应用中，应对动态总压探针有效偏流角范围进行试验标定，保证在其有效偏流角范围内使用。

5 结束语

结合国内外研究成果和工程应用经验，对齐平安装与准无限长管动态压力测量装置结构优缺点、适用范围，以及设计、加工、使用过程中的细节特征进行了说明。设计了几种不同规格的齐平安装与准无限长管典型结构脉动压力探针，并采用正弦压力发生器进行了多轮动态标定试验，完成了标定误差定量分析。最后对两种测量装置典型结构在发动机进气畸变试验中进行了对比应用研究，表明其工程应用结果与动态标定基本吻合。本研究对动态压力测量中齐平安装结构和准无限长管结构的工程设计、选择应用提供了一定的依据。

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