[发明专利]一种用于精确测量压气机级温升效率的装置及方法

权利要求书

1.一种用于精确测量压气机级温升效率的装置及方法，包括一种用于精确测量压气机级温升效率的装置和一种用于精确测量压气机级温升效率的方法；

一种用于精确测量压气机级温升效率的装置，由装置头部(1)、装置支杆(2)、温度传感器(3)、绝热绝缘固定件(4)、温度传感器线缆引出通道(5)、测压中孔(6)、测压左孔(7)、测压右孔(8)、测压上孔(9)、测压下孔(10)、引压管通道(11)、温度传感器线缆(12)、引压管(13)、前侧面(14)、后侧面(15)、内凹正四棱台顶面(16)、内凹正四棱台左侧面(17)、内凹正四棱台右侧面(18)、内凹正四棱台上侧面(19)、内凹正四棱台下侧面(20)组成，其特征在于：装置头部(1)为圆柱，迎风面为前侧面(14)、内凹正四棱台顶面(16)、内凹正四棱台左侧面(17)、内凹正四棱台右侧面(18)、内凹正四棱台上侧面(19)、内凹正四棱台下侧面(20)，背风面为后侧面(15)，测压中孔(6)、测压左孔(7)、测压右孔(8)、测压上孔(9)、测压下孔(10)分别开在内凹正四棱台顶面(16)、内凹正四棱台左侧面(17)、内凹正四棱台右侧面(18)、内凹正四棱台上侧面(19)、内凹正四棱台下侧面(20)上，背对测压中孔(6)的装置头部(1)的后侧面(15)侧装有温度传感器(3)；

装置头部(1)圆柱直径为2～8毫米，高度为5～30毫米，内部沿轴向开设有5个互不相通的圆形引压管通道(11)和一个圆形温度传感器线缆引出通道(5)，5个圆形引压管通道(11)分别与测压中孔(6)、测压左孔(7)、测压右孔(8)、测压上孔(9)、测压下孔(10)连通，并分别与封装在装置头部(1)与装置支杆(2)连接处的五根引压管(13)连通，引压管(13)通过装置支杆(2)内的引压管通道(11)引出装置支杆(2)尾部；

装置头部(1)前侧面(14)开有一内凹正四棱台，内凹正四棱台顶面(16)上边与装置头部(1)圆柱轴线垂直，长度为0.5～3毫米，内凹正四棱台顶面(16)距离装置头部(1)圆柱轴线0.5～2毫米，且不大于0.25倍装置头部(1)圆柱直径，内凹正四棱台底面与装置头部(1)圆柱表面相切，内凹正四棱台底面与内凹正四棱台左侧面(17)夹角为30～60度；内凹正四棱台上侧面(19)与装置头部(1)圆柱的相贯线最高点距离装置头部(1)顶0.5～2毫米；测压中孔(6)、测压左孔(7)、测压右孔(8)、测压上孔(9)、测压下孔(10)轴线分别与内凹正四棱台顶面(16)、内凹正四棱台左侧面(17)、内凹正四棱台右侧面(18)、内凹正四棱台上侧面(19)、内凹正四棱台下侧面(20)垂直且分别经过内凹正四棱台顶面(16)、内凹正四棱台左侧面(17)、内凹正四棱台右侧面(18)、内凹正四棱台上侧面(19)、内凹正四棱台下侧面(20)的中点；测压中孔(6)为圆形，直径为0.1～1毫米，测压左孔(7)、测压右孔(8)、测压上孔(9)、测压下孔(10)均为圆形，直径为0.05～0.8毫米，且小于测压中孔(6)的直径；

后侧面(15)正对内凹正四棱台顶面(16)开有一边长为0.5～3毫米的正方形浅凹槽，深度为0.3～1毫米，在凹槽内开有一边长为0.3～2毫米且小于浅凹槽的正方形深凹槽，与浅凹槽共心且深度相同；绝热绝缘固定件(4)尺寸与浅凹槽相同并装入浅凹槽内；温度传感器(3)为薄膜热电阻或薄膜热电偶，尺寸与绝热绝缘固定件(4)相同并粘接在绝热绝缘固定件(4)表面，温度传感器线缆(12)通过装置内的温度传感器线缆引出通道(5)引出装置支杆(2)尾部；

装置支杆(2)为圆柱形，直径为3～10毫米，装置支杆(2)轴线与装置头部(1)圆柱轴线重合；

对一种用于精确测量压气机级温升效率的装置进行标定，在已知来流马赫数和速度的标准风洞中，使来流流过测量装置；记录测量装置迎风面表面5个测压孔的压力，记录测量装置背风面温度传感器温度；根据校准获得的数据通过数据处理确定不同马赫数下、不同偏转角和俯仰角下的总压系数、静压系数、偏转角系数和总温恢复系数的标定曲线，所述偏转角系数、俯仰角系数、总压系数、静压系数和温度恢复系数定义如下：

其中，C_py为偏转角系数，C_pp为俯仰角系数，C_pt为总压系数，C_ps为静压系数，C_T为温度恢复系数，校准风洞中的来流总压、静压、总温和静温分别为P_t、P_s、T_t和T_s，五孔压力探针中孔、左孔、右孔、上孔和下孔测得的压力值分别为P₁、P₂、P₃、P₄和P₅，温度传感器测得的温度值为T_p，由此可以得到本发明装置在不同马赫数下、不同偏转角和俯仰角下的总压系数、静压系数、偏转角系数、俯仰角系数和总温恢复系数的校准曲线；

一种用于精确测量压气机级温升效率的方法，其特征在于：

包含两种测点位置布置方案，第一种被测压气机级进、出口测点布置方案：

对于进口，选择被测压气机级进口前距离转子叶片前缘0.05～1.5倍叶片弦长的截面为进口测试截面，根据压气机级单个转子叶栅栅距将测试截面划分为若干扇形测量区；在进口测试截面上，选择7～11个径向位置作为径向测点，在靠近轮毂、机匣处密集，保证测得附面层内的参数；周向布置5～7个测量位置，不同周向测量位置集中在一个转子叶栅栅距的扇形测量区内，在靠近叶片处密集，保证测得尾迹内的参数，在通道中部稀疏；

对于出口，选择被测压气机级出口后距离静子叶片尾缘0.05～1倍叶片弦长的截面为出口测试截面，根据压气机级单个静子叶栅栅距将测试截面划分为若干扇形测量区；在出口测试截面上，选择9～15个径向位置作为径向测点，在靠近轮毂、机匣处密集，保证测得附面层内的参数；周向布置7～13个测量位置，不同周向测量位置集中在一个静子叶栅栅距的扇形测量区内，在靠近叶片处密集，保证测得尾迹内的参数，在通道中部稀疏；

第二种被测压气机级进、出口测点布置方案：

对于进口，选择被测压气机级进口前距离转子叶片前缘0.05至1.5倍叶片弦长的截面为进口测试截面，根据压气机级单个转子叶栅栅距将测试截面划分为若干扇形测量区；选择7～11个径向位置作为径向测点，在靠近轮毂、机匣处密集，保证测得附面层内的参数；周向布置5～7个测量位置，同时使用多个测量装置，它们各自分布在若干个转子叶栅栅距的扇形测量区，使每个测量扇形测量区内至多存在一个周向测量位置，并且当把这些不同扇形测量区内的周向测量位置以压气机轴线为旋转中心旋转整数倍单个转子叶栅栅距对应的角度至同一个扇形测量区内后，仍能保证在靠近叶片处密集，使其能够测得尾迹内的参数，在通道中部稀疏的原则；

对于出口，选择被测压气机级出口后距离静子叶片尾缘0.05至1倍叶片弦长的截面为出口测试截面，根据压气机级单个静子叶栅栅距将测试截面划分为若干扇形测量区；选择9～15个径向位置作为径向测点，在靠近轮毂、机匣处密集，保证测得附面层内的参数；周向布置7～13个测量位置，同时使用多个测量装置，它们各自分布在若干个静子叶栅栅距的扇形测量区，使每个测量扇形测量区内至多存在一个周向测量位置，并且当把这些不同扇形测量区内的周向测量位置以压气机轴线为旋转中心旋转整数倍单个静子叶栅栅距对应的角度至同一个扇形测量区内后，仍能保证在靠近叶片处密集，使其能够测得尾迹内的参数，在通道中部稀疏的原则；

进行试验测量，将装置置于压气机级进、出口测量截面初始位置，调整压气机进入试验状态；测量5个测压孔的压力并记录，测量温度传感器的温度并记录；利用位移机构带动测量装置进入下一个径向位置并重复上述过程，直至走遍所有测点位置；

依据5个测压孔的数据和温度传感器的数据，求出偏转角系数和俯仰角系数，再结合已经标定出的系数曲线，插值求出各个测点偏转角、俯仰角、总压、静压以及马赫数，并利用如下公式求得来流速度：

c²＝γRT_s

P_s＝ρRT_s

其中，γ是流场的绝热指数，Ma是流场马赫数，v是流场速度，c是流场当地声速，R是气体常数，ρ是密度；

利用质量加权的方法，求得压气机级进口总温进口总压出口总温出口总压参数，公式如下：

其中，是测量截面参数的质量加权平均值，v_i是i测点的速度值，A_i是i测点对应的面积值，α_i是i测点的偏转角，β_i是i测点的俯仰角，X_i是i测点的参数值，i是测点数，j是测点总数；

利用如下公式计算被测压气机级温升效率：

本发明的一种用于精确测量压气机级温升效率的装置及方法，测量装置通过校准风洞标定后，可获得校准曲线；实际测量中，基于测压孔和温度传感器测得的数据，再根据校准风洞标定获得的校准系数曲线及公式，通过数据处理，可以同时得到被测三维稳态流场的总温、总压、静温、静压、马赫数、偏转角、俯仰角、速度、密度参数，增加了温度传感器寿命和气流不敏感角范围，提高了测量空间分辨率和测量精度；测量方法通过优化测点布局和质量加权求平均值的方法，能够准确测量多级压气机单级的温升效率。