一种高频动态三维全参数热线式探针

本发明属于非定常流场测试，具体涉及一种高频动态三维全参数热线式探针，适用于测量叶轮机械进口、出口和级间流场中总温、总压、静温、静压、速度、马赫数、偏转角、俯仰角和熵等全参数随时间的变化，探针频响可达50khz以上。

背景技术：

1、高性能航空发动机的研制，对风扇/压气机的性能提出了很高的要求，风扇/压气机的级间流动十分复杂，具有极强的三维性和非定常性。同时，流场也是高频脉动的，压气机内的气流脉动频率，从喘振、失速的几百赫兹到叶片频率的十几千赫兹，频率范围跨度相当大这使得其内部流场的测试变得十分困难，特别是对高频脉动流场三维全参数的同时测量，一直以来都是需要突破的重点和难点。因此，为同时实现精细测量风扇/压气机级间的高频动态流场全参数信息，必须发展更有针对性的测量手段。

2、目前，常采用细丝热电偶来获得流场的动态温度、采用高频动态压力探针来获得流场的动态压力，采用多孔压力探针来获得流场的气流方向。现有的动态压力探针频响可以满足风扇/压气机级间流场的测量要求，但现有的动态温度传感器频响低，即使频响最高的细丝热电偶温度传感器也仅有1khz，使用传统的温度传感器尚不能满足级间测量的要求。在高频温度测量上，吸气式热线技术具有良好的发展前景，而目前的吸气式热线探针为了获得来流方向信息，均需要进行探针旋转测量，减小了测量的准确性，提高了试验成本，并且探针的吸气通道及引线布局不合理，侧面进行吸气会导致吸气通道气流能量损失大，需要大功率的抽气设备才可是实现。

3、要想同时获得更多的三维非定常信息，往往采用将几种测量手段集于一体的组合式探针。这时，组合式探针虽然可以获得的流场动态参数变多，但受限于传统动态温度传感器频响低，探针的整体频响仍无法提高，此外，如要同时获得流场的速度及偏转角、俯仰角信息，就需要采用多孔探针结合动态压力传感器的方法，这时，探针测量的空间分辨率会大幅降低、探针的尺寸变大、对流场的干扰增大且难以深入狭小的级间；如果减少孔的数量，就需要在测量时旋转探针才能得到速度及偏转角、俯仰角信息，这时，测量结果将不再具有同时性，就要求被测量流场具有良好的周期性。

4、因此，急需发展一种高精度、工作稳定、空间分辨率小且能同时测量风扇/压气机级间高频动态三维全参数探针，以实现对级间非定常流场全参数的准确测量，为风扇/压气机各级高性能设计提供直接的数据支撑。

技术实现思路

1、本发明的一种能实现高频动态三维全参数热线式探针，探针头部由圆柱体与光滑曲线旋转体组合而成，探针头部正对主流测开有一音速喷管、音速喷管周围分布四根前部叉杆、其上焊有双丝平行热线；探针头部顶端开分布六根顶部叉杆、其上焊有三丝热线，三丝热线呈圆台形；探针头部背对主流测开有一探针后盖，接近探针支杆尾部一侧伸出引线通达并连接航空插头，探针支杆尾部装有长方体定位块并伸出真空泵接嘴。使用时，将探针置于被测流场中，探针头部顶端的三丝热线采用恒温式，由于热交换，热线的热量被气流带走，因而热线的温度就会发生变化，温度变化的大小和快慢主要取决于气流的速度，热线和气流的温差，气流的物理性质和几何尺寸，而后三项可以人为给定，这时输出电压就和来流速度保持特定关系。采用三条互成夹角的三丝热线就可以得到流场中的三个速度分量，即得到了来流的速度、俯仰角、偏转角信息。同时，真空泵接嘴连接真空泵，使得喷嘴背压远小于来流总压，音速喷管喉道处达到音速，整个喷管达到壅塞的状态，此时，恒温式双丝平行热线的电压变化与速度无关，仅与来流的总温总压相关，关系式如下：

2、v2＝f(pt/√(tt))(tw-rtt)

3、两根热线在不同的工作温度tw下，同时测得的两个电压值就可以推导出总温tt和总压pt。热线可以使用5μm的镀金钨丝，搭配最新的cta(恒温热线风速仪)模块，可以使频响达到50khz以上。由所测得的总温、总压、速度、俯仰角、偏转角参数，就可推导得出流场的马赫数、静温、静压、熵等气流全参数随时间的变化。

4、本发明提供了一种能测量级间流场的高频动态三维全参数热线式探针，要解决的技术问题是：第一，解决了现有动态组合式探针无法实现对非定常流场三维全参数高频信息的同时测量的问题。第二，解决了现有动态探针受限于传统动态温度传感器频响较低的问题。第三，解决了现有动态组合式探针尺寸较大、对流场干扰大、空间分辨率低、难以伸入狭窄的风扇/压气机级间的问题。第四，解决了现有动态组合式探针测量时需要旋转的，对被测流场有良好周期性要求的问题。第五，解决了现有吸气式热线探针布局不合理，吸气通道内部气流能力损失大的问题。

5、本发明的技术解决方案是：

6、1、一种高频动态三维全参数热线式探针，由探针头部(1)、探针支杆(2)、音速喷管(3)、双丝平行热线(4)、三丝热线(5)、前部叉杆(6)、顶部叉杆(7)，绝缘胶(8)、前部通孔(9)、顶部通孔(10)、热线线缆(11)、探针后盖(12)、圆形管道(13)、引线管道(14)、航空插头(15)、真空泵接嘴(16)、长方体定位块(17)、定位块通孔(18)、螺纹孔(19)、紧固螺钉(20)组成，其特征在于：探针头部(1)由圆柱体与快速收敛曲线旋转体组合而成，探针头部(1)正对主流测开有一音速喷管(3)、音速喷管(3)周围开有四个前部通孔(9)，通孔内装有四根前部叉杆(6)、其上焊有双丝平行热线(4)；探针头部(1)顶端开有六个顶部通孔(10)，通孔内装有六根顶部叉杆(7)、其上焊有三丝热线(5)；探针头部(1)背对主流测开有一探针后盖(12)，探针支杆(2)背向主流侧伸出引线管道(14)并连接航空插头(15)，探针支杆(2)尾部伸出真空泵接嘴(16)，在航空插头(15)与真空泵接嘴(16)之间装有长方体定位块(17)。

7、2、探针头部(1)圆柱体的直径d，d的取值范围为2毫米≤d≤8毫米，长度为10毫米至45毫米，曲线旋转体可选择圆弧线、维氏曲线或圆锥曲线进行旋转而成，探针头部(1)沿轴向内部开有圆形管道(13)，圆形管道(13)贯穿整个探针，圆形管道(13)的直径为1毫米至7毫米。

8、3、探针头部(1)圆柱体正对主流侧开有音速喷管(3)，喷管收缩的型线可以为三次曲线、五次曲线、移轴曲线，喷管进口垂直于圆柱轴线的投影的截面直径为0.8毫米至2毫米，喷管出口垂直于圆柱轴线的投影的截面直径为0.4毫米至1.5毫米，喷管中心线距探针头部(1)顶端的距离为1毫米至5毫米，背对喷管的圆柱侧面开有探针后盖(12)，其横截面为扇环，扇环圆心角为60°至150°，后盖的长为2毫米至15毫米，后盖沿圆柱轴向顶端距探针头部(1)顶端为1毫米至4毫米。

9、4、前部叉杆(6)呈锥形，材料为不锈钢，其头部直径为0.1毫米至0.3毫米，前部叉杆(6)露出探针头部(1)的长度为0.1毫米至1毫米，头部焊接双丝平行热线(4)，前部叉杆(6)穿过前部通孔(9)与热线线缆(11)连接，绝缘胶(8)实现前部叉杆(6)与探针头部(1)的固定与绝缘。

10、5、顶部叉杆(7)呈锥形，材料为不锈钢，其头部直径为0.1毫米至0.3毫米，顶部叉杆(7)根据露出探针头部(1)的长度不同分为长叉杆、短叉杆两种，其中长叉杆露出探针头部(1)的长度为1毫米至10毫米，三根长叉杆在一条直线上，等距排列，间隔0.3毫米1.5毫米至短叉杆露出探针头部(1)的长度为0.1毫米至6毫米，三根短叉杆在以中间位置长叉杆为圆心的一段圆弧上，圆弧的直径为0.5毫米至3.5毫米，圆弧的角度为30°至120°，顶部叉杆(7)穿过顶部通孔(10)与热线线缆(11)连接，绝缘胶(8)实现顶部叉杆(7)与探针头部(1)的固定与绝缘。

11、6、双丝平行热线(4)的直径为1微米至30微米，长度为0.8毫米至2.5毫米，材料为钨丝、镀铂钨丝、镀金钨丝或铂铱合金丝，两条热线竖直放置，之间的距离为0.1毫米至0.8毫米。

12、7、三丝热线(5)的直径为1微米至30微米，长度为0.8毫米至5毫米，材料为钨丝、镀铂钨丝、镀金钨丝或铂铱合金丝，每条热线均焊接在顶部叉杆(7)中的一根长叉杆和一根短叉杆上，热线与较长的叉杆的夹角为θ，θ的取值范围为5°≤d≤85°，三条热线呈圆台形。

13、8、探针支杆(2)为圆柱体，圆柱体的直径d，d的取值范围为2毫米≤d≤10毫米。

14、9、热线线缆(11)穿过引线管道(14)与航空插头(15)相连，引线管道(14)外径为2毫米至8毫米，内径为1毫米至6毫米，引线管道(14)与航空插头(15)通过螺纹连接，螺纹直径为1～6毫米。

15、10、真空泵接嘴(16)与圆形管道(13)相连，真空泵接嘴(16)管外径为2毫米至8毫米，内径与圆形管道(13)的直径相同。

16、11、长方体定位块(17)通过的定位块通孔(18)套装在航空插头(15)与真空泵接嘴(16)之间，由紧固螺钉(20)穿过长方体定位块(17)两侧的螺纹孔(19)固定，紧固螺钉(20)全部嵌入螺纹孔(19)内。

17、12、长方体定位块(17)的四个侧面均可以作为定位面，定位块通孔(18)的直径为d+0.05毫米，长方体定位块(17)的底面为正方形，其边长为l，取值范围为d+2毫米≤l≤d+8毫米，长方体定位块(17)的厚度为2毫米至10毫米。

18、本发明一种高频动态三维全参数热线式探针，具有以下有益效果：

19、有益效果一：本发明经过校准风洞及温度压力标定箱校准后，能同时流场中的总温、总压、静温、静压、速度、马赫数、偏转角、俯仰角和熵等全参数随时间的变化，为叶轮机非定常流场测试提供了一种高效、准确、全面的手段。

20、有益效果二：本发明使用的热线直径小，热线的热惯性很小，频响可达50khz以上，提高了温度测量的频率。

21、有益效果三：本发明的探针尾部含有定位块，探针的安装方便简单，测量时无需旋转，对被测流场没有周期性的要求，适用范围广。

22、有益效果四：本发明的热线布置在探针头部的前沿或顶端，热线不受探针本身结构的影响，最先感受来流的脉动，流场信息不失真，测量精度高。

23、有益效果五：三丝热线呈圆台形布置，热线之间不存在交叉，互不影响，测量数据准确。

24、有益效果六：本发明的探针头部结构简单紧凑，为“i”型，尺寸小，双丝平行热线采用竖直布置，提高了探针的空间分辨率，适用于狭窄风扇/压气机和涡轮级间的测量。

25、有益效果七：本发明的探针真空泵接嘴及引线布局合理，吸气通道不存在拐角设计，气流流通顺畅，损失小。

26、有益效果八：本发明的探针头部顶端型面采用快速收敛曲线，气流贴合性好，附面层不易分离，对顶部三丝热线的测量数据影响小。