葉型受感部設計及結構優化

閆久坤

(沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015)

1 引言

進行航空發動機壓氣機級間參數測試是提高壓氣機設計水平的有效手段，測量結果將為壓氣機設計改進和設計數據庫充實提供試驗依據。葉型受感部結構簡單，測試數據可靠，在壓氣機級間參數測量中廣泛采用，但目前對典型結構的葉型受感部的性能和優化設計研究甚少，并缺少基礎研究支撐。

近年來，沈陽發動機設計研究所測試計量技術研究中心對葉型受感部的設計、制作、校準及性能優化等進行了系統研究，并應用于壓氣機試驗，獲得了良好效果。

本文介紹了葉型受感部的設計及性能優化，闡述了其關鍵技術、測點及受感部的布置原則，最終給出了典型結構的性能優化結果。

2 葉型受感部結構設計關鍵技術

2.1 葉型受感部結構

葉型受感部主要由敏感元件、信號傳輸元件和支撐元件組成，其測試探針借助于壓氣機靜止葉片固定。其基本結構形式如圖1所示。

按不同的敏感元件類型，葉型受感部可分為總溫葉型受感部和總壓葉型受感部。總溫葉型受感部的敏感元件由測量罩和熱電偶構成，其中熱電偶絲既是敏感元件又是信號傳輸元件；總壓葉型受感部的敏感元件由測量罩和感壓管構成，其中感壓管不僅用于感受壓力信號，還用于信號傳輸。

圖1 葉型受感部結構

2.2 葉型受感部結構設計關鍵技術

2.2.1 葉型受感部頭部設計

級間測量專項試驗表明，在級間總壓、總溫測量中，探針頭部必須設計成帶套形式，即在總溫探針頭部加裝滯止罩，在總壓探針上加裝整流罩，其目的在于減小測量誤差。因此，罩的結構形式直接關系到葉型受感部的性能和測試的準確度。

2.2.2 受感元件安裝及尺寸要求

受感元件主要指滯止罩中的熱電偶和整流罩中的測壓管。它們相對于罩的安裝位置對測量準確度有較大影響。從理論上講，受感元件尺寸越小越好，但考慮到其強度等綜合因素，受感部頭部應伸出葉片前緣一定長度，以減小對測量的影響。

2.2.3 測量點布置

測量點通常沿葉片高度按等環面或等距分布。徑向測點若在1片葉片上，布置空間不夠；可考慮在相鄰葉片上穿插布置，應在每級壓氣機上分別安排總壓、總溫測量葉片。

葉型受感部一般沿葉片高度布置成梳狀多點形式，以便測量沿葉高方向的參數變化；以不堵塞流路為標準，沿各級壓氣機周向位置布置若干片，可測得各級壓氣機沿徑向和周向總參數的變化。

2.2.4 受感元件固定

可采用焊接、包敷壓片或膠粘方式，將受感元件固定在葉片上。要牢固可靠，以保證足夠的機械強度，并盡量減小引線凸起高度，減小對流場的擾動和堵塞影響；應注意保護感頭頭部，不能堵塞進排氣孔，并保證孔的邊緣光滑無毛刺。

3 葉型受感部性能優化

溫度葉型受感部性能主要取決于滯止罩和熱電偶的性能，壓力葉型受感部的性能主要取決于整流罩和感壓管的性能。

在校準風洞中對測量罩進行了吹風試驗，得到了其性能數據。

3.1 測量罩形式

葉型受感部性能主要取決于感頭前緣的測量罩（滯止罩和整流罩）的性能。滯止罩和整流罩的常見形式如圖2、3所示。影響測量罩性能的主要參數有罩口前緣角度和感頭相對于罩口前端面幾何尺寸（如圖中所示的a、b尺寸）。圖 3（c）是 1種鳥籠式的滯止罩，它在孔口開槽，而不是加工倒角。

除罩的形式影響葉型受感部的性能外，感壓管孔口的處理對其也有影響。如圖2（b）所示的孔口外倒角是不同于一般形式的內倒角。

圖2 壓力葉型受感部感頭

圖3 溫度葉型受感部感頭

3.2 葉型受感部校準

葉型受感部性能主要是指在不同來流條件下，受感部的測量誤差。

為了測量葉型受感部的性能，用上述形式的測量罩及感頭制作了試驗用的葉型受感部，如圖4、5所示，并在校準風洞中進行校準。

其中，對壓力葉型受感部Ma=0.2、0.4、0.6，氣流偏角 α=±30°范圍內進行校準，得到在不同來流速度條件下受感部的不敏感角范圍及總壓測量誤差；對溫度葉型受感部在 Ma=0.2、0.4、0.6 狀態下進行校準，得到在不同來流速度條件下的總溫恢復系數，從而得到受感部的總溫測量誤差。

圖4 總壓葉型受感部

圖5 總溫葉型受感部

3.3 葉型受感部校準結果

通過在風洞中校準，得到了7種葉型受感部感頭的性能試驗結果，見表 1、2。

表1 壓力葉型受感部校準結果

表2 溫度葉型受感部校準結果

圖6 壓力葉型受感部校準曲線

圖7 溫度葉型受感部校準曲線

3.4 性能優化結果

校準結果顯示了各典型結構的性能比較情況。

對于壓力葉型受感部，性能最佳的是如圖2（b）所示的整流罩，其進氣倒角為82°，空氣管為外倒角，Ma＝0.6范圍內，α≤±20°，測量誤差為±0.5%；性能其次如圖 2（a）、（c）所示的結構；如圖2（d）所示結構的不敏感角稍小些。上述結果說明整流罩的進氣倒角及空氣管的倒角形式對測量準確度均有影響。

對于溫度葉型受感部，性能最佳的是鳥籠形，恢復系數為0.92。其次是滯止罩進氣角為90°的結構，恢復系數為0.91；滯止罩進氣角為82°的結構，恢復系數為0.89。上述結果說明進氣倒角對測量的準確度有影響，應在設計中注意。

4 結論

在上述葉型受感部設計的關鍵技術中，探針頭部的設計尤為重要。一般應根據被測氣流方向及測試準確度的要求選擇測量罩的形式，以保證受感部的基本性能。

性能優化結果表明，對于壓力葉型受感部，整流罩的進氣倒角及空氣管的倒角形式對測量準確度均有影響。進氣倒角為82°，空氣管為外倒角時，其性能最佳;在Ma為0.6范圍內,α≤±20°，測量誤差為±0.5%。

對于溫度葉型受感部，滯止罩進氣倒角的角度對測量的準確度有影響。性能最佳的是鳥籠形，恢復系數為0.92。

[1]А.Н.ПЕТУНИНМЕТОДЫ И ТЕХНИКА ИЗМЕРЕНИЙ ПАРА - МЕТРОВ ГАЗОБОГО ПОТОКА МОСКВА МАШИНО-СТРОЕНИЕ 1996.

[2]Arthur J.Wennerstrom Investigation of a 1500 FT/SEC. Transonic,Highthrough-flow,Singlestage Axial-flow Compressor with Low Hub/Tip Ratio Technical Report,AFAPL-TR-76-92.