本發(fā)明屬于高溫流場動態(tài)壓力測試，具體涉及一種復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)汗冷卻式高溫水冷動態(tài)總壓探針，適用于測量極端高溫環(huán)境如航空發(fā)動機燃燒室、渦輪中下的動態(tài)壓力，該探針采用一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的發(fā)汗冷卻技術(shù)，實現(xiàn)對探針支桿和探針頭的高效冷卻，保證探針能夠在最高可達(dá)2500℃的極端高溫環(huán)境下穩(wěn)定運行。

背景技術(shù)：

1、壓氣機、燃燒室和渦輪是航空發(fā)動機的三大核心部件，隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，航空發(fā)動機的工作環(huán)境變得極為苛刻，特別是在燃燒室和渦輪部分的溫度不斷攀升，已達(dá)到極高的水平(最高達(dá)2300℃)，準(zhǔn)確測量這些部位的動態(tài)壓力對于發(fā)動機性能優(yōu)化、效率提升和安全性保障至關(guān)重要。但這類高溫環(huán)境下的壓力場測量存在較多難點，其中一個主要困難是要求壓力探針在高溫等惡劣環(huán)境中有足夠的強度和可靠性，即要求探針具有有效的冷卻結(jié)構(gòu)和足夠的精度。目前，針對高溫環(huán)境下的壓力探針主要有兩種冷卻方式：氣膜冷卻和水冷。這兩種冷卻方式各有優(yōu)點，但也各存在一定的技術(shù)缺陷，影響探針的性能和使用壽命。

2、氣膜冷卻式探針的優(yōu)點在于可以較容易地根據(jù)主流溫度和流量調(diào)節(jié)冷卻氣流的溫度和流量。然而，這種結(jié)構(gòu)在探針頭部的冷卻上存在一定缺陷：如果在探針頭部開氣膜孔，沖出的冷卻氣流會對探針頭部的流場造成干擾，影響測試精度。如果探針支桿前緣不開氣膜孔，僅靠內(nèi)部的對流換熱進行冷卻，冷卻效果不足，探針頭易被燒壞。此外，由于氣體的比熱容較小，在環(huán)境極端高溫(2000℃以上)下，采用氣膜冷卻能提供的冷卻效果有限，甚至可能不足而導(dǎo)致探頭損壞。

3、水冷探針的優(yōu)點在于冷卻水流動不會對流場造成干擾，且由于水的比熱容遠(yuǎn)大于空氣，冷卻效果更佳。然而，水冷系統(tǒng)的復(fù)雜性增加了設(shè)計和維護難度。冷卻水流量在試驗狀態(tài)變化時難以迅速調(diào)節(jié)，可能導(dǎo)致探針局部溫度過高或壓力過大，增加結(jié)構(gòu)損壞的風(fēng)險。同時，現(xiàn)有水冷探針大都利用對流換熱的方式對探針進行冷卻，此類換熱過程屬于顯熱熱交換過程，當(dāng)測量環(huán)境溫度升高時，需要的冷卻水流量大大增加，若探針內(nèi)冷卻水流道設(shè)計不合理，就會存在內(nèi)部阻力大，冷卻水與探針支桿接觸不充分，存在死水區(qū)等問題，導(dǎo)致冷卻效果不理想。且由于探針尺寸較小，水冷探針的工作難度更大。

4、相較于通過導(dǎo)熱來降低探針溫度的顯熱換熱過程，通過物質(zhì)的相變(如從液態(tài)到氣態(tài)，或從固態(tài)到液態(tài))吸收大量熱量的潛熱熱交換過程具有更加高效的冷卻效率。且由于同等情況下，潛熱熱交換的換熱量遠(yuǎn)大于顯熱熱交換過程中的換熱量。發(fā)汗冷卻是一種有效的潛熱換熱冷卻技術(shù)，采用發(fā)汗冷卻可以減輕探針在極端高溫環(huán)境下對冷卻水流量的要求。

5、公開號為cn107063560a和公開號為cn107131999a的兩個發(fā)明專利中分別提出了一種高溫水冷動態(tài)壓力探針和高溫水冷穩(wěn)態(tài)壓力探針；公開號為cn206930646u的實用新型專利中提出了一種水冷探針，上述水冷探針均利用了冷卻水吸收探針支桿熱量的顯熱換熱過程對探針支桿進行冷卻，在極端高溫環(huán)境下可能冷卻效果有限，影響探針測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，甚至導(dǎo)致探針損壞，更為重要的是，上述水冷探針均沒有對冷卻探針頭，大大增加了探針頭部受高溫影響而損壞的風(fēng)險。

6、因此，急需發(fā)展一種能在極端高溫環(huán)境(2000℃以上)下穩(wěn)定可靠工作且能對探針頭也具有冷卻效果的壓力探針，以滿足燃燒室、渦輪等部件處溫度越來越高的環(huán)境下的壓力測試需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是：針對燃燒室和渦輪等極端高溫環(huán)境的壓力測試問題，提供一種冷卻效果好，可靠性高的動態(tài)壓力測量手段，能同時冷卻探針支桿和探針頭，并保證換熱效果理想均勻。

2、本發(fā)明的解決方案：

3、一種復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)汗冷卻式高溫水冷動態(tài)總壓探針，包括探針支桿(1)、探針頭(2)、套管(3)、安裝座(4)、定位孔(5)、冷卻水進水管(6)、冷卻水出水管(7)、線纜(8)、周向分隔擋板(9)、第一壁面—發(fā)散壁面(10)、第二壁面—沖擊壁面(11)、第三壁面—限流壁面(12)、第四壁面—探針支桿外壁面(13)、動態(tài)壓力傳感器(18)、測壓孔(19)、半球形凹槽(20)及若干擾流柱(14)、發(fā)散孔(15)、沖擊孔(16)、限流孔(17)；其特征在于：探針頭(2)位于探針支桿(1)頂端，探針頭(2)表面開測壓孔(19)，套管(3)裝于探針支桿(1)外部，安裝座(4)裝于套管(3)上，安裝座(4)上設(shè)有定位孔(5)，冷卻水進水管(6)和線纜(8)均裝于探針支桿(1)內(nèi)，冷卻水出水管(7)裝于套管(3)上、安裝座(4)后方，線纜(8)裝于探針支桿(1)內(nèi)、冷卻水進水管(6)外圍靠近測壓孔(20)一側(cè)。

4、進一步，探針支桿(1)為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層與冷卻水進水管(6)連通形成冷卻水進水流道，外層被周向分隔擋板(9)分為六個腔室，這些腔室與滲透流道連通為冷卻水軸向回流的主流道，靠近測壓孔(19)的腔室裝有動態(tài)壓力傳感器(18)和線纜(8)。

5、進一步，探針支桿(1)外徑可取2毫米至5毫米，對應(yīng)套管(3)外徑可取4毫米至10毫米，二者焊接為一個整體，冷卻水進水管(6)管徑為1毫米至2毫米。

6、進一步，探針頭(2)為探針頂部距端面軸向長度為3倍探針支桿(1)外徑的圓柱體部分，探針頭(2)上距離頂端1倍圓柱體直徑的地方開測壓孔(19)，以測壓孔(19)為中心在探針表面挖出一個半球形凹槽(20)，以增大測壓孔的不敏感角，半球形凹槽(20)直徑為3倍測壓孔直徑，測壓孔直徑可為0.6毫米至1.5毫米。

7、進一步，探針頭(2)表面距離半球形凹槽(20)2倍測壓孔直徑范圍內(nèi)，不開發(fā)散孔(15)，以避免發(fā)汗冷卻產(chǎn)生蒸汽影響測量精度。

8、進一步，探針頭(2)的測壓孔(19)與動態(tài)壓力傳感器(18)連通，動態(tài)壓力傳感器(18)產(chǎn)生的信號通過線纜(8)傳出。

9、進一步，套管(3)有三層結(jié)構(gòu)，包括第一壁面—發(fā)散壁面(10)、第二壁面—沖擊壁面(11)、第三壁面—限流壁面(12)，第一壁面(10)、第二壁面(11)之間形成第一冷卻通道，第二壁面(11)、第三壁面(12)之間形成第二冷卻通道，第三壁面(12)和探針支桿外壁面(13)之間形成第三冷卻通道，上述三條冷卻通道為冷卻水滲透流道。

10、進一步，安裝座(4)可為跑道形或其他適合特定測量場合固定的形狀，安裝座(4)厚度可取2毫米至5毫米，安裝座(4)上開有兩個或適合其他特定測量場合的多個定位孔(5)，定位孔(5)直徑可取2毫米至3毫米。

11、進一步，在冷卻水進水管(6)外壁面至第一壁面(10)之間周向均勻設(shè)置6個周向分隔擋板(9)以減小重力對于冷卻水不均勻分布的消極影響，周向分隔擋板貫穿第二壁面(11)、第三壁面(12)、第四壁面(13),將第一冷卻通道、第二冷卻通道、第三冷卻通道和冷卻水回水通道沿周向分隔成為6個獨立的冷卻區(qū)域，6個冷卻水回流通道分別與6個獨立冷卻區(qū)域一一對應(yīng)。

12、進一步，冷卻水出水管(7)與冷卻水主回路連通，及時排出探針內(nèi)溫度升高到一定程度但未能流入探針支桿外壁面(13)和限流壁面(12)之間的第三流道的冷卻水，即通過流動的冷卻水對流換熱進一步吸收發(fā)汗冷卻過程未能完全吸收的部分熱量，進而更好的保護動態(tài)壓力傳感器(8)。

13、進一步，第一壁面(10)表面開傾斜的發(fā)散孔(15)，沿周向均勻分布，軸向周期交錯分布，形成均勻密布發(fā)散孔的發(fā)散壁面(10)，發(fā)散孔(15)貫穿第一壁面(10)，冷卻水從發(fā)散孔中滲出，形成液膜蒸發(fā)冷卻套管(3)外壁面，發(fā)散孔傾斜角度為30°至60°。

14、進一步，發(fā)散孔(15)為內(nèi)壁具有突起的圓柱形孔，如內(nèi)壁具有云邊形突起的圓柱形孔等，使冷卻水緩慢滲出，以保證具有良好的冷卻效果，發(fā)散孔(15)直徑為0.05毫米至0.15毫米，內(nèi)壁突起高度可為0.01毫米至0.03毫米。

15、進一步，第二壁面(11)表面均布沖擊孔(16)，沖擊孔(16)連通第一冷卻通道與第二冷卻通道，冷卻水從第二冷卻通道穿過第二壁面(11)進入第一冷卻通道，并對第一壁面(10)進行沖擊冷卻，所述沖擊孔(16)為直孔，軸向交錯周期分布于第二壁面-沖擊壁面(11)上，沖擊孔直徑為0.1毫米至0.3毫米。

16、進一步，第三壁面(12)表面周向均勻設(shè)置若干組限流孔(17)，由于探針支桿(1)不同的軸向位置所處的熱環(huán)境可能有所差異，所需的流量也有所差異，可根據(jù)探針?biāo)幍臒岘h(huán)境在探針支桿(1)軸向的不同位置開設(shè)不同數(shù)量的限流孔(17)以控制進入不同位置的冷卻水流量，從而控制不同位置處的冷卻效果，限流孔(17)直徑為0.2毫米至0.4毫米。

17、進一步，第一冷卻通道內(nèi)設(shè)有擾流柱(14)，周向均勻分布，軸向交錯周期分布，形成均勻密布擾流柱群，擾流柱(14)上、下端面固連第一壁面(10)與第二壁面(11)，以強化整體的換熱性能，擾流柱(14)直徑為0.1毫米至0.2毫米。

18、本發(fā)明一種復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)汗冷卻式高溫水冷動態(tài)總壓探針，具有以下有益效果：

19、有益效果一：本發(fā)明能同時冷卻探針支桿和探針頭，有效提高了探針在高溫環(huán)境下的工作壽命和工作溫度上限。本發(fā)明提出了一種適用于探針的發(fā)汗冷卻結(jié)構(gòu)，采用對流換熱冷卻和發(fā)汗冷卻相結(jié)合的方式，利用滲透部分的冷卻水蒸發(fā)吸收大量熱量，未滲透冷卻水部分吸熱升溫后通過出水管流出以進一步冷卻探針和動態(tài)壓力傳感器，能在探針尺寸小、冷卻水流量有限的情況下吸收大量熱量，有效提高了探針在高溫環(huán)境下的工作壽命和工作溫度上限(最高可達(dá)2500℃)。

20、有益效果二：相較于其他總壓探針，本發(fā)明具有更高的動態(tài)響應(yīng)能力和測量結(jié)果準(zhǔn)確度。本發(fā)明采用了的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過合理布局可以同時冷卻探針支桿和探針頭，有效防止探針頭局部溫度過高，使動態(tài)壓力傳感器能安裝在距離測壓孔更近的位置，有效減小了探針頭部測壓孔與動態(tài)壓力傳感器之間的容腔效應(yīng)，從而提高探針的在高溫環(huán)境下的動態(tài)響應(yīng)能力，有效保證探針測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

21、有益效果三：相較于其他水冷探針，本發(fā)明所需的冷卻水流量大大降低。本發(fā)明采用發(fā)汗冷卻為主的冷卻方式，在相同冷卻效果下，相較于采用對流換熱冷卻方式，能有效降低所需的冷卻水流量要求。

22、有益效果四：相較于其他形式的總壓探針，本發(fā)明具有更大的不敏感角范圍。本發(fā)明在探針頭部測壓孔周圍開有半球體凹槽，對來流具有較好的滯止作用，可有效增大測壓孔的不敏感角。

23、有益效果五：本發(fā)明的高溫水冷壓力探針為一體式設(shè)計，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，定位簡單準(zhǔn)確，適宜推廣使用。