本發(fā)明屬于高溫流場壓力測試，具體涉及一種寬角度測量范圍的高溫水冷測壓探針，適用于測量高溫環(huán)境如燃燒室、渦輪中的總壓、靜壓、馬赫數(shù)、偏轉(zhuǎn)角、俯仰角等流場參數(shù)，其中偏轉(zhuǎn)角測量范圍可達(dá)到-135°～135°，俯仰角測量范圍可達(dá)到-20°～50°，有效拓寬探針偏轉(zhuǎn)角測量范圍并保證探針在高溫環(huán)境(最高達(dá)2300k)下可靠、穩(wěn)定地工作。

背景技術(shù)：

1、壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪是航空發(fā)動機(jī)的三大核心部件，試驗是研究渦輪和燃燒室性能的重要手段，而燃燒室出口、渦輪進(jìn)口處的氣流不僅流動復(fù)雜具有強(qiáng)三維性，而且具有高溫(高達(dá)2000k以上)高壓(高達(dá)3.5mpa以上)的特點，這對燃燒室和渦輪等高溫環(huán)境下的測試探針設(shè)計提出了很高的要求。

2、對于燃燒室和渦輪的壓力場的測量是評價各部件壓降損失的主要手段，但高溫環(huán)境下的壓力場測量存在較多難點，其中一個主要挑戰(zhàn)是要求壓力探針在惡劣的環(huán)境中要有足夠的強(qiáng)度和可靠性，即要求探針具有有效的冷卻結(jié)構(gòu)和較高的精度。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，但也存在一定的技術(shù)缺陷，影響探針的性能和使用壽命。

3、氣膜冷卻的優(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(jìn)行冷卻，冷卻效果不足，探針頭易被燒壞。

4、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(hù)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)有水冷探針的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠合理，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。

5、另一個挑戰(zhàn)是角度測量范圍的限制。在燃燒室、渦輪等部件乃至在變循環(huán)發(fā)動機(jī)中，高溫氣流具有強(qiáng)三維性，流動方向和速度矢量變化劇烈，如變循環(huán)發(fā)動機(jī)中由于可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)，氣流偏轉(zhuǎn)角變化范圍可達(dá)到-10°～40°，而常用的五孔壓力探針的角度測量范圍在±30°左右，甚至更小，難以滿足復(fù)雜流動下的寬角度范圍測試需求?，F(xiàn)有探針在面對此類復(fù)雜流場時，往往只能提供有限角度內(nèi)的數(shù)據(jù)，無法全面捕捉三維流場的真實情況，從而影響了流場分析的準(zhǔn)確性和全面性。

6、角度測量范圍的不足還會導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)的分辨率降低，影響瞬態(tài)流動現(xiàn)象的捕捉和分析。特別是在高湍流度或有顯著旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的流場中，探針需要在多個方向上精準(zhǔn)測量流速和溫度，以便準(zhǔn)確表征流場的性質(zhì)。由于測量角度范圍的限制，研究人員只能獲取局部或不完整的數(shù)據(jù)，影響了對流場的全面理解和優(yōu)化設(shè)計。

7、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，上述水冷探針的角度測量范圍與常規(guī)五孔探針相近，不能滿足寬角度測量需求；此外，上述探針的水冷結(jié)構(gòu)均為套管結(jié)構(gòu)，冷卻水與探針支桿在不同方向上可能存在換熱不夠均勻的問題，且上述探針主要都是對探針支桿進(jìn)行冷卻，并沒有對探針頭部進(jìn)行冷卻，這可能導(dǎo)致探針頭部的損壞風(fēng)險增加，影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

8、因此，急需發(fā)展一種具有寬角度測量范圍、能同時對探針支桿和探針頭具有良好冷卻效果、在高溫環(huán)境下能穩(wěn)定可靠工作的壓力探針，以滿足燃燒室、渦輪等氣流流動復(fù)雜的高溫環(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：針對溫度高、流動情況復(fù)雜的氣流，提供一種角度測量范圍寬、可靠性高的壓力測量手段，能同時冷卻探針支桿和探針頭，并能保證探針內(nèi)部水流阻力小，換熱效果理想且均勻。

2、本發(fā)明的解決方案：

3、一種寬角度測量范圍的高溫水冷測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(jìn)水管(6)、冷卻水出水管(7)、引壓管(8)、螺旋式冷卻水流道(9)和c字型回流結(jié)構(gòu)(10)、螺旋式散熱片(11)組成，其特征在于：探針頭(2)位于探針支桿(1)頂端，探針頭部(2)表面有七個測壓孔，套管(3)裝于探針支桿(1)外部，且兩者之間設(shè)有螺旋式散熱片(11)和冷卻水流道(9)，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(jìn)水管(6)和出水管(7)裝于套管(3)上、安裝座(4)后方，引壓管(8)裝于探針支桿(1)內(nèi)。

4、進(jìn)一步，探針支桿(1)外徑可取2毫米至8毫米，對應(yīng)套管(3)外徑可取4毫米至10毫米，探針支桿(1)和套管(3)通過螺旋式散熱片(11)連接為一體。

5、進(jìn)一步，螺旋式散熱片(11)沿軸向厚度為0.5至1毫米，沿徑向高度為0.5至1毫米，螺距為5毫米至10毫米，不僅可以充當(dāng)套管(3)的支撐結(jié)構(gòu)，還可以增大套管和冷卻水的接觸面積，以增強(qiáng)換熱效果。

6、進(jìn)一步，探針頭部(2)設(shè)有7個測壓孔，分別與7根引壓管連通，測壓孔和引壓管直徑相同，為0.6毫米至1.5毫米，其中1號測壓孔(21)與1號引壓管(81)連通、2號測壓孔(22)與2號引壓管(82)連通、3號測壓孔(23)與3號引壓管(83)連通、4號測壓孔(24)與4號引壓管(84)連通、5號測壓孔(25)與5號引壓管(85)連通，且上述五個測壓孔均位于探針頭(2)的圓柱體部分表面，且在同一水平面內(nèi)，相鄰測壓孔之間的夾角為30°至50°，1號測壓孔(21)和5號測壓孔(25)夾角最大為180°；6號測壓孔(26)與6號引壓管(86)連通、7號測壓孔(27)與7號引壓管(87)連通，上述兩者位于半球形曲面并處在另一水平面內(nèi)，且6號測壓孔(26)位于2號測壓孔(22)正下方豎直距離為3倍至5倍測壓孔直徑處，7號測壓孔(27)位于4號測壓孔(24)正下方豎直距離為3倍至5倍測壓孔直徑處。

7、進(jìn)一步，探針頭(2)包括探針支桿(1)及套管(3)的頂端長3倍至5倍套管(3)直徑的圓柱體部分和圓柱體端部的半球體部分，半球體的直徑與套管(3)直徑相等。

8、進(jìn)一步，探針頭(2)處6號測壓孔(26)和7號測壓孔(27)所在曲面并不固定為半球形曲面，也可以為其他任何適合測量三維流場且對流場干擾較小的曲面或斜平面，如：圓錐形曲面，圓錐頂角角度為30°至60°。

9、進(jìn)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。

10、進(jìn)一步，c字型回流結(jié)構(gòu)(10)位于探針支桿(1)頂端，通過相切或近似相切的方式光滑連通冷卻水進(jìn)水通道和冷卻水出水通道，形成冷卻水流道(9)。

11、進(jìn)一步，螺旋水冷流道(9)寬度為1.5毫米至4毫米，沿徑向高度為0.5毫米至2毫米，螺距為5毫米至10毫米。

12、進(jìn)一步，本發(fā)明角度測量范圍拓寬方法為：分別以邊孔1號測壓孔(21)和非邊孔2號測壓孔(22)為例說明具體分區(qū)方法，指定1號測壓孔(21)為中心的測量區(qū)域為1區(qū)，指定2號測壓孔(22)為中心的測量區(qū)域為2區(qū)，其他區(qū)域的劃分方式與上述兩孔相同。定義1區(qū)校準(zhǔn)系數(shù)如下：

13、

14、定義2區(qū)校準(zhǔn)系數(shù)如下：

15、

16、式中cpy為偏轉(zhuǎn)角系數(shù)，cpp為俯仰角系數(shù)，cpt為總壓系數(shù)，cps為靜壓系數(shù)，校準(zhǔn)風(fēng)洞的來流總壓和靜壓分別為pt和ps，p1、p2、p3和p6分別對應(yīng)七孔壓力探針1號測壓孔(21)、2號測壓孔(22)、3號測壓孔(23)和6號測壓孔(26)測得的壓力值。pp為左孔、右孔、上孔和下孔測得壓力值的平均值。

17、本發(fā)明一種寬角度測量范圍的高溫水冷測壓探針，具有以下有益效果：

18、有益效果一：本發(fā)明探針頭部設(shè)有7個測壓孔，經(jīng)過校準(zhǔn)風(fēng)洞校準(zhǔn)后，能同時流場中的總壓、靜壓、馬赫數(shù)、偏轉(zhuǎn)角、俯仰角等氣流參數(shù)，結(jié)合探針測量范圍拓寬方法，可將探針偏轉(zhuǎn)角測量范圍大幅提高至±135°，即周向270°的范圍。

19、有益效果二：本發(fā)明采用螺旋式冷水卻水流通道并采用c字型回流結(jié)構(gòu)，使得冷卻水與探針支桿的具有較大的有效換熱面積，保證換熱更加充分和均勻的同時有效降低冷卻水水流阻力。

20、有益效果三：本發(fā)明的高溫水冷測壓探針能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而損壞，可保證探針在高溫環(huán)境(最高達(dá)2300k)下可靠、穩(wěn)定地工作并保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

21、有益效果四：本發(fā)明的高溫水冷測壓探針為一體式設(shè)計，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，定位準(zhǔn)確，適宜推廣使用。