五孔探针形变与振动对透平机械复杂流场测量精度的影响

高 强， 田 夫， 王晓放， 孙 涛， 徐瑞祥， 张海涛

(大连理工大学 能源与动力学院， 辽宁 大连 116024)

五孔探针形变与振动对透平机械复杂流场测量精度的影响

高 强， 田 夫， 王晓放， 孙 涛， 徐瑞祥， 张海涛

(大连理工大学 能源与动力学院， 辽宁 大连 116024)

五孔探针是测量叶轮机械流场的精确工具， 探针在流场中的弯曲变形和振动都会对测试精度产生影响. 本文利用数值模拟和实验测试的手段， 对探针在不同支撑位置和不同来流速度下的形变和振动问题进行了研究. 结果显示:支撑点的位置严重影响探针的抗弯性能， 在气流速度80 m/s、 支撑位置176 mm工况时， 五孔探针头部的最大变形量达到1 mm， 影响了测点位置和测量气流角度的准确性； 五孔探针的振动受支撑位置和气流速度的影响较小， 基本不会发生由于卡门涡街诱导的流致振动现象， 对测量精度的影响可以忽略.

五孔探针； 流场； 弯曲变形

叶轮机械内部场流十分复杂， 目前大多采用CFD方法数值模拟内流场流动结构并进行深入研究. 但是数值分析结果的准确性却需要大量的气动实验予以验证， 这对透平机械复杂流场各种测量方法、 测量仪器的测量精度提出了很高的要求.

在流体力学的工程应用和实验研究测试过程中， 通常使用各种插入式测试工具， 如热线探头、 皮托管、 流量计、 气动探针等. 其中五孔探针因其原理简单， 使用方便， 成本较低， 能够测量三维流场等因素， 应用十分广泛[1-3]. 但是在使用这些插入式测试工具时， 通常不考虑这些测试工具的变形问题和振动问题对实验测试结果的影响， 即假定认为测试工具是完全静止不动的. 这种“假定”对于测试流场的精度有多大的影响， 尚没有进行明确的研究.

为了保证透平机械复杂流场测量的精度要求， 其中关键的一环就是测量工具的数值准确性和测点位置的精确性， 所以探针的变形和振动情况对于测量的影响就必须纳入考虑范围.

本文以测量叶栅流场中经常使用的五孔探针为研究对象， 结合具体的实验工况， 通过实验测试和数值模拟的研究手段， 比较系统地研究了测试工具的变形和振动问题.

1 研究内容与方法

1.1 研究对象

图 1 五孔探针示意简图Fig.1 The five hole probe sketch map

本文以五孔探针为研究对象， 五孔探针是经常用于测量三维流场的高精度测试工具， 其主体部分是一个直径为6 mm的空心圆管， 内部包含5个直径约1 mm 的压力导管. 通过5个孔的压力数值可以得出测点的三维流场方向、 速度、 压力等参数. 使用时一端固定， 测试部分放置在流场中， 如图 1 所示.

五孔探针的支撑固定点不同， 其变形和振动的程度明显不同， 本文选用的支撑固定方式为2种： 一种为支撑点距离探针头部176 mm， 另一种支撑点距离探针头部为100 mm. 分别研究探针在不同流场速度工况下的变形和振动情况， 以及对流场测试结果的影响， 实验工况参数如表 1 所示.

表 1 实验工况

1.2 实验装置与方法

实验是在大连理工大学叶轮机械及流体工程研究所的标准射流风洞上进行的. 风洞为圆形出口， 出口内径120 mm， 探针头部位置在距离出口200 mm处.

位移信号的测量采用激光位移传感器， 如图 2 所示， 它能够非接触测量被测物体的位置、 位移等变化， 精度为微米级， 采样频率可以到达2 000 Hz， 能够满足实验要求. 传感器安装在距离探针60 mm的位置， 激光传感器的光束对准探针头部， 通过接收反射波进行位移的测量. 数据通过数据采集仪传输到电脑上， 利用数据处理软件DASP进行数据的读取与分析.

图 2 实验台测量系统Fig.2 Experimental measurement system

探针头部的位移量是通过对不同速度下的探针位移数据进行时间平均得到的. 探针头部的振动频率以及振动幅值是通过将时域信号进行傅里叶分析得到的.

2 结果分析

2.1 探针在不同支撑点位置下的变形情况分析

图 3 不同速度、 支撑点位置下的探针变形量Fig.3 Probe deformation under different velocity and support points

如图 3 所示， 为100 mm， 176 mm的支撑点位置下， 探针头部变形量的实验测试结果， 横坐标C为气流速度， 纵坐标TD为探针头部变形量.

探针头部位移变形量整体趋势是随着速度的增加而增加的. 对比不同支撑点位置情况下探针变形情况， 可以发现支撑点位置对于探针抗弯性能有很大影响， 在80 m/s速度下176 mm支撑点位置的探针头部变形量约1 mm， 而100 mm支撑点位置的探针头部变形量仅0.08 mm， 意味着支撑点位置距离头部越近， 探针的抗弯性能就越好， 变形量会有明显的降低.

2.2 探针的振动

当粘性流体经过非流线型截面物体时， 将在物体的下游形成漩涡， 形成典型的卡门涡街， 探针放置在流场中， 交替脱落的漩祸会在探针表面的流向与横向产生周期变化的脉动压力， 脉动频率可以通过式(1) 计算[4]

(1)

式中：St为斯特劳哈尔数， 只由雷诺数确定；U为流体速度；D为圆柱体直径.

在本文的研究范围内，St稳定在0.2附近， 可看作常数， 脱落频率与气流速度成正比. 针对直径为6 mm 的探针， 当气流速度为5 m/s时， 对应的卡门涡街的脱落频率为167 Hz， 当气流速度为10 m/s时， 对应频率为333 Hz.

为了探究卡门涡街是否会对探针的振动情况有所影响， 通过实验测试了探针在支撑点位置为176 mm 的振动情况. 首先测定了探针在该支撑位置下的自振频率， 测量的自振频率为89 Hz； 然后在不同的速度工况下测量了探针的振动情况.

实验结果如图 4 所示， (a)(b)(c)(d)(e)分别为5 m/s, 10 m/s, 20 m/s, 50 m/s, 80m/s气流速度工况下的探针振动频域图. 图中横坐标为频率值， 纵坐标为振动幅值. 从图中可以看出， 在不同气流速度下， 探针的振动都发生在其自振频率89Hz处. 在频率为170Hz和225Hz处也存在着峰值， 但幅值相对较小， 且不随气流速度改变， 可以认为是环境振动干扰.

当速度为5 m/s和10 m/s时， 在频率为167 Hz与333 Hz附近并没有出现对应的旋涡脱落振动. 同时， 实验未曾观测到随着速度变化而产生的振动频率变化， 所以， 对于空气这种低密度的流体， 圆柱绕流产生的漩涡脱落并没有使探针产生诱导振动.

在速度小于20 m/s的情况(如图 4(a)～(c))， 振动幅值随着速度增加而增加， 在速度大于20 m/s的情况下， 振动幅值趋于平稳， (如图 4(d), (e))， 平均量在30 μm左右， 而30 μm的振动幅值相对而言是个小量， 对于探针测量精度影响不大， 可以忽略不计.

综上所述， 对于刚度较大的探针， 在测量空气流场时， 基本不会因空气流动而产生涡激振动现象. 探针头部的振动幅值相对于弯曲变形量是一个小量， 对于测量精度的影响较小.

图 4 不同气流速度下探针振动频域图Fig.4 Frequency domain of probe vibration under different velocity

图 5 探针角度定义Fig.5 Probe angle definition

3 流场测试验证

如图 5 所示为探针角度的定义. 其中2号孔对应总压孔； 4， 5孔测量β方向角度； 1， 3孔测量α方向角度. 如前文所述， 探针在高速气流下会产生弯曲， 这种弯曲会使得探针β方向测量产生偏差， 导致气流角度测量的失准.

为了验证上述结果的准确性， 在一个平直射流流场， 利用探针进行流场参数的测量. 流场为长30 mm， 宽25 mm的矩形， 测点的布置为一个6×7的点阵， 流场气流速度设置为90 m/s. 分别以176 mm 支撑点和100 mm支撑点的探针进行测量， 比较两者角度测量结果的区别.

图 6 两种支撑位置下测量得到的β角度Fig.6 β angle measured in two support position

图 6 为两种支撑位置下探针测量得到的气流β角度， (a)为100 mm支撑， (b)为176 mm支撑. 可以看出， 100 mm支撑位置测出的β角度在0°～0.1°左右， 而176 mm 支撑位置测出的β角度在-1.2°～-1.6° 左右， 两者相差较大， 约1.4°， 意味着探针的弯曲对于β角度测量影响较大.

图 7 为两种支撑位置下探针测量得到的气流α角度， (a)为100 mm支撑， (b)为176 mm支撑. 可以看出， 两者数值较为接近， 相差约0.1°.

图 7 两种支撑位置下测量得到的α角度Fig.7 α angle measured in two support position

4 结 论

在本文的研究条件下， 通过对实验结果分析， 可以得出如下结论：

1) 探针的抗弯能力受支撑点位置影响很大. 支撑点位置距离探针头部较远时， 探针会在气流作用下产生较大的变形， 变形量的大小受气流速度影响. 当速度增加至80 m/s时， 探针头部的变形量甚至达到超过1 mm， 造成测点的偏移， 影响使用精度. 可以考虑通过设计提高探针的刚度或者改变支撑点位置， 以减少误差.

2) 探针振动受圆柱绕流产生的卡门涡街脉动压力的影响不大， 没有出现流致振动， 探针仅在其自振频率范围值附近出现了微小振动， 振动幅值在0～40 μm范围之内， 且随速度的变化量较小， 探针振动对于实验的影响基本可忽略.

本文所有研究仅是在较低速度的流场下进行， 没有涉及更高气流速度下的振动情况， 同时， 也没有探讨长时间振动对探针疲劳强度的影响， 因此， 有必要在现有工作基础上进行进一步研究.

[1] Dominy R G, Hodson H P. An investigation of factors influencing the calibration of 5-hole probes for 3-D flow measurements. Journal of Turbomachinery[J]. 1993, 115(3)： 513-519.

[2] 张晓东， 姜正礼， 赵旺东. 五孔探针在涡轮导向器出口流场测量中的应用[J].燃气涡轮试验与研究， 2010, 23(4)： 44-48. Zhang Xiaodong, Jiang Zhengli, Zhao Wangdong. Application of 5-hole probe in measurement of turbine nozzle outlet flowfield[J]. Gas Turbine Experiment and Research, 2010, 23(4)： 44-48. (in Chinese)

[3] 王涛, 李飞行. 五孔探针结构和校准[J]. 现代机械， 2012(4)： 19-22. Wang Tao, Li Feixing. Construction and calibration of five-hole probe[J]. Modern Machinery, 2012(4)： 19-22. (in Chinese)

[4] 邓跃. 低雷诺数下均匀流和振荡流共同作用的圆柱体受迫振动和涡激振动研究[D]. 青岛： 中国海洋大学, 2014.

The Influence of Five Hole Probe Deformation and Vibration on the Accuracy of the Measurement of the Complex Flow Field of the Turbine

GAO Qiang, TIAN Fu, WANG Xiaofang, SUN Tao, XU Ruixiang, ZHANG Haitao

(School of Energy and Power Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

The five hole probe is an accurate tool for measuring the flow field of the impeller. The bending deformation and vibration of the probe in the flow field will affect the accuracy of the test. By means of numerical simulation and experimental test, the deformation and vibration of the probe in different support position and velocity are studied. The results show that the deformation of the probe is influenced greatly by the support position and the velocity of the air. The maximum deformation of the probe head reaches 1mm when the air velocity is 80m/s and the support point is 176mm. And the accuracy of the measurement is affected. The vibration of the probe is little influenced by the velocity of the air and will not happen the induced vibration because of Carmen vortex induced flow. The influence of probe vibration on measurement accuracy can be ignored.

five hole probe; flow filed; bending deformation

1671-7449(2017)03-0196-05

2016-12-22

辽宁省科技创新重大项目(201303002)

高 强(1993-)， 男， 硕士生， 主要从事流体机械及工程的研究.

王晓放(1960-)， 女， 教授， 博士研究生导师， 主要从事叶轮机械的研究.

TK262

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.03.003