某型压气机进口复合受感器设计及校准

刘超，文信，刘青松

（中国航发湖南动力机械研究所中小型航空发动机叶轮机械湖南省重点实验室，湖南株洲，412002）

1 复合受感器设计

首先根据技术文件要求进行方案设计确定受感器类型。设计的主要内容为受感器的气动计算和结构设计，气动计算是保证受感器的使用安全性，结构设计是保证受感器的示值的准性。最后对受感器进行误差分析。设计程序如图1所示。

1.1 技术文件要求

技术文件要求是设计复合受感器的依据。某型压气机技术文件要求中提供的气动参数及要求如下：工作压力Pt=101325Pa，工作温度Tt=288.15K，马赫数 Ma=0.5，转速N=26853，要求设计一种单点温度压力复合受感器，测量精度温度±1℃，压力±0.2%。

1.2 方案设计

对于单独的温度受感器由于气流动能不可能完全恢复为热能，以及受感器与周围环境之间存在着热交换，所以存在着速度误差和传热误差由技术文件要求可知受感器的工作环境为高速低温，传热误差可以忽略不计，系统误差主要考虑速度误差。消除速度误差首选带滞止罩式温度受感器，其消除速度误差的原理是在热电偶接点的外面加一个滞止罩，形成一个滞止空间，气流在滞止空间中受到阻滞，流速下降，气流的动能受到转换，使气流的大部分动能转换成了热能。

图1 设计流程图

而对于单独的压力受感器必须先经过校准，确定其测量误差才能使用。压力受感器需要进行校准的原因主要有三个方面：受感器在加工过程中带来的误差，如焊接变形、感压孔不圆、孔口有毛刺、方向侧压孔不对称等，这些必须通过风洞校准来进行修正，得到总压受感器的总压角度特性和速度特性，以评定总压受感器的性能、精度及合格性，并确保实际使用中准确测出气流总压。

1.3 复合受感器气动计算

在压气机试验中，复合受感器（以下简称受感器）是直接插入发动机流道中来测量气流参数，所以必须具有足够的强度和刚性。

图2 支杆管径示意图

1.3.1 静强度计算

TηT≥2时，受感器的强度能够满足使用要求。（σ0.2——名义流动极限下的材料屈服强度，σmax——受感器最大应力）。依据技术文件要求中提供的工况，选用1Cr18Ni9Ti为受感器壳体，支杆材料形状设计如图2所示，其中2a=11×10-3m,2a1=9×10-3m,2b=6×10-3m,2b1=4×10-3m，插入流道长度L=40×10-3m。

式中：P：支杆受到的气动力；

Cx：阻力系数，Cx=1.2；

λ：自由流系数，查气动函数表λ=0.535；

ε( λ)：自由流气动ε( λ)数，查气动函数表ε( λ)=0.885；

K：绝热指数，当气体是空气时K=1.4；

Mmax：最大弯矩；

L：支杆浸入长度，L=40×10-3m；

W：支杆截面模数；

σ0.2：其线性插值为213×106；

F：支杆迎风面积。

1.3.2 刚度计算

式中：J：支杆截面惯性距；E：弹性模量，E=200GPa。

1.3.3 自振频率计算

受感器本身是个弹性体系， 有一系列的自振频率，因此需要计算支杆的自振频率（固有频率fk），其值fk−f0/ f0≥0.25（f0：发动机转子的转速频率）时，受感器就不会与试验件发生共振。

式中：ρ：密材料度为7.9×103kg/m3；

A：支杆横截面积；

λk：K级自由振动系数，λ1= 1 .875。

综上所述，受感器的安全性能满足使用要求。

1.4 复合受感器结构设计

该受感器的滞止罩结构如图3，该滞止罩既可以降低滞止罩内的气流速度，提高温度和压力的测量精度，又可以同时测量温度和压力。

图3 滞止罩结构图

2 受感器校准

受感器的测量误差主要是速度误差V∆Τ，其中温度测量误差可以由恢复系数r来计算得到：

式中 r：为受感器的恢复系数；K：为绝热指数；Ma：气流马赫数；tT：为稳流段气流总温。

压力受感器合格与否通过速度特性CK和角度特性计算得到：

式中CK：总压受感器速度特性；K∂：总压受感器角度特性；0tP：标准总压；ti：总压受感器实测总压。该受感器的校准试验在我单位风洞进行，风洞示意图如图5所示。

（1）风洞技术指标：亚音速马赫数可调范围0.2≤Ma≤0.9；

（2）喷口处气流稳流区喷口轴向长度范围：0.2D～0.7D（D为喷口直径）；

（3）气流马赫数的控制偏差ΔMa≤±0.001。

式中：BT:为标准受感器测得的气流温度；JT:为被校准温度受感器测得温度。

图4 某型压气机复合受感器总图

图5 风洞示意图

图6 r随马赫数变化趋势

调节马赫数达到要求，停留3分钟待读数稳定后，调节马赫数为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8分别测量BT 、JT、0tP和tiP并记录根据数据计算恢复系数r、CK 、K∂。

3 结论

由图6可以看出该复合受感器的恢复系数最小为0.946，并且随着马赫数的增加而不断增加，说明该受感器的设计品质很好，精度满足温度测试的要求。一般来说带滞止罩的复合受感器滞止罩的锥角对总压不敏感角的范围影响很大，一般总压不敏感角在-40°～40°。而由图7压力校准曲线可以看出该复合受感器在K∂≤ 0 .1%范围内总压不敏感角为-45°～45°测量精度满足压力测试要求。综上所述该复合受感器的设计品质满足技术文件要求。