摘 要：文章簡(jiǎn)要介紹了半無限長(zhǎng)管傳壓系統(tǒng)的原理，以試驗(yàn)的方法對(duì)半無限長(zhǎng)管測(cè)試系統(tǒng)及不同傳遞長(zhǎng)度的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，總結(jié)了完善半無限管測(cè)試系統(tǒng)的方法，為采用半無限長(zhǎng)管系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果的修正提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：半無限長(zhǎng)管；高溫脈動(dòng)壓力；測(cè)試

引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和加力燃燒室脈動(dòng)壓力測(cè)試一直是發(fā)動(dòng)機(jī)研制與生產(chǎn)過程中十分關(guān)注的問題。氣流的脈動(dòng)壓力測(cè)試通常采用傳感器平貼直接感受脈動(dòng)壓力信號(hào)的方法，然而在高溫氣流的測(cè)試中，由于受到傳感器耐溫能力的限制，實(shí)現(xiàn)平貼式測(cè)試十分困難。半無限長(zhǎng)管測(cè)試技術(shù)可以使傳感器遠(yuǎn)離高溫源，其幅頻特性與采用延長(zhǎng)堵塞法相比得到了明顯改善，并解決了容腔效應(yīng)問題，是一種在不具有耐高溫傳感器情況下所采用的測(cè)試方法。然而半無限長(zhǎng)管測(cè)試技術(shù)在應(yīng)用的過程中，受傳壓管加工品質(zhì)、感頭孔徑、傳感器安裝位置等因素的影響，測(cè)試誤差較大。因此通過試驗(yàn)的方法獲得最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸及頻幅特性，對(duì)修正測(cè)試數(shù)據(jù)、完善半無限長(zhǎng)管系統(tǒng)具有重要意義。

1 半無限長(zhǎng)管系統(tǒng)的傳遞機(jī)理

半無限長(zhǎng)管系統(tǒng)是將壓力傳感器裝在一個(gè)三通管道上，被測(cè)壓力通過連接管道至傳感器后，再延伸一段很長(zhǎng)的管道。假設(shè)延長(zhǎng)管為無限長(zhǎng)，則壓力波進(jìn)入管道后一直向前傳播而沒有反射，就不會(huì)產(chǎn)生共振，因而就消除了頻率特性的峰值，改善了整個(gè)系統(tǒng)的頻率特性。然而，真正的無限長(zhǎng)并不存在，事實(shí)上只要用一個(gè)“半無限長(zhǎng)”的管來代替無限長(zhǎng)管，便可近似獲得那種無共振的優(yōu)異頻率特性。

2 半無限長(zhǎng)管的環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)特性

2.1 傳壓感頭孔徑

在常規(guī)穩(wěn)態(tài)靜壓測(cè)量時(shí)，感頭的孔徑一般較小，為Ф0.5～Ф1.0mm左右。但在脈動(dòng)壓力測(cè)量中，如果孔徑太小，則會(huì)造成壓力幅值信號(hào)的衰減。若選擇孔徑過大，氣流經(jīng)孔口時(shí)，流線向內(nèi)彎曲并在孔內(nèi)引起漩渦，從而引起測(cè)量誤差。為此，采用活塞式正弦壓力信號(hào)發(fā)生器對(duì)不同孔徑的半無限長(zhǎng)管進(jìn)行低頻內(nèi)幅頻響應(yīng)試驗(yàn)，通過試驗(yàn)確定Ф1或Ф2的半無限長(zhǎng)傳壓管的脈動(dòng)壓力幅值衰減較大，而Ф3或Ф4管徑的脈動(dòng)壓力幅值衰減并不嚴(yán)重。因此在本次試驗(yàn)研究中，半無限長(zhǎng)傳壓管的內(nèi)徑均選擇了Ф4mm。

2.2 傳壓管系統(tǒng)

理想的半無限長(zhǎng)管系統(tǒng)應(yīng)該使管道所有內(nèi)徑尺寸保持一致，內(nèi)壁光滑、無凸緣、臺(tái)階和毛刺，測(cè)壓感頭孔口保持銳邊、無毛刺。安裝過程中要保證測(cè)壓感頭壓力傳感器與被測(cè)壁面保持齊平、垂直，以減小脈動(dòng)信號(hào)傳遞中的摩擦阻力，防止反射波的產(chǎn)生，以及相互的擾動(dòng)形成駐波。為此，試驗(yàn)中采用了Ф6×1不銹鋼管，將感頭、傳壓管、轉(zhuǎn)接管做成了一體結(jié)構(gòu)，減少了管徑的轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)。而轉(zhuǎn)接管后端采用了內(nèi)徑與前端管路內(nèi)徑等同的尼龍管，并采用了新的無縫對(duì)接工藝。

2.3 終端管長(zhǎng)度

由于半無限長(zhǎng)管末端反射回來的壓力波，在氣體本身粘性和阻尼以及管壁的摩擦作用下衰減，只要使反射壓力在沒到達(dá)傳感器處就衰減到可以忽略的程度，不構(gòu)成對(duì)入射壓力波的可觀干涉就不會(huì)發(fā)生共振。終端管的長(zhǎng)度由式1所示。

式中：a-音速m/s；v-空氣動(dòng)力粘度N·S/m2；ω-相位角；γ-傳壓管內(nèi)半徑；ε-反射壓力波到達(dá)傳感器時(shí)衰減到原來幅值的百分比

計(jì)算得到的壓力波頻率為750Hz時(shí)，如取終端管長(zhǎng)度為20m，則反射壓力波到達(dá)傳感器原來入射波幅值的0.2%，就不至于激起共振。隨著頻率增加，反射壓力衰減更快。因此，低頻只要能消除共振，高頻也就不會(huì)發(fā)生共振。所以終端管長(zhǎng)度選擇了20m。

2.4 傳感器及系統(tǒng)頻率

在動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)量中，測(cè)試系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)大于被測(cè)信號(hào)頻率的5倍，這是脈動(dòng)壓力測(cè)量系統(tǒng)必須具備的條件。在系統(tǒng)特性試驗(yàn)之前，利用激波管校準(zhǔn)設(shè)備對(duì)半無限長(zhǎng)管測(cè)試用傳感器及傳壓管整套系統(tǒng)進(jìn)行了固有頻率的檢測(cè)。三支傳感器的固有頻率分別是195KHz、198KHz、192KHz。傳感器的傳遞位置分別是70mm、170mm、270mm的三套系統(tǒng)的固有頻率分別為58KHz、41KHz、35KHz，由此證明所用系統(tǒng)滿足使用要求。

3 半無限長(zhǎng)系統(tǒng)幅值衰減特性

在本次試驗(yàn)中，利用轉(zhuǎn)盤調(diào)制式壓力正弦信號(hào)發(fā)生器，分別對(duì)三種傳遞長(zhǎng)度的半無限長(zhǎng)管系統(tǒng)進(jìn)行了幅值衰減特性試驗(yàn)，三種系統(tǒng)幅頻關(guān)系呈明顯的單調(diào)下降，振動(dòng)波形相位的滯后與頻率和傳遞長(zhǎng)度成正比。變化規(guī)律符合理想的半無限長(zhǎng)管應(yīng)具有的幅值比與頻率的特性關(guān)系，體現(xiàn)了該套系統(tǒng)的可用價(jià)值。在高溫氣流脈動(dòng)壓力的測(cè)量中就可依據(jù)不同的工作溫度，選擇不同的傳遞長(zhǎng)度。雖然幅值隨著傳遞長(zhǎng)度、頻率的改變有著不同程度的衰減，但通過幅頻衰減曲線對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)加以修正，便可以獲得正確的脈動(dòng)壓力值。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證半無限長(zhǎng)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果可信度，對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室后的脈動(dòng)壓力進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得出以下結(jié)論：（1）嚴(yán)格控制傳壓管環(huán)節(jié)特性及品質(zhì)要求，以免造成壓力波的反射與共振，影響應(yīng)用效果；（2）感頭孔徑對(duì)脈動(dòng)壓力振幅影響較大，若孔徑由Ф4減到Ф2或Ф1時(shí)，振幅則成倍衰減。而由Ф4減到Ф3時(shí)，振幅衰減的影響并不明顯，在不同頻率下均在6%以下；（3）在條件允許下，傳感器安裝距振源100mm內(nèi)，振動(dòng)頻率在2000Hz以內(nèi)信號(hào)衰減并不明顯，可不必修正，修正誤差δ≤2%；（4）此系統(tǒng)相位變化滯后，隨傳遞長(zhǎng)度、頻率的增加，振幅不斷衰減，并且振動(dòng)波形相位滯后也是趨愈嚴(yán)重，因此半無限長(zhǎng)法不適合壓力平均值急劇變化或過渡態(tài)變化的測(cè)量。

5 結(jié)束語

半無限長(zhǎng)管高溫脈動(dòng)壓力測(cè)試方法具有無共振系統(tǒng)、不需冷卻，簡(jiǎn)單易行、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)與制造合理的基礎(chǔ)上，測(cè)試結(jié)果經(jīng)修正后可以接近真實(shí)，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫脈動(dòng)壓力測(cè)試提供了一種可行的方法。

參考文獻(xiàn)

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