劉超，文信，劉青松

（中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲，412002）

1 復(fù)合受感器設(shè)計(jì)

首先根據(jù)技術(shù)文件要求進(jìn)行方案設(shè)計(jì)確定受感器類型。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為受感器的氣動(dòng)計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，氣動(dòng)計(jì)算是保證受感器的使用安全性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證受感器的示值的準(zhǔn)性。最后對受感器進(jìn)行誤差分析。設(shè)計(jì)程序如圖1所示。

1.1 技術(shù)文件要求

技術(shù)文件要求是設(shè)計(jì)復(fù)合受感器的依據(jù)。某型壓氣機(jī)技術(shù)文件要求中提供的氣動(dòng)參數(shù)及要求如下：工作壓力Pt=101325Pa，工作溫度Tt=288.15K，馬赫數(shù) Ma=0.5，轉(zhuǎn)速N=26853，要求設(shè)計(jì)一種單點(diǎn)溫度壓力復(fù)合受感器，測量精度溫度±1℃，壓力±0.2%。

1.2 方案設(shè)計(jì)

對于單獨(dú)的溫度受感器由于氣流動(dòng)能不可能完全恢復(fù)為熱能，以及受感器與周圍環(huán)境之間存在著熱交換，所以存在著速度誤差和傳熱誤差由技術(shù)文件要求可知受感器的工作環(huán)境為高速低溫，傳熱誤差可以忽略不計(jì)，系統(tǒng)誤差主要考慮速度誤差。消除速度誤差首選帶滯止罩式溫度受感器，其消除速度誤差的原理是在熱電偶接點(diǎn)的外面加一個(gè)滯止罩，形成一個(gè)滯止空間，氣流在滯止空間中受到阻滯，流速下降，氣流的動(dòng)能受到轉(zhuǎn)換，使氣流的大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換成了熱能。

圖1 設(shè)計(jì)流程圖

而對于單獨(dú)的壓力受感器必須先經(jīng)過校準(zhǔn)，確定其測量誤差才能使用。壓力受感器需要進(jìn)行校準(zhǔn)的原因主要有三個(gè)方面：受感器在加工過程中帶來的誤差，如焊接變形、感壓孔不圓、孔口有毛刺、方向側(cè)壓孔不對稱等，這些必須通過風(fēng)洞校準(zhǔn)來進(jìn)行修正，得到總壓受感器的總壓角度特性和速度特性，以評定總壓受感器的性能、精度及合格性，并確保實(shí)際使用中準(zhǔn)確測出氣流總壓。

1.3 復(fù)合受感器氣動(dòng)計(jì)算

在壓氣機(jī)試驗(yàn)中，復(fù)合受感器（以下簡稱受感器）是直接插入發(fā)動(dòng)機(jī)流道中來測量氣流參數(shù)，所以必須具有足夠的強(qiáng)度和剛性。

圖2 支桿管徑示意圖

1.3.1 靜強(qiáng)度計(jì)算

TηT≥2時(shí)，受感器的強(qiáng)度能夠滿足使用要求。（σ0.2——名義流動(dòng)極限下的材料屈服強(qiáng)度，σmax——受感器最大應(yīng)力）。依據(jù)技術(shù)文件要求中提供的工況，選用1Cr18Ni9Ti為受感器殼體，支桿材料形狀設(shè)計(jì)如圖2所示，其中2a=11×10-3m,2a1=9×10-3m,2b=6×10-3m,2b1=4×10-3m，插入流道長度L=40×10-3m。

式中：P：支桿受到的氣動(dòng)力；

Cx：阻力系數(shù)，Cx=1.2；

λ：自由流系數(shù)，查氣動(dòng)函數(shù)表λ=0.535；

ε( λ)：自由流氣動(dòng)ε( λ)數(shù)，查氣動(dòng)函數(shù)表ε( λ)=0.885；

K：絕熱指數(shù)，當(dāng)氣體是空氣時(shí)K=1.4；

Mmax：最大彎矩；

L：支桿浸入長度，L=40×10-3m；

W：支桿截面模數(shù)；

σ0.2：其線性插值為213×106；

F：支桿迎風(fēng)面積。

1.3.2 剛度計(jì)算

式中：J：支桿截面慣性距；E：彈性模量，E=200GPa。

1.3.3 自振頻率計(jì)算

受感器本身是個(gè)彈性體系， 有一系列的自振頻率，因此需要計(jì)算支桿的自振頻率（固有頻率fk），其值fk?f0/ f0≥0.25（f0：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速頻率）時(shí)，受感器就不會(huì)與試驗(yàn)件發(fā)生共振。

式中：ρ：密材料度為7.9×103kg/m3；

A：支桿橫截面積；

λk：K級自由振動(dòng)系數(shù)，λ1= 1 .875。

綜上所述，受感器的安全性能滿足使用要求。

1.4 復(fù)合受感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該受感器的滯止罩結(jié)構(gòu)如圖3，該滯止罩既可以降低滯止罩內(nèi)的氣流速度，提高溫度和壓力的測量精度，又可以同時(shí)測量溫度和壓力。

圖3 滯止罩結(jié)構(gòu)圖

2 受感器校準(zhǔn)

受感器的測量誤差主要是速度誤差V?Τ，其中溫度測量誤差可以由恢復(fù)系數(shù)r來計(jì)算得到：

式中 r：為受感器的恢復(fù)系數(shù)；K：為絕熱指數(shù)；Ma：氣流馬赫數(shù)；tT：為穩(wěn)流段氣流總溫。

壓力受感器合格與否通過速度特性CK和角度特性計(jì)算得到：

式中CK：總壓受感器速度特性；K?：總壓受感器角度特性；0tP：標(biāo)準(zhǔn)總壓；ti：總壓受感器實(shí)測總壓。該受感器的校準(zhǔn)試驗(yàn)在我單位風(fēng)洞進(jìn)行，風(fēng)洞示意圖如圖5所示。

（1）風(fēng)洞技術(shù)指標(biāo)：亞音速馬赫數(shù)可調(diào)范圍0.2≤Ma≤0.9；

（2）噴口處氣流穩(wěn)流區(qū)噴口軸向長度范圍：0.2D～0.7D（D為噴口直徑）；

（3）氣流馬赫數(shù)的控制偏差ΔMa≤±0.001。

式中：BT:為標(biāo)準(zhǔn)受感器測得的氣流溫度；JT:為被校準(zhǔn)溫度受感器測得溫度。

圖4 某型壓氣機(jī)復(fù)合受感器總圖

圖5 風(fēng)洞示意圖

圖6 r隨馬赫數(shù)變化趨勢

調(diào)節(jié)馬赫數(shù)達(dá)到要求，停留3分鐘待讀數(shù)穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)馬赫數(shù)為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8分別測量BT 、JT、0tP和tiP并記錄根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算恢復(fù)系數(shù)r、CK 、K?。

3 結(jié)論

由圖6可以看出該復(fù)合受感器的恢復(fù)系數(shù)最小為0.946，并且隨著馬赫數(shù)的增加而不斷增加，說明該受感器的設(shè)計(jì)品質(zhì)很好，精度滿足溫度測試的要求。一般來說帶滯止罩的復(fù)合受感器滯止罩的錐角對總壓不敏感角的范圍影響很大，一般總壓不敏感角在-40°～40°。而由圖7壓力校準(zhǔn)曲線可以看出該復(fù)合受感器在K?≤ 0 .1%范圍內(nèi)總壓不敏感角為-45°～45°測量精度滿足壓力測試要求。綜上所述該復(fù)合受感器的設(shè)計(jì)品質(zhì)滿足技術(shù)文件要求。