基于一体化探针的航空发动机内流多方向压力测量方法

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航空发动机内流多方向动态压力是航空发动机研制过程中的重要性能参数,直接决定发动机实际运行的稳定性。现有电类压力传感器耐温性差且体积较大,存在测压不准确等问题。与电学方法相比,光纤法珀传感器具有测量灵敏度高、耐高温等优点,将其引入发动机内流场多方向动态压力检测,有望解决上述问题。为此,本文提出一种基于光纤法珀传感器阵列一体化探针的航空发动机内流多方向动态压力测量方案。从一体化探针结构设计、多方向气流压力传导与传感机理、工艺等方面进行理论分析和实验研究,开展了如下研究工作:(1)一体化探针多方向动态压力测量方案与原理分析。根据航空发动机内流多方向动态压力测试需求,提出基于光纤法珀传感器阵列一体化探针的航空发动机内流多方向动态压力测量方案,分析了探针实现多方向气流压力传导与压力传感的原理。(2)一体化探针传导单元的结构优化设计。根据一体化探针多方向气流压力传导的基本原理,采用FLUENT建立模型,深入分析传导单元锥度、感压孔直径、深度等参数对气流传导特性的影响。结果表明:在一定范围内感压孔直径应尽量大;在一定范围内感压孔深度不会对一体化探针性能造成影响;考虑高速来流气体的角度范围和压力测量准确性,传导单元头部锥度取20°最优。(3)一体化探针压力传感单元的结构优化设计。根据光纤法珀传感器的压力传感原理,对感压膜片进行材料选型和尺寸设计确保膜片频响满足10k Hz~30k Hz要求;深入分析了光纤倾斜角度、横向偏移以及膜片倾斜等因素对传感信号及压力测量精度的影响。结果表明:当外界压力为1.5MPa,光纤偏移小于29μm、倾斜角度小于5.72°或膜片倾斜角度小于5.50°时,压力测量精度小于0.1%。(4)一体化探针性能验证实验研究。开展了单孔压力传感器和一体化探针的设计与制造研究;并搭建压力测试系统,进行了静压性能验证实验。结果表明:在0.7MPa~1.6MPa压力下,单孔压力传感器的重复性误差小于2.37%,最大误差小于0.26%;一体化探针各传感器压力测量重复性误差小于2.98%,除孔5外其余孔最大误差小于0.42%。
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