半无限长管在高温脉动压力测试中的应用研究

摘 要：文章简要介绍了半无限长管传压系统的原理，以试验的方法对半无限长管测试系统及不同传递长度的动态特性进行了试验研究，总结了完善半无限管测试系统的方法，为采用半无限长管系统的测试结果的修正提供了依据。

关键词：半无限长管；高温脉动压力；测试

引言

航空发动机燃烧室和加力燃烧室脉动压力测试一直是发动机研制与生产过程中十分关注的问题。气流的脉动压力测试通常采用传感器平贴直接感受脉动压力信号的方法，然而在高温气流的测试中，由于受到传感器耐温能力的限制，实现平贴式测试十分困难。半无限长管测试技术可以使传感器远离高温源，其幅频特性与采用延长堵塞法相比得到了明显改善，并解决了容腔效应问题，是一种在不具有耐高温传感器情况下所采用的测试方法。然而半无限长管测试技术在应用的过程中，受传压管加工品质、感头孔径、传感器安装位置等因素的影响，测试误差较大。因此通过试验的方法获得最优的结构尺寸及频幅特性，对修正测试数据、完善半无限长管系统具有重要意义。

1 半无限长管系统的传递机理

半无限长管系统是将压力传感器装在一个三通管道上，被测压力通过连接管道至传感器后，再延伸一段很长的管道。假设延长管为无限长，则压力波进入管道后一直向前传播而没有反射，就不会产生共振，因而就消除了频率特性的峰值，改善了整个系统的频率特性。然而，真正的无限长并不存在，事实上只要用一个“半无限长”的管来代替无限长管，便可近似获得那种无共振的优异频率特性。

2 半无限长管的环节动态特性

2.1 传压感头孔径

在常规稳态静压测量时，感头的孔径一般较小，为Ф0.5～Ф1.0mm左右。但在脉动压力测量中，如果孔径太小，则会造成压力幅值信号的衰减。若选择孔径过大，气流经孔口时，流线向内弯曲并在孔内引起漩涡，从而引起测量误差。为此，采用活塞式正弦压力信号发生器对不同孔径的半无限长管进行低频内幅频响应试验，通过试验确定Ф1或Ф2的半无限长传压管的脉动压力幅值衰减较大，而Ф3或Ф4管径的脉动压力幅值衰减并不严重。因此在本次试验研究中，半无限长传压管的内径均选择了Ф4mm。

2.2 传压管系统

理想的半无限长管系统应该使管道所有内径尺寸保持一致，内壁光滑、无凸缘、台阶和毛刺，测压感头孔口保持锐边、无毛刺。安装过程中要保证测压感头压力传感器与被测壁面保持齐平、垂直，以减小脉动信号传递中的摩擦阻力，防止反射波的产生，以及相互的扰动形成驻波。为此，试验中采用了Ф6×1不锈钢管，将感头、传压管、转接管做成了一体结构，减少了管径的转接环节。而转接管后端采用了内径与前端管路内径等同的尼龙管，并采用了新的无缝对接工艺。

2.3 终端管长度

由于半无限长管末端反射回来的压力波，在气体本身粘性和阻尼以及管壁的摩擦作用下衰减，只要使反射压力在没到达传感器处就衰减到可以忽略的程度，不构成对入射压力波的可观干涉就不会发生共振。终端管的长度由式1所示。

式中：a-音速m/s；v-空气动力粘度N·S/m2；ω-相位角；γ-传压管内半径；ε-反射压力波到达传感器时衰减到原来幅值的百分比

计算得到的压力波频率为750Hz时，如取终端管长度为20m，则反射压力波到达传感器原来入射波幅值的0.2%，就不至于激起共振。随着频率增加，反射压力衰减更快。因此，低频只要能消除共振，高频也就不会发生共振。所以终端管长度选择了20m。

2.4 传感器及系统频率

在动态参数的测量中，测试系统的固有频率应大于被测信号频率的5倍，这是脉动压力测量系统必须具备的条件。在系统特性试验之前，利用激波管校准设备对半无限长管测试用传感器及传压管整套系统进行了固有频率的检测。三支传感器的固有频率分别是195KHz、198KHz、192KHz。传感器的传递位置分别是70mm、170mm、270mm的三套系统的固有频率分别为58KHz、41KHz、35KHz，由此证明所用系统满足使用要求。

3 半无限长系统幅值衰减特性

在本次试验中，利用转盘调制式压力正弦信号发生器，分别对三种传递长度的半无限长管系统进行了幅值衰减特性试验，三种系统幅频关系呈明显的单调下降，振动波形相位的滞后与频率和传递长度成正比。变化规律符合理想的半无限长管应具有的幅值比与频率的特性关系，体现了该套系统的可用价值。在高温气流脉动压力的测量中就可依据不同的工作温度，选择不同的传递长度。虽然幅值随着传递长度、频率的改变有着不同程度的衰减，但通过幅频衰减曲线对试验数据加以修正，便可以获得正确的脉动压力值。

4 试验结果与分析

为了验证半无限长系统的测量结果可信度，对某型发动机加力燃烧室后的脉动压力进行了测试试验，通过对试验数据进行整理分析，得出以下结论：（1）严格控制传压管环节特性及品质要求，以免造成压力波的反射与共振，影响应用效果；（2）感头孔径对脉动压力振幅影响较大，若孔径由Ф4减到Ф2或Ф1时，振幅则成倍衰减。而由Ф4减到Ф3时，振幅衰减的影响并不明显，在不同频率下均在6%以下；（3）在条件允许下，传感器安装距振源100mm内，振动频率在2000Hz以内信号衰减并不明显，可不必修正，修正误差δ≤2%；（4）此系统相位变化滞后，随传递长度、频率的增加，振幅不断衰减，并且振动波形相位滞后也是趋愈严重，因此半无限长法不适合压力平均值急剧变化或过渡态变化的测量。

5 结束语

半无限长管高温脉动压力测试方法具有无共振系统、不需冷却，简单易行、经济实惠等优点，在设计与制造合理的基础上，测试结果经修正后可以接近真实，为航空发动机高温脉动压力测试提供了一种可行的方法。

参考文献

[1]西北工业大学.航空发动机气动参数测量[M].国防工业出版社，1980.

[2]朱明武.动压测量[M].国防工业出版社，1982.