一种复合结构发汗冷却式高温水冷动态总压探针

本发明属于高温流场动态压力测试，具体涉及一种复合结构发汗冷却式高温水冷动态总压探针，适用于测量极端高温环境如航空发动机燃烧室、涡轮中下的动态压力，该探针采用一种复合结构的发汗冷却技术，实现对探针支杆和探针头的高效冷却，保证探针能够在最高可达2500℃的极端高温环境下稳定运行。

背景技术：

1、压气机、燃烧室和涡轮是航空发动机的三大核心部件，随着航空航天技术的发展，航空发动机的工作环境变得极为苛刻，特别是在燃烧室和涡轮部分的温度不断攀升，已达到极高的水平(最高达2300℃)，准确测量这些部位的动态压力对于发动机性能优化、效率提升和安全性保障至关重要。但这类高温环境下的压力场测量存在较多难点，其中一个主要困难是要求压力探针在高温等恶劣环境中有足够的强度和可靠性，即要求探针具有有效的冷却结构和足够的精度。目前，针对高温环境下的压力探针主要有两种冷却方式：气膜冷却和水冷。这两种冷却方式各有优点，但也各存在一定的技术缺陷，影响探针的性能和使用寿命。

2、气膜冷却式探针的优点在于可以较容易地根据主流温度和流量调节冷却气流的温度和流量。然而，这种结构在探针头部的冷却上存在一定缺陷：如果在探针头部开气膜孔，冲出的冷却气流会对探针头部的流场造成干扰，影响测试精度。如果探针支杆前缘不开气膜孔，仅靠内部的对流换热进行冷却，冷却效果不足，探针头易被烧坏。此外，由于气体的比热容较小，在环境极端高温(2000℃以上)下，采用气膜冷却能提供的冷却效果有限，甚至可能不足而导致探头损坏。

3、水冷探针的优点在于冷却水流动不会对流场造成干扰，且由于水的比热容远大于空气，冷却效果更佳。然而，水冷系统的复杂性增加了设计和维护难度。冷却水流量在试验状态变化时难以迅速调节，可能导致探针局部温度过高或压力过大，增加结构损坏的风险。同时，现有水冷探针大都利用对流换热的方式对探针进行冷却，此类换热过程属于显热热交换过程，当测量环境温度升高时，需要的冷却水流量大大增加，若探针内冷却水流道设计不合理，就会存在内部阻力大，冷却水与探针支杆接触不充分，存在死水区等问题，导致冷却效果不理想。且由于探针尺寸较小，水冷探针的工作难度更大。

4、相较于通过导热来降低探针温度的显热换热过程，通过物质的相变(如从液态到气态，或从固态到液态)吸收大量热量的潜热热交换过程具有更加高效的冷却效率。且由于同等情况下，潜热热交换的换热量远大于显热热交换过程中的换热量。发汗冷却是一种有效的潜热换热冷却技术，采用发汗冷却可以减轻探针在极端高温环境下对冷却水流量的要求。

5、公开号为cn107063560a和公开号为cn107131999a的两个发明专利中分别提出了一种高温水冷动态压力探针和高温水冷稳态压力探针；公开号为cn206930646u的实用新型专利中提出了一种水冷探针，上述水冷探针均利用了冷却水吸收探针支杆热量的显热换热过程对探针支杆进行冷却，在极端高温环境下可能冷却效果有限，影响探针测量数据的准确性，甚至导致探针损坏，更为重要的是，上述水冷探针均没有对冷却探针头，大大增加了探针头部受高温影响而损坏的风险。

6、因此，急需发展一种能在极端高温环境(2000℃以上)下稳定可靠工作且能对探针头也具有冷却效果的压力探针，以满足燃烧室、涡轮等部件处温度越来越高的环境下的压力测试需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是：针对燃烧室和涡轮等极端高温环境的压力测试问题，提供一种冷却效果好，可靠性高的动态压力测量手段，能同时冷却探针支杆和探针头，并保证换热效果理想均匀。

2、本发明的解决方案：

3、一种复合结构发汗冷却式高温水冷动态总压探针，包括探针支杆(1)、探针头(2)、套管(3)、安装座(4)、定位孔(5)、冷却水进水管(6)、冷却水出水管(7)、线缆(8)、周向分隔挡板(9)、第一壁面—发散壁面(10)、第二壁面—冲击壁面(11)、第三壁面—限流壁面(12)、第四壁面—探针支杆外壁面(13)、动态压力传感器(18)、测压孔(19)、半球形凹槽(20)及若干扰流柱(14)、发散孔(15)、冲击孔(16)、限流孔(17)；其特征在于：探针头(2)位于探针支杆(1)顶端，探针头(2)表面开测压孔(19)，套管(3)装于探针支杆(1)外部，安装座(4)装于套管(3)上，安装座(4)上设有定位孔(5)，冷却水进水管(6)和线缆(8)均装于探针支杆(1)内，冷却水出水管(7)装于套管(3)上、安装座(4)后方，线缆(8)装于探针支杆(1)内、冷却水进水管(6)外围靠近测压孔(20)一侧。

4、进一步，探针支杆(1)为双层结构，内层与冷却水进水管(6)连通形成冷却水进水流道，外层被周向分隔挡板(9)分为六个腔室，这些腔室与渗透流道连通为冷却水轴向回流的主流道，靠近测压孔(19)的腔室装有动态压力传感器(18)和线缆(8)。

5、进一步，探针支杆(1)外径可取2毫米至5毫米，对应套管(3)外径可取4毫米至10毫米，二者焊接为一个整体，冷却水进水管(6)管径为1毫米至2毫米。

6、进一步，探针头(2)为探针顶部距端面轴向长度为3倍探针支杆(1)外径的圆柱体部分，探针头(2)上距离顶端1倍圆柱体直径的地方开测压孔(19)，以测压孔(19)为中心在探针表面挖出一个半球形凹槽(20)，以增大测压孔的不敏感角，半球形凹槽(20)直径为3倍测压孔直径，测压孔直径可为0.6毫米至1.5毫米。

7、进一步，探针头(2)表面距离半球形凹槽(20)2倍测压孔直径范围内，不开发散孔(15)，以避免发汗冷却产生蒸汽影响测量精度。

8、进一步，探针头(2)的测压孔(19)与动态压力传感器(18)连通，动态压力传感器(18)产生的信号通过线缆(8)传出。

9、进一步，套管(3)有三层结构，包括第一壁面—发散壁面(10)、第二壁面—冲击壁面(11)、第三壁面—限流壁面(12)，第一壁面(10)、第二壁面(11)之间形成第一冷却通道，第二壁面(11)、第三壁面(12)之间形成第二冷却通道，第三壁面(12)和探针支杆外壁面(13)之间形成第三冷却通道，上述三条冷却通道为冷却水渗透流道。

10、进一步，安装座(4)可为跑道形或其他适合特定测量场合固定的形状，安装座(4)厚度可取2毫米至5毫米，安装座(4)上开有两个或适合其他特定测量场合的多个定位孔(5)，定位孔(5)直径可取2毫米至3毫米。

11、进一步，在冷却水进水管(6)外壁面至第一壁面(10)之间周向均匀设置6个周向分隔挡板(9)以减小重力对于冷却水不均匀分布的消极影响，周向分隔挡板贯穿第二壁面(11)、第三壁面(12)、第四壁面(13),将第一冷却通道、第二冷却通道、第三冷却通道和冷却水回水通道沿周向分隔成为6个独立的冷却区域，6个冷却水回流通道分别与6个独立冷却区域一一对应。

12、进一步，冷却水出水管(7)与冷却水主回路连通，及时排出探针内温度升高到一定程度但未能流入探针支杆外壁面(13)和限流壁面(12)之间的第三流道的冷却水，即通过流动的冷却水对流换热进一步吸收发汗冷却过程未能完全吸收的部分热量，进而更好的保护动态压力传感器(8)。

13、进一步，第一壁面(10)表面开倾斜的发散孔(15)，沿周向均匀分布，轴向周期交错分布，形成均匀密布发散孔的发散壁面(10)，发散孔(15)贯穿第一壁面(10)，冷却水从发散孔中渗出，形成液膜蒸发冷却套管(3)外壁面，发散孔倾斜角度为30°至60°。

14、进一步，发散孔(15)为内壁具有突起的圆柱形孔，如内壁具有云边形突起的圆柱形孔等，使冷却水缓慢渗出，以保证具有良好的冷却效果，发散孔(15)直径为0.05毫米至0.15毫米，内壁突起高度可为0.01毫米至0.03毫米。

15、进一步，第二壁面(11)表面均布冲击孔(16)，冲击孔(16)连通第一冷却通道与第二冷却通道，冷却水从第二冷却通道穿过第二壁面(11)进入第一冷却通道，并对第一壁面(10)进行冲击冷却，所述冲击孔(16)为直孔，轴向交错周期分布于第二壁面-冲击壁面(11)上，冲击孔直径为0.1毫米至0.3毫米。

16、进一步，第三壁面(12)表面周向均匀设置若干组限流孔(17)，由于探针支杆(1)不同的轴向位置所处的热环境可能有所差异，所需的流量也有所差异，可根据探针所处的热环境在探针支杆(1)轴向的不同位置开设不同数量的限流孔(17)以控制进入不同位置的冷却水流量，从而控制不同位置处的冷却效果，限流孔(17)直径为0.2毫米至0.4毫米。

17、进一步，第一冷却通道内设有扰流柱(14)，周向均匀分布，轴向交错周期分布，形成均匀密布扰流柱群，扰流柱(14)上、下端面固连第一壁面(10)与第二壁面(11)，以强化整体的换热性能，扰流柱(14)直径为0.1毫米至0.2毫米。

18、本发明一种复合结构发汗冷却式高温水冷动态总压探针，具有以下有益效果：

19、有益效果一：本发明能同时冷却探针支杆和探针头，有效提高了探针在高温环境下的工作寿命和工作温度上限。本发明提出了一种适用于探针的发汗冷却结构，采用对流换热冷却和发汗冷却相结合的方式，利用渗透部分的冷却水蒸发吸收大量热量，未渗透冷却水部分吸热升温后通过出水管流出以进一步冷却探针和动态压力传感器，能在探针尺寸小、冷却水流量有限的情况下吸收大量热量，有效提高了探针在高温环境下的工作寿命和工作温度上限(最高可达2500℃)。

20、有益效果二：相较于其他总压探针，本发明具有更高的动态响应能力和测量结果准确度。本发明采用了的一种复合结构，通过合理布局可以同时冷却探针支杆和探针头，有效防止探针头局部温度过高，使动态压力传感器能安装在距离测压孔更近的位置，有效减小了探针头部测压孔与动态压力传感器之间的容腔效应，从而提高探针的在高温环境下的动态响应能力，有效保证探针测量结果的准确性。

21、有益效果三：相较于其他水冷探针，本发明所需的冷却水流量大大降低。本发明采用发汗冷却为主的冷却方式，在相同冷却效果下，相较于采用对流换热冷却方式，能有效降低所需的冷却水流量要求。

22、有益效果四：相较于其他形式的总压探针，本发明具有更大的不敏感角范围。本发明在探针头部测压孔周围开有半球体凹槽，对来流具有较好的滞止作用，可有效增大测压孔的不敏感角。

23、有益效果五：本发明的高温水冷压力探针为一体式设计，结构稳定可靠，定位简单准确，适宜推广使用。