本发明涉及压力、温度和速度测试领域，尤其涉及一种复合型三孔压力-温度探针。
背景技术：
气动探针是叶轮机械风洞实验中最主要和便捷的测量工具。目前，在平面叶栅风洞实验中普遍采用的三孔压力探针只能测量测点处的总压、静压、马赫数和气流的偏转角。如果想要获得气流的二维速度值，则还需要使用温度传感器测量当地气流的静温，这无疑影响了现行的三孔压力探针的使用。
对于低速和高亚声速叶栅风洞实验，大多数是在风洞的稳定段布置温度探针来测量气流温度，同时接受风洞稳定段到测量点之间气流较小的温度差降。然而，在跨、超声速来流条件下，由于在气动探针头部出现的激波结构会造成局部熵增，这导致气流的温度发生阶跃式突增，这时就必须测量同一测点处的压力和温度值。为了实现这个目的，目前广泛采用的是两种方法：一种是在同一测点处分别使气动压力探针和温度探针来测量气动参数，但不能够测得同一时间的气动参数；另一种是通过捆绑、焊接等方式将两根独立的压力探针和温度探针组合在一起，能够同时地测量气动参数。但是，这两根探针并不完全在同一空间位置上，并且组合探针的几何尺寸均大于普通的气动探针，会对流场造成较大的干扰。此外，有的总压-总温探针是将一根总温热电偶内嵌在总压测压管附近，这种方式虽然实现了同时同地的测量，但是总温热电偶的布置会影响探针偏转角特性的对称性，从而降低了整根气动探针的测量范围。
因此，现行的大多数的气动探针均无法获得同一空间点在同一时间的总温、静温、总压、静压、马赫数、二维流速、气流的偏转角等气动参数。
技术实现要素：
本发明提供一种复合型三孔压力-温度探针，在传统三孔压力探针中内嵌总温、静温热电偶的复合型三孔压力-温度探针，在跨声速和超声速来流条件下实现对流场的总温、静温、总压、静压、马赫数、二维流速、气流的偏转角等气动参数的同时同地测量，可以有效地控制探针的几何尺寸，以免其尺寸过大而造成对流场的较大干扰。
为了达到上述目的，本发明提供一种复合型三孔压力-温度探针，包含：设置在探针杆体内部的三根压力测压管、两个总温热电偶、两根静压测压管和两个静温热电偶，探针杆体的前端为静参数段，探针杆体的中段连接引出段，探针杆体的后端连接安装座定位块，过渡段连接探针头部和静参数段；
所述的三根压力测压管和两个总温热电偶的探测端设置在探针头部，所述的两根静压测压管和两个静温热电偶的探测端设置在静参数段的侧壁，所有测压管和热电偶从引出段伸出。
所述的测压头部的端部为尖劈形，尖劈的楔角角度为10°～30°。
所述的一根压力测压管和两个总温热电偶设置在测压头部的顶端尖劈处，压力测压管位于中间，两个总温热电偶对称位于压力测压管的两侧，其余两根压力测压管分别位于探针头部的顶端尖劈的两个侧壁。
所述的总温热电偶的探测端安装有滞止罩。
所述的过渡段为鸭嘴形规则体，该过渡段与探针头部相连的前端横截面是一个矩形，该过渡段与静参数段相连的末端横截面是一个圆形。
所述的两根静压测压管围绕静参数段的中心轴呈中心对称设置在静参数段的侧壁，两个静温热电偶围绕静参数段的中心轴呈中心对称设置在静参段的侧壁。
所述的静参数段的直径小于等于10mm。
所述的探针杆体包含前端、中段和后端，前端、中段和后端形成“π”字型结构，位于静参数段和引出段之间的中段杆体的几何结构为圆柱形，位于引出段和安装座定位块之间的后端杆体的几何结构为长方体。
所述的探针包含加强肋，所述的加强肋分别设置在探针杆体的前端与中段之间的转折处，以及探针杆体的中段与后端之间的转折处，所述的加强肋的剖面为曲边三角形，三角形的两条直边分别接触探针杆体，三角形的曲边不接触探针杆体，且曲边朝向气流的方向。
所述的引出段呈中空半圆形结构，底部是一个矩形平面，竖直剖面为半圆形，所述的两个总温热电偶和两个静温热电偶在引出段上线性排布，两个总温热电偶设置在中间，所述的三根压力测压管和两根静压测压管在引出段上线性排布，三根压力测压管设置在中间。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、将总温热电偶内嵌在探针头部中，而不是捆绑在探针杆体外面，大大降低了探针头部的尺寸，不仅保留了与传统的压力探针相同的结构尺寸，还有效地降低了复合型探针对流场的干扰。
2、采用具有特殊变径型面结构的鸭嘴形规则体的过渡段来连接探针头部和静参数段，使得超声速气流在过渡段型面上产生一系列弱的斜激波，从而将超声速气流处于等熵压缩流动状态，为精准地测得不受激波结构影响的气流静压和静温提供保证。
3、采用过渡段变径结构形式，一方面有效地减小了探针头部的几何尺寸，能够削弱探针头部影响流场的干扰程度，另一方面保证探针杆体的几何尺寸，能够增强探针杆体的刚度来承受超声速来流的冲击力。
4、采用加强肋，安装座采用可拆卸、可调整位置的定位块，加工、安装和操作使用方便，保证探针具有更高的强度同时具有较低的制造和维护成本。
附图说明
图1是本发明提供的一种复合型三孔压力-温度探针的主体结构图。
图2是本发明提供的一种复合型三孔压力-温度探针的测压管和热电偶的结构流向剖视图。
图3a～图3b是本发明实施例中提供的一种复合型三孔压力-温度探针的测压管和热电偶的结构布局方式。
图4是本发明提供的一种复合型三孔压力-温度探针的温度热电偶滞止罩的结构法向剖视图。
图5a是本发明提供的一种复合型三孔压力-温度探针的引出段结构布局方式。
图5b是图5a的俯视图。
图5c是图5a中热电偶的剖视图。
图5d是图5a中测压管的剖视图。
具体实施方式
以下根据图1～图5，具体说明本发明的较佳实施例。
如图1所示，本发明提供一种复合型三孔压力-温度探针，包含设置在探针杆体4内部的三根压力测压管、两个总温热电偶、两根静压测压管和两个静温热电偶，探针杆体4的前端为静参数段3，探针杆体4的中段连接引出段5，探针杆体4的后端连接安装座定位块7，过渡段2连接探针头部1和静参数段3，探针杆体4起到包裹所有的测压管和温度热电偶的作用，并增强整个探针的结构强度。所述的三根压力测压管和两个总温热电偶的探测端设置在探针头部1，压力测压管和总温热电偶依次通过探针头部1、过渡段2、静参数段3和探针杆体4，最后从引出段5伸出。所述的两根静压测压管和两个静温热电偶的探测端设置在静参数段3的侧壁，静压测压管和静温热电偶依次通过静参数段3和探针杆体4，最后从引出段5伸出。伸出引出段5的所有测压管和热电偶可通过气动接头接入数字传感器阵列压力测试模块(dsa)和分布式光纤温度传感系统(dts)。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，所述的测压头部1的端部为尖劈形，尖劈的楔角角度和尖劈的末端宽度可依据具体结构尺寸调整，楔角角度为10°～30°。
如图2、图3a～图3b所示，在本发明的一个实施例中，探针头部1设置有三根压力测压管和两个总温热电偶，其中一根压力测压管9和两个总温热电偶13、14位于探针头部1的顶端尖劈处，压力测压管9位于尖劈的中间，两个总温热电偶13、14对称位于压力测压管9的两侧，确保了探针偏转角的对称性不会受到影响，通过对称的两个热电偶的代数叠加也能够准确获得总温。具体地，如图3a和图3b所示，将探针头部1向下，探针杆体4向上放置，顺着气流方向，总温热电偶13设置在左侧，压力测压管9设置在中间，总温热电偶14设置在右侧。如图2所示，其余两根压力测压管8、10位于探针头部1的顶端尖劈形的侧壁。各个压力测压管的直径和总温热电偶的直径可依据具体结构尺寸调整。
如图4所示，在本发明的一个实施例中，总温热电偶13、14的探测端并不是位于探针头部1的顶端尖劈平面上，而是加装有一个滞止罩17。具体地，这个滞止罩17使得流进探针头部1的超声速气流速度降低到一定程度，从而使得速度误差减小到气流ma<0.2这个允许范围之内而确保总温热电偶测量得到的是精准的气流总温。
如图3a～图3b所示，在本发明的一个实施例中，过渡段2是一个鸭嘴形规则体，与探针头部1相连的前端横截面是一个矩形，与静参数段3相连的末端横截面是一个圆形，是一个方转圆结构。鸭嘴形型面的作用在于：超声速气流经过该型面会产生一系列弱的斜激波，这个斜激波系能够使超声速气流断减速，一直降到亚声速。因为每个斜激波都很弱，所以超声速气流经过斜激波系是接近等熵压缩的。据此，测量经过过渡段后的静参数段上的亚声速气流的静压和静温，就可以推算出超声速来流的静压和静温。同时，过渡段的鸭嘴形结构设计，一方面尽可能地减小了测压头部的几何尺寸，从而降低了气动探针对叶轮机械风洞实验的干扰，一方面增大了探针杆体的几何尺寸，从而提升了气动探针在超声速气流中的稳定性。
如图2、图3a～图3b所示，在本发明的一个实施例中，静参数段3的直径不超过10mm，两根静压测压管11、12围绕静参数段3的中心轴呈中心对称设置在静参数段3的侧壁，两个静温热电偶15、16围绕静参数段3的中心轴呈中心对称设置在静参数段3的侧壁。根据静参数段结构，静压测压管11、12和静温热电偶15、16的布局方式共有两种方案：如图3a所示，方案一是静温热电偶15、16设置在静压测压管11、12的前面，更靠近探针头部1，如图3b所示，方案二是静温热电偶15、16设置在静压测压管11、12的后面，更远离探针头部1。具体地，将探针头部1向下，探针杆体4向上放置，顺着气流方向，静压测压管11居上位，静压测压管12居下位，静温热电偶15居上位，静温热电偶16居下位。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，探针杆体4包含三个部分，分别是前端、中段和后端，前端、中段和后端形成“π”字型结构，位于静参数段3和引出段5之间的中段杆体的几何结构为圆柱形，其目的是使来流形成圆柱绕流流动，从而减小气流对探针的冲击力，增强探针的稳定性。在引出段5和安装座定位块7之间的后端杆体的几何结构为长方体，其目的是在安装探针时，更有利于探针测压头部方向与风洞实验件的法线方向的找准。
在本发明的一个实施例中，采用两个加强肋6来增强探针杆体4的结构强度。所述的加强肋6是两块形状为曲边三角形的金属板，分别固定安装在探针杆体4的前端与中段之间，以及中段与后端之间的两个折转处，三角形的两条直边分别焊接在探针杆体上，三角形的曲边不接触探针杆体，且朝向气流的方向。朝向气流的方向设计为三角形的曲边的目的是对气流形成导流作用，降低气流对探针杆体4折转处的冲击力，从而增强探针杆体4的结构强度。
在本发明的一个实施例中，安装座定位块7是套装在圆柱形金属棒上的一个圆饼形金属块，其作用是通过定位块来嵌套进入风洞探针架上的凹槽内，以固定探针杆体4，避免晃动。设计成圆饼状的目的是方便探针杆体4在风洞探针架的凹槽内旋转。
如图5a所示，在本发明的一个实施例中，引出段5的结构形式为呈现中空的半圆形结构，底部是一个矩形平面，该矩形平面与探针杆体4相连，引出段5的竖直剖面为半圆形。温度热电偶和压力测压管分别从中空的半圆形结构圆弧面的圆孔引出，并连接气动接头，通过半圆形结构对测压管和热电偶进行固定，能够保护相对较为纤细的测压管和热电偶，避免测压管和热电偶发生弯曲和彼此碰撞、缠绕。具体地，如图5b所示，温度热电偶依次排列在前面，压力测压管依次排列在后面。如图5c所示，温度热电偶引出段这一排，从左往右依次为静温热电偶15、总温热电偶13、总温热电偶14、静温热电偶16。如图5d所示，压力测压管引出段这一排，从左往右依次为静压测压管11、压力测压管8、9、10、静压测压管12。
需要说明的是，本发明的上述实施方式中所提及的“上”、“下”、“左”、“右”、“前”和“后”等均以各图所示的方向为基准，这些用来限制方向的词语仅仅是为了便于说明，并不代表对本发明具体技术方案的限制。
本发明经过超声速风洞校准，在实际测量过程中，压力测量系统测量得到探针头部1压力测压管8～10感受的压力，将其换算成总压校准系数cpt、速度校准系数cv和方向特性校准系数kα，根据校准算法即可得到总压、静压、马赫数、偏转角。通过总温热电偶13和14的代数平均值可以得到总温，同时通过静温热电偶15～16输出的电信号以及校准关系可以得到静温。利用已经得到的总温、静温、马赫数即可换算得到速度大小。
本发明可同时同地测量跨声速和超声速来流条件下气流的总温、静温、总压、静压、马赫数、二维流速、气流的偏转角等气动参数，可以用于叶轮机械二维叶型和其他相关领域的风洞实验，能够实现精准的测量。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、将总温热电偶内嵌在探针头部中，而不是捆绑在探针杆体外面，大大降低了探针头部的尺寸，不仅保留了与传统的压力探针相同的结构尺寸，还有效地降低了复合型探针对流场的干扰。
2、采用具有特殊变径型面结构的鸭嘴形规则体的过渡段来连接探针头部和静参数段，使得超声速气流在过渡段型面上产生一系列弱的斜激波，从而将超声速气流处于等熵压缩流动状态，为精准地测得不受激波结构影响的气流静压和静温提供保证。
3、采用过渡段变径结构形式，一方面有效地减小了探针头部的几何尺寸，能够削弱探针头部影响流场的干扰程度，另一方面保证探针杆体的几何尺寸，能够增强探针杆体的刚度来承受超声速来流的冲击力。
4、采用加强肋，安装座采用可拆卸、可调整位置的定位块，加工、安装和操作使用方便，保证探针具有更高的强度同时具有较低的制造和维护成本。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
1.一种复合型三孔压力-温度探针，其特征在于，包含：设置在探针杆体内部的三根压力测压管、两个总温热电偶、两根静压测压管和两个静温热电偶，探针杆体的前端为静参数段，探针杆体的中段连接引出段，探针杆体的后端连接安装座定位块，过渡段连接探针头部和静参数段；
所述的三根压力测压管和两个总温热电偶的探测端设置在探针头部，所述的两根静压测压管和两个静温热电偶的探测端设置在静参数段的侧壁，所有测压管和热电偶从引出段伸出。
2.如权利要求1所述的复合型三孔压力-温度探针，其特征在于，所述的测压头部的端部为尖劈形，尖劈的楔角角度为10°～30°。
3.如权利要求2所述的复合型三孔压力-温度探针，其特征在于，所述的一根压力测压管和两个总温热电偶设置在测压头部的顶端尖劈处，压力测压管位于中间，两个总温热电偶对称位于压力测压管的两侧，其余两根压力测压管分别位于探针头部的顶端尖劈的两个侧壁。
4.如权利要求1所述的复合型三孔压力-温度探针，其特征在于，所述的总温热电偶的探测端安装有滞止罩。
5.如权利要求1所述的复合型三孔压力-温度探针，其特征在于，所述的过渡段为鸭嘴形规则体，该过渡段与探针头部相连的前端横截面是一个矩形，该过渡段与静参数段相连的末端横截面是一个圆形。
6.如权利要求1所述的复合型三孔压力-温度探针，其特征在于，所述的两根静压测压管围绕静参数段的中心轴呈中心对称设置在静参数段的侧壁，两个静温热电偶围绕静参数段的中心轴呈中心对称设置在静参段的侧壁。
7.如权利要求6所述的复合型三孔压力-温度探针，其特征在于，所述的静参数段的直径小于等于10mm。
8.如权利要求1所述的复合型三孔压力-温度探针，其特征在于，所述的探针杆体包含前端、中段和后端，前端、中段和后端形成“π”字型结构，位于静参数段和引出段之间的中段杆体的几何结构为圆柱形，位于引出段和安装座定位块之间的后端杆体的几何结构为长方体。
9.如权利要求8所述的复合型三孔压力-温度探针，其特征在于，所述的探针包含加强肋，所述的加强肋分别设置在探针杆体的前端与中段之间的转折处，以及探针杆体的中段与后端之间的转折处，所述的加强肋的剖面为曲边三角形，三角形的两条直边分别接触探针杆体，三角形的曲边不接触探针杆体，且曲边朝向气流的方向。
10.如权利要求1所述的复合型三孔压力-温度探针，其特征在于，所述的引出段呈中空半圆形结构，底部是一个矩形平面，竖直剖面为半圆形，所述的两个总温热电偶和两个静温热电偶在引出段上线性排布，两个总温热电偶设置在中间，所述的三根压力测压管和两根静压测压管在引出段上线性排布，三根压力测压管设置在中间。
技术总结