总压的测量

总压测量概述

一、 总压及其重要意义

从物理概念上讲，气流的总压就是气流绝能等熵滞止下来的压力。它在飞机和航空发动机等与气体动力学有关的学科领域的设计和实验中是最重要的参数之一。例如在航空发动机的设计中，压气机对进入发动机的气体进行做功，提高其总压，燃烧室进口气流的总压决定了燃油的燃烧效率，涡轮前气体的总压决定了涡轮做功的多少，从整个发动机考虑，气流的总压升决定了发动机的推力大小和推进效率。所以，在航空发动机的设计中总压是一个极其重要的气动参数，在航空发动机实验测试中，气流的总压是一基本测量参数。在其它学科和领域总压这一概念也使用广泛，如风力机、飞机气动设计等。

对总压的测量方法也越来越多，越来越精确。

二、总压的测量方法

根据总压的定义，测量总压时必须使运动的气流绝能等熵的滞止到速度为0，这一条件是十分苛刻的，很难完全达到，但可以近似实现。总压测量时，只要在气流中放一根管子，其孔口轴线对准气流方向（如图1所示），孔口无毛刺，并从管子末端用另外的管路在密封的情况下与压力显示仪表接通，就可以使气流进入孔口后不能再流动而被滞止下来，从而便测出了孔口处局部的总压。

图1 总压测量示意图

这里的关键是：（1）孔口无毛刺，避面光洁；（2）要对准气流方向。实际上，在一些气流流动情况比较复杂的流动，如发动机通道中的气流流动，气流方向往往不能确切知道，即使知道气流的方向，要保证总压管对准气流方向，对安装的要求就要提高。因此，实用上希望总压管对气流的方向有一定的不敏感性，即总压管孔口轴线对气流方向虽然偏离了一定角度还能够正确地感受到总压。

几种典型的总压管构造对于气流方向的不敏感性情况示于图2中。

*p测示总压管测

图2 总压管的不敏感性

**(p测p*)p得的总压，是气流的真实总压，代表总压管的误差。故图2的纵坐标代表

误差对气流动压头的相对百分数，是孔口轴线与气流方向间的夹角。从图2中可以看出：（1）对于孔口不加倒角的情况，孔口相对尺寸大的（0.6d）比相对尺寸小的（0.3d）不敏感角大，前者的约为10，而后者只有5左右。至于头部是圆头还是平头关系不大；（2）孔口加倒角可以进一步提高不敏感角到15左右；（3）如果在小平头管外面再加上一

个引导套管，则可大大提高不敏感角度，直到与气流方向偏离45仍能正确地感受到总压，但其结构复杂了些。

在测量总压时，应根据实际使用的要求来选择总压管的结构，首先保证不敏感性的要求，同时采用尽可能简单的结构形式。

图2只是表示了各种形式总压管性能的总趋势。事实上，各种形式的总压管的不敏感角度是随着气流速度的变化而有程度不同的改变。图3表示出一个加引导套的总压管，其不敏感角与气流速度系数的变化关系，数从0.24提高到0.814，在同一误差基础上，不敏感角从45减少到35。

图3 总压管的不敏感性与速度的关系

此外，同一形式的总压管在工艺上总不可能制造得完全一样。所以，各根总压管的不敏感角也会有所不同。常常由于加工上不可能保证绝对对称，而引起各个方向的不敏感角

不完全一样。因此，对所加工出来的总压管，应该在校准风洞上进行吹风试验。标定总压管对气流方向的不明感角度。图4所示为一孔口倒角不带引导套的总压管吹风试验的校准曲线。

图4 孔口倒角的不带套总压管的校准曲线

必须强调指出，所谓总压管对气流方向的不敏感角度是对应于一定的允许误差来讲的。如图4所示，如果允许总压管的误差在0.1%之内，在0.878的范围内，其不敏感角可取

12；如果允许误差在0.5%以内，则不敏感角可扩大到22。

三、几种典型的总压管

图5 总压管

3.1 L型总压管

L型总压管的基本形式如图5（a）所示。孔口端面取平头；孔的直径取大于或等于0.5mm；l/d3，此值尽可能大，所以减少支杆部分对孔口的干扰，同时可提高对气流的不敏感角度；孔口锥角取60或90；进口锥面应与平头端相切，形成尖边；孔口不允许有毛刺和凹凸不平等缺陷，以减少气流的摩擦损失和对气流的干扰；孔口轴线应与支杆轴线相垂直，以保证总压管安装时尽可能对准气流方向，以减少误差。这种总压管的不敏感角为10~15。

3.2 带套型总压管

为了进一步扩大L型总压管的不敏感角，而发展出带套型总压管，如图5（b）所示，即L型总压管外增加了一个整流套管，利用套筒进口处的锥面为收敛段，将偏离的气流收扰过来，然后通过它的内通道进行整流，从而使L行总压管的不敏感角大大提高。

整流套筒的最小通道面积与套筒迎风面积之比

2(D12d2)/D220%；取60或90；c取

0~0.5mm；/D取1~2；D2/D取0.5~1.整流套内通道应光滑无毛刺，锥面进口呈圆形，保持尖边。这种总压管的不敏感角35~45，比L型总压管的不敏感角大得多。

3.3 球窝型总压管

球窝型总压管如图5（c）所示。将感压孔开在支杆上，没有伸出部分，安装尺寸比较小，同时也可改善机械强度。

取R/D0.4~0.6；孔口离支杆端头的距离h2D；为了安装和焊接测量管的需要，c应小于套管的壁厚，但又希望尽可能保持cR。球窝表面要光滑，测量管与球窝焊接处不予许有缺陷。

3.4 多点总压管

在航空发动机试验中，往往要再气流通道的一个截面同时测取多点压力，这就需要将单点测压管按一定的结构形式和分布规律组合起来，构成多点测压管。如果各个单点是沿着外套管（支杆）的轴线方向分布的，就称为梳状测压管，如图6所示。如果是沿着垂直与外套管轴线方向分布的，则称为耙状测压管，如图7所示。其中梳状总压管又分为凸嘴型、球窝型和带套型三种常用型式。

图6 梳状总压管

图7 耙状总压管

3.5 附面层总压管

在通道内表面附近测量气流速度或附面层厚度时，应该使用附面层总压管。简单的附面层总压管就是可移动的L型总压管或多点Ｌ型总压管，只不过在结构尺寸上更小巧而已。因为用一般尺寸的总压管对附面层干扰太大。然而，由于附面层内的速度梯度较大，平端圆形总压管的有效中心会向速度较高的一边移动。一般来说，当孔口较小是，粘性影响比较显著，此时总压管的有效中心会移到孔口以外去。因此，常常将孔口做成鱼嘴形，如图8所示。

图8 附面层总压管

附面层总压管在使用前需要仔细校准。校准可以在一个较长的管道内的层流流动气流总进行，而且只能用于和校准时同样地雷诺数范围内。

四 总结

以上介绍了几种常用类型的总压管的结构形式、使用范围以及其使用时应注意的事项。各种形式的总压管不管是在高校科研实验中还是在实际的生产设计中都得到了广泛的应用，只有熟悉各种形式总压管使用特点才能够正确地在实验研究和生产研发使用，以得到正确地实验结果，为设计提供可靠地数据。