高频响微等离子体测压原理及高负荷压气机端区流动的非定常测量

This project is based on the principle of radio-frequency glow discharge (GD), with the aim to develop a new pressure measurement technology with MHz level ultra-high frequency bandwidth which also combines robustness, high temporal resolution and spatial resolution. The project is scheduled by following three sections: （1）theoretical study on the coupling mechanism of electrical parameters and air pressure;（2）experimental investigating on the influence of electrode clearance and excitation power supply frequency to plasma—static calibration procedure to obtain the monotonic response regularity of voltage to air pressure, and dynamic performance through a pressure step signal; （3）application to practical flow field measurement—research on the influence mechanisms of the unsteady characteristic to compressor instability around blade tip flow. The objective of this project is to clarify the coupling mechanism of the plasma and air pressure, thus to obtain more detailed endwall flow field information, to meet the needs of high-load compressor design which combine both high efficiency and high stability margin.

本项目申请是建立在射频辉光放电等离子体原理基础上的，致力于满足叶轮机械内部非定常压力测试手段兼顾超高频响（MHz）和微小尺寸的发展需求。项目按照“理论推导—实验研究—真实流场测量”的研究思路，拟深入开展以下三个方面的研究：（1）射频驱动微等离子体的电参数与气压的耦合规律理论研究，为电参数（频率和功率）的选取、传感器的参数设计提供依据；（2）电源参数、电极间隙等参数对等离子体与气压耦合关系影响的实验研究，即明确等离子体压力传感器稳态与动态响应特征；（3）实测高负荷压气机端区流场，获取更为精细的叶顶流场压力云图及频谱信息。主要创新点体现在：借用等离子体测量流动过程中的压力场分布，为内部流动测试提供一种全新的技术手段。旨在澄清射频驱动辉光放电等离子体的电参数与气压的耦合机制，获得更详尽的端区三维流场的精细结构，适应兼顾高效率、高稳定性裕度高负荷压气机设计的发展需求。

本项目致力于满足叶轮机械内部非定常压力测试手段兼顾超高频响（MHz）和微小尺寸的发展需求，按照“传感器设计与研制—高压气体放电室稳态标定—激波管动态标定—实际流场测量”的研究思路，研究了电极间隙、电源输出功率等因素对微等离子体传感器稳态特性的影响；并通过激波管研究了微等离子体压力传感器的系统动态特征，最终在高负荷压气机上进行了端区流动测量。获得了220 μm电极间隙的微等离子体压力传感器在电源输出功率为5~9 W时量程为0.4~4.5 atm的单调递增响应曲线，整体灵敏度为0.22 V/kPa；证明了微等离子体压力传感器不仅耐高温（25~400 ℃）且对温度不具有敏感性的特性；发展了可控间隙精密加工与封装技术，保证了传感器具有小尺寸（mm级）、稳定可控的放电间隙和耐高温的绝缘保护。在系统验证方面，发展了超高频动态标定与系统辨识技术，通过计算动态传递函数得到射频微等离子体压力传感器的动态特性及其电源、电子电路系统的固有频率为1.35 MHz。最终在亚音速轴流压气机单转子实验台上对叶顶端区流场进行了精细化测量，实验结果表明，微等离子体动态压力传感器和Kulite动态压力传感器一样，具有相同捕捉叶片通过频率的能力，且同样可以精准捕捉到叶顶泄漏流自激非定常性的特征频率。