本发明属于高温压力测试，涉及三维流场的动态压力测量装置，具体涉及一种测量涡轮级间三维动态高温流场的水冷压力探针，适用于测量涡轮级间三维流场中，俯仰角、偏转角、总压、静压和马赫数等三维流动参数的周向分布。
背景技术：
1、为获取发动机中涡轮部件的性能参数及其内部的流场结构，需要对其级间进行压力测量，目前工程实际应用中主要采用接触式压力探针来实现。然而，现有的压力探针材料无法承受超过1000k的高温，而动态压力传感器头部更是无法承受超过500k的高温，这使得测量过程中探针损坏并使得测量无法进行。
2、随着现代发动机对高性能的追求，涡轮叶片大多采用弯掠造型设计，叶片曲率变化很大，这意味着气流在经过一级叶片后角度也会产生很大变化，在不同的叶高方向角度差别更大，可以达到±60°范围或更高的变化，常规五孔探针测量的角度范围为±15°左右，难以满足在涡轮级间这种复杂内流环境中的测量需求。为了解决这个问题，目前工程上常用的做法是增加探头上孔的数量，如七孔、十二孔、十八孔探针，但随着孔数量的增加会造成探针支杆直径和探头尺寸变大，不仅会对流场产生更严重的干扰，还难以满足在狭窄空间进行高分辨率测量的需求。
3、同时，由于涡轮转子的旋转，采用常规的稳态压力探针，无法测量出转子出口的动态流场，不能分辨出转子出口从压力面到吸力面来流参数的周向分布，热线风速仪能够测量出转子出口的动态速度信号，但不能提供动态压力信息。叶轮机试验更希望获得涡轮级间含有动态压力信息的测量数据，对于涡轮转子出口跨音三维流场，希望获得转子出口俯仰角、偏转角、总压、静压和马赫数等三维流动参数从压力面到吸力面的周向分布，用于验证转子的设计和流场诊断，以便改进涡轮的性能。
4、目前，现有测量转子出口的探针(发明专利：一种测量转子出口跨音三维流的圆锥双孔动态压力探针，2017101188295)受限于探针壳体及动态传感器的材料，无法测量涡轮级间三维动态高温流场。
5、动态压力探针尺寸不容易做得小，尺寸大会严重干扰被测流场，另一方面，动态压力探针成本过高，现有带有水冷结构的探针(发明专利：一种水冷探针，2017207630951)通过一个进水口通入冷却水，可能会出现进水不均匀的情况进而可能导致探针局部烧蚀的后果，同时，该探针还存在体积较大、无法测量三维流场动态参数等问题。
6、现有压力探针很难满足测量涡轮级间三维动态高温流场的测试要求，特别是在2000k的极端高温下。因此，急需一种适用于耐高温的、防止局部烧蚀的、能够实现涡轮级间三维流场参数宽范围测量的水冷动态压力探针。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题是：针对现有压力探针不能满足测量涡轮级间三维动态高温流场的测试要求，特别是在2000k的极端高温下的三维动态流场测试需求，发明一种耐高温、能够实现涡轮级间三维动态流场参数测量的水冷动态压力探针。
2、在测量涡轮级间三维流场压力时，周围环境温度过高，探针头部压力传感器受到损坏，因此需要采取一种冷却措施，降低探针头部压力感受器附近的气流温度。为此，本发明提供了一种测量涡轮级间三维动态高温流场的水冷压力探针。实际测量航空发动机涡轮级间三维流场时，该探针头部斜切圆柱面上的压力感受孔测得俯仰角，另一个压力感受孔正对气体来流方向，并利用位移机构对该探针的偏转角进行调整，在不同偏转角下分别对不同工况下的流场进行测量。在测量时，将冷却水通入进水管，冷却水通过三个周向广角度布置的进水口进入探针内部，由插板的进水侧流入探针内部，经过涡流发生器后产生湍流，同时使冷却水形成高速射流并冲击到压力感受孔附近的壁面上，被冲击位置区域的边界层变薄，加剧了冷却水和壁面之间的热量交换，使局部换热系数上升，从而强化了冷却水与压力感受孔附近壳体壁面的对流换热。同时，涡流发生器本身结构带有向外突出的肋片，也有助于探针内部冷却水与插板的对流换热，而插板与探针外壳直接相连，可以通过热传导迅速将热量由探针外壳传至插板区域，进而加强了探针整体的散热效果。与现有探针相比，该探针压力感受孔数目较少，探针头部体积较小，因此具有较高的空间分辨率，同时，该探针具有很强的耐高温性，能够使得测压通道内部的动态压力传感器周围温度降至500k以下，进而实现对航空发动机涡轮级间俯仰角、偏转角、总压、静压、马赫数等三维流场参数进行测量。
3、本发明的解决方案是：
4、1.一种测量涡轮级间三维动态高温流场的水冷压力探针，由压力感受孔(1)、(2)，探针支杆(3)，安装座(4)，锁盖(5)，探针尾部带有进水口(6)、(7)、(8)，线缆通道(9)、(10)与排水口(11)、(12)、(13)。探针头部和支杆内部有一个插板(14)，该插板上带有涡流发生器(15)组成，其特征在于：所述的探针头部为圆柱体外形，探针头部直径为4毫米～12毫米，长度为12毫米～50毫米，头部内外棱线均采用曲率连续倒圆角，圆角半径为0.2毫米～1.5毫米；探针头部(1)与探针支杆(3)焊接，探针支杆(3)为圆柱形，直径为10毫米～30毫米，探针壳体为不锈钢材料，表面涂有耐高温隔热涂料，探针头部开有两个压力感受孔(1)、(2)，分别对应两个测压通道，压力传感器安装于探针头部的测压通道内，且传感器的数目和测压孔数目一致，传感器的线缆套装于探针内部，并从探针尾部的线缆通道(9)、(10)引出，传感器测量精度为0.1％～0.5％，固有频率为300hz～500khz。
5、2.所述的压力感受孔(1)带有75°～105°弯角，直径为0.6毫米～1.5毫米，压力感受孔(1)中心线与圆柱斜切面的最低点距离为1毫米～5毫米；压力感受孔(2)带有120°～160°弯角，直径为0.6毫米～1.5毫米，压力感受孔(2)中心线与圆柱斜切面最低点距离为1毫米～5毫米。
6、3.所述的带有涡流发生装置(15)的插板(14)与压力感受孔(2)的中轴线垂直，并将探针支杆内部均匀的分隔为两部分，插板(14)的厚度为1毫米～3毫米；涡流发生装置(14)为“v”字形肋片，“v”字型夹角为30°～60°，外伸长度为0.5毫米～1.5毫米。
7、4.探针尾部周向布置有三个进水口(6)、(7)、(8)与三个出水口(11)、(12)、(13)，其中进水口(7)、出水口(12)、线缆通道(9)、线缆通道(10)的圆心共线；进水口(6)、(8)与进水口(7)的周向夹角为40°～80°，出水口(11)、(13)与出水口(12)的周向夹角为40°～80°；探针底部周向布置有三个进水口(6)、(7)、(8)，可以使得进水更加均匀。
8、5.在校准风洞中对一种测量涡轮级间三维动态高温流场的水冷压力探针进行校准，校准的马赫数范围为0.1马赫～0.9马赫，偏转角为-80°～80°，俯仰角为-40°～40°，校准方法包括以下步骤：
9、步骤一：利用位移机构夹持探针，调整探针位置，使得探针头部压力感受孔(1)基本正对气流方向，接下来分别将探针顺时针与逆时针各转80°，测得不同角度下的压力感受孔(1)的所测压力p1与压力感受孔(2)所测压力p4，并利用多项式拟合，得到p1与偏转角α的校准曲线；
10、步骤二：利用位移机构调整探针俯仰角后重复步骤一，得到探针在不同俯仰角β下压力感受孔(1)的p1与偏转角α、俯仰角β的校准曲线；特别地，各校准曲线上p1的最大值p1max为来流总压，与p1max所对应角度α0相隔40°的旋转角度(α±40°)所对应的压力值为静压，与p1max所对应角度β0的俯仰角为0°；
11、步骤三：定义俯仰角系数为：
12、
13、
14、
15、其中，kβ、kt、ks分别为俯仰角系数、总压系数与静压系数，p1为压力感受孔(1)所测压力，p1max为当前俯仰角下压力感受孔(1)所测最大压力，p4为压力感受孔(2)所测压力，pt为来流总压，ps为来流静压；
16、利用上述定义，得到不同偏转角下的俯仰角系数、总压系数、静压系数校准曲面；
17、实际测量时，利用位移机构带动探针旋转，得到不同偏转角下两个压力感受孔(1)、(2)的压力值，根据步骤一、步骤二、步骤三中俯仰角系数、总压系数、静压系数的定义，然后通过对校准曲面插值计算出实际测量的偏转角、俯仰角、总压、静压、马赫数。
18、本发明，一种测量涡轮级间三维动态高温流场的水冷压力探针，经过校准风洞标定，可以获得标定数据。实际测量航空发动机涡轮级间三维流场时，利用位移机构对该探针的偏转角进行调整，在不同偏转角下分别对不同工况下的流场进行测量，由探针内部的动态压力传感器测得几组非定常压力数据，利用获得的校准风洞标定数据进行数据处理，进而可以获得航空发动机涡轮级间三维流场中俯仰角、偏转角、总压、静压、马赫数等三维流动参数。在通入冷却水后，可以实现在2000k的高温环境下对流场参数进行动态测量，且该探针频响超过25khz。
19、本发明，一种测量涡轮级间三维动态高温流场的水冷压力探针具有以下有益效果：
20、有益效果一：该探针能够实现高温环境下测量。本发明经过校准风洞标定后，可以用于测量航空发动机涡轮级间三维流场的总压、静压、偏转角、俯仰角、马赫数等三维流场参数，为改进航空发动涡轮性能提供了实测数据。与常规测量的探针相比，该探针能够实现高温环境下测量。在注入冷却水后，探针受感部周围的冷却效果得到提升，使得探针内部动态压力传感器头部周围温度降至500k以下。
21、有益效果二：该探针可以减轻压力波反射对流场上游造成的干扰。探针头部的测压通道均带有一定角度的弯角，可以在避免压力脉动的同时防止高温气流的冲刷直接作用于压力传感器受感部，进而延长压力传感器使用寿命。此外，压力波在传播时会发生反射，当压力波传播到管道一端时，波会从管道末端反射回来。探针头部的压力感受孔带有一定角度的弯角，可以减轻压力波反射而对流场上游造成的干扰，使得测量更为精确。
22、有益效果三：避免探针出现局部烧蚀。冷却水通过三个进水口进入时，能够保证进水均匀，避免探针内部出现空腔，换热不足，进而导致局部烧蚀的情况发生。
23、有益效果四：该探针内部冷却结构可加强冷却水与测压通道的对流换热。冷却水流经插板进水侧后，经过涡流发生器，产生湍流，并且直接冲刷压力感受孔附近的壳体壁面，强化了冷却水与测压通道壳体的对流换热，使得探针具有更强的耐高温性。
24、有益效果五：避免探针尾部壳体应力集中。探针底部周向均匀布置有三个排水口，可以防止局部水压过大而造成的探针尾部壳体应力集中。
25、有益效果六：通过位移机构夹持探针，在不同叶高位置带动探针自转来测量气流角度变化大的流场结构，可以实现减少开孔数量，使得冷却水对探针测压通道的冷却效果更好。同时，通过位移机构加持探针旋转还可以满足更宽范围的测量需求，使得探针头部体积更小，满足了在狭窄空间进行高分辨率的需求。
1.一种测量涡轮级间三维动态高温流场的水冷压力探针，其特征在于：包括压力感受孔(1)、(2)，探针支杆(3)，安装座(4)，锁盖(5)，进水口(6)、(7)、(8)与排水口(11)、(12)、(13)，探针支杆内部有一个插板(14)，该插板进水侧表面有特殊的涡流发生装置(15)，能够在进水侧产生湍流增强换热；
