Compensation of temperature effects in fast-response pressure sensors for use in short-duration wind tunnels

The design of modern aircraft engines is increasingly aimed at maximizing efficiency and reducing fuel consumption. The achievement of these objectives also depends on the quality of the measurements conducted on the highly unsteady tridimensional airflow typical of turbomachines. The experimental campaign to which this work is referred to, is performed at engine-representative flow conditions in the high-speed turbine rig of the von Karman Institute. The HPT stage is heavily instrumented for high-bandwidth aerodynamic measurements with fast-response piezoresistive pressure sensors. These devices are strain gauge elements whose accuracy of pressure measurement is affected by the high thermal gradients peculiar of short-duration wind tunnels. The current in-situ calibration method with run-up performed on these instruments is not representative of the real thermal transient that arises during a blowdown test, hence this research aims at finding alternative calibration methods to properly compensate for these temperature effects. The study is conducted step-by-step firstly, adding a term in the actual calibration law to take into account the thermal transient timescale, and then directly considering the fast transient of a blowdown test. Time average and phase resolved total pressure contours, obtained by processing the dataset with the coefficients of the novel calibration method, are provided. This specific calibration procedure with blowdown lays the foundations for future experimental campaigns, which should include periodic calibration blowdown tests to improve the compensation accuracy.

La progettazione dei moderni motori aeronautici è sempre più finalizzata alla massimizzazione dell'efficienza e alla riduzione del consumo di carburante. Il raggiungimento di questi obiettivi dipende anche dalla qualità delle misurazioni effettuate sul flusso d'aria tridimensionale altamente instazionario tipico delle turbomacchine. La campagna sperimentale a cui si riferisce questo lavoro viene eseguita in condizioni di flusso rappresentative di un motore aeronautico nell'impianto di turbina ad alta velocità del von Karman Institute. Lo stadio di turbina di alta pressione è strumentato per misurazioni aerodinamiche a larghezza di banda elevata con sensori di pressione piezoresistivi a risposta rapida in frequenza. Questi dispositivi sono elementi estensimetrici la cui precisione di misura della pressione è influenzata dagli elevati gradienti termici propri dei short-duration wind tunnels. L'attuale metodo di calibrazione in situ con run-up eseguito su questi strumenti non è rappresentativo del reale transitorio termico che si verifica durante un blowdown test, quindi questa ricerca mira a trovare metodi di calibrazione alternativi per compensare adeguatamente questi effetti termici. Lo studio viene condotto passo dopo passo, prima aggiungendo un termine nella legge di calibrazione per tenere conto dell'effettiva scala temporale del transitorio termico, poi considerando direttamente il transitorio veloce di un blowdown test. Sono forniti i time average e time resolved contours di pressione totale, ottenuti elaborando il set di dati con i coefficienti del nuovo metodo di calibrazione. Questa specifica procedura di calibrazione con blowdown pone le basi per future campagne sperimentali, che dovrebbero includere test periodici di calibrazione con blowdown per migliorare l'accuratezza della compensazione termica.