CN106500583B - 燃烧室内壁面贴壁液膜形态测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃烧室内壁面贴壁液膜形态测量系统，包括用于获取液膜形态的高速摄影设备和用于测量液膜厚度分布的厚度测量系统，厚度测量系统包括安装在燃烧室圆柱壳体内部的深度千分尺组件，千分尺组件的测量部与万用表的一个探针连接，万用表的另一探针与燃烧室圆柱壳体的壁面相连接；通过设置千分尺组件测量部分测量点的局部厚度，再通过高速摄影设备对液膜进行图像拍摄，将拍摄出的测量点的图像灰度值与液膜厚度建立对应的关系，并通过此关系将液膜厚度与拍摄的液膜灰度图像的灰度值进行一一对应而得出区域内的液膜厚度值；该系统结构简单，成本低廉，可操作性强。

Description

燃烧室内壁面贴壁液膜形态测量系统

【技术领域】

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种燃烧室内壁面贴壁液膜形态测量系统。

【背景技术】

液膜冷却是液体火箭发动机中常用的热防护手段，同时也是大量机械设备中常用的冷却手段。在实际使用过程中，液膜的厚度与形态将决定热防护手段的有效性。当液膜厚度过薄或覆盖面积不足时，无法对发动机进行有效的热防护，可能会导致发动机工作性能下降，严重时高温燃气将烧穿发动机壳体，造成飞行事故。当液膜厚度过厚时，燃料过多集中在壁面，将影响燃烧室效率，影响发动机性能。因此建立内壁面贴壁液膜形态测量系统，能够分析内壁面液膜形态与厚度等参数，为发动机设计提供依据，以保证发动机的热防护性能与燃烧性能。

目前针对液膜厚度测量方法主要有电导法、电容法以及光学射线法等，然而此类方法都存在一定缺陷，比如，光学射线法是利用探针进行单点测量，但是对测量环境要求苛刻，设备及测量成本过高。

比较典型的关于此类问题的测试方法主要是利用电导法在紧贴壁面安装一对电极，两电极间的电导(探测区域的电导)与液膜厚度存在一定的关系，测量此区域的电导即可得到液膜厚度。这种方法仅只能进行单点测量，且测量值为电极附近液膜厚度平均值，同时当流体流速过快时，探针将对流场产生严重干扰，从而影响测量精度。

因此，目前尚无一种成本低，精度高，适用性强，同时能满足区域测量的液膜厚度测量系统。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种燃烧室内壁面贴壁液膜形态测量系统，以解决现有技术中测量成本高、精度低及无法测量区域内的液膜厚度的问题。

本发明采用以下技术方案，燃烧室内壁面贴壁液膜形态测量系统，包括用于获取液膜形态的高速摄影设备和用于测量液膜厚度分布的厚度测量系统，厚度测量系统包括安装在燃烧室圆柱壳体内部的深度千分尺组件，深度千分尺组件的测量部与万用表的一个探针连接，万用表的另一探针与燃烧室圆柱壳体的壁面相连接；

万用表用于当测量部接触到液膜远离燃烧室圆柱壳体的一侧显示最大阻值，以便记录测量部的第一测量值，万用表还用于当测量部穿过液膜接触到燃烧室圆柱壳体后显示最小阻值，以便记录测量部的第二测量值；

第二测量值和第一测量值用于做差值运算以得出液膜的厚度值；

测量部用于在燃烧室圆柱壳体内壁范围内移动，以测量燃烧室圆柱壳体内壁上任意位置的液膜厚度。

进一步地，深度千分尺组件包括用于安装在燃烧室圆柱壳体一端部的旋转支杆，旋转支杆位于燃烧室圆柱壳体内的另一端套装有千分尺支架，千分尺支架的另一端安装有深度千分尺，千分尺支架用于沿旋转支杆伸缩，以调节深度千分尺在燃烧室圆柱壳体内的测量位置。

进一步地，千分尺支架与深度千分尺垂直。

进一步地，旋转支杆外壁上套设有用于固定千分尺支架的固定夹。

进一步地，旋转支杆外壁面还套设有轴承，轴承固定安装在燃烧室圆柱壳体的一端面上，旋转支杆用于带动千分尺支架及深度千分尺沿燃烧室圆柱壳体的端面进行水平旋转，以便于深度千分尺测量燃烧室圆柱壳体同一横截面上任意位置的液膜厚度。

进一步地，旋转支杆分别与轴承的横截面和燃烧室圆柱壳体的端面垂直。

进一步地，深度千分尺与万用表的一个探针连接。

本发明的有益效果是：通过设置千分尺测量部分测量点的局部厚度，再通过高速摄影设备对液膜进行图像拍摄，将拍摄出的测量点的图像灰度值与液膜厚度建立对应的关系，并通过此关系将液膜厚度与拍摄的液膜灰度图像的灰度值进行一一对应而得出区域内的液膜厚度值；该系统结果简单，成本低廉，可操作性强。能够同时对燃烧室管状结构内壁面液膜进行形态与厚度分布测量，在利用该系统的标定过程后，通过图像分析的方式进行液膜厚度分布测量，能够在不干扰流场的情况下，可以获得快速准确的贴壁液膜厚度分布以及形态特征，且该系统测量液膜厚度的精度可达到0.01mm。

【附图说明】

图1为本发明燃烧室内壁面贴壁液膜形态测量系统的结构示意图；

图2为图1中的千分尺组件的局部放大图。

其中：1.深度千分尺；2.高速摄影设备；4.万用表；5.储存罐；6.圆柱壳体；7.轴承；8.旋转支杆；9.千分尺支架；10.固定夹。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开了一种燃烧室内壁面贴壁液膜形态测量系统，如图1所示，包括用于测量液膜厚度分布的厚度测量系统和用于测量液膜形态的高速摄影设备，高速摄影设备2优选为高速摄影机，其可用于拍摄燃烧室圆柱壳体6的内壁面，并形成高清图像，优选的所拍摄的高清图像采用灰度样式。

厚度测量系统包括安装在待测燃烧室圆柱壳体6内部的深度千分尺组件，深度千分尺组件包括用于安装在燃烧室圆柱壳体6一端部的旋转支杆8，旋转支杆8位于燃烧室圆柱壳体6内的另一端套装有千分尺支架9，旋转支杆8外壁上套设有用于固定千分尺支架9的固定夹10，当固定夹10闭合固定时，千分尺支架9与旋转支杆8相对位置保持不变，可以保证千分尺支架9随旋转支杆8的转动而转动。

旋转支杆8外壁面还套设有轴承7，轴承7固定安装在燃烧室圆柱壳体6的一端面上，轴承7用于使旋转支杆8带动千分尺支架9及深度千分尺1相对于燃烧室壳体6进行旋转，以便于测量燃烧室圆柱壳体6的同一横截面上的不同位置的液膜厚度。由此，保证了深度千分尺1的转动自由度。旋转支杆8用于带动千分尺支架9及深度千分尺1沿燃烧室圆柱壳体6的端面进行水平旋转，以便于深度千分尺1测量燃烧室圆柱壳体6同一横截面上任意位置的液膜厚度。旋转支杆8分别与轴承7的横截面和燃烧室圆柱壳体6的端面垂直，旋转支杆8和轴承7的横截面、燃烧室圆柱壳体6的端面垂直且深度千分尺1与旋转支杆8也垂直时，才能更好的使得深度千分尺1在旋转时，处于燃烧室圆柱壳体6的同一横截面。

千分尺支架9的远离旋转支杆8的一端安装有深度千分尺1，优选的，选择深度千分尺1和千分尺支架9垂直，深度千分尺1与万用表4的一个探针连接，即千分尺组件的测量部与万用表4的一个探针连接，万用表4的另一探针与燃烧室圆柱壳体6的壁面相连接。

千分尺支架9用于沿旋转支杆8伸缩，以调节深度千分尺1在燃烧室圆柱壳体6内的测量位置，千分尺支架9与深度千分尺1垂直，可以保证深度千分尺1测量出的液膜厚度的准确性。

万用表4用于当测量部接触到液膜远离燃烧室圆柱壳体6的一侧显示最大阻值，以便记录测量部的第一测量值，万用表4还用于当测量部穿过液膜接触到燃烧室圆柱壳体6后显示最小阻值，以便记录测量部的第二测量值；

第二测量值和第一测量值用于做差值运算以得出液膜的厚度值；

测量部用于在燃烧室圆柱壳体6内壁范围内移动，以测量燃烧室圆柱壳体6内壁上任意位置的液膜厚度。

千分尺支架9用于沿旋转支杆8移动，千分尺支架9与旋转支杆8为过隙配合，以调节深度千分尺1在燃烧室圆柱壳体6内的位置，从而能保证深度千分尺1在任意位置均可准确测量液膜法向厚度。

旋转支杆8的中心轴、千分尺支架9的中心、轴承7的中心和燃烧室圆柱壳体6的中心轴均处于同一直线上，这样即可以保证深度千分尺1在测量液膜厚度时，深度千分尺1与液膜切线是垂直的，测出的结果是准确的。深度千分尺1在随旋转支杆8和千分尺支架9转动时，是以燃烧室圆柱壳体6的中心轴进行的，且深度千分尺1与燃烧室圆柱壳体6中心轴是垂直的，

另外，还包括液膜喷注系统，液膜喷注系统包括用于喷注液膜的喷注器，喷注器通过输送管连接有储存罐5。

本发明的工作过程具体如下：

通过高速摄影机对未喷注液膜的燃烧室内壁面进行拍摄，并保存拍摄的灰度图像，之后通过液膜喷注系统，将储存罐5中的液体喷注在燃烧室内壁面上，喷注器的大小可随实际情况来具体确定。

待喷注系统喷注完毕后，再次利用高速摄影机对已喷注液膜后的燃烧室内壁面进行拍摄，并得出灰度图像。

通过对喷注前后的燃烧室内壁面所拍摄的灰度图像进行灰度差处理，可确定液膜面积、形状以及破碎位置等关键参数。为了获得液膜图像灰度值与液膜厚度一一对应的关系，获取液膜厚度分布，需对图像灰度值与液膜厚度关系进行标定。为了保证标定结果的准确性，高速摄像机的位置需固定，具体位置可根据具体情况而设置，只需保证能够清晰准确地拍摄出所需图像即可。

将万用表4的一个探针与深度千分尺1活动部分连接固定，且随深度千分尺1的运动而运动，另一个探针与待测圆柱壳体6相连接。在测量初始，将万用表4调至电阻挡，深度千分尺1与液膜无接触，电路为短路状态，则万用表读数显示无穷大，随着深度千分尺1向液膜靠拢，当其与液膜接触瞬间，电路形成闭合回路，两个探针之间可测出阻值，万用表4显示读数，即第一测量值，以此时深度千分尺1记录为起点，深度千分尺1读数记为d1，当探针随深度千分尺1继续运动，且与燃烧室待测壳体6相接触的瞬间，电路短路，万用表4的电阻值读数基本为零，即第二测量值，以此时的深度千分尺1记录终点，深度千分尺1读数为d2，由此，该测量点处液膜厚度值d＝d2-d1。在液膜上选取若干有代表性的测试点，重复以上步骤，可得出各个测试点的液膜厚度。

将上述的喷注后的灰度图像与喷注前的灰度图像进行灰度转换，并将两图做灰度差，获得做灰度差后的图像，再提取做灰度差后图像中对应测量点的灰度值和厚度值，将对应测量点的灰度值和厚度值进行线性拟合，可获得灰度值与厚度值的一一对应关系，即可获得液膜的厚度分布。

Claims (6)

1.燃烧室内壁面贴壁液膜形态测量系统，其特征在于，包括用于获取液膜形态的高速摄影设备(2)和用于测量液膜厚度分布的厚度测量系统，所述厚度测量系统包括安装在燃烧室圆柱壳体(6)内部的深度千分尺组件，所述深度千分尺组件的测量部与万用表(4)的一个探针连接，所述万用表(4)的另一探针与所述燃烧室圆柱壳体(6)的壁面相连接；

所述万用表(4)用于当所述测量部接触到液膜远离所述燃烧室圆柱壳体(6)的一侧显示最大阻值，以便记录测量部的第一测量值，所述万用表(4)还用于当所述测量部穿过液膜接触到所述燃烧室圆柱壳体(6)后显示最小阻值，以便记录测量部的第二测量值；

所述第二测量值和所述第一测量值用于做差值运算以得出所述液膜的厚度值；

所述测量部用于在所述燃烧室圆柱壳体(6)内壁范围内移动，以测量所述燃烧室圆柱壳体(6)内壁上任意位置的液膜厚度；

所述深度千分尺组件包括用于安装在所述燃烧室圆柱壳体(6)一端部的旋转支杆(8)，所述旋转支杆(8)位于所述燃烧室圆柱壳体(6)内的另一端套装有千分尺支架(9)，所述千分尺支架(9)的另一端安装有深度千分尺(1)，所述千分尺支架(9)用于沿所述旋转支杆(8)伸缩，以调节所述深度千分尺(1)在所述燃烧室圆柱壳体(6)内的测量位置。

2.如权利要求1所述的燃烧室内壁面贴壁液膜形态测量系统，其特征在于，所述千分尺支架(9)与所述深度千分尺(1)垂直。

3.如权利要求1所述的燃烧室内壁面贴壁液膜形态测量系统，其特征在于，所述旋转支杆(8)外壁上套设有用于固定所述千分尺支架(9)的固定夹(10)。

4.如权利要求2所述的燃烧室内壁面贴壁液膜形态测量系统，其特征在于，所述旋转支杆(8)外壁面还套设有轴承(7)，所述轴承(7)固定安装在所述燃烧室圆柱壳体(6)的一端面上，所述旋转支杆(8)用于带动所述千分尺支架(9)及深度千分尺(1)沿所述燃烧室圆柱壳体(6)的端面进行水平旋转，以便于所述深度千分尺(1)测量所述燃烧室圆柱壳体(6)同一横截面上任意位置的液膜厚度。

5.如权利要求3所述的燃烧室内壁面贴壁液膜形态测量系统，其特征在于，所述旋转支杆(8)分别与所述轴承(7)的横截面和燃烧室圆柱壳体(6)的端面垂直。

6.如权利要求1或2所述的燃烧室内壁面贴壁液膜形态测量系统，其特征在于，所述深度千分尺(1)与所述万用表(4)的一个探针连接。