CN109404163A - 测量冲压发动机燃烧室气膜冷却套内流速的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及气流测试装置及方法，针对现有皮托管结构尺寸较大，无法对小结构尺寸冷却套进行流场测量的不足，提供一种测量冲压发动机燃烧室气膜冷却套内流速的装置及方法。其中，装置包括测量耙和燃烧室接管嘴；测量耙包括柱状耙芯、静压引管、总压引管、静压接管嘴和总压接管嘴；静压接管嘴和总压接管嘴设置在耙芯顶部；耙芯的外圆周设置定位轴肩；耙芯内设置静压引管安装通孔和总压引管安装通孔；静压引管和总压引管分别穿设在静压引管安装通孔和总压引管安装通孔内，其顶部分别接入静压接管嘴和总压接管嘴；静压引管的下端与耙芯下端端面平齐；总压引管的下端伸出耙芯下端端面并弯折90°，通过外套螺母将测量耙与燃烧室接管嘴固连。

Description

测量冲压发动机燃烧室气膜冷却套内流速的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种气流测试装置及方法，具体涉及一种测量冲压发动机燃烧室气膜冷却套内流速的装置及方法。
背景技术
吸气式发动机进气道和燃烧室内流场畸变直接影响发动机性能，是发动机设计的最重要关注点之一。流场畸变的测量是发动机试验研制中的重要工作。
冲压发动机是弹道巡航式导弹的主动力装置，其进气道的长短对流场的畸变影响较大，主要表现在燃烧组织困难和气膜冷却效果差两方面。特别对于气膜冷却效果而言，通过流场仿真发现，当冲压发动机结构设计不合理时，部分工况下气膜冷却套内畸变较大，甚至出现反向流动。
为了验证气膜冷却套的气膜冷却效果，有必要对冲压发动机燃烧室气膜冷却套内速度流场畸变进行测量。
而传统流场测量通常采用皮托管测量流场中总、静压之间压差，计算流速；通过多个皮托管测量流场中的速度分布，了解流场畸变或流量分布。
但是，由于现有皮托管结构尺寸较大，对于冷却套结构尺寸在10mm左右甚至更小的某些冲压发动机，无法布置皮托管，从而无法实现对冷却套的流场测量。
发明内容
本发明的目的是克服现有皮托管结构尺寸较大，无法实现对10mm左右甚至更小结构尺寸的冷却套进行流场测量的不足，而提供一种测量冲压发动机燃烧室气膜冷却套内流速的装置及方法。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种测量冲压发动机燃烧室气膜冷却套内流速的装置及方法，其特殊之处在于，包括测量耙和燃烧室接管嘴；所述测量耙包括柱状耙芯、静压引管、总压引管、静压接管嘴和总压接管嘴；静压接管嘴和总压接管嘴设置在耙芯顶部；耙芯的外圆周中部设置用于安装外套螺母的定位轴肩；耙芯内间隔设置平行于耙芯轴线的静压引管安装通孔和总压引管安装通孔；静压引管和总压引管分别穿设在静压引管安装通孔和总压引管安装通孔内，其顶部分别接入静压接管嘴和总压接管嘴；静压引管的下端与耙芯下端的端面平齐，用于测量气膜冷却套壁面静压；总压引管的下端伸出耙芯下端端面并弯折90°，用于测量气膜冷却套中心区总压；耙芯的下端伸入燃烧室接管嘴，通过设置在耙芯轴肩上的外套螺母将测量耙与燃烧室接管嘴固连。
进一步地，上述总压接管嘴设置在耙芯的顶端端面，其轴线与耙芯轴线平行；所述耙芯的顶部外圆周开设与静压引管安装通孔连通的豁口；静压接管嘴固定安装在豁口处，其轴线垂直于耙芯轴线且与总压引管下端的弯折方向一致；静压引管的顶端从所述豁口伸出接入静压接管嘴。
进一步地，上述定位轴肩的下端面向下延伸形成直径小于定位轴肩的密封轴肩；所述燃烧室接管嘴顶部下凹形成与密封轴肩适配的凹槽；密封轴肩与凹槽之间设置环形密封垫。通过调节密封垫厚度，可确保耙芯端面与燃烧室内表面齐平。
进一步地，为确保安装时总压引压管进口迎着气流，上述耙芯定位轴肩的下端面设置定位凸台；定位凸台位于密封轴肩的圆周面；上述燃烧室接管嘴的顶部设有与定位凸台匹配的缺口，缺口与所述凹槽连通。
进一步地，为减小因安装角度或流向变化导致的测量误差，上述总压引管下端引压口加工为喇叭状。
进一步地，为减小测耙对流场扰动，上述述静压引管和总压引管均采用毛细管(如Φ1.2×0.15)。
进一步地，上述静压引管和总压引管通过钎焊固定在耙芯上。
进一步地，上述静压接管嘴和总压接管嘴均设有堵头，堵头通过螺母紧固。
进一步地，考虑流场温度较高，上述耙芯、总压引管、静压引管均采用高温合金材料，适应常温至1000℃气流，如耙芯采用GH3536合金，总压引管和静压引管材料采用GH4169合金材料。
另外，本发明还提供一种测量冲压发动机燃烧室气膜冷却套内流速的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)在冲压发动机燃烧室气膜冷却套上均匀布置多个测量孔，每个测量孔设置一个测量冲压发动机燃烧室气膜冷却套内流速的测量装置；使测量装置的耙芯端面与燃烧室内壁表面齐平，并且使总引压管下端感压口正对气流；
2)将测量装置的静压接管嘴和总压接管嘴分别与压差传感器相连，测得各测点总压和壁面静压，用壁面静压代替中心区静压；
3)通过如下流速公式，即可得到气膜冷却套中心区总压感压点的流速v：
式中：
△P是测得的总压与壁面静压间的压差值，单位：Pa；
ρ是已知流体密度，单位：kg/m3；
K是修正系数。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明采用总、静压测点分离，采用高温合金毛细管伸入狭小流场中心区感受总压，在燃烧室壁面取静压，用于流场中压差测量，减小了总压引压管对流场的扰动，提高了测量精度。可应用于冲压发动机燃烧室气膜冷却参数测量，也可应用于其它相似结构的吸气式发动机气膜冷却流场测量。
2、本发明在气膜冷却套上均匀布置多处测点，根据仿真计算得到的修正系数，计算气膜冷却套内中心区流速，从而计算气膜却套内中心区流量分配和流场畸变程度，可运用于流场畸变确认和畸变改善设计，也可应用于产品热防护设计验证。
3、本发明通过耙芯定位轴肩下端面的定位凸台及燃烧室接管嘴顶部与定位凸台匹配的缺口可有效确保安装时总压引压管进口迎着气流。
4、本发明静压接管嘴的轴线与总压引管下端的弯折方向一致，可方便判断总压引管的方位。
附图说明
图1是本发明测量装置一个实施例安装在气膜冷却套上的结构示意图；
图2是图1中测量装置测量耙的轴测图；
图3是图2中测量耙耙芯的结构示意图；
图4是图3的仰视图；
图5是图4中沿A-A截面的剖视图；
图6是图1中燃烧室接管嘴的结构示意图；
图7是图6的俯视图；
图8是图2测量耙的左视图；
图9是图8中沿B-B截面的剖视图；
图10是图8中沿C-C截面的剖视图；
图11是测量装置修正系数图。
图中各标号的说明如下：
1—测量耙；
11—耙芯、111—静压引管安装通孔、112—总压引管安装通孔、113—外套螺母、114—锪平面、115—豁口、116—定位轴肩，1161—定位凸台、117—密封轴肩，
12—静压引管，13—总压引管，
14—静压接管嘴，141—堵头、142—螺母；
15—总压接管嘴，151—堵头、152—螺母；
2—燃烧室接管嘴，21—凹槽，211—缺口；
3—环形密封垫；
4—气膜冷却套；5—燃烧室外壁；6—火焰筒。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1、图2所示，本实施例提供一种测量冲压发动机燃烧室气膜冷却套内流速的装置，包括测量耙1和燃烧室接管嘴2。测量耙1包括柱状耙芯11、静压引管12、总压引管13、静压接管嘴14和总压接管嘴15。静压引管12和总压引管13均采用Φ1.2×0.15mm的毛细管。静压接管嘴14和总压接管嘴15均设有堵头141、151，堵头通过螺母142、152紧固。耙芯采用GH3536合金，总压引管和静压引管材料采用GH4169合金材料，可以适应1000℃以下温度的气流。
参见图5，耙芯11内间隔设置平行于耙芯11轴线的静压引管安装通孔111和总压引管安装通孔112；静压引管12和总压引管13分别穿设在静压引管安装通孔111和总压引管安装通孔112内，并通过钎焊固定在耙芯11上。
参见图1，总压接管嘴15设置在耙芯11的顶端端面，其轴线与耙芯11轴线平行；总压引管13的顶部接入总压接管嘴15。
参见图3至图5和图8至图10，耙芯11的顶部外圆周开设便于焊接的锪平面114，锪平面114设有与静压引管安装通孔111连通的豁口115；静压接管嘴14通过焊接固定安装在锪平面114处，其轴线垂直于耙芯11轴线且与总压引管13下端的弯折方向一致；安装后可通过观测该接管嘴方位判断总压引管13的方位；静压引管12的顶端从豁口115伸出接入静压接管嘴14。
静压引管12的下端与耙芯11下端的端面平齐，用于感应气膜冷却套壁面静压；其感压点位于气膜冷却套4壁面上，不伸入流场。
总压引管13的下端伸出耙芯11下端端面并弯折90°，用于感应气膜冷却套中心区总压；总压引管13伸入气膜冷却套中心区，其感压口正对气流。为减小因安装角度或流向变化导致的测量误差，总压引管13的下端引压口通过内圆打钝锐边约45°加工为喇叭状。
耙芯11的下端伸入燃烧室接管嘴2，通过设置在耙芯11轴肩上的外套螺母113将测量耙1与燃烧室接管嘴2固连。
参见图2至图7，耙芯11的外圆周中部设置用于安装外套螺母113的定位轴肩116；定位轴肩116的下端面向下延伸形成直径小于定位轴肩116的密封轴肩117。燃烧室接管嘴2顶部下凹形成与密封轴肩117适配的凹槽21；如图1所示，密封轴肩117与凹槽21之间设置环形密封垫。可通过调节密封垫厚度，确保耙芯11端面与燃烧室内表面齐平。
耙芯11定位轴肩116的下端面设置定位凸台1161；定位凸台1161位于密封轴肩117的圆周面；燃烧室接管嘴2的顶部设有与定位凸台1161匹配的缺口211，缺口211与凹槽21连通。通过缺口211与定位凸台1161的配合能够有效确保安装时总压引压管进口迎着气流。
另外，本实施例还提供一种测量冲压发动机燃烧室气膜冷却套内流速的方法，包括以下步骤：
1)在冲压发动机燃烧室气膜冷却套上均匀布置多个测量孔，每个测量孔设置一个测量冲压发动机燃烧室气膜冷却套内流速的测量装置；使测量装置的耙芯11端面与燃烧室内壁表面齐平，并且使总引压管下端感压口正对气流；
2)将测量装置的静压接管嘴14和总压接管嘴15分别与压差传感器低压接嘴和高压接嘴相连，测得各测点总压和壁面静压；
3)通过如下流速公式，即可得到气膜冷却套中心区总压感压点的流速v(单位：m/s)：
式中：
△P是测得的总压与壁面静压间的压差值，单位：Pa；
ρ是已知流体密度，单位：kg/m3；
K是修正系数，考虑到静压测点位置偏离等因素，引入修正系数K。通过仿真计算确定修正系数K。参见图11，在气流马赫数0.1～0.7内，修正系数范围0.98～1.026。
上述实施例为本发明实现的优选方案，并非限定性穷举，在相同构思下本发明还可以有其他变换形式。需要说明的是，在不脱离本发明构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测量冲压发动机燃烧室气膜冷却套内流速的装置，其特征在于：包括测量耙(1)和燃烧室接管嘴(2)；
所述测量耙(1)包括柱状耙芯(11)、静压引管(12)、总压引管(13)、静压接管嘴(14)和总压接管嘴(15)；静压接管嘴(14)和总压接管嘴(15)设置在耙芯(11)顶部；
耙芯(11)的外圆周中部设置用于安装外套螺母(113)的定位轴肩(116)；
耙芯(11)内间隔设置平行于耙芯(11)轴线的静压引管安装通孔(111)和总压引管安装通孔(112)；静压引管(12)和总压引管(13)分别穿设在静压引管安装通孔(111)和总压引管安装通孔(112)内，其顶部分别接入静压接管嘴(14)和总压接管嘴(15)；
静压引管(12)的下端与耙芯(11)下端的端面平齐，用于测量气膜冷却套壁面静压；
总压引管(13)的下端伸出耙芯(11)下端端面并弯折90°，用于测量气膜冷却套中心区总压；
耙芯(11)的下端伸入燃烧室接管嘴(2)，通过设置在耙芯(11)轴肩上的外套螺母(113)将测量耙(1)与燃烧室接管嘴(2)固连。
2.根据权利要求1所述的一种测量冲压发动机燃烧室气膜冷却套内流速的装置，其特征在于：所述总压接管嘴(15)设置在耙芯(11)的顶端端面，其轴线与耙芯(11)轴线平行；
所述耙芯(11)的顶部外圆周开设与静压引管安装通孔(111)连通的豁口(115)；
静压接管嘴(14)固定安装在豁口(115)处，其轴线垂直于耙芯(11)轴线且与总压引管(13)下端的弯折方向一致；静压引管(12)的顶端从所述豁口(115)伸出接入静压接管嘴(14)。
3.根据权利要求2所述的一种测量冲压发动机燃烧室气膜冷却套内流速的装置，其特征在于：所述定位轴肩(116)的下端面向下延伸形成直径小于定位轴肩(116)的密封轴肩(117)；
所述燃烧室接管嘴(2)顶部下凹形成与密封轴肩(117)适配的凹槽(21)；
密封轴肩(117)与凹槽(21)之间设置环形密封垫。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种测量冲压发动机燃烧室气膜冷却套内流速的装置，其特征在于：所述耙芯(11)定位轴肩(116)的下端面设置定位凸台(1161)；定位凸台(1161)位于密封轴肩(117)的圆周面；
所述燃烧室接管嘴(2)的顶部设有与定位凸台(1161)匹配的缺口(211)，缺口(211)与所述凹槽(21)连通。
5.根据权利要求4所述的一种测量冲压发动机燃烧室气膜冷却套内流速的装置，其特征在于：所述总压引管(13)下端引压口加工为喇叭状。
6.根据权利要求5所述的一种测量冲压发动机燃烧室气膜冷却套内流速的装置，其特征在于：所述静压引管(12)和总压引管(13)均采用毛细管。
7.根据权利要求6所述的一种测量冲压发动机燃烧室气膜冷却套内流速的装置，其特征在于：所述静压引管(12)和总压引管(13)通过钎焊固定在耙芯(11)上。
8.根据权利要求7所述的一种测量冲压发动机燃烧室气膜冷却套内流速的装置，其特征在于：所述静压接管嘴(14)和总压接管嘴(15)均设有堵头(141、151)，堵头(141、151)通过螺母(142、152)紧固。
9.根据权利要求8所述的一种测量冲压发动机燃烧室气膜冷却套内流速的装置，其特征在于：所述耙芯(11)、总压引管(13)和静压引管(12)均采用高温合金材料。
10.一种测量冲压发动机燃烧室气膜冷却套内流速的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在冲压发动机燃烧室气膜冷却套上均匀布置多个测量孔，每个测量孔设置一个如权利要求1至9任一所述测量冲压发动机燃烧室气膜冷却套内流速的测量装置；使测量装置的耙芯(11)端面与燃烧室内壁表面齐平，并且使总引压管下端感压口正对气流；
2)将测量装置的静压接管嘴(14)和总压接管嘴(15)分别与压差传感器相连，测得各测点总压和壁面静压；
3)通过如下流速公式，即可得到气膜冷却套中心区总压感压点的流速v：
式中：
△P是测得的总压与壁面静压间的压差值，单位：Pa；
ρ是已知流体密度，单位：kg/m3；
K是修正系数。
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