CN109406154B - 航空发动机单头部燃烧室出口燃气采样装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种航空发动机单头部燃烧室出口燃气采样装置，属于航空发动机燃烧室性能测试技术领域，该装置包括中心转动环筒(1)，两端转动连接有法兰盘(2)，并分别通过法兰盘(2)连接至试验器前后管道，通过密封机构进行密封，中心转动环筒(1)上开有通孔，以安装高温燃气取样器(7)，所述中心转动环筒(1)受驱动机构驱动旋转，带动固定在中心转动环筒内的高温燃气取样器转动，进而实现上百至上千点的数据采集。本装置通过选用耐高温填料，精确控制填料与填料函间的装配间隙，允许高温燃气有微量泄露，此方案简单有效，易于拆装，方便维修。

Description

航空发动机单头部燃烧室出口燃气采样装置

技术领域

本申请属于航空发动机燃烧室性能测试技术领域，特别涉及一种航空发动机单头部燃烧室出口燃气采样装置。

背景技术

航空发动机单头部燃烧室性能测试应用最多的是固定式测量方式，仅能实现10～20点数据采集，通常每平方厘米达2点及以上可使取样具有代表性，固定式测量方式由于取样点数量较少，取样点密度不足使样气不具有代表性，在燃烧室出口燃气浓度场分布不均匀的情况下，固定式测量方式可使油气比和气态污染物的测量偏差高达30％，燃烧效率和燃烧温度也存在较大测试偏差。另外单头部燃烧室出口测量截面尺寸较小，2～6只取样器占据测试截面积较大，导致截面的阻塞比高，对燃烧室的流动产生了较大的扰动，也使测试结果的代表性下降。

国外在测试燃烧室气态污染物时，通常在燃烧室出口增加一段3到4米长的混合段，使燃气充分混合后变得均匀，此时只需1支取样器便能得到具有代表性的样气，但这种测试方式只适合气态污染物的测试，经过混合段掺混均匀后能得到气态污染物的平均值。而会导致燃烧效率的测试结果偏高、温度场较燃烧室出口截面均匀，使得数据不能用于涡轮的设计，因此燃烧效率和温度场的测量只能置于燃烧室出口截面，不适合燃烧效率和温度场测试。

发明内容

本申请的目的是提供航空发动机单头部燃烧室出口燃气采样装置，以解决上述至少一方面的问题。

本申请航空发动机单头部燃烧室出口燃气采样装置，包括：

中心转动环筒，两端转动连接有法兰盘，并分别通过法兰盘连接至试验器前后管道，中心转动环筒上开有通孔，且所述中心转动环筒受驱动机构驱动旋转；

两个密封机构，分别设置在所述中心转动环筒的两端，任一密封机构包括填料函，所述填料函转动套接在所述中心转动环筒外，并在与所述中心转动环筒之间形成朝向所述法兰盘的第一盲孔，所述第一盲孔内填充有密封填料，用于密封所述法兰盘与所述中心转动环筒之间的缝隙；

高温燃气取样器，包括自所述中心转动环筒内伸入至试验器管道内的第一端，以及自所述通孔伸出所述中心转动环筒外的第二端，所述第一端具有燃气采样点，并将采样结果输送到所述第二端，所述第二端外侧与所述通孔密封连接。

优选的是，所述中心转动环筒包括通过环肋片支撑的内筒及外筒，所述内筒及外筒之间设置有流体，用于冷却所述中心转动环筒。

优选的是，所述驱动机构包括电机，所述中心转动环筒上沿环向的至少部分设置有外环齿轮，以啮合所述电机输出轴的传动齿轮。

优选的是，所述填料函与所述中心转动环筒之间形成背向所述法兰盘的第二盲孔，所述填料函通过设置在所述第二盲孔内的深沟球轴承转动套接在所述中心转动环筒上。

优选的是，所述密封填料包括高温盘根。

优选的是，所述高温盘根之间设置有采用抗氧化石墨形成的填料环。

优选的是，所述中心转动环筒上的通孔为条形通孔，在将所述高温燃气取样器安装至中心转动环筒内后，通过开孔堵盖堵住所述条形通孔，所述高温燃气取样器的一端通过所述开孔堵盖的槽孔伸出所述中心转动环筒外。

优选的是，所述法兰盘在其与所述中心转动环筒对接处的外侧沿中心转动环筒轴向延伸有填料压盘，所述填料压盘沿中心转动环筒轴向的另一端的部分堵在所述第一盲孔的开口处，所述填料压盘另一端的其余部分以可拆卸方式连接所述填料函。

优选的是，所述填料压盘上设置有与外界连通的流体通道。

优选的是，所述法兰盘通过两个环形盘面对接而成，两个盘面之间设置有与外界连通的流体通道。

本发明所提出的外驱动高温盘根密封式旋转移位采样机构，可实现上百至上千点的数据采集，并且在密封面积如此大的情况下，做到高温燃气泄漏量在设计范围内，本机构方案通过选用耐高温填料，精确控制填料与填料函间的装配间隙，允许高温燃气有微量泄露，此方案简单有效，易于拆装，方便维修，对装配工具及装配技术要求不高，可操作性较强。

附图说明

图1是本申请航空发动机单头部燃烧室出口燃气采样装置的一优选实施例的结构示意图。

图2是本申请图1所示实施的A-A剖视图。

图3是本申请图1所示实施例的俯视图。

其中，1-中心转动环筒，2-法兰盘，3-填料函，4-深沟球轴承，5-高温盘根，6-填料压盘，7-高温燃气取样器；8-开孔堵盖，9-电机。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

本发明要解决在燃气轮机燃烧室单头部试验中在不增加阻塞比的情况下提升样气的代表性问题。为此设计了一种可在高温高压环境下安全工作的旋转采样机构，解决了燃气轮机燃烧室单头部试验中出口截面的取样代表性的问题，解决了现有测量方式取样点少、测试精度低的问题。采用外驱动盘根密封式的旋转移位采样机构，只需1支取样器在移位采样机构带动下旋转即可实现上百点至上千点的取样点数据采集，满足2点/cm²的测试要求，使得取样具有代表性，提高测试精度，同时大大降低了对截面气流的堵塞比，对气流扰动较小，能够较真实模拟燃烧室出口流动特性。本申请采用了盘根密封的方式解决了在高温高压气流作用下的旋转密封问题，用于旋转支撑的轴承通过高温盘根密封装置来尽量隔绝与高温热燃气接触，同时满足旋转的需要，使燃气泄漏量在设计范围内，保证轴承及机构在2200K、3MPa环境下稳定工作。由于单头部燃烧室圆周尺寸较小，并且中间为高温高压燃气通道，因此旋转移位采样机构采用外驱动方式。

本申请的目的是设计一种高温高压环境下的单头部燃烧室的外驱动旋转移位采样机构，用于测试燃烧效率、气态污染物和温度场，该机构可至少旋转180°，取样器安装在旋转机构上随机构旋转的过程中实现上百至上千点的数据采集。本机构的设计难点，一是解决高温高压环境下旋转移位采样机构的全环大密封面的旋转密封问题，二是作为取样器载体的中心转动环筒的高温冷却问题，三是机构出现故障的分解与维修便利性的问题等，本申请对上述问题进行了充分的考虑并给出了合理的设计，以下结合附图进行详细说明。

如图1所示，本申请航空发动机单头部燃烧室出口燃气采样装置，主要包括：

中心转动环筒1，两端转动连接有法兰盘2，并分别通过法兰盘2连接至试验器前后管道，中心转动环筒1上开有通孔，且所述中心转动环筒1受驱动机构驱动旋转；

两个密封机构，分别设置在所述中心转动环筒1的两端，任一密封机构包括填料函3，所述填料函3转动套接在所述中心转动环筒1外，并在与所述中心转动环筒1之间形成朝向所述法兰盘2的第一盲孔，所述第一盲孔内填充有密封填料，用于密封所述法兰盘与所述中心转动环筒1之间的缝隙；

高温燃气取样器7，包括自所述中心转动环筒1内伸入至试验器管道内的第一端，以及自所述通孔伸出所述中心转动环筒1外的第二端，所述第一端具有燃气采样点，并将采样结果输送到所述第二端，所述第二端外侧与所述通孔密封连接。

本实施例中，驱动机构驱动中心转动环筒1至少往复旋转180°，以带动固定在中心转动环筒1内的高温燃气取样器7转动，进而使得高温燃气取样器7的设置在试验器管道开口处或伸入试验器管道内的取样端实现上百至上千点的数据采集。

本实施例中，法兰盘2与中心转动环筒1端部连接，法兰盘2固定在试验器管道端部，而中心转动环筒1受驱动机构带动转动，必然存在法兰盘2与中心转动环筒1对接处存在间隙，需要考虑密封问题，本实施例中，通过密封机构实现密封，该密封机构(填料函3)端部连接在法兰盘上，其内壁包含两段，第一段与中心转动环筒1转动连接，例如通过轴承，第二段相对于第一段的内径更大，以与中心转动环筒1外壁之间形成容纳槽(第一盲孔)，该容纳槽设置在上述间隙处，或设置在上述间隙处向中心转动环筒1外部连接的通道之间，密封填料填充在该容纳槽内，用于对间隙进行密封。

在一些可选实施方式中，所述中心转动环筒1包括通过环肋片支撑的内筒及外筒，所述内筒及外筒之间设置有流体，用于冷却所述中心转动环筒1。中心转动环筒1作为旋转机构的核心部件，要求具有良好的冷却结构，使环筒各段受热均匀，热变形小，故障率低，环筒采用环腔结构，由内环筒、外环筒和中间环肋片组成，内环筒与外环筒间由形状不同的环肋片支撑，环肋片与内外环筒通过焊接来加固支撑，沿着环筒长度方向，内外环筒和不同的环肋片形成冷却水的流路，使冷却水可以全面地冷却环筒的每个部分，可带走大部分高温燃气传导热量，使环筒内壁温度不超过300℃，外壁温度不超过100℃，使环筒始终处于材料弹性变形范围内，保证环筒稳定工作。

在一些可选实施方式中，所述驱动机构包括电机9，所述中心转动环筒1上沿环向的至少部分设置有外环齿轮，以啮合所述电机9输出轴的传动齿轮。

本实施例中，如图2所示，为图1的A-A方向剖视图，外环齿轮例如可以设置在中心转动环筒1的中部外壁，沿周向设置有90°～360°的齿轮，图2中给出了约270°的外环齿轮，另外90°的非齿轮区域开槽，用于将高温燃气取样器7安装至中心转动环筒1内，可以理解的是，中心转动环筒1的中部外壁上若设置360°的齿轮，则用于将高温燃气取样器7安装至中心转动环筒1内槽口可以开设在齿轮所在的截面之外。

在一些可选实施方式中，所述填料函3与所述中心转动环筒1之间形成背向所述法兰盘2的第二盲孔，所述填料函3通过设置在所述第二盲孔内的深沟球轴承4转动套接在所述中心转动环筒1上。深沟球轴承4和填料函3间为紧配合，与中心转动环筒1间为松配合，深沟球轴承4通过设置在第二盲孔端部的轴承压盖压紧，高温燃气取样器7为一个独立结构，中心转动环筒1带动取样器在电机及驱动机构驱动下通过驱动齿轮和传动齿轮配合实现旋转，中心转动环筒内部采用水冷结构，冷却水可带走大部分高温燃气传导热量，使环筒外壁温度在100℃以下，深沟球轴承内环始终处于低温状态。

在一些可选实施方式中，所述密封填料包括高温盘根5。

在一些可选实施方式中，所述高温盘根5之间设置有采用抗氧化石墨形成的填料环。

高温盘根5两端用EROSEAL2302AOS盘根，最高耐温950℃，中间用CML1600抗氧化石墨做的填料环，最高耐温600℃，高温填料的设计依据中心转动环筒1直径尺寸设计，耐高温材料的选取保证盘根在高温环境中安全稳定工作。

在一些可选实施方式中，所述中心转动环筒1上的通孔为条形通孔，在将所述高温燃气取样器7安装至中心转动环筒1内后，通过开孔堵盖8堵住所述条形通孔，所述高温燃气取样器7的一端通过所述开孔堵盖8的槽孔伸出所述中心转动环筒1外。

条形通孔的结构可以参考图3，可以理解的是，高温燃气取样器7的外形为弯曲套筒结构，在中心转动环筒1开设条形通孔，便于将高温燃气取样器7自所述条形筒内伸入中心转动环筒1内，之后采用开孔堵盖8对该条形通孔进行密封，开孔堵盖8通过安装座及密封垫片安装至中心转动环筒1的条形通孔处，并且，开孔堵盖8的开孔大小适配于高温燃气取样器7的伸出中心转动环筒1外部的一端的外径，可以通过密封件后紧配合进行密封。

在一些可选实施方式中，所述法兰盘2在其与所述中心转动环筒1对接处的外侧沿中心转动环筒1轴向延伸有填料压盘6，所述填料压盘6沿中心转动环筒1轴向的另一端的部分堵在所述第一盲孔的开口处，所述填料压盘6另一端的其余部分以可拆卸方式连接所述填料函3。

如图1所示，填料压盘6可以为一个整体，也可以设置为能够相互焊接在一起的两部分，填料压盘6的一端通过例如焊接的方式固定在法兰盘2上，另一端堵在所述第一盲孔的开口处，并与填料函3通过压紧螺钉压紧连接，填料压盘6的盘根压盖和填料函3根据高温盘根选取和相关标准进行设计，高温填料在压盖作用下可起到很好的密封效果，使高温燃气泄漏量在设计范围内。可以理解的是，通过填料压盘6的盘根压盖不断压紧高温盘根，调整高温盘根与填料函和中心转动环筒1的间隙，起到了很好的密封效果。

在一些可选实施方式中，所述填料压盘6上设置有与外界连通的流体通道。

在一些可选实施方式中，所述法兰盘2通过两个环形盘面对接而成，两个盘面之间设置有与外界连通的流体通道。如图1中法兰盘上方的进水口与法兰盘下方的回水口。

本申请中，流体一般均为水，通过水冷的方式对本申请的装置进行降温，试验器前对接法兰、试验器后对接法兰、填料压盘和中心转动环筒1均采用水冷结构，另外，本申请如图1所示，高温燃气取样器7也可以设置进水口及回水口，采用水冷降温。

本申请航空发动机单头部燃烧室出口燃气采样装置应装配成一个独立整体后与试验器前后管道进行连接，具体的：

首先对旋转机构进行装配时，应先完成轴承与填料函的装配，即填料函3、深沟球轴承4和轴承压盖的配合，轴承外圈与填料函间为紧配合，然后将高温燃气取样器7、传动齿轮安装于中心转动环筒1上，并作为整体插入前后填料函形成的环腔内，直到中心转动环筒1的上轴肩与轴承相触，轴承内圈与中心转动环筒间为松配合。

接下来对前后填料函进行填料并用填料压盘6的盘根压盖进行压紧来完成本采样装置的盘根装配，最后装配驱动齿轮和电机及驱动机构，驱动机构调试完毕后完成装置的全部装配。

若在测试过程中出现故障，可先打开中心转动环筒1上的开孔堵盖8，来初步检查高温燃气取样器7、中心转动环筒1及相关连接金属软管是否出现问题，若仍不能解决问题，需要分解旋转机构来找出问题来源，此时分解的先后顺序应为：左半部分脱开试验器对接法兰和盘根压盘为整体的压紧装置，分解填料函和高温盘根，然后脱开深沟球轴承和轴承压盖组件，右半部分的分解与左半部分类似，最后分解中心转动环筒1和燃气取样器7，至此完成了机构的全部分解，在分解的过程中即可逐项查找故障来源。

本申请所提出的外驱动、高温盘根密封式的旋转移位采样装置，可实现上百至上千点的数据采集，并且在密封面积如此大的情况下，做到高温燃气泄漏量在设计范围内，本装置通过选用耐高温填料，精确控制填料与填料函间的装配间隙，允许高温燃气有微量泄露，此方案简单有效，易于拆装，方便维修，对装配工具及装配技术要求不高，可操作性较强。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.航空发动机单头部燃烧室出口燃气采样装置，其特征在于，包括：

中心转动环筒(1)，两端转动连接有法兰盘(2)，并分别通过法兰盘(2)连接至试验器前后管道，中心转动环筒(1)上开有通孔，且所述中心转动环筒(1)受驱动机构驱动旋转；

两个密封机构，分别设置在所述中心转动环筒(1)的两端，任一密封机构包括填料函(3)，所述填料函(3)转动套接在所述中心转动环筒(1)外，并在与所述中心转动环筒(1)之间形成朝向所述法兰盘(2)的第一盲孔，所述第一盲孔内填充有密封填料，用于密封所述法兰盘与所述中心转动环筒(1)之间的缝隙；

高温燃气取样器(7)，包括自所述中心转动环筒(1)内伸入至试验器管道内的第一端，以及自所述通孔伸出所述中心转动环筒(1)外的第二端，所述第一端具有燃气采样点，并将采样结果输送到所述第二端，所述第二端外侧与所述通孔密封连接。

2.根据权利要求1所述的航空发动机单头部燃烧室出口燃气采样装置，其特征在于，所述中心转动环筒(1)包括通过环肋片支撑的内筒及外筒，所述内筒及外筒之间设置有流体，用于冷却所述中心转动环筒(1)。

3.根据权利要求1所述的航空发动机单头部燃烧室出口燃气采样装置，其特征在于，所述驱动机构包括电机(9)，所述中心转动环筒(1)上沿环向的至少部分设置有外环齿轮，以啮合所述电机(9)输出轴的传动齿轮。

4.根据权利要求1所述的航空发动机单头部燃烧室出口燃气采样装置，其特征在于，所述填料函(3)与所述中心转动环筒(1)之间形成背向所述法兰盘(2)的第二盲孔，所述填料函(3)通过设置在所述第二盲孔内的深沟球轴承(4)转动套接在所述中心转动环筒(1)上。

5.根据权利要求1所述的航空发动机单头部燃烧室出口燃气采样装置，其特征在于，所述密封填料包括高温盘根(5)。

6.根据权利要求5所述的航空发动机单头部燃烧室出口燃气采样装置，其特征在于，所述高温盘根(5)之间设置有采用抗氧化石墨形成的填料环。

7.根据权利要求1所述的航空发动机单头部燃烧室出口燃气采样装置，其特征在于，所述中心转动环筒(1)上的通孔为条形通孔，在将所述高温燃气取样器(7)安装至中心转动环筒(1)内后，通过开孔堵盖(8)堵住所述条形通孔，所述高温燃气取样器(7)的一端通过所述开孔堵盖(8)的槽孔伸出所述中心转动环筒(1)外。

8.根据权利要求1所述的航空发动机单头部燃烧室出口燃气采样装置，其特征在于，所述法兰盘(2)在其与所述中心转动环筒(1)对接处的外侧沿中心转动环筒(1)轴向延伸有填料压盘(6)，所述填料压盘(6)沿中心转动环筒(1)轴向的另一端的部分堵在所述第一盲孔的开口处，所述填料压盘(6)另一端的其余部分以可拆卸方式连接所述填料函(3)。

9.根据权利要求8所述的航空发动机单头部燃烧室出口燃气采样装置，其特征在于，所述填料压盘(6)上设置有与外界连通的流体通道。

10.根据权利要求1所述的航空发动机单头部燃烧室出口燃气采样装置，其特征在于，所述法兰盘(2)通过两个环形盘面对接而成，两个盘面之间设置有与外界连通的流体通道。

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