CN111413102A - 环形燃烧室头部流场试验的模型试验件及测量装置 - Google Patents

环形燃烧室头部流场试验的模型试验件及测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种环形燃烧室头部流场试验的模型试验件及测量装置，模型试验件包括安装于测量装置的气流输出端上的涡流器安装盘、安装于涡流器安装盘上的火焰筒内环以及安装于涡流器安装盘上并环绕于火焰筒内环外的火焰筒外环，火焰筒内环与火焰筒外环之间形成用于模拟真实燃烧室的环形气腔，且环形气腔的尺寸与模拟试验的真实燃烧室内火焰筒的尺寸相符，涡流器安装盘上沿环形气腔的周向布设有多个用于安装涡流器的涡流器安装孔，且涡流器安装孔的布设间距与模拟试验的真实燃烧室内涡流器的布设间距相等，从而使测量装置的气流输出端输出的气流从安装于涡流器安装盘上的涡流器进入环形气腔中，进而使环形气腔中模拟形成真实燃烧室内的空气流场。

Description

环形燃烧室头部流场试验的模型试验件及测量装置
技术领域
本发明涉及燃烧室流场试验技术领域，特别地，涉及一种环形燃烧室头部流场试验的模型试验件及测量装置。
背景技术
燃烧室内流场对于航空发动机燃烧室而言至关重要，通常在很大程度上决定了燃油雾化与掺混、头部燃烧组织、出口温度分布等诸多方面。因此在燃烧室研制过程中经常要进行燃头部流场试验。
由于燃烧室结构复杂，内部空间狭小使得其内部流场测量变得极其困难。早期，人们运用皮托管/热线热膜仪对流场进行测量，但是它们属于接触式的单点测量，对流场有很大干扰并且测量精度不高。后来发展了激光测量方法，如激光多普勒测速仪(LaserDoppler Velocimetry，简称LDV)、相位多普勒粒子分析仪(Phase Doppler ParticleAnalyzer，简称PDPA)等，它们实现了非接触式测量，对流场没有干扰并且测量精度也获得了极大的提高，但是他们仍然是单点测量，对于燃烧室内部强湍流流场而言，单点测量还存在很大的不足和缺陷。随着计算机技术、激光技术、图像处理技术的快速发展，粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry，简称PIV)应运而生，它能够实现非接触、瞬态、全场流场的测量，并逐渐成为燃烧室内流场测量的主要手段。
现有技术缺点：1)现有燃烧室模型试验件多为矩形头部结构，未开展过全环燃烧室模型试验件研究，无法较好的模拟真实燃烧室的曲率效应对流场的影响，且矩形结构的燃烧室模型试验件两端的头部流场会受到壁面影响而失真，无法较真实的模拟两个头部流场之间的干扰情况。2)现有技术不能同时满足不同型号、不同头部数量的试验件，试验时需要更换不同焦距的测量镜头、夹具、以及转接段，这种做法既浪费时间和资源，又存在试验操作复杂和试验效率低下的缺点，并且测量结果可信度和试验重复性也不高，无法进行真实流动特性的精细化测量。3)现有PIV测量技术在测量燃烧室模型试验件时，反光较强，信噪比低。
发明内容
本发明提供了一种环形燃烧室头部流场试验的模型试验件及测量装置，以解决现有的矩形头部结构的模型试验件安装于现有的测量装置上进行试验时无法真实地模拟火焰筒的真实结构，且试验操作复杂和试验效率低下的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种环形燃烧室头部流场试验的模型试验件，用于安装于测量装置的气流输出端上，以模拟真实燃烧室进行流场试验，模型试验件包括安装于测量装置的气流输出端上的涡流器安装盘、安装于涡流器安装盘上的火焰筒内环以及安装于涡流器安装盘上并环绕于火焰筒内环外的火焰筒外环，火焰筒内环与火焰筒外环之间形成用于模拟真实燃烧室的环形气腔，且环形气腔的尺寸与模拟试验的真实燃烧室内火焰筒的尺寸相符，涡流器安装盘上沿环形气腔的周向布设有多个用于安装涡流器的涡流器安装孔，且涡流器安装孔的布设间距与模拟试验的真实燃烧室内涡流器的布设间距相等，从而使测量装置的气流输出端输出的气流从安装于涡流器安装盘上的涡流器进入环形气腔中，进而使环形气腔中模拟形成真实燃烧室内的空气流场。
进一步地，火焰筒外环和火焰筒内环采用透光材质，使PIV测量系统发射的激光沿火焰筒外环的径向透射至环形气腔内并避免环形气腔的内表面产生强烈的反射光。
根据本发明的另一方面，还提供一种环形燃烧室头部流场的测量装置，用于测得上述环形燃烧室头部流场试验的模型试验件内的空气流场，以模拟获得真实燃烧室内的空气流场，测量装置包括定位系统、供气系统以及PIV测量系统；定位系统包括安装于光学平台上的安装座以及安装于安装座上并与供气系统连接的用于安装模拟试验件的气流输送机构；供气系统包括用于提供气流的气源装置以及用于提供示踪粒子的示踪粒子发生器，气源装置设有用于与气流输送机构连通的主气流输出管路以及与主气流输出管路连通并与示踪粒子发生器连接的副气流输出管路，且示踪粒子发生器的示踪粒子输出口与气流输送机构连通，从而使气源装置产生的一部分气流从主气流输出管路输送至进气管道中，使气源装置产生的另一部分气流从副气流输出管路输送至示踪粒子发生器中并与示踪粒子混合后输送至进气管道中，使气流经气流输送机构从涡流器进入环形气腔中，从而使环形气腔中形成空气流场和示踪粒子的速度场；PIV测量系统包括用于向环形气腔发射激光以照亮示踪粒子的激光发射单元、用于连续获取示踪粒子的位置图像的图像获取单元以及与图像获取单元连接的用于控制图像获取单元并对示踪粒子的位置图像进行分析和处理的分析处理单元，通过分析处理单元对示踪粒子的位置图像进行分析和处理后，从而测得环形气腔所模拟的真实燃烧室内的空气流场。
进一步地，气流输送机构包括安装于安装座上并与供气系统连接的稳压筒，与稳压筒的出气端连接的外锥套以及装设于外锥套内的内锥心，外锥套和内锥心的径向尺寸均沿气流输送方向逐渐变大，涡流器安装盘固定于外锥套的出气端上，内锥心固定于涡流器安装盘的内端面上，从而使外锥套与内锥心之间形成与环形气腔连通的环形通道。
进一步地，稳压筒通过轴承与安装座转动连接，外锥套的进气端通过固定圈与稳压筒的出气端密封连接，定位系统还包括旋转机构，旋转机构的固定端安装于安装座上，旋转机构的活动端与固定圈连接。
进一步地，稳压筒的进气端设有进气管，进气管沿轴向开设有与主气流输送管路连通的主气流口，进气管沿径向开设有与示踪粒子发生器的示踪粒子输出口连通的副气流口。
进一步地，图像获取单元包括正对环形气腔拍摄图像的CCD相机以安装于CCD相机的拍摄镜头前端的用于根据环形气腔径向尺寸的大小调节CCD相机的视场范围的可变视场透镜。
进一步地，图像获取单元还包括安装于可变视场透镜前端的用于将试验背景光滤除的滤光镜，以避免试验背景光对获取的图像造成干扰。
进一步地，图像获取单元还包括安装于可变视场透镜上的反射光消光元件，以避免环形气腔的内表面上的反光对获取的图像造成干扰。
进一步地，PIV测量系统还包括分别连接激光发射单元和分析处理单元的同步控制单元，通过同步控制单元控制激光发射单元的激光发射频率和图像获取单元获取图像的时间相匹配。
本发明具有以下有益效果：
本发明的环形燃烧室头部流场试验的模型试验件，通过将涡流器安装盘安装于测量装置的气流输出端上，通过安装于涡流器安装盘上的火焰筒内环和火焰筒外环之间形成用于模拟真实燃烧室的环形气腔，通过在涡流器安装盘上沿环形气腔的周向布设多个用于安装涡流器的涡流器安装孔，且涡流器安装孔之间的布设间距与模拟试验的真实燃烧室内涡流器的布设间距相等，从而使测量装置的气流输出端输出的气流从涡流器进入环形气腔中，使环形气腔中形成所模拟的真实燃烧室内的空气流场，环形气腔更好的模拟出真实燃烧室的曲线效率对流场的影响，并且所有涡流器处的流场均不会受内表面影响而失真，能更真实地模拟出两个涡流器处流场之间的干扰情况，此外，模型试验件易于安装，有利于提高试验效率。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的模型试验件的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的测量装置的结构示意图；
图3是本发明优选实施例的测量装置的结构示意图。
图例说明：
1、模型试验件；11、涡流器安装盘；12、火焰筒外环；13、火焰筒内环；2、供气系统；21、气源装置；22、示踪粒子发生器；3、定位系统；31、安装座；32、气流输送机构；321、进气管；322、稳压筒；323、外锥套；324、内锥心；325、固定圈；33、旋转机构；4、PIV测量系统；41、激光器；42、CCD相机；43、计算机；44、可变视场透镜；45、反射光消光元件；46、滤光镜；47、同步器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
图1是本发明优选实施例的模型试验件的结构示意图；图2是本发明优选实施例的测量装置的结构示意图；图3是本发明优选实施例的测量装置的结构示意图。
如图1所示，本实施例的环形燃烧室头部流场试验的模型试验件1，用于安装于测量装置的气流输出端上，以模拟真实燃烧室进行流场试验，模型试验件1包括安装于测量装置的气流输出端上的涡流器安装盘11、安装于涡流器安装盘11上的火焰筒内环13以及安装于涡流器安装盘11上并环绕于火焰筒内环13外的火焰筒外环12，火焰筒内环13与火焰筒外环12之间形成用于模拟真实燃烧室的环形气腔，且环形气腔的尺寸与模拟试验的真实燃烧室内火焰筒的尺寸相符，涡流器安装盘11上沿环形气腔的周向布设有多个用于安装涡流器的涡流器安装孔，且涡流器安装孔的布设间距与模拟试验的真实燃烧室内涡流器的布设间距相等，从而使测量装置的气流输出端输出的气流从涡流器进入环形气腔中，使环形气腔中形成所模拟的真实燃烧室内的空气流场。本发明的环形燃烧室头部流场试验的模型试验件1，通过将涡流器安装盘11安装于测量装置的气流输出端上，通过安装于涡流器安装盘11上的火焰筒内环13和火焰筒外环12之间形成用于模拟真实燃烧室的环形气腔，通过在涡流器安装盘11上沿环形气腔的周向布设多个用于安装涡流器的涡流器安装孔，且涡流器安装孔之间的布设间距与模拟试验的真实燃烧室内涡流器的布设间距相等，从而使测量装置的气流输出端输出的气流从涡流器进入环形气腔中，使环形气腔中形成所模拟的真实燃烧室内的空气流场，环形气腔更好的模拟出真实燃烧室的曲线效率对流场的影响，并且所有涡流器处的流场均不会受内表面影响而失真，能更真实地模拟出两个涡流器处流场之间的干扰情况，此外，模型试验件1易于安装，有利于提高试验效率。
如图1所示，火焰筒外环12和火焰筒内环13采用透光材质，使PIV测量系统4发射的激光沿火焰筒外环12的径向透射至环形气腔内并避免环形气腔的内表面产生强烈的反射光。
如图2和图3所示，本实施例的环形燃烧室头部流场的测量装置，用于测得上述环形燃烧室头部流场试验的模型试验件1内空气流场以模拟获得真实燃烧室内的空气流场，测量装置包括定位系统3、供气系统2以及PIV测量系统4；定位系统3包括安装于光学平台上的安装座31以及安装于安装座31上并与供气系统2连接的用于安装模拟试验件的气流输送机构32；供气系统2包括用于提供气流的气源装置21以及用于提供示踪粒子的示踪粒子发生器22，气源装置21设有用于与气流输送机构32连通的主气流输出管路以及与主气流输出管路连通并与示踪粒子发生器22连接的副气流输出管路，且示踪粒子发生器22的示踪粒子输出口与气流输送机构32连通，从而使气源装置21产生的一部分气流从主气流输出管路输送至进气管道中，使气源装置21产生的另一部分气流从副气流输出管路输送至示踪粒子发生器22中并与示踪粒子混合后输送至进气管道中，使气流经气流输送机构32从涡流器进入环形气腔中，从而使环形气腔中形成空气流场和示踪粒子的速度场；PIV测量系统4包括用于向环形气腔发射激光以照亮示踪粒子的激光发射单元、用于连续获取示踪粒子的位置图像的图像获取单元以及与图像获取单元连接的用于控制图像获取单元并对示踪粒子的位置图像进行分析和处理的分析处理单元，通过分析处理单元对示踪粒子的位置图像进行分析和处理后，从而测得环形气腔所模拟的真实燃烧室内的空气流场。
如图2和图3所示，气流输送机构32包括安装于安装座31上并与供气系统2连接的稳压筒322，与稳压筒322的出气端连接的外锥套323以及装设于外锥套323内的内锥心324，外锥套323和内锥心324的径向尺寸均沿气流输送方向逐渐变大，涡流器安装盘11固定于外锥套323的出气端上，内锥心324固定于涡流器安装盘11的内端面上，从而使外锥套323与内锥心324之间形成与环形气腔连通的环形通道。稳压筒322的进气端设有进气管321，进气管321沿轴向开设有与主气流输送管路连通的主气流口，进气管321沿径向开设有与示踪粒子发生器22的示踪粒子输出口连通的副气流口。稳压筒322内布设有多块整流板，以将主气流和带有示踪粒子的气流混合均匀。混合均匀的气流从稳压筒322输出至环形通道中，然后从涡流器输出至环形气腔中。
如图2和图3所示，稳压筒322通过轴承与安装座31转动连接，外锥套323的进气端通过固定圈325与稳压筒322的出气端密封连接，定位系统3还包括旋转机构33，旋转机构33的固定端安装于安装座31上，旋转机构33的活动端与固定圈325连接。激光发射单元发射的激光沿环形气腔的径向射入环形气腔中，从而使环形气腔中形成激光照射区域。图像获取单元沿环形气腔的轴向对环形气腔进行拍摄以连续获取示踪粒子的位置图像，从而使环形气腔中形成图像获取区域。激光照射区域和图像获取区域重叠的区域为流场测量区域。可选地，当模型试验件1的环形气腔尺寸较大时，激光发射单元发射的激光和/或图像获取单元拍摄范围无法完全覆盖。试验前，通过控制旋转机构33带动稳压筒322、锥形套以及安装于锥形套上的模型试验件1转动调节，使所需试验的模型试验件1中所需试验的区域调节至流场测量区域。此外，由于激光发射单元发射的激光沿环形气腔的径向穿过一层火焰筒外环12射入环形气腔中靠近激光发射单元的区域，再穿过两层火焰筒内环13射入环形气腔中远离激光发射单元的区域，因此环形气腔中远离激光发射单元的区域的激光能量衰减而无法对整个环形气腔进行整体测量，通过旋转机构33将环形气腔的不同区域转动至靠近激光发射单元的区域进行试验，再通过分析处理单元将不同区域的试验结果进行整合，从而获得整个环形气腔的流场试验结果。
如图2和图3所示，图像获取单元包括正对环形气腔拍摄图像的CCD相机42以安装于CCD相机42的拍摄镜头前端的用于根据环形气腔径向尺寸的大小调节CCD相机42的视场范围的可变视场透镜44。图像获取单元还包括安装于可变视场透镜44前端的用于将试验背景光滤除的滤光镜46，以避免试验背景光对获取的图像造成干扰。图像获取单元还包括安装于可变视场透镜44上的反射光消光元件45，以避免环形气腔的内表面上的反光对获取的图像造成干扰。
如图2和图3所示，PIV测量系统4还包括分别连接激光发射单元和分析处理单元的同步控制单元，通过同步控制单元控制激光发射单元的激光发射频率和图像获取单元获取图像的时间相匹配。在本实施例中，分析处理单元为计算机43，计算机43与CCD相机42连接。激光发射单元为激光器41。同步控制单元为同步器47。同步器47分别与激光器41和计算机43连接，从而控制激光器41的激光发射、CCD相机42的图像拍摄以及计算机43的图像分析处理三者相同步。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种环形燃烧室头部流场试验的模型试验件，用于安装于测量装置的气流输出端上，以模拟真实燃烧室进行流场试验，
其特征在于，
模型试验件(1)包括安装于测量装置的气流输出端上的涡流器安装盘(11)、安装于涡流器安装盘(11)上的火焰筒内环(13)以及安装于涡流器安装盘(11)上并环绕于火焰筒内环(13)外的火焰筒外环(12)，
火焰筒内环(13)与火焰筒外环(12)之间形成用于模拟真实燃烧室的环形气腔，且环形气腔的尺寸与模拟试验的真实燃烧室内火焰筒的尺寸相符，
涡流器安装盘(11)上沿环形气腔的周向布设有多个用于安装涡流器的涡流器安装孔，且涡流器安装孔的布设间距与模拟试验的真实燃烧室内涡流器的布设间距相等，从而使测量装置的气流输出端输出的气流从安装于涡流器安装盘(11)上的涡流器进入环形气腔中，进而使环形气腔中模拟形成真实燃烧室内的空气流场。
2.根据权利要求1所述的环形燃烧室头部流场试验的模型试验件，其特征在于，
火焰筒外环(12)和火焰筒内环(13)采用透光材质，使PIV测量系统(4)发射的激光沿火焰筒外环(12)的径向透射至环形气腔内并避免环形气腔的内表面产生强烈的反射光。
3.一种环形燃烧室头部流场的测量装置，其特征在于，用于测得权利要求1-2任一所述的环形燃烧室头部流场试验的模型试验件(1)内的空气流场，以模拟获得真实燃烧室内的空气流场，
测量装置包括定位系统(3)、供气系统(2)以及PIV测量系统(4)；
定位系统(3)包括安装于光学平台上的安装座(31)以及安装于安装座(31)上并与供气系统(2)连接的用于安装模拟试验件的气流输送机构(32)；
供气系统(2)包括用于提供气流的气源装置(21)以及用于提供示踪粒子的示踪粒子发生器(22)，气源装置(21)设有用于与气流输送机构(32)连通的主气流输出管路以及与主气流输出管路连通并与示踪粒子发生器(22)连接的副气流输出管路，且示踪粒子发生器(22)的示踪粒子输出口与气流输送机构(32)连通，从而使气源装置(21)产生的一部分气流从主气流输出管路输送至进气管道中，使气源装置(21)产生的另一部分气流从副气流输出管路输送至示踪粒子发生器(22)中并与示踪粒子混合后输送至进气管道中，使气流经气流输送机构(32)从涡流器进入环形气腔中，从而使环形气腔中形成空气流场和示踪粒子的速度场；
PIV测量系统(4)包括用于向环形气腔发射激光以照亮示踪粒子的激光发射单元、用于连续获取示踪粒子的位置图像的图像获取单元以及与图像获取单元连接的用于控制图像获取单元并对示踪粒子的位置图像进行分析和处理的分析处理单元，通过分析处理单元对示踪粒子的位置图像进行分析和处理后，从而测得环形气腔所模拟的真实燃烧室内的空气流场。
4.根据权利要求3所述的环形燃烧室头部流场的测量装置，其特征在于，
气流输送机构(32)包括安装于安装座(31)上并与供气系统(2)连接的稳压筒(322)，与稳压筒(322)的出气端连接的外锥套(323)以及装设于外锥套(323)内的内锥心(324)，
外锥套(323)和内锥心(324)的径向尺寸均沿气流输送方向逐渐变大，涡流器安装盘(11)固定于外锥套(323)的出气端上，内锥心(324)固定于涡流器安装盘(11)的内端面上，从而使外锥套(323)与内锥心(324)之间形成与环形气腔连通的环形通道。
5.根据权利要求4所述的环形燃烧室头部流场的测量装置，其特征在于，
稳压筒(322)通过轴承与安装座(31)转动连接，外锥套(323)的进气端通过固定圈(325)与稳压筒(322)的出气端密封连接，定位系统(3)还包括旋转机构(33)，旋转机构(33)的固定端安装于安装座(31)上，旋转机构(33)的活动端与固定圈(325)连接。
6.根据权利要求4所述的环形燃烧室头部流场的测量装置，其特征在于，
稳压筒(322)的进气端设有进气管(321)，进气管(321)沿轴向开设有与主气流输送管路连通的主气流口，进气管(321)沿径向开设有与示踪粒子发生器(22)的示踪粒子输出口连通的副气流口。
7.根据权利要求3所述的环形燃烧室头部流场的测量装置，其特征在于，
图像获取单元包括正对环形气腔拍摄图像的CCD相机(42)以安装于CCD相机(42)的拍摄镜头前端的用于根据环形气腔径向尺寸的大小调节CCD相机(42)的视场范围的可变视场透镜(44)。
8.根据权利要求7所述的环形燃烧室头部流场的测量装置，其特征在于，
图像获取单元还包括安装于可变视场透镜(44)前端的用于将试验背景光滤除的滤光镜(46)，以避免试验背景光对获取的图像造成干扰。
9.根据权利要求7所述的环形燃烧室头部流场的测量装置，其特征在于，
图像获取单元还包括安装于可变视场透镜(44)上的反射光消光元件(45)，以避免环形气腔的内表面上的反光对获取的图像造成干扰。
10.根据权利要求3所述的环形燃烧室头部流场的测量装置，其特征在于，
PIV测量系统(4)还包括分别连接激光发射单元和分析处理单元的同步控制单元，通过同步控制单元控制激光发射单元的激光发射频率和图像获取单元获取图像的时间相匹配。
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