CN111610028A - 一种适用于高温高压矩形试验件的移位测温装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于高温高压矩形试验件的移位测温装置，由水冷后测量段腔体、移位机构安装座、移位机构、移位杆、气冷式密封条和多点测温耙组成；整个测量段腔体采用合理的水冷结构实现了高温高压条件下的长时工作；移位机构采用步进电机带动，配合气冷式密封条，实现了传感器在高温高压条件下的“连续”直线移动和“脉冲”直线移动；多点测温耙采用无冷却、全陶瓷结构，避免了水冷或气冷结构对测量结果的干扰，能有效提高测量精度，同时该结构体积小，对燃烧室内流场干扰小。本专利提出的移位测温装置有效解决了燃气轮机矩形燃烧室出口温度分布测量难题，能够实现整个矩形燃烧室出口截面燃气温度的扫描式测量。

Description

一种适用于高温高压矩形试验件的移位测温装置
技术领域
本发明属于燃气轮机燃烧室及其他燃烧装置的实验研究领域，涉及一种适用于高温高压矩形试验件的移位测温装置，具体是一种适用于矩形通道内高温高压环境下燃气温度的移位测量装置。
背景技术
燃气轮机燃烧室和其他燃烧装置是氧化剂和燃料进行混合燃烧的场所，在燃烧室中将燃料的化学能转化为热能。燃气温度是燃烧室的主要参数之一，需要在燃烧室设计、试验以及部件匹配过程中考虑燃气温度的高低和分布。
以燃气轮机燃烧室为例，涡轮叶片由于同时受机械应力和热应力的影响，导致涡轮对燃烧室出口温度分布有着其特殊要求，因此在燃烧室试验研究中需要准确获得燃烧室出口的温度分布特性。对于先进燃气轮机燃烧室，内部压力高达20～50个大气压，出口平均燃气温度高达1800K以上，热点温度更是高达2000K，如此恶劣的测量环境就要求更加合理的移位机构和热电偶耙设计，保证燃烧室出口截面温度测量的准确性和测量设备的安全性。
针对燃烧室出口测温移位机构，中国航发沈阳发动机研究所申请的专利201721718976.8适用于燃烧室出口参数测量的旋转装置，该装置适用于全环燃烧室的出口温度、燃气取样等实验研究。由于全环燃烧室试验成本昂贵，一般只在最后方案定型阶段进行。在燃烧室方案初步验证和优化阶段，大量的实验研究是在单头部矩形或多头部矩形试验件上开展，因此需要设计适用于矩形通道内高温高压环境下的移位机构。
针对多点测温耙，专利2017108765255提出了一种带水冷结构的多点测温耙，专利201610006837.6提出了一种同时测量燃气轮机燃烧室出口温度与燃烧产物浓度的装置与方法。由于现有的测温耙多采用水冷结构或气冷结构，一方面导致测温耙体积大，对燃烧室内流动影响较大；另一方面不合理的冷却结构会对温度测量结果产生较大影响。为此将提出一种适用于高温环境的无冷却多点测温耙。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种适用于高温高压矩形试验件的移位测温装置。在燃气轮机燃烧室试验研究中，为了降低试验成本并缩短研发周期，前期多采用单头部矩形或多头部矩形燃烧室试验件开展性能试验研究。为了解决高温高压矩形燃烧室出口温度测量困难的问题，提出了一种适用于高温高压矩形试验件的移位测温装置，并对现有的多点测温耙进行优化设计，提高移位测温装置的安全性和测量的准确性。
技术方案
一种适用于高温高压矩形试验件的移位测温装置，其特征在于包括水冷后测量段腔体5、移位机构7、移位杆8、气冷式密封条9和多点测温耙10；水冷后测量段腔体5壁为循环连通空腔，空腔上端设有出水接头14，下端设有进水接头13，两端设有水冷后测量段前法兰11和水冷后测量段后法兰12；水冷后测量段腔体5上端面的移位机构安装座6上设有移位机构7，通过移位杆8与气冷式密封条9连接，气冷式密封条9安装在燕尾槽基座15内；气冷式密封条9中部上设有多点测温耙10，多点测温耙主体28伸向水冷后测量段腔体5的腔体内，两端设有冷却空气进口24，与气冷式密封条9内的空腔连通；多点测温耙主体28内，设有多个热电偶丝29，从上至下排布在多点测温耙主体28中形成多个热电偶测点30；所述移位机构7包括步进电机18、丝杠19、底座20、滑块21和滑块连接件22，底座20两端的支架上连接丝杠19，丝杠19上设有滑块21，一端与步进电机18轴连接，滑块21与移位杆8连接。
所述移位机构7的步进电机18由控制器31和驱动器32进行控制，由滑块21和移位杆8带动多点测温耙10在水冷后测量段腔体5内移动。
所述水冷后测量段前法兰11、水冷后测量段后法兰12、燕尾槽基座15、水冷后测量段内壁16和水冷后测量段外壁17焊接而成。
所述进水接头13和出水接头14分别焊接在水冷后测量段外壁17的下壁面和上壁面，“下进上出”的冷却水循环方式能够保证测量段得到有效冷却。
所述气冷式密封条9的气冷式密封条基座23、冷却空气进口24和气冷式密封条盖板25焊接而成。
所述多个热电偶测点30位于多点测温耙10迎风侧，并沿径向位置均匀布置1～10个。
所述气冷式密封条基座23靠燃气侧布置的冷却孔26直径为0.5～3mm，相邻冷却孔间隔为5～10mm，冷却孔采用斜切孔结构，与燃气来流方向夹角为30°～60°，防止冷却空气影响测温耙测量精度。
所述燕尾槽基座15中的燕尾槽夹角为30°～60°，以满足不同类型燃烧室实验压力要求。
有益效果
本发明提出的一种适用于高温高压矩形试验件的移位测温装置，由水冷后测量段腔体、移位机构安装座、移位机构、移位杆、气冷式密封条和多点测温耙组成；整个测量段腔体采用合理的水冷结构实现了高温高压条件下的长时工作；移位机构采用步进电机带动，配合气冷式密封条，实现了传感器在高温高压条件下的“连续”直线移动和“脉冲”直线移动；多点测温耙采用无冷却、全陶瓷结构，避免了水冷或气冷结构对测量结果的干扰，能有效提高测量精度，同时该结构体积小，对燃烧室内流场干扰小。本专利提出的移位测温装置有效解决了燃气轮机矩形燃烧室出口温度分布测量难题，能够实现整个矩形燃烧室出口截面燃气温度的扫描式测量。
有益效果：
本发明提出的一种适用于高温高压矩形试验件的移位测温装置，移位测温部分由测量段腔体、移位机构和多点测温耙组成。整个测量段腔体采用合理的水冷结构，实现了高温高压条件下的长时安全工作。移位机构采用步进电机带动，能够实现传感器在高温高压条件下的“连续”直线移动和“脉冲”直线移动。多点测温耙采用无冷却全陶瓷结构，避免了水冷或气冷结构对测量结果的干扰，能有效提高测量精度，同时该结构体积小，对燃烧室内流场干扰小。因此，本专利提出的移位测温装置有效解决了燃气轮机矩形燃烧室出口温度分布测量难题，能够实现整个矩形出口截面燃气温度的扫描式测量。
本发明与现有技术相比所具有的优点如下：
1)目前针对高温高压矩形燃烧室出口截面燃气温度的研究，大部分采用固定式传感器测量，忽略了整个平面的分布不均匀性。为了解决这一问题，本专利提出的一种适用于高温高压矩形试验件的移位测温装置，采用燕尾槽结构配合气冷式密封条进行高温高压燃气密封，采用自动移位机构进行直线移动，从而实现燃烧室整个出口截面的温度测量。
2)为了准确测量燃烧室出口的温度分布，避免目前多点测温耙采用水冷或气冷结构对测量结果的干扰，本发明提出了一种无冷却全陶瓷结构多点测温耙。由于无冷却结构，一方面降低了陶瓷遇冷炸裂的风险，另一方面避免了因冷却而带来较大的导热误差。因此可以认为该多点测温耙测量出来的温度即为真实燃气温度。
3)针对燃烧室出口总压以及燃气组分浓度分布，只需要将本专利中的多点测温耙换装为相应的传感器，就能实现高温高压矩形燃烧室出口截面总压以及燃气组分浓度分布等性能参数的测量
附图说明
图1为高温高压矩形燃烧室试验系统图。
图2为本发明的移位测温装置三维轴侧图。
图3分别为水冷后测量段腔体三维轴测图和剖视图。
图4为移位机构三维轴测图。
图5分别为气冷式密封条三维轴测图和剖视图、热电偶剖视图。
图6为步进电机控制系统图。
图中：1-前测量段，2-燃烧室，3-后测量段，4-排气段，5-水冷后测量段腔体，6-移位机构安装座，7-移位机构，8-移位杆，9-气冷式密封条，10-多点测温耙，11-水冷后测量段前法兰，12-水冷后测量段后法兰，13-进水接头，14-出水接头，15-燕尾槽基座，16-水冷后测量段内壁，17-水冷后测量段外壁，18-步进电机，19-丝杠，20-底座，21-滑块，22-滑块连接件，23-气冷式密封条基座，24-冷却空气进口，25-气冷式密封条盖板，26-冷却孔，27-多点测温耙安装座，28-多点测温耙主体，29-热电偶丝，30-热电偶测点，31-控制器，32-驱动器
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明提出的一种适用于高温高压矩形试验件的移位测温装置，主要由水冷后测量段腔体5、移位机构安装座6、移位机构7、移位杆8、气冷式密封条9和多点测温耙10组成。所述的水冷后测量段腔体5由水冷后测量段前法兰11、水冷后测量段后法兰12、燕尾槽基座15、水冷后测量段内壁16和水冷后测量段外壁17焊接而成，进水接头13和出水接头14分别焊接在水冷后测量段外壁17上，通过水冷环腔实现后测量段在高温下的长时工作；所述的移位机构7由步进电机18、丝杠19、底座20、滑块21和滑块连接件22组成，并通过移位机构安装座6固定在水冷后测量段腔体5上；所述的气冷式密封条9由气冷式密封条基座23、冷却空气进口24和气冷式密封条盖板25焊接而成，气冷式密封条9安装在燕尾槽基座15内；所述的气冷式密封条基座23燃气侧布置有多个冷却孔26；所述的移位杆8焊接在气冷式密封条9上；所述的多点测温耙10由多点测温耙安装座27、多点测温耙主体28和热电偶丝29组成，热电偶丝29穿在多点测温耙主体28中，在多点测温耙10迎风侧沿径向位置布置多个热电偶测点30；所述的多点测温耙10通过螺栓安装在气冷式密封条9上。所述的移位机构7由控制器31和驱动器32进行控制，从而实现燃烧室出口截面温度分布的扫描式测量。
进一步的，移位机构7匹配控制器31和驱动器32，通过编程能够实现传感器的“连续”直线移动和“脉冲”直线移动两种功能。
进一步的，水冷后测量段腔体5中进水接头13焊接在水冷后测量段外壁17的下壁面，出水接头14焊接在水冷后测量段外壁17的上壁面，“下进上出”的冷却水循环方式能够保证后测量段得到有效冷却。
进一步的，气冷式密封条基座23燃气侧布置的冷却孔26直径为0.5～3mm，相邻冷却孔间隔为5～10mm，冷却孔采用斜切孔结构，与燃气来流方向夹角为30°～60°，防止冷却空气影响测温耙测量精度。
进一步的，燕尾槽基座15中的燕尾槽夹角为30°～60°，以满足不同类型燃烧室实验压力要求。
进一步的，多点测温耙10中的多点测温耙主体28采用一体化、无冷却设计，由高纯陶瓷材料制成，热电偶测点30在多点测温耙主体28迎风侧沿径向均匀布置1～10个，测温范围为0～1800℃。
如图1所示，在高温高压矩形燃烧室试验系统中，本实施例试验件主要由前测量段1、燃烧室2、后测量段3和排气段4组成，新鲜空气经加温加压后从前测量段1进入燃烧室2，在燃烧室2中与燃料进行混合燃烧，后测量段3主要对燃烧室出口的燃气温度、压力和燃气组分浓度进行扫描式测量，燃气经排气段4排出。
如图2所示，本实施例的一种适用于高温高压矩形试验件的移位测温装置，安装在后测量段3处，主要由水冷后测量段腔体5、移位机构安装座6、移位机构7、移位杆8、气冷式密封条9和多点测温耙10组成。移位机构7通过移位机构安装座6固定在水冷后测量段腔体5上，气冷式密封条9安装在水冷后测量段腔体5上的燕尾槽基座15内。多点测温耙10通过螺栓安装在气冷式密封条9上，移位杆8焊接在气冷式密封条9上。所述的移位机构7通过移位杆8驱动气冷式密封条9在燕尾槽基座15中滑动，从而带动多点测温耙10进行直线移动，对燃烧室出口的燃气温度进行扫描式测量。本专利是以多点测温耙为例进行说明的，如果将本专利中的多点测温耙10换装为多点总压耙或多点采样耙等传感器，就能实现高温高压矩形燃烧室出口截面总压分布以及燃气组分浓度分布等性能参数的测量。
如图3所示，水冷后测量段腔体5由水冷后测量段前法兰11、水冷后测量段后法兰12、进水接头13、出水接头14、燕尾槽基座15、水冷后测量段内壁16和水冷后测量段外壁17组成。所述的水冷后测量段前法兰11、水冷后测量段后法兰12、燕尾槽基座15、水冷后测量段内壁16和水冷后测量段外壁17焊接在一起形成水冷环腔，进水接头13焊接在水冷后测量段外壁17的下壁面，出水接头14焊接在水冷后测量段外壁17的上壁面，冷却水从进水接头13进入水冷环腔，随后从出水接头14流出，“下进上出”的冷却水循环方式保证后测量段腔体得到有效冷却。所述的燕尾槽基座15中燕尾槽的夹角为30°～60°，以满足不同类型燃烧室实验压力要求。
如图4所示，移位机构7由底座20、步进电机18、丝杠19、滑块21和滑块连接件22组成，滑块连接件22与滑块21通过螺栓连接。在实际工作过程中，所述的步进电机18驱动丝杠19转动，滑块21和滑块连接件22在丝杠19的转动下做直线移动。
如图5所示，多点测温耙10通过螺栓安装在气冷式密封条9上。所述的气冷式密封条9由气冷式密封条基座23、冷却空气进口24和气冷式密封条盖板25焊接而成。所述的气冷式密封条基座23靠燃气侧布置的冷却孔26直径为0.5～3mm，相邻冷却孔间隔为5～10mm，冷却孔采用斜切孔结构，与燃气来流方向夹角为30°～60°，防止冷却空气影响测温耙测量精度。所述的多点测温耙10由多点测温耙安装座27、多点测温耙主体28和热电偶丝29组成。所述的多点测温耙主体28采用一体化无冷却设计，由高纯陶瓷材料制成，多根热电偶丝29穿在多点测温耙主体28中，在多点测温耙主体28迎风侧沿径向形成多个热电偶测点30，热电偶测点30沿径向布置1～10个，耐温高达1600～1800℃。
如图6所示，步进电机18的控制系统由控制器31、驱动器32和步进电机18组成，控制器31发出控制信号给驱动器32，进而驱动步进电机18做相应的运动。移位机构7匹配控制器31和驱动器32，通过编程能够实现测量传感器的“连续”直线移动和“脉冲”直线移动两种功能。
本发明的工作过程如下：
本发明设计了一种适用于高温高压矩形试验件的移位测温装置，控制器31给驱动器32发出控制信号，驱动步进电机18做相应的运动。步进电机18带动丝杠19转动，滑块21在丝杠19上实现直线移动，滑块21带动着滑块连接件22、移位杆8、气冷式密封条9和多点测温耙10做直线移动，从而实现高温高压条件下矩形燃烧室出口截面温度分布的扫描式测量。
本发明是通过测量高温高压条件下矩形燃烧室出口截面温度分布进行论述的，也可以将多点测温耙替换为多点测温耙或多点取样耙等传感器，实现矩形燃烧室出口总压分布或燃气组分浓度等参数的测量。

Claims (8)

1.一种适用于高温高压矩形试验件的移位测温装置，其特征在于包括水冷后测量段腔体(5)、移位机构(7)、移位杆(8)、气冷式密封条(9)和多点测温耙(10)；水冷后测量段腔体(5)壁为循环连通空腔，空腔上端设有出水接头(14)，下端设有进水接头(13)，两端设有水冷后测量段前法兰(11)和水冷后测量段后法兰(12)；水冷后测量段腔体(5)上端面的移位机构安装座(6)上设有移位机构(7)，通过移位杆(8)与气冷式密封条(9)连接，气冷式密封条(9)安装在燕尾槽基座(15)内；气冷式密封条(9)中部上设有多点测温耙(10)，多点测温耙主体(28)伸向水冷后测量段腔体(5)的腔体内，两端设有冷却空气进口(24)，与气冷式密封条(9)内的空腔连通；多点测温耙主体(28)内，设有多个热电偶丝(29)，从上至下排布在多点测温耙主体(28)中形成多个热电偶测点(30)；所述移位机构(7)包括步进电机(18)、丝杠(19)、底座20)、滑块(21)和滑块连接件(22)，底座(20)两端的支架上连接丝杠(19)，丝杠(19)上设有滑块(21)，一端与步进电机(18)轴连接，滑块(21)与移位杆(8)连接。
2.根据权利要求1所述适用于高温高压矩形试验件的移位测温装置，其特征在于：所述移位机构(7)的步进电机(18)由控制器31)和驱动器(32)进行控制，由滑块(21)和移位杆(8)带动多点测温耙(10)在水冷后测量段腔体(5)内移动。
3.根据权利要求1所述适用于高温高压矩形试验件的移位测温装置，其特征在于：所述水冷后测量段前法兰(11)、水冷后测量段后法兰(12)、燕尾槽基座(15)、水冷后测量段内壁(16)和水冷后测量段外壁(17)焊接而成。
4.根据权利要求1所述适用于高温高压矩形试验件的移位测温装置，其特征在于：所述进水接头(13)和出水接头(14)分别焊接在水冷后测量段外壁(17)的下壁面和上壁面，“下进上出”的冷却水循环方式能够保证测量段得到有效冷却。
5.根据权利要求1所述适用于高温高压矩形试验件的移位测温装置，其特征在于：所述气冷式密封条(9)的气冷式密封条基座(23)、冷却空气进口(24)和气冷式密封条盖板(25)焊接而成。
6.根据权利要求1所述适用于高温高压矩形试验件的移位测温装置，其特征在于：所述多个热电偶测点(30)位于多点测温耙(10)迎风侧，并沿径向位置均匀布置1～10个。
7.根据权利要求1所述适用于高温高压矩形试验件的移位测温装置，其特征在于：所述气冷式密封条基座(23)靠燃气侧布置的冷却孔(26)直径为0.5～3mm，相邻冷却孔间隔为5～10mm，冷却孔采用斜切孔结构，与燃气来流方向夹角为30°～60°，防止冷却空气影响测温耙测量精度。
8.根据权利要求1所述适用于高温高压矩形试验件的移位测温装置，其特征在于：所述燕尾槽基座(15)中的燕尾槽夹角为30°～60°，以满足不同类型燃烧室实验压力要求。
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