CN111811766A - 一种双舱捕获式热流模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双舱捕获式热流模拟试验系统，包括：外舱；内舱，固定于外舱内部，二端具有进气管、排气管，内部具有进气、排气限流板；试验组件，包括试验件和传动轴；试验件位于进气与排气限流板之间，一端固定在传动轴上并随之转动；传动轴伸出外舱；碰摩机构，包括碰摩组件、入口和出口管，碰摩组件一端靠近试验件，另一端能在外力作用下向靠近试验件的方向进给，进给方向与试验件组件的传动轴垂直；入口和出口管位于碰摩组件两侧，用于模拟气动载荷；测量件，安装在内舱和/或外舱上并靠近碰摩机构的位置。解决现有技术中气动载荷失真等问题，实现多模态、多工况的部件碰摩、刮摩切削、金属着火与燃烧试验。

Description

一种双舱捕获式热流模拟试验系统

技术领域

本发明涉及进气道流量捕获、压气机气动载荷、金属着火等试验技术领域，具体是一种双舱捕获式热流模拟试验系统。

背景技术

进气道流量捕获、压气机气动载荷、金属着火等试验的关键是试验条件与真实工作状态和工作环境的相似性，例如机械(离心)载荷、气动载荷、热载荷等因素，以“钛火”试验为例：美国建立的试验系统类似小型风洞，在动态环境下模拟发动机流道内温度、压力和气流变化条件进行“钛火”燃烧扩展试验研究，由CO₂激光器点火，主要用于研究燃烧扩展。俄罗斯、乌克兰的试验系统表面摩擦点火或机械冲撞点火，主要用于“钛火”着火机理的验证。这两种系统都是将空气或燃气来流作为模拟对象，忽略了气动载荷、机械载荷相似性对试验的影响。

国内普遍采用的液滴法或激光点火法适用于材料抗燃性的定性研究，自主研发建设的变环境参数“碰摩”试验系统与国外的系统类似，模拟了机械(离心)载荷、气动载荷、热载荷三要素中的二个；忽视了模拟来流与试验件的相对关系，造成气动载荷失真；试验参数的模拟在试验舱入口能够满足要求，在试验舱的试件部位参数不匹配；同时无法进行多模态、多工况的“钛火”着火与燃烧扩展的重复验证。

试验结果不能用于工程应用状态的评价准则和调控模型。

发明内容

本发明提供一种双舱捕获式热流模拟试验系统，用于克服现有技术中气动载荷失真导致无法进行多模态、多工况的进气道流量捕获、压气机气动载荷、金属着火与燃烧试验等缺陷，能够兼顾模拟机械(离心)载荷、气动载荷和热载荷，实现多模态、多工况的进气道流量捕获、压气机气动载荷、金属着火与燃烧试验的三要素相似模拟，使得试验条件能够真实模拟实际运行状态。

为实现上述目的，本发明提供一种双舱捕获式热流模拟试验系统，包括：

外舱，用于提供密封保温空间；

内舱，固定于外舱内部并与外舱之间具有间隙，一端具有伸出外舱的进气管，另一端具有伸出外舱的排气管，进气管和排气管均与内舱内部连通；内舱靠近进气管的部位设置有进气限流板，靠近排气管的部位设置有排气限流板；

试验组件，包括试验件和传动轴；试验件位于内舱内部且在进气限流板与排气限流板之间，靠近排气限流板的一端固定在传动轴上并随传动轴一起转动；所述传动轴依次贯穿排气限流板、内舱、外舱向外伸出外舱；

碰摩机构，包括碰摩组件、入口管和出口管，所述碰摩组件一端靠近试验件，另一端穿过内舱和外舱并能在外力作用下向靠近试验件的方向进给，进给方向与试验件组件的传动轴垂直；入口管和出口管分别位于碰摩组件的两侧，用于模拟气动载荷；

测量件，安装在内舱和/或外舱上并靠近所述碰摩机构的位置。

本发明提供的双舱捕获式热流模拟试验系统，通过进气管向内舱内部通入空气以模拟环境来流，建立压力和温度参数符合试验要求的基础流场，空气经进气限流板以一定的速度流过试验件，经排气限流组件后由排气管排出，基础流场的流量以保证内舱和试验件的试验温度等于设定值为目标进行调节控制；通过入口管接入模拟气动载荷，在试验件与碰摩机构的碰摩组件碰摩点建立工作流场，模拟气动载荷的气流经试验件与碰摩组件的碰摩点经出口管排出；其温度、压力、流速均按照实际工况参数设置，例如当压力为1MPa时，流量1.2kg/s能覆盖DN30的区域。在试验件背部的来流轴线通过入口端和出口端设立捕获流道，以捕获流量等于工作流量为目标进行调节控制；试验过程中通过测量件获取舱内测量数据；上述方案采用“双舱”试验结构，由二路模拟来流独立供气使得试验舱内部的压力、温度满足热载荷要求；工作流量的覆盖流场满足气动载荷的要求；相对于现有技术，能够兼顾模拟机械(离心)载荷、气动载荷和热载荷，实现多模态、多工况的进气道流量捕获、压气机气动载荷、金属着火与燃烧试验的扩展验证，使得试验条件能够真实模拟实际运行状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为发明实施例一提供的双舱捕获式热流模拟试验系统的剖视图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例一

如附图1所示，本发明实施例提供一种双舱捕获式热流模拟试验系统，包括：

外舱1，用于提供密封保温空间；具体可以采用任意形状，例如圆柱形、正棱柱形等；

内舱2，固定于外舱1内部并与外舱1之间具有间隙，一端具有伸出外舱1的进气管21，另一端具有伸出外舱1的排气管22，进气管21和排气管22均与内舱2内部连通；内舱2靠近进气管21的部位设置有进气限流板23，靠近排气管22的部位设置有排气限流板24；进气限流板23上贯穿厚度方向设置有多个进气流道23a，通过进气流道23a起到限流作用；排气限流板24上贯穿厚度方向设置有多个排气流道24a，通过排气流道24a起到限流作用；在本发明一实施例中内舱为两半式结构(如图1所示左右两部分)，其左右部分的间隔可调，以实现进气流量的捕获；

试验组件3，包括试验件31和传动轴32；试验件31位于内舱2内部且在进气限流板23与排气限流板24之间，靠近排气限流板24的一端固定在传动轴上并随传动轴32一起转动；所述传动轴32依次贯穿排气限流板24、内舱2、外舱1向外伸出外舱1；

碰摩机构4，包括碰摩组件41、入口管42和出口管43，所述碰摩组件41一端靠近试验件31，另一端穿过内舱2和外舱1并能在外力作用下向靠近试验件31的方向进给，进给方向与试验件组件的传动轴32垂直；入口管42和出口管43分别位于碰摩组件41的两侧，用于模拟气动载荷；

测量件，安装在内舱2和/或外舱1上并靠近所述碰摩机构4的位置。

碰摩机构4配置块状、平片状、锐尖状三种类型碰摩组件，用来模拟不同的“碰摩刮擦”应力状态；同时测量件还配置三分力传感器，实时测量“碰摩”力的大小。

按照叶轮刚性、叶片弹性的悬臂梁外端垂直加载，假设在忽略叶片变形的条件下，最大碰摩步长(径向缩进尺寸)为0.27mm。碰摩组件选取进给步数为50，则有单步进给行程为5.4μm。为保证进给的平稳性，减小电机负载突变影响进给精度，在“碰摩”机构与进给电机之间配置机械自锁机构。

内舱2和外舱1均由侧面和两端面固定连接形成内部为封闭腔的结构，侧面可采用方形、棱柱形、圆柱形等结构，内舱2和外舱1的两端面为平面板或弧形板结构。外舱1的作用在于保证试验件31与内舱2的位置关系与实际工作状态相同；由于内舱2不密封，试验舱外舱1要起到密封和保温隔热作用。

内舱2中设置的进气管21为基础流场的进气口，入口管为工作流场进气口；进气限流板23与进气管21之间的部分形成入口集气腔201，进气限流板23与排气限流板24之间的部分形成试验段202，排气限流板24与排气管22之间的部分形成泄放集气腔203；具有一定压力和温度的空气经进气管21进入内舱入口集气腔201，通过进气限流板23的进气流道23a以一定的流速进入内舱的试验段202，气流经膨胀后达到稳定的试验工况。试验件31用于模拟压气机叶轮，由驱动系统控制按照设定参数对来流进行增压导出。排气限流板24配置有可变流道(可以通过排气限流板上的排气孔的多少或排气孔直径的大小来调节)，使得内舱2气流以一定流速排入泄放集气腔203，可以通过排气限流板24上的排气孔的多少或排气孔直径的大小来调节。为了保证热载荷的准确模拟，以进、出气流的温度为调节参量，保证温度和压力满足试验要求，同时保证进、出的流量匹配。

工作流场配置在试验件与碰摩组件4的“碰摩”试验区域，本实施例中模拟一个覆盖直径为30mm的气动载荷区域。入口管靠近试验件的开口形成气流出口，气流出口与叶轮试验件基准面(参见图1中试验件的左端面)的间隙可在5～25mm范围内调节(考虑偏载造成的振动影响)。在叶轮背面沿来流轴线设置捕获排气流道，捕获面积范围覆盖直径为40mm区域，通过调节捕获流量达到与工作来流的匹配。

优选地，所述外舱1和内舱2均呈圆柱状，且外舱1和内舱2的中心轴线重合；所述内舱2的进气管21的中心轴线与内舱2中心轴线重合；所述内舱2的排气管22沿所述内舱2的径向设置。

采用绝对式试验方法，利于现有叶轮驱动系统，在实际机械(离心)载荷的基础上，完全模拟热载荷和局部模拟气动载荷。目的在于得到不同机械(离心)载荷与热载荷条件下，气动载荷对金属着火例如“钛火”的影响；内舱的设计完全按照叶轮与机匣的实际状态，保证局部气动载荷的相似性。试验件模拟叶片高速旋转，满足机械(离心)载荷的要求。

优选地，所述进气限流板23和排气限流板24均沿所述内舱2的横截面方向布置。进气限流板23和排气限流板24均垂直于内舱2中心轴线，进气限流板23上贯穿厚度方向设置有多个进气流道23a，通过进气流道23a起到限流作用，进气流道23a大小相同且均匀布置；排气限流板24上贯穿厚度方向设置有多个排气流道24a，通过排气流道24a起到限流作用，保证内舱的压力符合试验参数要求。

优选地，所述试验组件3的传动轴32的中心轴线与所述内舱2及外舱1的中心轴线重合；所述传动轴32与所述外舱1之间以及与所述内舱2之间均安装有动密封。以提高舱内的密封性能。也可以采用内舱与外舱在传动轴侧共用端面的形式，减少一个动密封组件。

优选地，所述试验件31为回转体构型，且主动端与传动轴32连接。试验件的材质由试验要求确定。

优选地，所述碰摩机构4的入口管42和出口管43均呈L形，包括径向的导管和轴向的喷口管；入口管的导管和出口管的导管均以此贯穿内舱、外舱并向外延伸；入口管的喷口管42a和出口管的喷口管43a均朝向所述碰摩组件靠近试验件31的一端。

导管用于连接外部的设备，喷口管用于缩短气流之间的距离，有利于形成捕获气流通道。

优选地，所述入口管的喷口管42a呈收缩状，缩口端朝向碰摩组件；所述出口管的喷口管43a呈扩张状，扩口端朝向碰摩组件。模拟气动载荷的气流经入口管喷出经出口管向外排出舱外，入口管的导管连接模拟气动载荷气源，压力较高，出口管的导管连接抽气设备或真空设备，以在捕获口形成负压，捕获气流在碰摩区域形成轴向捕获流道，实现气动载荷的模拟；入口管的喷口管呈收缩状以提高气流出口速度，出口管的喷口管呈扩张状以扩大捕获范围。

优选地，为提高气流捕获效率，所述入口管的喷口管中心轴线与所述出口管的喷口管的中心轴线在同一直线上，且靠近所述试验件的碰摩位置。

优选地，所述外舱1包括密封层11和位于所述密封层11外部并与其固定连接的保温层12。

优选地，进气管21和排气管22伸出外舱1的一端均固定有法兰盘。法兰盘用于实现进气管21和排气管22与外部器件的连接。

所述外舱1与内舱2之间通过多个安装件10固定；多个安装件沿着与试验组件传动轴平行的方向排列。

在本方案一实施例中，安装件为两半式夹持结构，通过两半弧形夹持臂分别从两侧相对作用将内舱夹持并固定；在本方案另一实施例中，安装件为径向卡爪，至少三个卡爪作为一组，沿外舱一周分布，多组卡爪沿着与试验组件传动轴平行的方向排列，通过调节卡爪的径向伸缩距离使之与内舱外壁形成支撑以实现内舱的固定。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种双舱捕获式热流模拟试验系统，其特征在于，包括：

外舱，用于提供密封保温空间；

内舱，固定于外舱内部并与外舱之间具有间隙，一端具有伸出外舱的进气管，另一端具有伸出外舱的排气管，进气管和排气管均与内舱内部连通；内舱靠近进气管的部位设置有进气限流板，靠近排气管的部位设置有排气限流板；

试验组件，包括试验件和传动轴；试验件位于内舱内部且在进气限流板与排气限流板之间，靠近排气限流板的一端固定在传动轴上并随传动轴一起转动；所述传动轴依次贯穿排气限流板、内舱、外舱向外伸出外舱；

碰摩机构，包括碰摩组件、入口管和出口管，所述碰摩组件一端靠近试验件，另一端穿过内舱和外舱并能在外力作用下向靠近试验件的方向进给，进给方向与试验件组件的传动轴垂直；入口管和出口管分别位于碰摩组件的两侧，用于模拟气动载荷；

测量件，安装在内舱和/或外舱上并靠近所述碰摩机构的位置。

2.如权利要求1所述的双舱捕获式热流模拟试验系统，其特征在于，所述外舱和内舱均呈圆柱状，且外舱和内舱的中心轴线重合；所述内舱的进气管的中心轴线与内舱中心轴线重合；所述内舱的排气管沿所述内舱的径向设置。

3.如权利要求2所述的双舱捕获式热流模拟试验系统，其特征在于，所述进气限流板和排气限流板均沿所述内舱的横截面方向布置。

4.如权利要求2所述的双舱捕获式热流模拟试验系统，其特征在于，所述试验组件的传动轴的中心轴线与所述内舱及外舱的中心轴线重合；所述传动轴与所述外舱之间以及与所述内舱之间均安装有动密封。

5.如权利要求2所述的双舱捕获式热流模拟试验系统，其特征在于，所述试验件呈回转体构型，且主动端与传动轴连接。

6.如权利要求5所述的双舱捕获式热流模拟试验系统，其特征在于，所述碰摩机构的入口管和出口管均呈L形，包括径向的导管和轴向的喷口管；

入口管的导管和出口管的导管均以此贯穿内舱、外舱并向外延伸；

入口管的喷口管和出口管的喷口管均朝向所述碰摩组件靠近试验件的一端。

7.如权利要求6所述的双舱捕获式热流模拟试验系统，其特征在于，所述入口管的喷口管呈收缩状，缩口端朝向碰摩组件；所述出口管的喷口管呈扩张状，扩口端朝向碰摩组件。

8.如权利要求7所述的双舱捕获式热流模拟试验系统，其特征在于，所述入口管的喷口管中心轴线与所述出口管的喷口管的中心轴线在同一直线上，且靠近所述试验件的下部边缘。

9.如权利要求1～8任一项所述的双舱捕获式热流模拟试验系统，其特征在于，所述外舱包括密封层和位于所述密封层外部并与其固定连接的保温层。

10.如权利要求1所述的双舱捕获式热流模拟试验系统，其特征在于，进气管和排气管伸出外舱的一端均固定有法兰盘；

所述外舱与内舱之间通过多个安装件固定；多个安装件沿着与试验组件传动轴平行的方向排列。

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