CN112834228A - 一种航空发动机进气扫描测量装置 - Google Patents

Abstract

公开一种航空发动机进气扫描测量装置，包括定制的进气机匣、旋转环与测量耙。定制的进气机匣整体形状为惯常的进气机匣形状，机匣上外壳外壁面固定安装一步进电机，驱动旋转环转动，测量耙与旋转环固定连接，因此步进电机的转动将带动测量耙在流场中转动。在不堵塞流道的前提下，该装置能够实现发动机进气参数的快速测量。

Description

一种航空发动机进气扫描测量装置

技术领域

本发明涉及航空发动机进气测量技术，具体涉及一种可快速获得发动机进气参数的扫描测量装置。

背景技术

在航空发动机性能测试过程中，往往需要对其进气参数进行测量。比如评定进气畸变对航空发动机性能的影响，就需要对进气流场的总压、速度进行测量，进而计算得到航空发动机进气的总压畸变强度和旋流畸变强度等。为了对航空发动机进气参数进行测量，常规的方法是利用固定的测量耙完成测试，为了不堵塞流道，固定的测量耙几何尺寸受到一定的限制，因此利用这种测试手段获得的流场信息比较有限。在很多实验研究中，人们也尝试利用步进电机驱动单个气动探针，完成发动机进气参数的测量，单个气动探针的尺寸较小，在流场中移动时对流道堵塞较小，但发动机进气流道尺寸一般较大，利用单个气动探针扫掠整个进气截面往往需要数十小时的时间，这在工程实际中是不能接受的。因此，发展新型的航空发动机进气测量装置，在不堵塞流道的前提下，快速获得进气参数，对于航空发动机以及其它类似流体机械性能的评定具有重要意义。

发明内容

针对航空发动机性能评定对高效进气测量装置的需求，本发明提出一种航空发动机进气扫描测量装置，包括定制的进气机匣、旋转环与测量耙；其中

定制的进气机匣整体形状为惯常的进气机匣形状，机匣上外壳外壁面固定安装一步进电机，电机输出轴上装有驱动齿轮，驱动齿轮的转动平面与进气机匣沿圆周方向的截面相互平行，用于驱动旋转环的转动，驱动齿轮传递的扭矩应能保证有来流条件下旋转环的转动；定制的进气机匣的匣壁上、沿着圆周方向开有测量槽，用于安装测量耙，单个测量槽沿周向跨越的角度为α；在测量槽两侧、沿进气机匣外圆周方向布置有两道密封槽，密封槽为凹槽，通过密封槽与旋转环的密封齿壁的配合，达到使旋转环与进气机匣可活动地密封的作用；

旋转环分为第一半环1和第二半环2两个半环部分，第一半环1和第二半环2的两端分别设置有两个安装凸台，装配时将第一半环1和第二半环2的相应凸台相对，通过第一紧固机构将第一半环1和第二半环2紧固到一起，形成一个完整的旋转环；旋转环内壁沿圆周方向设置两道用于气动密封的密封壁齿，密封壁齿为从旋转环向内突出的齿壁，其截面形状与密封槽的截面形状一致；密封壁齿的位置与几何参数由密封槽决定，二者相互配合完成气动密封；旋转环上开有沿周向均匀分布的安装槽，用于安装测量耙，安装槽的数目与几何形状由测量耙确定，以测量耙的安装板恰能够从旋转环自内而外穿过安装槽、并且能够紧固安装在安装槽上为宜；通过第二紧固机构将测量耙固定安装于安装槽处，旋转环上沿外圆周安装一套齿轮，具体位置与几何形状需要保证与电机输出轴上安装的驱动齿轮相配合，驱动旋转环在进气机匣外圆周面上的绕轴转动；齿轮对应的圆心角度为θ；

测量耙包含上部的安装板、中间的连接套筒和下部放置于流场内的主体；主体为扁长方体形状，主体正对来流的前缘和背对来流的尾缘的外形要设计为尽量不影响流场；主体上表面中央位置打有线缆孔，便于主体内部的传感器线缆由此伸出；主体上表面大约中央位置安装有空心的圆形连接套筒，连接套筒起到连接主体和安装板的作用，连接套筒的空心部分便于传感器线缆自主体内部伸出；连接套筒长度不宜过长，应保证主体上部基本与机匣内壁面平齐，但又与机匣内壁面保持很小的间距；安装板总体为扁长方体形状，其正对来流的前缘和背对来流的尾缘的外形要设计为尽量不影响流场；安装板的截面尺寸以能穿过安装槽为准；装配时，由发动机进气机匣内部将安装板穿过安装槽，转动测量耙，使测量孔正对来流；安装板的大致中央位置打有安装板通孔，便于传感器线缆自主体内部伸出，安装板通孔的位置与连接套筒的空心部分位置大致对应；安装板、连接套筒、主体三者整体形成面对来流方向的薄形体；传感器线缆依次经由测量耙内部空间、主体上表面线缆孔、连接套筒内部、安装板中心孔，被引到进气机匣外；

主体正对气流的前缘上开有测量孔；在与来流方向平行的主体一侧面上装有一盖板，盖板能够可拆卸地安装在主体上；主体内部为空心的，测量孔是通孔，其贯通连接主体正对气流的前缘和主体内部；在主体内部具有传感器安装套的结构，传感器安装套包括传感器和安装套两个部件，传感器为杆状，安装套为扁状体；安装套上打孔，装配时将传感器固定安装在安装套内的孔中，将传感器插入测量孔中，并通过第三紧固机构将安装套固定安装到主体内部空腔内壁上，传感器外径与测量孔直径保持一致，传感器长度与测量孔深度相对应，保证传感器前端面与测量耙几何外表面平齐；传感器与传感器线缆连接，经由传感器线缆将传感器测量到的信号传输出去；

测量耙固定安装于旋转机构的旋转环上，在步进电机的驱动下，驱动齿轮带动旋转环上的齿轮，带动测量耙转动，完成发动机进气参数的测量。

在本发明的一个实施例中，主体正对来流的前缘为椭圆型，主体背对来流的尾缘为半圆弧；安装板总体为扁长方体形状。

在本发明的另一个实施例中，，主体正对来流的前缘的椭圆的小径为宽度S3，椭圆的大径取为小径的2倍；主体背对来流的尾缘的半圆弧的直径为宽度S3。

在本发明的又一个实施例中，，连接套筒正对来流的前缘和背对来流的尾缘倒圆角。

在本发明的一个具体实施例中，连接套筒的壁厚不低于3mm，在主体内部为空心的情况下，其壁厚不低于5mm；连接套筒外径、安装板宽度、安装槽的宽度保持一致。

在本发明的一个实施例中，主体高度S1为进气机匣半径的75％～85％，长度S2为主体高度S1的0.5～1倍，宽度S3为30～50mm。

在本发明的另一个实施例中，主体正对气流的前缘上开有沿半径方向分布的测量孔，测量孔均匀分布，邻近测量孔间距取为20～30mm。

在本发明的一个具体实施例中，测量槽数目为3或4；测量槽数目为3时，α为105°，测量槽数目为4时，α为80°。

在本发明的一个实施例中，两道密封槽沿测量槽对称分布，其间距记为w1，w1为w+4mm～6mm，w为测量槽宽度记；密封槽的截面呈上底宽、下底窄的梯形。

在本发明的另一个实施例中，θ比α大8～12°。

本发明的航空发动机进气扫描测量装置，在不堵塞流道的前提下，能够实现发动机进气参数的快速测量，在航空发动机及其它类似流体机械实验中有着广泛的应用前景。

附图说明

图1是测量装置整体结构；

图2是定制进气机匣具体结构；

图3是旋转环具体结构；

图4是测量耙具体结构。

具体实施方式

本发明提出一种航空发动机进气扫描测量装置，在不堵塞流道的前提下，可快速获得进气参数，具体结构如图1所示。

如图1所示，航空发动机进气扫描测量装置包含三部分：定制的进气机匣、旋转机构与测量耙。

图2给出定制进气机匣的具体结构。定制的进气机匣整体形状为惯常的进气机匣形状，机匣上外壳外壁面固定安装一步进电机，电机输出轴上装有驱动齿轮，驱动齿轮的转动平面与进气机匣沿圆周方向的截面相互平行，用于驱动图1中旋转环的转动(旋转环属于旋转机构)，电机在机匣上的固定根据电机的具体安装形式确定，设计过程中驱动齿轮传递的扭矩应能保证有来流条件下旋转环的转动。定制的进气机匣的匣壁上、沿着圆周方向开有测量槽，用于安装测量耙，单个测量槽沿周向跨越的角度记为α。在测量槽两侧、沿进气机匣外圆周方向布置有两道密封槽，密封槽为凹槽，通过密封槽与后面旋转环的密封齿壁的配合，达到使旋转环与进气机匣可活动地密封的作用，也就是，旋转环能够在进气机匣外壁上圆周转动，但同时又能够与进气机匣保持密封。

图3给出旋转环的具体结构。旋转环分为环1和环2两个半环部分，环1和环2的两端分别设置有两个安装凸台，凸台上开有沿旋转环外圆周切线方向的对应通孔，装配时将环1和环2的相应凸台相对，用螺栓经通孔将环1和环2紧固到一起，形成一个完整的旋转环。换句话说，凸台的作用是将两个半环(环1和环2)连接在一起，形成一个易于加工完整圆环，即旋转环。通孔的直径建议取为10～12mm，对应的螺栓建议取为M8或M10，为保证密封性，凸台上通孔数量应不小于6个。旋转环内壁沿圆周方向设置两道用于气动密封的密封壁齿，密封壁齿为从旋转环向内突出的齿壁，其截面形状与密封槽的截面形状一致，因此，齿壁恰能够插入密封槽并使其充满，不留间隙。密封壁齿和密封槽的形状、工作原理为本领域人员熟知，不再累述。密封壁齿的位置与几何参数由图2中的密封槽决定，二者相互配合完成气动密封。这里旋转环的宽度建议比密封槽间距w1大6～8mm。旋转环上开有沿周向均匀分布的安装槽，用于安装图1中测量耙，安装槽的数目与几何形状由测量耙确定，以测量耙的安装板恰能够从旋转环自内而外穿过安装槽、并且能够紧固安装在安装槽上为宜。如图中所示，测量耙数目为4时，安装槽数目对应为4，安装槽两侧开有螺纹孔用于固定测量耙，建议使用M6或M8的螺纹孔，螺纹孔的位置由测量耙上的安装通孔决定。旋转环上沿外圆周安装一套齿轮，具体位置与几何形状需要保证与图2中电机输出轴上安装的驱动齿轮相配合，驱动旋转环在进气机匣外圆周面上的绕轴转动(该轴为进气机匣和旋转环共同的中心轴)。齿轮对应的圆心角度记为θ，θ与图2中α相对应，建议θ比α大8～12°(圆心角大一点是为了留出余量)。

图4给出测量耙的具体结构。如图4(1)所示，测量耙整体为类似扁平小方瓶酒瓶形状，包含上部的安装板、中间的连接套筒和下部放置于流场内的主体。主体为扁长方体形状，考虑到尽量不影响流场，主体正对来流的前缘可设计为椭圆型，主体背对来流的尾缘可设计为半圆弧；主体上表面中央位置打有线缆孔，便于主体内部的传感器线缆由此伸出。主体上表面大约中央位置安装有空心的圆形连接套筒，连接套筒起到连接主体和安装板的作用，连接套筒的空心部分便于传感器线缆自主体内部伸出；连接套筒长度不宜过长，应保证主体上部基本与机匣内壁面平齐，但又与机匣内壁面保持很小的间距；连接套筒长度不宜过长是为了避免其自身深入流场，以至于影响流场。安装板总体为扁长方体形状，考虑到尽量不影响流场，其前后可以沿倒圆角；安装板的截面尺寸以能穿过安装槽为准，安装板的前后端打有安装通孔，用于将测量耙固定安装在旋转环上，安装通孔的位置需要与安装槽上的螺纹孔对应；安装板的大致中央位置，打有安装板通孔，便于传感器线缆自主体内部伸出，因此，安装板通孔的位置与连接套筒的空心部分位置大致对应。安装板、连接套筒、主体三者整体形成薄形体，以尽量减小对流场的影响。也就是，传感器线缆依次经由测量耙内部空间、主体上表面线缆孔、连接套筒内部、安装板中心孔，被引到进气机匣外。

主体正对气流的沿(图4(1)所示的左边沿)上开有沿半径方向分布的测量孔，考虑到进气总压畸变位置变化，测量孔建议采取均匀分布的规则，两测量孔间距建议取为20～30mm，测量孔直径建议取为8mm。主体一侧面(该侧面与来流方向平行)上装有一盖板，盖板上开有沿四周均匀分布的通孔，主体对应位置开有螺纹孔，螺栓穿过通孔旋入螺纹孔中，完成盖板与主体的紧固，这里通孔的间距建议取为40～50mm，直径建议取为4～6mm，对应螺栓选用M3～M5规格的。主体高度S1建议取为进气机匣半径的80％，长度S2建议取为主体高度S1的0.5～1倍，宽度S3建议取为30～50mm。主体前缘可设计为椭圆型，椭圆的小径即为宽度S3，椭圆的大径建议取为小径的2倍；主体尾缘可设计为半圆弧，直径为宽度S3。装配时，由发动机进气机匣内部将安装板穿过安装槽，转动测量耙，使测量孔正对来流，随后用螺栓经安装板上的安装孔与安装槽两侧的螺纹孔将测量耙与旋转板紧固到一起，两安装孔沿连接套筒对称分布，间距S4建议取为S2的0.2～0.4倍，安装孔直径建议取为9～13mm，对应紧固螺栓建议选用M8～M12规格的，安装板的长度要保证安装孔边缘距离安装板几何边缘不低于5mm，且安装板长度与图3中安装槽的长度保持一致。

图4(2)左图给出测量耙内部结构，连接套筒内部为线缆孔，用于将传感器线缆由测量耙内部引到进气机匣外，线缆孔直径建议取为20～30mm。连接套筒外径要保证其壁厚不低于3mm，且连接套筒外径与安装板宽度以及图3中安装槽的宽度保持一致。测量耙内部为空心的，其壁厚不低于5mm，在测量耙内部，测量孔下部开有固定螺纹孔，螺纹孔建议取为M6或M8规格的，测量孔与固定螺纹孔间距建议比测量孔半径和0.5倍螺纹孔大径之和大2mm。图4(2)右图给出传感器安装套的结构，包括传感器和安装套两个部件。传感器为杆状。安装套为扁状体，具体为扁平长方体或类似形状；安装套上打二孔，第一孔用于安装传感器，第二孔用于将传感器安装套固定安装在线缆孔内壁上。装配时将传感器扭入安装套内的第一孔中，随后将安装套筒插入测量耙测量孔中，用螺栓经第二孔和固定螺纹孔将传感器安装套与测量耙紧固在一起，传感器外径与测量孔直径保持一致，内部螺纹孔为M5规格的，传感器长度与测量孔深度相对应，保证传感器前端面与测量耙几何外表面平齐。传感器与传感器线缆连接，经由传感器线缆将传感器测量到的信号传输出去。

测量耙固定安装于旋转机构的旋转环上，在步进电机的驱动下，驱动齿轮带动旋转环上的齿轮，带动测量耙转动，完成发动机进气参数的测量，其中步进电机安装于进气机匣上。

设进气速度为V，图1中测量耙的侧面积(即测量耙面对来流那侧的面积)为S，驱动齿轮驱动测量耙转动的力臂长度为L，空气密度记为ρ，则驱动齿轮传递的最大扭矩不小于ρV²SL/2。齿轮的设计一方面要满足最大扭矩下的强度要求，另一方面要保证齿轮传动的角位移最小步长不大于1°，步进电机的选型与齿轮参数的设计按照上述要求具体依据行业规范完成，这里不再赘述。进气机匣上开有沿周向均匀分布的测量槽，测量槽数目建议取为3或4，单个测量槽沿周向跨越的角度记为α，测量槽数目为3时，α建议取为105°，测量槽数目为4时，α建议取为80°，当对测量结果空间分辨率要求较高时，测量槽数目一般应取为4，为了保证开槽后部件足够的强度，建议机匣的制造使用高强度钢且壁厚不低于15mm，测量槽宽度记为w，w建议取值为30～40mm。测量槽两侧开有对称的两个沿周向的密封槽，用于旋转环转动过程中的气动密封，在本发明的一个实施例中，两个密封槽的间距记为w1，w1建议取值为w+4mm～6mm，密封槽的截面呈上底宽、下底窄的梯形，深度h建议取为3～5mm，上底的宽度w2建议取为深度h的2/3倍、下底宽度w3建议取为上底宽度w2的1/3倍，密封槽中可填充适当的滑石粉，增强密封效果。

Claims (10)

1.一种航空发动机进气扫描测量装置，其特征在于，包括定制的进气机匣、旋转环与测量耙；其中

定制的进气机匣整体形状为惯常的进气机匣形状，机匣上外壳外壁面固定安装一步进电机，电机输出轴上装有驱动齿轮，驱动齿轮的转动平面与进气机匣沿圆周方向的截面相互平行，用于驱动旋转环的转动，驱动齿轮传递的扭矩应能保证有来流条件下旋转环的转动；定制的进气机匣的匣壁上、沿着圆周方向开有测量槽，用于安装测量耙，单个测量槽沿周向跨越的角度为α；在测量槽两侧、沿进气机匣外圆周方向布置有两道密封槽，密封槽为凹槽，通过密封槽与旋转环的密封齿壁的配合，达到使旋转环与进气机匣可活动地密封的作用；

旋转环分为第一半环1和第二半环2两个半环部分，第一半环1和第二半环2的两端分别设置有两个安装凸台，装配时将第一半环1和第二半环2的相应凸台相对，通过第一紧固机构将第一半环1和第二半环2紧固到一起，形成一个完整的旋转环；旋转环内壁沿圆周方向设置两道用于气动密封的密封壁齿，密封壁齿为从旋转环向内突出的齿壁，其截面形状与密封槽的截面形状一致；密封壁齿的位置与几何参数由密封槽决定，二者相互配合完成气动密封；旋转环上开有沿周向均匀分布的安装槽，用于安装测量耙，安装槽的数目与几何形状由测量耙确定，以测量耙的安装板恰能够从旋转环自内而外穿过安装槽、并且能够紧固安装在安装槽上为宜；通过第二紧固机构将测量耙固定安装于安装槽处，旋转环上沿外圆周安装一套齿轮，具体位置与几何形状需要保证与电机输出轴上安装的驱动齿轮相配合，驱动旋转环在进气机匣外圆周面上的绕轴转动；齿轮对应的圆心角度为θ；

测量耙包含上部的安装板、中间的连接套筒和下部放置于流场内的主体；主体为扁长方体形状，主体正对来流的前缘和背对来流的尾缘的外形要设计为尽量不影响流场；主体上表面中央位置打有线缆孔，便于主体内部的传感器线缆由此伸出；主体上表面大约中央位置安装有空心的圆形连接套筒，连接套筒起到连接主体和安装板的作用，连接套筒的空心部分便于传感器线缆自主体内部伸出；连接套筒长度不宜过长，应保证主体上部基本与机匣内壁面平齐，但又与机匣内壁面保持很小的间距；安装板总体为扁长方体形状，其正对来流的前缘和背对来流的尾缘的外形要设计为尽量不影响流场；安装板的截面尺寸以能穿过安装槽为准；装配时，由发动机进气机匣内部将安装板穿过安装槽，转动测量耙，使测量孔正对来流；安装板的大致中央位置打有安装板通孔，便于传感器线缆自主体内部伸出，安装板通孔的位置与连接套筒的空心部分位置大致对应；安装板、连接套筒、主体三者整体形成面对来流方向的薄形体；传感器线缆依次经由测量耙内部空间、主体上表面线缆孔、连接套筒内部、安装板中心孔，被引到进气机匣外；

主体正对气流的前缘上开有测量孔；在与来流方向平行的主体一侧面上装有一盖板，盖板能够可拆卸地安装在主体上；主体内部为空心的，测量孔是通孔，其贯通连接主体正对气流的前缘和主体内部；在主体内部具有传感器安装套的结构，传感器安装套包括传感器和安装套两个部件，传感器为杆状，安装套为扁状体；安装套上打孔，装配时将传感器固定安装在安装套内的孔中，将传感器插入测量孔中，并通过第三紧固机构将安装套固定安装到主体内部空腔内壁上，传感器外径与测量孔直径保持一致，传感器长度与测量孔深度相对应，保证传感器前端面与测量耙几何外表面平齐；传感器与传感器线缆连接，经由传感器线缆将传感器测量到的信号传输出去；

测量耙固定安装于旋转机构的旋转环上，在步进电机的驱动下，驱动齿轮带动旋转环上的齿轮，带动测量耙转动，完成发动机进气参数的测量。

2.如权利要求1所述的航空发动机进气扫描测量装置，其特征在于，主体正对来流的前缘为椭圆型，主体背对来流的尾缘为半圆弧；安装板总体为扁长方体形状。

3.如权利要求2所述的航空发动机进气扫描测量装置，其特征在于，主体正对来流的前缘的椭圆的小径为宽度S3，椭圆的大径取为小径的2倍；主体背对来流的尾缘的半圆弧的直径为宽度S3。

4.如权利要求2所述的航空发动机进气扫描测量装置，其特征在于，连接套筒正对来流的前缘和背对来流的尾缘倒圆角。

5.如权利要求1所述的航空发动机进气扫描测量装置，其特征在于，连接套筒的壁厚不低于3mm，在主体内部为空心的情况下，其壁厚不低于5mm；连接套筒外径、安装板宽度、安装槽的宽度保持一致。

6.如权利要求1所述的航空发动机进气扫描测量装置，其特征在于，主体高度S1为进气机匣半径的75％～85％，长度S2为主体高度S1的0.5～1倍，宽度S3为30～50mm。

7.如权利要求1所述的航空发动机进气扫描测量装置，其特征在于，主体正对气流的前缘上开有沿半径方向分布的测量孔，测量孔均匀分布，邻近测量孔间距取为20～30mm。

8.如权利要求1所述的航空发动机进气扫描测量装置，其特征在于，测量槽数目为3或4；测量槽数目为3时，α为105°，测量槽数目为4时，α为80°。

9.如权利要求1所述的航空发动机进气扫描测量装置，其特征在于，两道密封槽沿测量槽对称分布，其间距记为w1，w1为w+4mm～6mm，w为测量槽宽度记；密封槽的截面呈上底宽、下底窄的梯形。

10.如权利要求1所述的航空发动机进气扫描测量装置，其特征在于，θ比α大8～12°。

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