CN115356114B - 连接件及地面直连试验推力测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了连接件及地面直连试验推力测量系统及其测量方法，连接件包括：上游测力连接段，用于与实验设备同轴连接；下游测力连接段，用于与模型发动机同轴连接；上游测力连接段和下游测力连接段同轴设置且能够在轴向上相对位移，上游测力连接段和下游测力连接段之间设置有多重密封结构。本发明了连接件分为两个部分，分别和实验设备与模型发动机形成刚性连接，上游测力连接段和下游测力连接段之间保持同轴但不直接连接，以保证模型发动机的有限位移能力；通过上游测力连接段和下游测力连接段之间的多重径向密封和限位连接，保证模型发动机可在有限范围内移动并可靠密封，从而可以通过力传感器等测量模型发动机工作前后产生的推力增量。

Description

连接件及地面直连试验推力测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及吸气式发动机技术领域，具体涉及连接件及地面直连试验推力测量系统及其测量方法。

背景技术

地面直连试验是开展吸气式发动机技术研究的关键手段，其可以模拟吸气式发动机燃烧室入口的流动状态。对于流量较小的直连试验，模型发动机和试验设备固定连接后可以整体移动，从而获得试验过程中模型发动机工作后产生的推力变化，即推力增量。对于中大流量(尺度)的直连试验，从安全性角度，通常将试验设备所需的阀门、气源管路等固定在地基上，防止大流量条件下的振动对阀门设备、管路等的正常工作、安全性和使用寿命产生不良影响。此时，如果将模型发动机和固定在地基上的设备直接进行连接，则模型发动机将不具备位移空间，不能测量模型发动机在试验过程中产生的推力增量。

为解决中大流量地面直连试验设备固定安装和模型发动机推力测量需要位移空间之间的矛盾，必须在试验设备和模型发动机之间引入新的设计，一方面需要保证模型发动机具备位移能力，同时保证模型发动机与试验设备之间的可靠密封。

发明内容

本发明的目的在于提供连接件，可用于连接实验设备和模型发动机，可以实现模型发动机沿流向的有限自由滑动，并同时保证高温高压条件下的密封。

此外，本发明还提供包括上述连接件的地面直连试验推力测量系统及其测量方法，以实现测量模型发动机在试验过程中产生的推力增量。

本发明通过下述技术方案实现：

连接件，包括：

上游测力连接段，用于与实验设备同轴连接；

下游测力连接段，用于与模型发动机同轴连接；

所述上游测力连接段和下游测力连接段同轴设置且能够在轴向上相对位移，所述上游测力连接段和下游测力连接段之间设置有多重密封结构。

本发明的上游和下游是相对于试验时气流方向而言。

本发明了连接件分为两个部分，分别和实验设备与模型发动机形成刚性连接，上游测力连接段和下游测力连接段之间保持同轴但不直接连接，以保证模型发动机的有限位移能力；通过上游测力连接段和下游测力连接段之间的多重径向密封和限位连接，保证模型发动机可在有限范围内移动并可靠密封，从而可以通过力传感器等测量模型发动机工作前后产生的推力增量。

进一步地，还包括转接段；

所述转接段的轴向两端分别与下游测力连接段和模型发动机可拆卸式连接。

同时上述设置以实现通过不同的转接段连接不同的模型发动机，以实现对不同型号模型发动机的推力测量

进一步地，多重密封结构包括径向密封单元、第一迷宫密封和第二迷宫密封。

径向密封单元是本发明中实现模型发动机可在有限范围内移动时可靠密封的关键，其位于上游测力连接段和下游测力连接段同轴安装之后的径向间隙内，沟槽尺寸须参考活塞杆等的径向动密封沟槽尺寸。

第一迷宫密封位于相邻径向密封单元之间，或径向密封单元与第二迷宫密封之间。径向间隙尺寸须参考活塞杆等的径向动密封尺寸。

第二迷宫密封位于上游测力连接段和下游测力连接段之间的轴向间隙和径向间歇之间。

进一步地，上游测力连接段和下游测力连接段之间通过限位螺杆连接，通过调节限位螺杆的长度，确保上游测力连接段和下游测力连接段之间在轴向上具有相对较小约为2-5mm量级）的位移。

地面直连试验推力测量系统，包括上述连接件，还包括力传感器；

所述力传感器用于实时测量模型发动机的推力。

进一步地，还包括推力架，所述力传感器与模型发动机固定连接，且与推力架直接接触并进行预紧，所述推力架设置在模型发动机的下游端。

通过在模型发动机的下游设置推力架限制模型发动机的自由位移，配合上游测力连接段对模型发动机上游端的位移限制，确保了模型发动机在轴向的有限位移。

进一步地，还包括用于支撑模型发动机的支撑机构；

所述支撑机构包括模型支撑和线性导轨，所述模型支撑的顶部与模型发动机连接，所述模型支撑的底部滑动设置在线性导轨内。

通过模型支撑在线性导轨内移动实现模型发动机的轴向位移。

进一步地，模型支撑为滚珠轴承，所述线性导轨通过调平螺栓安装在第一台架上，通过调平螺栓调节线性导轨的状态为水平或倾斜，以确保模型发动机与地面实验设备的同轴度。

进一步地，还包括第二台架，所述第二台架用于支撑实验设备。

基于地面直连试验推力测量系统的测量方法，包括以下步骤：

S1、完成地面直连试验推力测量系统的设备安装；

S2、试验过程推力测量：

S21、阶段一：实验设备工作并提供稳定来流，力传感器实时采集模型发动机的推 力，获取阶段一的平均推力

；

S22、阶段二：模型发动机开始工作并建立稳定燃烧流场，力传感器实时采集模型 发动机的推力，获取阶段二的平均推力

；

S23、计算推力增益：平均推力

与平均推力

的差值为推力增益。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明上游测力连接段和下游测力连接段之间同轴安装并通过多重径向密封保证高温高压条件下的密封和位移能力，即本发明的连接件可以实现模型发动机沿流向的有限自由滑动，并同时保证高温高压条件下的密封，从而在固定的地面实验设备上实现对模型发动机的推力测量。

2、本发明通过在模型发动机的下游设置推力架限制模型发动机的自由位移，同时测量模型发动机位移过程中产生的推力。

3、本发明的上游测力连接段和下游测力连接段之间采用长度合适的限位螺杆，通过调节限位螺杆长度，确保整体安装的下游测力连接段、转接段和模型发动机仅发生较小的位移，配合多重径向密封和迷宫密封，以保证上游测力连接段和下游测力连接段之间密封的可靠性。

4、本发明采用线性导轨作为模型发动机的安装平台，以保证模型发动机与地面实验设备的同轴度，减小测力误差；另外，利用滚珠轴承，将模型发动机产生推力过程中的阻力转化为滚动摩擦，进一步减小工作过程中模型发动机的测力误差。

5、本发明通过转接段与模型发动机连接，实现推力测量系统与不同构型发动机的匹配，拓展上述推力测量系统对不同类型发动机推力测量的适应性。

6、本发明通过上游测力连接段与实验设备连接，实现推力测量系统与不同实验平台的匹配，拓展上述推力测量系统在不同实验平台上的适用性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明直连试验推力测量系统的整体结构示意图，图中的箭头方向为气流方向；

图2为本发明连接件与模型发动机连接的示意图；

图3为本发明连接件的局部密封示意图；

图4为直连试验推力测量结果一；

图5为直连试验推力测量结果二。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-上游测力连接段；2-下游测力连接段；3-转接段；4-线性导轨；5-模型支撑；6-推力架；7-力传感器；8-限位螺杆；9-径向密封单元；10-第一迷宫密封；11-第二迷宫密封；12-第一台架；13-第二台架；100-实验设备；200-模型发动机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1-图3所示，一种连接件，包括上游测力连接段1、下游测力连接段2和多重密封结构；

上游测力连接段1用于与实验设备100同轴连接，上游测力连接段1的上游端与实验设备100通过螺栓连接，由于实验设备100已经固定安装，上游测力连接段1与实验设备100连接后不具备位移能力；

上游测力连接段1由上游法兰、内流道部分和径向密封通道组成。上游法兰与实验设备100刚性连接；内流道部分与实验设备100内型面一致。

径向密封通道具体形状见径向密封单元9、第一迷宫密封10和第二迷宫密封11形状。

下游测力连接段2用于与模型发动机200同轴连接；下游测力连接段2的下游端与模型发动机200通过螺栓连接；

下游测力连接段2包括下游法兰和径向密封通道组成；下游法兰与模型发动机200刚性连接。

径向密封通道具体形状如图3中的径向密封单元9、第一迷宫密封10和第二迷宫密封11形状。

上游测力连接段1和下游测力连接段2同轴设置且能够在轴向上相对位移，上游测力连接段1和下游测力连接段2之间形成特殊通道多重密封结构，所述多重密封结构包括径向密封单元9、第一迷宫密封10和第二迷宫密封11。

径向密封单元9是本实施例中实现模型发动机可在有限范围内移动时可靠密封的关键，其位于上游测力连接段1和下游测力连接段2同轴安装之后的径向间隙内，沟槽尺寸须参考活塞杆等的径向动密封沟槽尺寸。

第一迷宫密封10位于相邻径向密封单元9之间，或径向密封单元9与第二迷宫密封11之间。径向间隙尺寸须参考活塞杆等的径向动密封尺寸。

第二迷宫密封11位于上游测力连接段1和下游测力连接段2之间的轴向间隙和径向间歇之间。

在本实施例中，为实现模型发动机200的推力测量，上游测力连接段1、下游测力连接段2之间需要保证同轴安装；在此基础上，在上游测力连接段1、下游测力连接段2之间设置多重径向密封，并利用多重径向密封的顶部空间设置第一迷宫密封10；同时，利用上游测力连接段1和下游测力连接段2之间的安装间隙，在不同方向设置多个间隙，即可形成第二迷宫密封11；通过上述第一迷宫密封10、第二迷宫密封11和多重径向密封9，可以保证下游测力连接段2和模型发动机200在相对于上游测力连接段1产生有限位移时的可靠密封。

在本实施例中，游测力连接段1和下游测力连接段2之间不直接进行刚性连接，而是保留下游测力连接段2和模型发动机200固定连接后的位移能力；同时，在游测力连接段1和下游测力连接段2之间设计特殊通道，以便在可移动方向容纳多重径向密封装置，从而保证高温高压条件的可靠密封。

因此，本实施例的连接件可以实现模型发动机200沿流向的有限自由滑动，并同时保证高温高压条件下的密封，从而在固定的地面实验设备100上实现对模型发动机的推力测量。

本实施例中的连接件可适用于不同的设备连接，即可以分别在上游测力连接段1的上游端和下游测力连接段2的下游段连接不同的设备，以实现连接件用于不同的试验。

实施例2：

如图1-图3所示，本实施例基于实施例1，还包括转接段3；

转接段3的轴向两端分别与下游测力连接段2和模型发动机200可拆卸式连接，所述可拆卸式连接可以是通过螺栓连接。

在本实施例中，转接段3两侧分别与下游测力连接段2和模型发动机200连接，以确保内流道过渡光滑。具体如下：转接段3入口形状和下游测力连接段2出口端的内流道形状一致；转接段3出口形状和模型发动机200入口内流道形状一致。转接段3入口形状至出口之间通常采用等角度过渡，过渡角度的选择需要保证流场均匀性。

实施例3：

如图1-图3所示，本实施例基于实施例1，上游测力连接段1和下游测力连接段2之间通过限位螺杆8连接，通过调节限位螺杆8的长度，确保上游测力连接段1和下游测力连接段2之间在轴向上相对较小的位移。

实验设备100连接和模型发动机200之间同轴安装后，将模型发动机200通过线性导轨4沿轴向上游方向移动，上游测力连接段1和下游测力连接段2之间形成多重密封，但下游测力连接段2沿轴向上游方向仍具有一定的位移空间，通常约（2-5mm）。下一步，在上游测力连接段1和下游测力连接段2之间安装限位螺杆8，限位螺杆8上的锁紧螺母与限位螺杆8之间不完全锁紧，从而保证确保下游测力连接段2与模型发动机200向下游的较小的位移空间（约2-5mm）。

在本实施例中，上游测力连接段1的上游法兰一方面与实验设备100刚性连接；另一方面通过安装限位螺杆8与下游测力连接段2连接，以限制下游测力连接段2的向下游位移能力。

下游测力连接段2由上游法兰、下游法兰和径向密封通道组成。上游法兰通过安装限位螺杆8与上游测力连接段1连接，以限制下游测力连接段2的向下游位移能力。

实施例4：

如图1-图3所示，地面直连试验推力测量系统，包括实施例1-3任一项所述连接件，还包括力传感器7、支撑机构、第一台架12和第二台架13；

实验设备100通过第二台架13固定安装在地面上，具体地，第二台架13的顶部与实验设备100连接，用于支承实验设备100，由于实验设备100已经固定安装，上游测力连接段1与实验设备100连接后不具备位移能力。

支撑机构包括模型支撑5和线性导轨4，模型支撑5的顶部与模型发动机200连接，模型支撑5的底部滑动设置在线性导轨4，在本实施例中，作为优选的，模型支撑5为滚珠轴承，线性导轨4通过调平螺栓安装在第一台架12上，通过调平螺栓调节线性导轨4的状态为水平或倾斜。

在本实施例中，下游测力连接段2和模型发动机200连接后通过模型支撑5整体安装在线性导轨4上，滚珠轴承在线性导轨4上的移动方向与实验设备100模拟的气流流动方向一致；通过调整线性导轨4的安装位置(水平、俯仰等)，保证整体安装的下游测力连接段2和模型发动机200与实验设备100之间同轴。此时，可以保证下游测力连接段2和模型发动机200能够通过滚珠轴承在线性导轨4上沿实验设备100模拟的气流流动方向自由移动，从而为推力测量创造条件。

力传感器7用于实时测量模型发动机200的推力。

本实施例的测量方法，包括以下步骤：

S1、完成地面直连试验推力测量系统的设备安装；

S2、试验过程推力测量：

S21、阶段一：实验设备100工作并提供稳定来流，力传感器7实时采集模型发动机 200的推力，获取阶段一的平均推力

；

S22、阶段二：模型发动机200开始工作并建立稳定燃烧流场，力传感器7实时采集 模型发动机200的推力，获取阶段二的平均推力

；

S23、计算推力增益：平均推力

与平均推力

的差值为推力增益。

试验过程中的推力测量结果如图4所示。从图4中可以看出，阶段一模型发动机200部分产生的推力F1基本稳定，但受传感器压电特性和温度漂移的影响，推力稍有降低；模型发动机200开始工作后，推力迅速变化。根据推力的变化值即可获得模型发动机200产生的推力增益。

图5是与图4模拟状态相同、工况不同时的推力测量结果。两次试验中阶段一模型 发动机200及连接部分的时间平均推力

分别为7267N、7187N，差异约为1.1%，表明采用上 述推力测量方案的试验结果具有较好的重复性，为评估不同设计的发动机推力性能评估奠 定了基础。

因此，本实施例提出的推力测量方案可以用于直连试验推力测量，不会受到试验设备固定安装的限制，对于不同类型的发动机和不同平台设备等具有良好的适应性，验证了推力测量方案的实用性和试验测力结果的可重复性。

实施例5：

本实施例基于实施例4，还包括推力架6，力传感器7与模型发动机200固定连接，且与推力架6直接接触并进行预紧，所述推力架6设置在模型发动机200的下游端。

在本实施例中，在模型发动机200后方，设置一个刚度足够、固定在地面上的推力架6，推力架6也可固定在第一台架12上，防止模型发动机200在试验过程中因产生推力而发生显著位移、发生安全事故。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要注意的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

Claims (6)

1.连接件，其特征在于，包括：

上游测力连接段（1），用于与实验设备（100）同轴连接；

下游测力连接段（2），用于与模型发动机（200）同轴连接；

所述上游测力连接段（1）和下游测力连接段（2）同轴设置且能够在轴向上相对位移，所述上游测力连接段（1）和下游测力连接段（2）之间设置有多重密封结构；

所述多重密封结构包括径向密封单元（9）、第一迷宫密封（10）和第二迷宫密封（11），其中，径向密封单元（9）位于上游测力连接段（1）和下游测力连接段（2）同轴安装之后的径向间隙内；第一迷宫密封（10）位于相邻径向密封单元（9）之间，或位于径向密封单元（9）与第二迷宫密封（11）之间；第二迷宫密封（11）位于上游测力连接段（1）和下游测力连接段（2）之间的轴向间隙和径向间歇内；

所述上游测力连接段（1）和下游测力连接段（2）之间通过限位螺杆（8）连接，通过调节限位螺杆（8）的长度，确保上游测力连接段（1）和下游测力连接段（2）之间在轴向上具有相对较小的位移。

2.根据权利要求1所述的连接件，其特征在于，还包括转接段（3）；

所述转接段（3）的轴向两端分别与下游测力连接段（2）和模型发动机（200）可拆卸式连接。

3.地面直连试验推力测量系统，其特征在于，包括如权利要求1-2任一项所述连接件，还包括力传感器（7）和推力架（6）；

所述力传感器（7）用于实时测量模型发动机（200）的推力；所述力传感器（7）与模型发动机（200）固定连接，且与推力架（6）直接接触并进行预紧，所述推力架（6）设置在模型发动机（200）的下游端；

还包括用于支撑模型发动机（200）的支撑机构；

所述支撑机构包括模型支撑（5）和线性导轨（4），所述模型支撑（5）的顶部与模型发动机（200）连接，所述模型支撑（5）的底部滑动设置在线性导轨（4）内。

4.根据权利要求3所述的地面直连试验推力测量系统，其特征在于，所述模型支撑（5）为滚珠轴承，所述线性导轨（4）通过调平螺栓安装在第一台架（12）上，通过调平螺栓调节线性导轨（4）的状态为水平或倾斜，以保证模型发动机（200）和实验设备（100）同轴。

5.根据权利要求3所述的地面直连试验推力测量系统，其特征在于，还包括第二台架（13），所述第二台架（13）用于支撑实验设备（100）。

6.基于权利要求3-5任一项所述的地面直连试验推力测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、完成地面直连试验推力测量系统的设备安装；

S2、试验过程推力测量：

S21、阶段一：实验设备（100）工作并提供稳定来流，力传感器（7）实时采集模型发动机（200）的推力，获取阶段一的平均推力

；

S22、阶段二：模型发动机（200）开始工作并建立稳定燃烧流场，力传感器（7）实时采集模型发动机（200）的推力，获取阶段二的平均推力

；

S23、计算推力增益：平均推力

与平均推力

的差值为推力增益。

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