CN115371998B - 一种用于发动机叶轮出口温度场测量的装置 - Google Patents

一种用于发动机叶轮出口温度场测量的装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于发动机叶轮出口温度场测量的装置，包括：整流罩帽、罩帽转轴、测温传感器、整流支板、机匣壳体、步进电机等组成。测温传感器均匀分布在整流罩帽上，每支测温传感器上均匀分布有多个温度测点。步进动力源通过传动结构驱动安装有测温传感器的整流罩帽转动，从而带动测温传感器在发动机叶轮出口流道内旋转扫描测试叶轮出口截面的温度，获得发动机叶轮出口多个测试点的温度分布及最高温度和最低温度点位置。使用该装置测量的温度数值可以评定发动机或者试验件的工作特性，并为设计人员或者技术人员改进和优化发动机结构提供数据支撑。

Description

一种用于发动机叶轮出口温度场测量的装置
技术领域
本发明属于温度场测量技术领域，涉及一种温度场测量装置，具体涉及一种用于发动机叶轮出口温度场测量的装置，主要应用于飞机发动机低压涡轮后出口温度场测量或者压气机和涡轮试验件出口温度场测量。
背景技术
一些飞机发动机设计定型前或者质量抽检，需要重点评定燃烧室出口温度场的分布，燃烧室出口温度场局部高温和温度分布不均匀，会严重影响发动机寿命和发动机使用安全。航空发动机涡轮出口温度比较高，一般发动机涡轮出口温度都在1000K～1300K范围。受发动机流通截面和高温限制，单一的测温传感器无法获得发动机截面温度场的分布参数，必须通过特种装置，并辅助安装测温传感器进行测量，从而获得发动机高温部位温度场的分布信息。
发明内容
(一)发明所要解决的技术问题
针对现有技术的上述缺陷和不足，本发明旨在提供一种用于发动机叶轮出口温度场测量的装置，在发动机试车、部件试验(压气机试验和涡轮试验)中，通过测量所需要截面温度场，获得发动机或者试验件的工作特性，为改进和优化设计结构提供数据支撑。
本发明的用于发动机叶轮出口温度场测量的装置中，步进动力源通过传动结构驱动安装有测温传感器的整流罩帽转动，从而带动测温传感器在发动机叶轮出口流道内旋转扫描测试叶轮出口截面的温度，获得发动机叶轮出口多个测试点的温度分布及最高温度和最低温度点位置。使用该装置测量的温度数值可以评定发动机或者试验件的工作特性，并为设计人员或者技术人员改进和优化发动机结构提供数据支撑。
(二)发明为解决技术问题所采用的技术方案
一种用于发动机叶轮出口温度场测量的装置，包括一筒状机匣壳体、一同心设置在所述机匣壳体中的内锥体、以及沿周向均匀布置在所述机匣壳体与内锥体之间的若干中整流支板，其特征在于，
所述机匣壳体的前端安装边通过紧固件与发动机叶轮机匣后端安装边固定连接；
所述内锥体包括一前后两端设有盖板的空心筒状本体和一锥状空心整流罩帽，所述筒状本体固定布置，每一所述整流支板的外端与所述机匣壳体的内壁固定连接、内端与所述筒状本体的外壁固定连接；
所述整流罩帽同轴且可转动地设置在所述筒状本体的前端，且所述整流罩帽内中心处固定设置一沿轴向延伸的罩帽转轴，所述罩帽转轴的末端穿过所述筒状本体前端的盖板伸入所述筒状本体的内腔，所述罩帽转轴的末端通过传动结构与一步进动力源传动连接；
所述整流罩帽的侧壁上设有N个沿周向均匀分布的测温传感器安装孔，其中N为不小于2的整数，每一所述测温传感器安装孔中对应固定设置一测温传感器，各所述测温传感器的导线穿过所述筒状本体前端盖板上的开孔导入所述筒状本体的内腔，之后穿过所述整流支板外延到所述筒状机匣壳体外与温度采集部件连接；且各所述测温传感器的导线位于所述整流罩帽内腔的部分在长度上具有适配所述整流罩帽转动而不发生缠绕的裕度；
所述步进动力源通过罩帽转轴带动所述整流罩帽以步进方式旋转，每次步进旋转的角度相同，且每完成一次步进旋转，所述步进动力源停止驱动一定时间，停止驱动的时间不低于所述测温传感器的测温反应时间，所述整流罩帽的最大旋转角度为360/N度，所述整流罩帽从初始位置旋转360/N度完成最后一次测温后，所述步进动力源带动所述整流罩帽反向旋转退回初始位置。
优选地，各所述测温传感器的导线外均包裹有耐温隔热布，以避免烧蚀传感器导线。
优选地，每一所述测温传感器的测温探头沿径向伸入所述机匣壳体的温度场空间中，且每一所述测温传感器的测温探头在径向上分布设置有若干温度测点。
优选地，所述动力源为一步进电机，固定设置在所述筒状本体的内腔中，并与所述罩帽转轴的末端传动连接。
优选地，所述动力源为一步进电机，固定设置在所述筒状机匣壳体的外壁上，并通过传动结构与位于所述筒状本体内腔中的罩帽转轴末端传动连接。
进一步地，所述传动结构包括一整体布置在所述整流支板内垂直传动杆，所述垂直传动杆的上端伸出所述筒状机匣壳体外并通过一第一锥齿轮副与所述步进电机的水平布置的传动轴传动连接，所述垂直传动杆的下端伸入所述筒状本体的内腔中并通过一第二锥齿轮副与水平布置的所述罩帽转轴传动连接。
(三)发明所能达到的技术效果
本发明的用于发动机叶轮出口温度场测量的装置应用于飞机发动机地面试验中或者压气机和涡轮部件试验中，截面上多个点的温度场数据，能够判读出叶轮叶片出口局部高温区和低温区，及其最高温点数值和低温点数值，将有益于设计人员修改和完善发动机叶轮(如燃烧室、压气机或涡轮导向器等)设计，提高发动机叶轮部件的可靠性和寿命等级。
附图说明
图1为本发明用于发动机叶轮出口温度场测量的装置整体的结构示意图；
图2为本发明的用于发动机叶轮出口温度场测量的装置的正视图；
图3为本发明的用于发动机叶轮出口温度场测量的装置的背视图；
图4为本发明用于发动机叶轮出口温度场测量的装置的剖视图；
图5为本发明中步进电机和整流罩帽的传动转换示意图；
图6为本发明中整流罩帽结构示意图；
图7为本发明中测温传感器示意图。
附图标记说明：
10、机匣壳体，11、机匣壳体的前端安装边；12、测温传感器导线输出孔；13、内锥腔；14、步进电机保护箱体；20、内锥体；21、筒状本体；22、整流罩帽；23、罩帽转轴；24、测温传感器安装孔；30、整流支板；40、测温传感器；41、测温传感器导线；42、温度测点；50、步进电机；51、垂直传动杆。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明的内容不局限于下面的实施例。实际上，在未背离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化，这对本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用来产生又一个实施例。因此，意图是本发明将这样的修改和变化包括在所附的权利要求书和它们的等同物的范围内。
如图1～7所示，本发明的用于发动机叶轮出口温度场测量的装置，包括一筒状机匣壳体10、一同心设置在机匣壳体中的内锥体20、以及沿周向均匀布置在筒状机匣壳体10与内锥体20之间的若干中整流支板30，本实施例中，整流支板30，的数量为4个，分别布置在12点、3点、6点、9点位置。
机匣壳体10的前端安装边11通过紧固件与发动机叶轮机匣后端安装边固定连接，本实施例中，紧固件为拧紧螺钉和螺母，机匣壳体10的前端安装边11通过28个拧紧螺钉和28个螺母与发动机叶轮机匣后端安装边固定连接。
内锥体20包括一前后两端设有盖板的空心筒状本体21和一锥状空心整流罩帽22，筒状本体21固定布置，每一整流支板30的外端与机匣壳体10的内壁固定连接、内端与筒状本体21的外壁固定连接。
整流罩帽22同轴且可转动地设置在筒状本体21的前端，且整流罩帽22内中心处固定设置一沿轴向延伸的罩帽转轴23，罩帽转轴23的末端穿过筒状本体21前端的盖板伸入筒状本体21的内腔，罩帽转轴23的末端通过传动结构与一步进动力源传动连接。本实施例中，步进动力源为设置在机匣壳体10外壁的步进电机保护箱体14中的步进电机，控制罩帽转轴23转动的步进电机，要求精度高，步进准确，测量精度在1.8°，利用PLC编程控制电机的步进速度和测量等待时间(步进电机也可以自带控制器进行定时、扭矩设定)，保证罩帽转轴23每次只转动6°。本实施例中，传动结构包括一整体布置在整流支板内垂直传动杆51，垂直传动杆51的上端伸出机匣壳体10外并通过一第一锥齿轮副与步进电机50的水平布置的传动轴传动连接，垂直传动杆51的下端伸入筒状本体的内腔中并通过一第二锥齿轮副与水平布置的罩帽转轴23传动连接。
整流罩帽22的侧壁上设有3个沿周向均匀分布的测温传感器安装孔24，每一测温传感器安装孔24中对应固定设置一测温传感器40，各测温传感器导线41穿过筒状本体21的前端盖板上的开孔导入筒状本体21的内腔，之后穿过整流支板30外延到筒状机匣壳体10外与温度采集部件连接；且各测温传感器导线41位于整流罩帽22内腔的部分在长度上具有适配整流罩帽22转动而不发生缠绕的裕度。由于测试温度场比较高，大约为1000K～1300K的温度范围，测温传感器导线41用耐温1000度的隔热布全包裹，以避免高温烧蚀测温传感器的电缆。且每一测温传感器40的测温探头沿径向伸入机匣壳体的温度场空间中，且每一测温传感器的测温探头在径向上分布设置有5个温度测点42，如图7所示。
本发明的用于发动机叶轮出口温度场测量的装置在工作时，步进电机50通过罩帽转轴23带动整流罩帽22以步进方式旋转，每次步进旋转的角度相同，且每完成一次步进旋转，步进动力源停止驱动一定时间，停止驱动的时间不低于测温传感器的测温反应时间，整流罩帽的最大旋转角度为120度，整流罩帽从初始位置旋转120度完成最后一次测温后，步进动力源带动整流罩帽反向旋转退回初始位置。例如，整流罩帽22上均匀分布3支5点的测温传感器40，3支测温传感器40的初始位分别对应布置在12点、4点和8点钟位置，相邻两测温传感器40相隔120°夹角，测温传感器40每转动6°进行一次测量。单支测温传感器上布置5个温度测点，完成120°旋转，即完成100个点的测量，3支测温传感器则完成300个温度点测量。
本发明的用于发动机叶轮出口温度场测量的装置在装配时：
1)首先，对3支测温传感器40导线缠耐1200℃高温隔热布。之后，将3支5点测温传感器40分别经过整流罩帽22内部，由里到外进行安装，传感器测温端迎向来流方向，之后用M6螺钉将测温传感器40分别拧紧于整流罩帽22的测温传感器安装孔24内。罩帽转轴23固定设置在整流罩帽22内，防止脱落。将安装有测温传感器40的整流罩帽22和罩帽转轴23，插入筒状本体21的前端盖板上，三只测温传感器的导线41经筒状本体21的前端盖板上的开孔，导入筒状本体21空腔内，之后分别经整流支板30的内孔再导出，外延到机匣壳体1010外面。
2)垂直传动杆51经整流支板30进入内锥体的筒状本体21的空腔，之后安装垂直传动杆51的上下固定螺母，并拧紧到止动位置。垂直传动杆51上下端分别安装锥齿轮(注意电机锥齿轮与传动杆上端锥齿轮的啮合后在拧紧备用螺母固定)，并用备用螺母拧紧固定。之后，安装步进电机保护箱体，并用4个标准M6螺钉拧紧固定与机匣壳体上。
3)安装罩帽转轴23的锥齿轮，安装过程中，注意齿轮与传动杆锥齿轮的啮合，在完全啮合无空行程后，并且3支测温传感器分别对应12点位置、4点位置和8点位置后，用备用螺母拧紧固定罩帽转轴23的锥齿轮。之后，盖上盖板，再拧上6个螺钉，完成内锥体的封盖。
本发明的用于发动机叶轮出口温度场测量的装置在试验测温过程时：
首先，在测温试验前，将该温度场测量装置的前机匣安装边与发动机涡轮机匣后安装边对接，之后通过螺钉和螺母拧紧固定。之后，在完成测温装置安装后，将测温传感器的输出导线，与测试系统的接线端子分别进行连接。
完成安装和导线连接之后，进行传感器测量位置的标定。通过信号发送器，给定步进电机信号，电机根据控制器设定的控制逻辑，通过齿轮、传动轴，将转动力矩传递到罩帽转轴23上，整流罩帽22开始顺时针转动，整流罩帽22上的3支测温传感器40随之转动。转动6°后，电机停止驱动，等待30s，3支测温传感器开始测量所测截面的温度。测量完成后，电机根据控制逻辑，自动再驱动轮盘运转，转动6度后电机停止驱动，再次等待30s，3支测温传感器进行第2次温度测量。以此重复驱动和测量，直到3支传感器都转动到120°位置，完成最后一次测温。此时，第1支测温传感器由12点钟位置转动到4点钟位置；第2支传感器由4点钟位置转动到8点钟位置；第3支传感器由8点钟位置转动到12点钟位置。整个过程，要求传感器旋转稳定，测温传感器输出导线无缠绕。完成3支测温传感器在测试截面上的角度检查标定后，电机控制冒罩旋转，逆时针退回初始位，即第1支测温传感器在12点钟位置，第2支测温传感器在4点钟位置，第3支测温传感器在8点钟位置。
之后，起动发动机或者试验件，在最大状态工作稳定后，开始起动步进电机，电机根据控制逻辑转动轮盘，测温传感器开始进行测温扫描。温度采集的电压信号，经电缆导线到温度采集卡接线端子后，信号进入温度采集系统，温度数值通过电脑屏幕进行显示。整个温度测试过程，大约至少需要10min。
最后，完成测量后，发动机停车，试验件停止运转。电机逆时针运转，将测温传感器恢复到初始位置，之后，拆除温度测量专业装置，本次测试试验结束。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种用于发动机叶轮出口温度场测量的装置，包括一筒状机匣壳体、一同心设置在所述机匣壳体中的内锥体、以及沿周向均匀布置在所述机匣壳体与内锥体之间的若干中整流支板，其特征在于，
所述机匣壳体的前端安装边通过紧固件与发动机叶轮机匣后端安装边固定连接；
所述内锥体包括一前后两端设有盖板的空心筒状本体和一锥状空心整流罩帽，所述筒状本体固定布置，每一所述整流支板的外端与所述机匣壳体的内壁固定连接、内端与所述筒状本体的外壁固定连接；
所述整流罩帽同轴且可转动地设置在所述筒状本体的前端，且所述整流罩帽内中心处固定设置一沿轴向延伸的罩帽转轴，所述罩帽转轴的末端穿过所述筒状本体前端的盖板伸入所述筒状本体的内腔，所述罩帽转轴的末端通过传动结构与一步进动力源传动连接；
所述整流罩帽的侧壁上设有N个沿周向均匀分布的测温传感器安装孔，其中N为不小于2的整数，每一所述测温传感器安装孔中对应固定设置一测温传感器，各所述测温传感器的导线穿过所述筒状本体前端盖板上的开孔导入所述筒状本体的内腔，之后穿过所述整流支板外延到所述筒状机匣壳体外与温度采集部件连接；且各所述测温传感器的导线位于所述整流罩帽内腔的部分在长度上具有适配所述整流罩帽转动而不发生缠绕的裕度；
所述步进动力源通过罩帽转轴带动所述整流罩帽以步进方式旋转，每次步进旋转的角度相同，且每完成一次步进旋转，所述步进动力源停止驱动一定时间，停止驱动的时间不低于所述测温传感器的测温反应时间，所述整流罩帽的最大旋转角度为360/N度，所述整流罩帽从初始位置旋转360/N度完成最后一次测温后，所述步进动力源带动所述整流罩帽反向旋转退回初始位置。
2.根据权利要求1所述的用于发动机叶轮出口温度场测量的装置，其特征在于，各所述测温传感器的导线外均包裹有耐温隔热布，以避免烧蚀传感器导线。
3.根据权利要求1所述的用于发动机叶轮出口温度场测量的装置，其特征在于，每一所述测温传感器的测温探头沿径向伸入所述机匣壳体的温度场空间中，且每一所述测温传感器的测温探头在径向上分布设置有若干温度测点。
4.根据权利要求1所述的用于发动机叶轮出口温度场测量的装置，其特征在于，所述动力源为一步进电机，固定设置在所述筒状本体的内腔中，并与所述罩帽转轴的末端传动连接。
5.根据权利要求1所述的用于发动机叶轮出口温度场测量的装置，其特征在于，所述动力源为一步进电机，固定设置在所述筒状机匣壳体的外壁上，并通过传动结构与位于所述筒状本体内腔中的罩帽转轴末端传动连接。
6.根据权利要求5所述的用于发动机叶轮出口温度场测量的装置，其特征在于，所述传动结构包括一整体布置在所述整流支板内垂直传动杆，所述垂直传动杆的上端伸出所述筒状机匣壳体外并通过一第一锥齿轮副与所述步进电机的水平布置的传动轴传动连接，所述垂直传动杆的下端伸入所述筒状本体的内腔中并通过一第二锥齿轮副与水平布置的所述罩帽转轴传动连接。
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