CN115371999B - 一种高温高压试验中进口流场参数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高温高压试验中进口流场参数测量装置，包括探针，探针的上端设有抽离结构、液压结构；抽离结构设置在机匣外壳的测量孔位置，包括连杆、缸体，连杆下端与探针连接，连杆上端沿缸体轴向插入并穿过缸体内腔，且连杆上套设固定有位于缸体内腔内且与缸体内壁接触的活塞，活塞将缸体内腔分割为上腔和下腔；缸体上端设有第一通孔，缸体下端设有第二通孔，液压结构经第一通孔为上腔提供液压介质，经第二通孔为所述下腔提供液压介质。进口流场参数测量装置具有结构简单，可长时间可靠、安全、反复的对探针进行操作，实现相关参数测量时抽出探针，完成后插入探针，避免探针在流道内对测量结果的影响，也能避免试验安全隐患的产生。

Description

一种高温高压试验中进口流场参数测量装置

技术领域

本发明属于航空发动机及燃气轮机试验测试技术领域，具体为一种高温高压试验中进口流场参数测量装置。

背景技术

航空发动机及燃气轮机都是将高温高压气流转化为动力输出的装置，其做功相关部件工作在高温高压的环境中，因此在研制航空发动机及燃气轮机的过程中，针对这类部件进行的试验研究是必不可少的。

目前，航空发动机及燃气轮机的整机、零部件试验均追求在真实工况下进行，以期获得试验对象在实际工作状态的特征数据，并以此为研制、改进产品，这就对相关试验测试提出了不少苛刻的要求。例如航空发动机的涡轮，动力涡轮部件的气流温度均超过1800K，要在此条件下进行涡轮部件试验，获取其性能结果、冷却效果、结构强度以及相关调节机构的结构可靠性等，就必须测量出气流温度，并以此为基础设计、确定、调节试验工况。

而传统的压力、温度探针是无法在如此高温环境下长期运作的，需要对探针本体进行冷却，常见冷却手段是在探针的内部设计冷却通道，通过循环水降低探针温度，以保证探针的结构强度。同时，当探针位于测试对象的前端时，探针的存在破坏测试对象的进口（上游）流场，从而导致测试结果与实际情况不符，大幅降低试验结果的可信度。再者对于流道面积有限的试验，探针巨大的迎风面积会直接造成气流的堵塞，进一步影响测试结果。

虽然现在也有使用贵金属或陶瓷基耐高温探针，使用钌、铂等耐高温金属制作的探针可避免冷却问题并能缩小探针迎风面积，但其高昂的价格使得试验成本高涨，且因为不同试验的流道尺寸往往不同导致一种探针往往只能适用于一种试验，加上探针数量需求庞大，进一步推高了这种试验方法的成本。同时，气流高速流动产生的气动力、振动等问题也会破坏陶瓷材料，直接影响试验安全，因此陶瓷类材料制作的探针不适用此类试验。

也有在试验时，预实验中使用探针，正式试验中撤掉探针的方式，例如预试验中获取进口流场探针的测量结果和一些其它位置，通过布置在远上游的测点、燃料的流量等的测量结果，然后找出其中的对应关系，正式试验中撤掉进口流场探针，利用其它位置的测量数据和预试验中获取的对应关系推导出进口流场数据，从而避开探针对试验结果的影响。但是其存在步骤繁杂、试验成本高、人工成本高、时间长的弊端。

也有在中低温模拟试验中，为了去除探针本身对试验结果的影响，会使用电机在记录数据前将探针抽离流道，但以电机为动力的抽离机构需要在探针附近部署电机、减速机构、齿轮、丝杠等部件，其各部件热膨胀率的不同造成的卡滞问题和电子元件本身的耐温极限问题，限制了这一方法在高温高压试验中的应用。

发明内容

为了于解决高温高压稳态试验中探针对流场本身影响、探针不能在高温高压流道（例如温度大于1800K、压力高于1.0MPa）内稳定工作的问题，本发明设计了一种高温高压试验中进口流场参数测量装置，其可以实现稳态试验只在工况稳定时进行测试的特点，可长时间（连续8小时或以上）可靠、安全、反复的对探针进行操作，实现相关参数测量记录时抽出探针，记录完成后插入探针，继续试验下一个工况的调节的方式，达到避免探针在流道内对测量结果的影响，也能避免试验安全隐患的产生。

实现发明目的的技术方案如下：一种高温高压试验中进口流场参数测量装置，包括探针，所述探针的上端设有抽离结构、液压结构；

所述抽离结构设置在机匣外壳的测量孔位置，包括连杆、缸体，连杆下端与所述探针连接，连杆上端沿缸体轴向插入并穿过缸体内腔，且所述连杆上套设固定有位于缸体内腔内且与缸体内壁接触的活塞，所述活塞将缸体内腔分割为上腔和下腔；

所述缸体上端设有第一通孔，所述缸体下端设有第二通孔，所述液压结构经所述第一通孔为所述上腔提供液压介质，经所述第二通孔为所述下腔提供液压介质。

在一个实施例中，所述缸体上端设有第三通孔，所述第三通孔的孔径小于所述第一通孔的孔径；

所述液压结构与所述第一通孔及所述第三通孔的连接管道上均设有单向阀及控制阀。

在一个实施例中，所述缸体下端设有第四通孔，所述第四通孔的孔径小于所述第二通孔的孔径；

所述液压结构与所述第二通孔及所述第四通孔的连接管道上均设有单向阀及控制阀。

进一步的，所述连杆为中空连杆。

更进一步的，所述连杆由导热材料制成。

进一步的，所述缸体轴向的长度大于等于所述探针的长度，且小于等于探针长度与机匣外壳厚度之和。

进一步的，液压介质的沸点低于流道内试验气体的温度。

在一个实施例中，进口流场参数测量装置还包括密封结构，所述密封结构对测量孔进行密封。

进一步的，所述密封结构包括位于探针上端的第一密封件、位于探针下端的第二密封件、位于测量孔上的第三密封件。

更进一步的，所述第一密封件和所述第二密封件为刚性密封件，且所述第一密封件和所述第二密封件的直径大于测量孔的直径；

所述第三密封件为柔性密封。如柔性石墨密封、且第二密封件可以选用耐高温金属制成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计的高温高压试验中进口流场参数测量装置，由于其未使用任何电子元件和牙齿结构，使得该装置非常适用于在试验中将探针抽离/插入高温高压气流流道。在工作气流温度1800K以上、压力高于1.0MPa的航空发动机及燃气轮机相关整机、零部件的稳态试验中有着相当普遍的应用价值，例如在常见的高温高压涡轮（透平）导向器、级性能试验中的进口流场参数的测量、高温高压涡轮（透平）叶片冷却效果试验中的栅前参数的测量等，由于该方法仅用较低的成本即可在试验记录数据时去除探针的干扰影响，因此在可推广性、收益等方面都有着明显优势，可为相关试验结果的准确性和有效性的提升提供有力支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例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，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获得其他的附图。

图1为具体实施方式中高温高压试验中进口流场参数测量装置的第一种结构示意图；

图2为具体实施方式中高温高压试验中进口流场参数测量装置的第二种结构示意图；

图3为具体实施方式中高温高压试验中进口流场参数测量装置的第三种结构示意图；

图4为具体实施方式中高温高压试验中进口流场参数测量装置的第四种结构示意图；

图5为具体实施方式中探针插入流道的示意图；

图6为具体实施方式中探针抽出流道的示意图；

其中，1.第二密封件；2.第一密封件；3.探针；4.连杆；5.缸体；6.活塞；7.第四通孔；8.第三通孔；9.第一通孔；10.第二通孔；11.液压介质；12.安装座；13.第三密封件。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

在本实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本具体实施方式提供了一种高温高压试验中进口流场参数测量装置，如图1所示，进口流场参数测量装置包括探针3，所述探针3的上端设有抽离结构、液压结构，探针3经机匣外壳上的测量孔内插入流道内测量流道温度或抽出流道进行高温高压试验。进口流场参数测量装置作用时，液压结构作用于抽离结构，使用抽离结构将探针3抽出或插入流道内。本具体实施方式中，由于探针3位于流道内，因此必须使用耐高温材料，可以选用贵金属材料，也可以将其设计为可更换通用件，适用于多种不同探针3以减少成本。再者，探针3可以根据不同的测量参数和测量需求进行设计加工，可使用水冷探针或不使用水冷探针。

如图1所示，所述抽离结构经安装座12固定在机匣外壳的测量孔位置，抽离结构包括连杆4、缸体5，连杆4下端与所述探针3连接，连杆4上端沿缸体5轴向插入并穿过缸体内腔，且所述连杆4上套设固定有位于缸体内腔内且与缸体5内壁接触的活塞6，所述活塞6将缸体内腔分割为上腔和下腔。

在一个实施例中，如图1所示，所述缸体5上端设有第一通孔9，所述缸体5下端设有第二通孔10，所述液压结构经所述第一通孔9为所述上腔提供液压介质11，经所述第二通孔10为所述下腔提供液压介质11。具体的，第一通孔9和第二通孔10均为进出液口，第一通孔9经管道与液压结构的第一液压结构（附图未画出）连接，第二通孔10经管道与液压结构的第二液压结构（附图未画出）连接。

当探针3需要从流道抽出时，第二液压结构经第二通孔10向下腔内输入液压介质11，活塞6受到下腔朝向上腔的压力后向上运动，此时上腔内的液压介质11经第一通孔9向第一液压结构输出，活塞6向上腔运动过程中，会带动连杆4向远离流道中心方向运动，进而将探针3从流道中抽出，避免探针3对高温高压试验的影响；当探针3需要从流道抽出时，第一液压结构经第一通孔9向上腔内输入液压介质11，活塞6受到上腔朝向下腔的压力后向上运动，此时下腔内的液压介质11经第二通孔10向第二液压结构输出，活塞6向下腔运动过程中，会带动连杆4向靠近流道中心方向运动，进而将探针3插入流道中进行温度测量。

在一个实施例中，如图2所示，所述缸体5上端设有第一通孔9、第三通孔8，缸体5下端设有第二通孔10，且所述第三通孔8的孔径小于所述第一通孔9的孔径；所述液压结构与所述第一通孔9及所述第三通孔8的连接管道上均设有单向阀及控制阀，其中单向阀可以滚珠单向阀、特斯拉单向阀等无需控制的纯机械单向阀。

上述实施例中，第三通孔8的孔径小于第一通孔9的孔径，确保上腔内具有一定的压差，能够确保经第一通孔9进入的液压介质11体积大于从第三通孔8排出的体积，使上腔具有足够的压力将将下腔内的液压介质11从第二通孔10排出，使活塞6向流道中心方向挤压移动，实现将探针3插入流道。在本实施例中，第二通孔10为进出液口，第一通孔9为进液口，第三通孔8为出液口，单向阀用来限制液压介质11设定方向流动。控制阀控制连接第二通孔10、第一通孔9、第三通孔8是否连通，例如：当上腔进液时，第一通孔9连通进液，由于第三通孔8的孔径小于第一通孔9的孔径，所以第三通孔8可以连通也可以不连通，但是为了使用液压介质11经连杆4对探针3进行辅助降温，因此择优选择第一通孔9连通进液时，第三通孔8进行排液。

在一个实施例中，如图3所示，缸体5上端设有第一通孔9，所述缸体5下端设有第二通孔10、第四通孔7，所述第四通孔7的孔径小于所述第二通孔10的孔径；所述液压结构与所述第二通孔10及所述第四通孔7的连接管道上均设有单向阀及控制阀。探针3抽出和插入流道的原理以及其作用过程与图2中含有第三通孔8时的原理相同，在此不再对其进行赘述。

在一个实施例中，如图4所示，缸体5上端设有第一通孔9、第三通孔8，缸体5下端设有第二通孔10、第四通孔7，第一通孔9、第三通孔8、第二通孔10、第四通孔7上均设有单向阀及控制阀，第一通孔9的孔径大于第三通孔8的孔径，第三通孔8的孔径小于第一通孔9的孔径。如图5和图6所示探针3抽出和插入流道的原理以及其作用过程与图2中含有第三通孔8时的原理相同，在此不再对其进行赘述。

进一步的，为了便于探针3的布线，将所述连杆4设计为中空连杆。

更进一步的，为了实现对探针3的辅助降温，所述连杆4由导热材料制成，作用时探针3的热量快速经连杆4导入上腔和下腔内的液压介质11中进行降温。

进一步的，为了确保探针3从流道中抽出，并避免探针3从测量孔内抽离导致流道内的气体从测量孔溢出，所述缸体5轴向的长度大于等于所述探针3的长度，且小于等于探针3长度与机匣外壳厚度之和。

进一步的，为了避免因探针3温度过高，造成液压介质11沸腾，影响装置的安全性，液压结构提供的液压介质11的沸点低于流道内试验气体的温度。

在一个实施例中，进口流场参数测量装置还包括密封结构，所述密封结构对测量孔进行密封。如图1~图4所示，所述密封结构包括位于探针3上端的第一密封件2、位于探针3下端的第二密封件1、位于测量孔上的第三密封件13。

更进一步的，所述第一密封件2和所述第二密封件1为刚性密封件，且所述第一密封件2和所述第二密封件1的直径大于测量孔的直径。优选的，由于第二密封件1设置在流道内，因此第二密封件1可以选用耐高温金属制成，且第二密封件1可以与探针3一体设计加工形成。所述第三密封件13为柔性密封，例如选用柔性石墨密封。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种高温高压试验中进口流场参数测量装置，包括探针（3），其特征在于：所述探针（3）的上端设有抽离结构、液压结构；

所述抽离结构设置在机匣外壳的测量孔位置，包括连杆（4）、缸体（5），连杆（4）下端与所述探针（3）连接，连杆（4）上端沿缸体（5）轴向插入并穿过缸体内腔，且所述连杆（4）上套设固定有位于缸体内腔内且与缸体（5）内壁接触的活塞（6），所述活塞（6）将缸体内腔分割为上腔和下腔；

所述缸体（5）轴向的长度大于等于所述探针（3）的长度，且小于等于探针（3）长度与机匣外壳厚度之和；

所述缸体（5）上端设有第一通孔（9），所述缸体（5）下端设有第二通孔（10），所述液压结构经所述第一通孔（9）为所述上腔提供液压介质（11），经所述第二通孔（10）为所述下腔提供液压介质（11）；

进口流场参数测量装置还包括密封结构，所述密封结构对测量孔进行密封。

2.根据权利要求1所述的高温高压试验中进口流场参数测量装置，其特征在于：所述缸体（5）上端设有第三通孔（8），所述第三通孔（8）的孔径小于所述第一通孔（9）的孔径；

所述液压结构与所述第一通孔（9）及所述第三通孔（8）的连接管道上均设有单向阀及控制阀。

3.根据权利要求1或2所述的高温高压试验中进口流场参数测量装置，其特征在于：所述缸体（5）下端设有第四通孔（7），所述第四通孔（7）的孔径小于所述第二通孔（10）的孔径；

所述液压结构与所述第二通孔（10）及所述第四通孔（7）的连接管道上均设有单向阀及控制阀。

4.根据权利要求1所述的高温高压试验中进口流场参数测量装置，其特征在于：所述连杆（4）为中空连杆。

5.根据权利要求1或4所述的高温高压试验中进口流场参数测量装置，其特征在于：所述连杆（4）由导热材料制成。

6.根据权利要求1所述的高温高压试验中进口流场参数测量装置，其特征在于：液压介质（11）的沸点低于流道内试验气体的温度。

7.根据权利要求1所述的高温高压试验中进口流场参数测量装置，其特征在于：所述密封结构包括位于探针（3）上端的第一密封件（2）、位于探针（3）下端的第二密封件（1）、位于测量孔上的第三密封件（13）。

8.根据权利要求7所述的高温高压试验中进口流场参数测量装置，其特征在于：所述第一密封件（2）和所述第二密封件（1）为刚性密封件，且所述第一密封件（2）和所述第二密封件（1）的直径大于测量孔的直径；

所述第三密封件（13）为柔性密封。

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