CN115931283B - 一种双涵喷管推力特性精确测量装置 - Google Patents

Abstract

一种双涵喷管推力特性精确测量装置，属于航空发动机尾喷管冷喷流试验领域。其包括试验台架、连接锥套、杆式多分量天平、测量端锥套、第一密封通道结构、第二密封通道结构，试验台架装有连接锥套，杆式多分量天平两端分别置于连接锥套和测量端锥套内部，第一密封通道结构和第二密封通道结构的两端分别与连接锥套和测量端锥套固连，第一密封通道结构和第二密封通道结构以杆式多分量天平的中心轴线为基准镜像对称布置，目的是为了解决针对缩比尺寸的双涵道发动机尾喷管，提供一种双涵喷管推力特性精确测量装置，既能够满足双涵道喷管试验中供气需求，也能满足双涵道喷管推力的精确测量的问题，可以实现双涵喷管气动特性的精确测量。

Description

一种双涵喷管推力特性精确测量装置

技术领域

本发明涉及一种双涵喷管推力特性精确测量装置，属于航空发动机尾喷管冷喷流试验领域。

背景技术

选择不同类型的喷管，例如收敛、收敛扩张、塞式、组合等喷管可以使发动机总重量改变25%左右，使超音速推力改变20%，也可使亚音速巡航动力装置的耗油率SFC改变10%，但由于喷管压强比和出口面积的变化范围很大，例如某些高超飞行器尾喷管的落压比达到数百甚至上千，膨胀比达到几十，对于特种飞机来说，尾喷管作为发动机的重要部件，其选择和设计存在一定的复杂性，是发动机研究的重要领域之一。该领域中现有的发明仅可实现单喷管推力的精确测量，例如公开号为CN102539053A的一种环式天平与波纹管系统和公开号为CN106644365A的一种低速风洞推力矢量天平校准装置，均未体现双涵喷管推力精确测量。

因此，亟需提出一种新型的双涵喷管推力特性精确测量装置，采用合理系统实现双涵道喷管推力的高精度测量，对航空发动机尾喷管研制具有重要意义。

发明内容

本发明研发目的是为了解决针对缩比尺寸的双涵道发动机尾喷管，提供一种双涵喷管推力特性精确测量装置，既能够满足双涵道喷管试验中供气需求，也能满足双涵道喷管推力的精确测量的问题，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

本发明的技术方案：

一种双涵喷管推力特性精确测量装置，包括试验台架、连接锥套、杆式多分量天平、测量端锥套、第一密封通道结构、第二密封通道结构，试验台架上安装有连接锥套，杆式多分量天平的固定端置于连接锥套内部，杆式多分量天平的测量端置于测量端锥套内部，第一密封通道结构和第二密封通道结构一端通过连接件与连接锥套外侧连接，第一密封通道结构和第二密封通道结构另一端与测量端锥套外侧固定连接，所述第一密封通道结构和第二密封通道结构为相同的镜像结构，第一密封通道结构和第二密封通道结构以杆式多分量天平的中心轴线为基准镜像对称布置。

优选的：所述第一密封通道结构包括通气外管、低压内套筒、低压外套筒、通道主管路、第一波纹管、第二波纹管和整流锥外罩，通气外管通过连接件与连接锥套外侧连接，低压内套筒、低压外套筒、第一波纹管、第二波纹管和整流锥外罩均置于通道主管路内部，且通道主管路一侧设有敞口，通气外管右侧端部安装有低压内套筒，低压内套筒一侧外侧套装有第一波纹管，第一波纹管外侧套装有低压外套筒，低压外套筒外侧固定套装有通道主管路，第一波纹管一端与低压内套筒固定密封连接，第一波纹管另一端与低压外套筒固定密封连接，低压内套筒另一侧外侧套装有第二波纹管，第二波纹管外侧套装有整流锥外罩，第二波纹管两端分别与低压内套筒端部和整流锥外罩内部固定密封连接，所述低压内套筒与通道主管路连通，低压内套筒上还设置有音速喷嘴。

优选的：所述通气外管与低压内套筒之间设置有O型密封圈。

优选的：还包括引出线管，引出线管一端与杆式多分量天平的固定端固定密封连接，另一端与试验台架固定密封连接。

优选的：还包括退锥螺栓，退锥螺栓包括螺纹段和光轴段，退锥螺栓螺纹段与测量端锥套通过测量端锥套螺纹孔螺接，退锥螺栓的光轴段前端面穿过测量端锥套螺纹孔后与杆式多分量天平测量端外端面贴合。

优选的：还包括拉紧螺栓，拉紧螺栓的螺纹段外径小于测量端锥套螺纹孔，拉紧螺栓的螺纹段穿过测量端锥套螺纹孔后与杆式多分量天平的测量端螺接。

优选的：所述低压内套筒靠近第二波纹管一端为封闭端，低压内套筒靠近通气外管一端为开口端，第二波纹管内部通过压力平衡管与外界连通。

优选的：所述通道主管路的敞口端与试验件转接段固定密封连接。

优选的：所述第一波纹管与低压外套筒之间设置间隙，间隙内环向布置有波纹管压力监测点。

优选的：所述第一波纹管和第二波纹管均为钛镍合金波纹管。

优选的：所述杆式多分量天平为单分量推力天平、三分量多元天平或六分量多元天平。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明可以满足双涵喷管试验中的供气需求并减小高压管路中压力、冲量、位移、温度对天平测量的影响，可以实现双涵喷管气动特性的精确测量；

2.本发明采用杆式多分量天平和波纹管中心重合的结构，并采用天平轴线、喷管轴线重合的布局形式，可以极大减少波纹管对天平的刚度影响，有利于减少喷管推力修正量，提高推力的测量精准度；

3.本发明设计了压力平衡管，可以连通环境压力和第二波纹管内腔压力，使得该装置适用于高于一个大气压环境或真空环境下喷管推力的测量；

4.本发明采用了钛镍合金的金属波纹管，相同尺寸的钛镍合金的金属波纹管承压能力达到普通不锈钢材质的4倍，显著提高了系统的承压能力，一组波纹管刚度/多分量天平的刚度一般介于0.1~0.5%范围内，可减弱波纹管对天平测量的影响；

5.本发明即可以满足单独喷管推力的测量，也可以满足双涵道喷管，例如引射喷管、双喷管、组合喷管推力的同时精确测量，实用性更强；

6.本发明采用径向对称进气的音速喷嘴，在加工安装对称的前提下可直接消除掉高压管路中流动冲量带来的作用，消除其对天平的影响；

7.本发明零部件之间的密封连接，保证喷管推力测量试验前、试验中、试验后均不存在气体泄漏的情况。

附图说明

图1是本发明的一种双涵喷管推力特性精确测量装置的结构示意图；

图2是本发明的一种双涵喷管推力特性精确测量装置的侧视图；

图3是本发明的一种双涵喷管推力特性精确测量装置的退锥螺栓的装配示意图；

图4是本发明的一种双涵喷管推力特性精确测量装置的拉紧螺栓的装配示意图。

图中：1-试验台架，2-连接锥套，3-杆式多分量天平，4-测量端锥套，5-第一密封通道结构，6-第二密封通道结构，7-连接件，8-通气外管，9-低压内套筒，10-低压外套筒，11-通道主管路，12-第一波纹管，13-第二波纹管，14-整流锥外罩，15-音速喷嘴，16-引出线管，17-退锥螺栓，18-压力平衡管，19-试验件转接段，20-波纹管压力监测点，21-拉紧螺栓，22-测量端锥套螺纹孔，23-光轴段，24-螺纹段。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接即为不可拆卸连接包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺纹连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认为总能在现有连接方式中找到至少一种连接方式能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择铰链连接。

具体实施方式一：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的一种双涵喷管推力特性精确测量装置，包括试验台架1、连接锥套2、杆式多分量天平3、测量端锥套4、第一密封通道结构5、第二密封通道结构6、引出线管16、退锥螺栓17和拉紧螺栓21，杆式多分量天平3包括测量端、固定端和应变梁，所述杆式多分量天平3为单分量推力天平、三分量多元天平或六分量多元天平。通过控制装置上游阀门的开度保证低压内套筒9、低压外套筒10、第一密封通道结构5和第二密封通道结构6内的压力保持在预设的压力下，进而通过杆式多分量天平3测量双涵喷管的推力特性，杆式多分量天平3用于测量无外流条件下喷流时，双涵喷管所产生的力和力矩。

杆式多分量天平3的固定端置于连接锥套2内部，并通过连接锥套2与试验台架1实现固连，杆式多分量天平3的测量端置于测量端锥套4内部，第一密封通道结构5和第二密封通道结构6一端通过连接件7与连接锥套2外侧连接，第一密封通道结构5和第二密封通道结构6另一端与测量端锥套4外侧固定连接，所述第一密封通道结构5和第二密封通道结构6为相同的镜像结构，第一密封通道结构5和第二密封通道结构6以杆式多分量天平3的中心轴线为基准镜像对称布置，即以杆式多分量天平3的中心为原点O，以杆式多分量天平3的中心轴线为X轴，Y向竖直向上为正，X向水平指向杆式多分量天平3的固定端一侧为正，Z向符合右手定则。

所述引出线管16一端与杆式多分量天平3的固定端固定密封连接，另一端与试验台架1通过螺栓固定连接，且二者之间设置密封圈使其密封连接，使其两端保证密封，引出线管16的空腔内不能有压缩空气进入。所述的引出线管35的外径在保证走线空间的基础上尽可能的小。

当杆式多分量天平3需退出拆除时，使用退锥螺栓17，退锥螺栓17包括螺纹段24和光轴段23，退锥螺栓17螺纹段24与测量端锥套4通过测量端锥套螺纹孔22螺接，退锥螺栓17的光轴段23前端面穿过测量端锥套螺纹孔22后与杆式多分量天平测量端外端面贴合，使二者之间没有间隙，通过旋拧退锥螺栓17，由于退锥螺栓17与测量端锥套4之间的螺纹配合，使光轴段23将杆式多分量天平3向的固定端一侧顶出。

当杆式多分量天平3需拉紧固定时，使用拉紧螺栓21，拉紧螺栓21的螺纹段外径小于测量端锥套螺纹孔22，拉紧螺栓21的螺纹段穿过测量端锥套螺纹孔22后与杆式多分量天平3的测量端螺接，使拉紧螺栓21将杆式多分量天平3与测量端锥套4之间拉紧固定。

所述的退锥螺栓17光轴段直径小于螺纹段直径并且光轴段直径大于所述的杆式多分量天平3测量端外锥小径；退锥螺栓17的螺纹段不能与所述杆式多分量天平3的测量端外锥接触，保证向左旋紧退锥螺栓17时，光轴段前端面接触上所述杆式多分量天平3的测量端外锥端面，继续旋紧退锥螺栓17，将测量端锥套4松开。

所述第一密封通道结构5包括通气外管8、低压内套筒9、低压外套筒10、通道主管路11、第一波纹管12、第二波纹管13和整流锥外罩14，通气外管8通过连接件7与连接锥套2外侧连接，低压内套筒9、低压外套筒10、第一波纹管12、第二波纹管13和整流锥外罩14均置于通道主管路11内部，且通道主管路11一侧设有敞口，通气外管8右侧端部安装有低压内套筒9，低压内套筒9一侧外侧套装有第一波纹管12，第一波纹管12外侧套装有低压外套筒10，低压外套筒10外侧固定套装有通道主管路11，第一波纹管12一端与低压内套筒9通过螺栓固定连接，第一波纹管12另一端与低压外套筒10通过螺栓固定连接，低压内套筒9另一侧外侧套装有第二波纹管13，第二波纹管13外侧套装有整流锥外罩14，第二波纹管13两端分别与低压内套筒9端部和整流锥外罩14内部通过螺栓固定连接，所述低压内套筒9与通道主管路11连通，低压内套筒9上还设置有音速喷嘴15，所述音速喷嘴15的外径小于低压外套筒10与通道主管路11连接处通道的直径。

所述通气外管8与低压内套筒9之间、第一波纹管12与低压内套筒9之间、第一波纹管12与低压外套筒10之间、第二波纹管13与低压内套筒9端部和整流锥外罩14之间均设置有O型密封圈，以实现密封连接。

所述低压内套筒9靠近第二波纹管13一端为封闭端，低压内套筒9靠近通气外管8一端为开口端，第二波纹管13内部腔体通过压力平衡管18与外界大气环境接通。

所述通道主管路11的敞口端与试验件转接段19通过螺栓固定连接，且二者之间设置有O型密封圈。

所述第一波纹管12与低压外套筒10之间设置间隙，间隙内环向布置有波纹管压力监测点20。所述第一波纹管12和第二波纹管13均为钛镍合金波纹管。

所述第一波纹管12包括两个刚性段和一个柔性段；其中一个刚性段位于第一波纹管12的前端，与低压外套筒10前端固连，并通过O型密封圈将通道主管路11密封，另一个刚性段位于第一波纹管12的后端，与低压内套筒9后端固连；两个刚性段之间通过柔性段连接。

当无载荷、无高压气时，杆式多分量天平3的测量端轴线与杆式多分量天平3的固定端轴线二者共线。

当无载荷、有高压气体，但高压气体无流动时，在加工、安装对称的前提下，第一波纹管12与第二波纹管13所受压差大小相等方向相反，由于压力在X方向上作用面积相同，可直接消除掉压力带来的作用，并消除其对杆式多分量天平3的影响；若有高压气流时，则低压内套筒9内沿X方向存在流动冲量，该流动冲量经音速喷嘴15后相互抵消。

当受Y正向载荷，无高压气时，杆式多分量天平3的测量端会产生一个向上的微应变，采用第一波纹管12与第二波纹管13的连接形式相比采用硬连接的形式所产生的微应变要大得多，从而最大程度的减小了杆式多分量天平3的固定端对杆式多分量天平3的测量端的影响，也更有利于天平的设计。

当受到俯仰力矩Mz正向载荷，无高压气时，杆式多分量天平3的测量端产生的微变形会使得杆式多分量天平3的测量端轴线与杆式多分量天平3的固定端轴线之间存在一个夹角，采用第一波纹管12与第二波纹管13的连接形式相比采用硬连接的形式所产生的夹角要大得多，从而最大程度的减小了杆式多分量天平3的固定端对杆式多分量天平3的测量端的影响，也更有利于天平的设计，其他四元同理。

需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

Claims (8)

1.一种双涵喷管推力特性精确测量装置，其特征在于：包括试验台架（1）、连接锥套（2）、杆式多分量天平（3）、测量端锥套（4）、第一密封通道结构（5）和第二密封通道结构（6），试验台架（1）上安装有连接锥套（2），杆式多分量天平（3）的固定端置于连接锥套（2）内部，杆式多分量天平（3）的测量端置于测量端锥套（4）内部，第一密封通道结构（5）和第二密封通道结构（6）的一端通过连接件（7）与连接锥套（2）的外侧连接，第一密封通道结构（5）和第二密封通道结构（6）的另一端与测量端锥套（4）的外侧固定连接，所述第一密封通道结构（5）和第二密封通道结构（6）为相同的镜像结构，第一密封通道结构（5）和第二密封通道结构（6）以杆式多分量天平（3）的中心轴线为基准镜像对称布置；

所述第一密封通道结构（5）包括通气外管（8）、低压内套筒（9）、低压外套筒（10）、通道主管路（11）、第一波纹管（12）、第二波纹管（13）和整流锥外罩（14），通气外管（8）通过连接件（7）与连接锥套（2）外侧连接，低压内套筒（9）、低压外套筒（10）、第一波纹管（12）、第二波纹管（13）和整流锥外罩（14）均置于通道主管路（11）内部，且通道主管路（11）一侧设有敞口，通气外管（8）右侧端部安装有低压内套筒（9），低压内套筒（9）一侧外侧套装有第一波纹管（12），第一波纹管（12）外侧套装有低压外套筒（10），低压外套筒（10）外侧固定套装有通道主管路（11），第一波纹管（12）一端与低压内套筒（9）固定密封连接，第一波纹管（12）另一端与低压外套筒（10）固定密封连接，低压内套筒（9）另一侧外侧套装有第二波纹管（13），第二波纹管（13）外侧套装有整流锥外罩（14），第二波纹管（13）两端分别与低压内套筒（9）端部和整流锥外罩（14）内部固定密封连接，所述低压内套筒（9）与通道主管路（11）连通，低压内套筒（9）上还设置有音速喷嘴（15）；

所述低压内套筒（9）靠近第二波纹管（13）一端为封闭端，低压内套筒（9）靠近通气外管（8）一端为开口端，第二波纹管（13）内部通过压力平衡管（18）与外界连通。

2.根据权利要求1所述的一种双涵喷管推力特性精确测量装置，其特征在于：所述通气外管（8）与低压内套筒（9）之间设置有O型密封圈。

3.根据权利要求2所述的一种双涵喷管推力特性精确测量装置，其特征在于：还包括引出线管（16），引出线管（16）一端与杆式多分量天平（3）的固定端固定密封连接，另一端与试验台架（1）固定密封连接。

4.根据权利要求3所述的一种双涵喷管推力特性精确测量装置，其特征在于：还包括退锥螺栓（17），退锥螺栓（17）包括光轴段（23）和螺纹段（24），退锥螺栓（17）螺纹段（24）与测量端锥套（4）通过测量端锥套螺纹孔（22）螺接，退锥螺栓（17）的光轴段（23）前端面穿过测量端锥套螺纹孔（22）后与杆式多分量天平测量端外端面贴合。

5.根据权利要求4所述的一种双涵喷管推力特性精确测量装置，其特征在于：还包括拉紧螺栓（21），拉紧螺栓（21）的螺纹段外径小于测量端锥套螺纹孔（22），拉紧螺栓（21）的螺纹段穿过测量端锥套螺纹孔（22）后与杆式多分量天平（3）的测量端螺接。

6.根据权利要求1所述的一种双涵喷管推力特性精确测量装置，其特征在于：所述通道主管路（11）的敞口端与试验件转接段（19）固定密封连接；所述第一波纹管（12）与低压外套筒（10）之间设置间隙，间隙内环向布置有波纹管压力监测点（20）。

7.根据权利要求6所述的一种双涵喷管推力特性精确测量装置，其特征在于：所述第一波纹管（12）和第二波纹管（13）均为钛镍合金波纹管。

8.根据权利要求1所述的一种双涵喷管推力特性精确测量装置，其特征在于：所述杆式多分量天平（3）为单分量推力天平、三分量多元天平或六分量多元天平。

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