CN116482163A - 用于高温燃油状态下发汗冷却面板的热测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高温燃油状态下发汗冷却面板的热测试装置，以解决现有的冷流测量方法无法对高温工况下发汗冷却面板的渗透率以及相容性进行准确测量的技术问题。具体包括测试壳体以及加热机构；测试壳体内部设有用于放置发汗冷却面板的高温燃油腔；高温燃油腔用于模拟发动机燃烧室的燃油流动通道；所述测试壳体底部并排设有多个与高温燃油腔连通的燃油进口，还并排设有多个与高温燃油腔连通的燃油出口；测试壳体顶部设有至少一个与高温燃油腔连通的发汗出口；加热机构与测试壳体连接，用于对测试壳体加热。本发明可以测试燃油在高温状态或发汗冷却面板在高温状态下的渗透率，还可完成高温燃油与发汗冷却面板及高温合金结构的相容性测试。
Description
技术领域
本发明涉及热测试装置，具体涉及一种用于高温燃油状态下发汗冷却面板的热测试装置。
背景技术
在高超声速飞行器中，飞行速度较高，燃烧室受到高温空气或燃气流的冲刷，对燃烧室壁面结构带来了很大的考验。例如以Ma7状态工作的过程中，前方来流总温高达2100K以上，其发动机燃烧室内燃气温度更是高达3000K，燃烧室内部燃气流场复杂，换热总热流约为3MW/㎡，热环境极其恶劣。
发汗冷却、再生冷却的方案是液体火箭发动机热防护中较为常见的防护方式，对于高超声速飞行器面临的这种恶劣的热环境具有较大的防护优势。燃油在冷却通道内流动过程中，温度逐渐升高，最高温度将升至600～700℃。高温高压的裂解态燃油(燃油大约在500℃时发生裂解)在发汗冷却面板内渗透，在壁面形成一层稳定的液/气膜，该液/气膜阻挡了燃气与燃烧室壁的直接冲刷，保护燃烧室壁免遭高温气流的冲刷并引发烧蚀。发汗冷却中材料的渗透率将影响其冷却效果和发动机性能，若渗透率低，则液/气膜厚度太薄，裂解态燃油所形成的薄膜将很快因高温燃气冲刷而消失，燃烧室得不到很好的冷却；若渗透率高，则液/气膜厚度太厚，较多的燃油没有参与燃烧从而影响发动机的性能。因此，确保发汗面板的渗透率对发动机的影响极其重要。
现有的一些发汗冷却面板测试方法都是冷流测量，测量是在常温下进行的，燃油温度与结构温度均为常温状态，对于高温状态(高于600℃上的高温燃油或高于600℃的结构)工况都未能测量，燃油高温时的裂解，以及结构的热胀冷缩等融合在一起之后，也会形成与冷流工况不一致的流动和传热特性，使得发汗率与冷流状态存在一定的差异性。因此，现有的冷流测量方法无法对高温工况下的发汗冷却面板渗透率进行准确测量，也无法对其相容性进行准确测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于高温燃油状态下发汗冷却面板的热测试装置，以解决现有的冷流测量方法无法对高温工况下发汗冷却面板的渗透率以及相容性进行准确测量的技术问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于高温燃油状态下发汗冷却面板的热测试装置，其特殊之处在于：包括测试壳体以及加热机构；
所述测试壳体内部设有用于放置发汗冷却面板的高温燃油腔；所述高温燃油腔用于模拟发动机燃烧室内的燃油流动通道；所述测试壳体底部并排设有多个与高温燃油腔连通的燃油进口，还并排设有多个与高温燃油腔连通的燃油出口；所述测试壳体顶部设有至少一个与高温燃油腔连通的发汗出口；
所述加热机构与测试壳体连接，用于对测试壳体加热。
进一步地，还包括燃油进口集合器和燃油出口集合器；
所述燃油进口集合器设置于测试壳体底部，用于分配燃油，燃油进口集合器的顶部与各个燃油进口连通，燃油进口集合器的底部设有进油管连接口；
所述燃油出口集合器设置于测试壳体底部，用于集合燃油，燃油出口集合器的顶部与各个燃油出口连通，燃油出口集合器的底部设有出油管连接口。
进一步地，所述燃油进口集合器包括长条状的第一圆弧槽和分别设置在第一圆弧槽长度方向两端的两个第一挡片；所述第一圆弧槽的槽口与各个燃油进口连通，所述进油管连接口设置在第一圆弧槽的槽底；
所述燃油出口集合器包括长条状的第二圆弧槽和分别设置在第二圆弧槽长度方向两端的两个第二挡片；所述第二圆弧槽的槽口与各个燃油出口连通，所述出油管连接口设置在第二圆弧槽的槽底。
进一步地，还包括进口管接头、出口管接头以及与发汗出口数量相等且一一对应的发汗出口管接头；
所述进口管接头设置于第一圆弧槽底部的进油管连接口处；
所述出口管接头设置于第二圆弧槽底部的出油管连接口处；
所述发汗出口管接头对应设置于测试壳体顶部的发汗出口处。
进一步地，所述测试壳体包括长条状壳本体和发汗剂收集盖；
所述高温燃油腔设置于壳本体中部；
所述发汗剂收集盖位于壳本体顶部，且盖装在高温燃油腔上；
所述高温燃油腔底部内壁上沿其长度方向设有多个再生冷却槽，用于模拟燃烧室中的部分或全部冷却槽；
多个所述燃油进口沿壳本体宽度方向并排设置；用于模拟燃烧室中的部分或全部进油口；
多个所述燃油出口沿壳本体宽度方向并排设置；用于模拟燃烧室中的部分或全部出油口；
所述发汗出口设置在发汗剂收集盖上，且在长度方向上对应位于所述燃油进口和燃油出口之间。
进一步地，所述发汗剂收集盖的内壁上沿其长度方向设有加强筋。
进一步地，所述壳本体上设有测温口，用于安装测温接头。
进一步地，所述发汗剂收集盖上设有两个发汗出口；
所述测温口设置于燃油进口和燃油出口之间；
两个所述发汗出口分别设置在燃油进口与测温口之间以及测温口与燃油出口之间。
进一步地，所述壳本体两端分别设有两个连接通孔；
所述加热机构为电加热机构；所述电加热机构的正、负极分别通过两个所述连接通孔与壳本体连接。
进一步地，所述壳本体、燃油进口集合器、进口管接头、测温接头、燃油出口集合器以及出口管接头采用3D打印技术一体成型；
所述发汗剂收集盖和发汗出口管接头采用3D打印技术一体成型。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的热测试装置可以测试燃油在高温状态或发汗冷却面板在高温状态下的渗透率，同时还可以完成高温燃油与发汗冷却面板及高温合金结构的相容性测试，其结构简单，容易制作且大大减小了测试成本。
2、本发明采用小尺寸的测试装置即可获得发动机真实热环境条件下的发汗冷却面板高温燃油渗透率。
3、本发明的热测试装置可以测试不同发汗冷却面板材料的渗透率特性。
4、本发明的热测试装置可以测试高温燃油状态及高温燃油腔室下的渗透率及相容性。
5、本发明的热测试装置可以模拟真实状态发汗再生复合冷却方案下的渗透率及相容性。
6、本发明的热测试装置可以在不点火试车的状态下即可完成目标使用环境下的燃油与高温合金的相容性测试。
附图说明
图1是本发明一种用于高温燃油状态下发汗冷却面板的热测试装置实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例中的壳本体中再生冷却槽的结构示意图；
图3是本发明的测试原理图。
附图标号：
1-壳本体，2-燃油进口集合器，3-进口管接头，4-测温接头，5-燃油出口集合器，6-出口管接头，7-发汗冷却面板，8-发汗剂收集盖，9-发汗出口管接头，10-发汗出口管接头，11-高温燃油腔，12-发汗出口，13-第一圆弧槽，14-第一挡片，15-第二圆弧槽，16-第二挡片，17-再生冷却槽，18-加强筋，19-测温口，20-连接通孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的一种用于高温燃油状态下发汗冷却面板的热测试装置，如图1所示，包括测试壳体、燃油进口集合器2、燃油出口集合器5以及加热机构。
测试壳体为再生冷却方案模拟件，测试壳体内部设有用于放置发汗冷却面板7的高温燃油腔11；高温燃油腔11用于模拟发动机燃烧室内的燃油流动通道；具体的，测试壳体包括长条状壳本体1和发汗剂收集盖8；高温燃油腔11设置于壳本体1中部；发汗剂收集盖8位于壳本体1顶部，且盖装在高温燃油腔11上；发汗剂收集盖8与壳本体1间优选焊接；高温燃油腔11底部内壁上沿其长度方向设有多个再生冷却槽17，用于模拟燃烧室中的部分或全部冷却槽，再生冷却槽17可按照实际使用的燃烧室冷却槽形式截取部分槽道，或按照比例取部分槽道，槽道的槽宽、肋宽、槽高、流动布置形式(逆流、顺流、来回流、复合流动)等均可改变以适应不同的发动机燃烧室，如附图2所示。测试壳体底部并排设有多个与高温燃油腔11连通的燃油进口，还并排设有多个与高温燃油腔连通的燃油出口；多个燃油进口沿壳本体1宽度方向并排设置；用于模拟燃烧室中的部分或全部进油口；多个燃油出口沿壳本体1宽度方向并排设置；用于模拟燃烧室中的部分或全部出油口；壳本体1上还设有测温口19，用于安装测温接头4，测温口19设置于燃油进口和燃油出口之间；通过测温接头4可以安装插入式热电偶，即可对测试装置内部中心区域的燃油/结构温度进行测试，测温接头4的设计尺寸与待使用的插入式热电偶及测试对象有关。发汗剂收集盖8上设有两个发汗出口12；两个发汗出口12分别设置在燃油进口与测温口19之间以及测温口19与燃油出口之间，两个发汗出口12处分别设有发汗出口管接头9、发汗出口管接头10，发汗出口管接头9、发汗出口管接头10可以分别焊接在两个发汗出口12处；发汗出口管接头9和发汗出口管接头10的后端可以连接流量计，以测量出发汗冷却量，从而计算获得发汗面板渗透率。
发汗剂收集盖8为组成发汗冷却的燃油闭合回路的腔板，流进发汗剂收集盖8的燃油为经过发汗冷却面板7的燃油量，流进发汗剂收集盖8的尺寸大于发汗冷却面板7的尺寸，发汗剂收集盖8的内壁上沿其长度方向设有加强筋18，一方面用于支撑发汗冷却面板7，避免其晃动，另一方面还能够加固发汗剂收集盖8的强度。加强筋18的形式为直肋或其他形式的肋条。壳本体1两端分别设有两个连接通孔20；壳本体1及发汗剂收集盖8采用机加工、化学蚀刻或3D打印制作。
燃油进口集合器2焊接于测试壳体底部，燃油进口集合器2包括长条状的第一圆弧槽13和分别设置在第一圆弧槽13长度方向两端的两个第一挡片14；第一圆弧槽13的槽口与各个燃油进口连通，第一圆弧槽13的槽底设有进油管连接口；进口管接头3可采用焊接形式固定在第一圆弧槽13的槽底。燃油进口集合器2为燃油从管路进入高温燃油腔11的入口集合器，能够将燃油汇集并重新分配，燃油进口集合器2可以采用一个半圆管和两个端头堵盖组成，半圆管的大小可按照燃油使用量的不同，进行放大或缩小，这样降低了燃油进口集合器2的制作复杂度，另外在此设置流量计可统计进入测试装置的燃油总流量。进油管连接口处设有进口管接头3，进口管接头3一般为标准的焊接直通接头，可按照测试燃油总量的大小选取。
燃油出口集合器5为燃油经过再生冷却槽17流出热测试装置的集合器，与燃油进口集合器2类似，可采用相同结构，也可根据情况更换形式或尺寸后使用。具体的，燃油出口集合器5焊接于测试壳体底部，用于集合燃油，燃油出口集合器5包括长条状的第二圆弧槽15和分别设置在第二圆弧槽15长度方向两端的两个第二挡片16；第二圆弧槽15的槽口与各个燃油出口连通，第二圆弧槽15的槽底设有出油管连接口，出油管连接口处设有出口管接头6，在此设置流量计可统计流经再生冷却槽17的燃油总流量。出口管接头6可采用焊接形式固定在第二圆弧槽15的槽底。
燃油进口集合器2和燃油出口集合器5还可以采用3D打印技术一体成型。另外，壳本体1、燃油进口集合器2、进口管接头3、测温接头4、燃油出口集合器5以及出口管接头6也可以采用3D打印技术一体成型。发汗剂收集盖8、发汗出口管接头9和发汗出口管接头10也可以采用3D打印技术一体成型。
值得一提的是，发汗冷却面板7为模拟再生冷却内壁的结构，其材料为发汗冷却材料，具备一定的渗透率，能够在高温高压下使用，且与高温燃油具备一定的相容性。发汗冷却面板7可采用GH3128丝网编织发汗材料。发汗冷却面板7可以钎焊在壳本体1的高温燃油腔11内，具体可以钎焊在再生冷却槽17的槽顶。
加热机构为电加热机构；电加热机构的正、负极分别通过两个连接通孔20与壳本体1连接，用于对测试壳体加热。
本发明采用电加热的方式模拟高超声速飞行器中燃油和结构的高温状态，采用带再生冷却槽的燃烧室槽道结构(该槽道设计可按照真实发动机再生冷却槽尺寸设计、也可按照比例取一部分真实发动机燃烧室冷却槽结构)以及拟测试的发汗冷却面板(所有拟参与发汗再生复合冷却的发汗冷却面板材料均可，例如GH3128丝网编织的发汗冷却面板、GH3130丝网编织的发汗冷却面板等)，共同组成高温燃油的流动通道。试验过程中，燃油按照实际工作的压力和温度进行发汗冷却状态的发汗量测量、燃油与发汗冷却面板的相容性考核以及高温燃油腔壁面温度测量等工作。
如图3所示，该用于高温燃油状态下发汗冷却面板的热测试装置的工作原理如下：常温燃油经进口管接头3经过燃油进口集合器2之后进入高温燃油腔11一部分沿再生冷却槽17流动，后经燃油出口集合器5和出口管接头6流出；另一部分经发汗冷却面板7上的发汗孔渗透流入发汗剂收集盖8，而后通过两个发汗出口12流出，再分别经过发汗出口管接头9和发汗出口管接头10流出。分别测试这两路的压力和流量，或通过两路与上游的压差，即可计算出流量分配。从而获得发汗面板的渗透率。
在测试过程中通过测试进口管接头3处的入口压力p0、发汗出口管接头9或发汗出口管接头10处的出口压力p1以及出口管接头6处的出口压力p2，而后通过进行计算；通过发汗冷却面板7的介质流量计算过程为：
1)经过发汗出口12的流量：
2)经过再生冷却槽17的流量：
其中，A1、A2分别为发汗冷却面板7与再生冷却槽17的等效流量系数，ρ0为燃油密度，比较以上两式可得：
由此即可求出燃油在发汗冷却面板7中的渗透率qm1/qm2。此试验完成后可进行气密检查并局部剖切开展结焦积碳的观察及材料的金相组织检测，分析测试装置的结构变化状态，分析高温燃油与发汗冷却面板7的相容性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明披露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种用于高温燃油状态下发汗冷却面板的热测试装置，其特征在于：包括测试壳体以及加热机构；
所述测试壳体内部设有用于放置发汗冷却面板(7)的高温燃油腔(11)；所述高温燃油腔(11)用于模拟发动机燃烧室内的燃油流动通道；所述测试壳体底部并排设有多个与高温燃油腔(11)连通的燃油进口，还并排设有多个与高温燃油腔连通的燃油出口；所述测试壳体顶部设有至少一个与高温燃油腔连通的发汗出口(12)；
所述加热机构与测试壳体连接，用于对测试壳体加热。
2.根据权利要求1所述的用于高温燃油状态下发汗冷却面板的热测试装置，其特征在于：还包括燃油进口集合器(2)和燃油出口集合器(5)；
所述燃油进口集合器(2)设置于测试壳体底部，用于分配燃油，燃油进口集合器(2)的顶部与各个燃油进口连通，燃油进口集合器(2)的底部设有进油管连接口；
所述燃油出口集合器(5)设置于测试壳体底部，用于集合燃油，燃油出口集合器(5)的顶部与各个燃油出口连通，燃油出口集合器(5)的底部设有出油管连接口。
3.根据权利要求2所述的用于高温燃油状态下发汗冷却面板的热测试装置，其特征在于：所述燃油进口集合器(2)包括长条状的第一圆弧槽(13)和分别设置在第一圆弧槽(13)长度方向两端的两个第一挡片(14)；所述第一圆弧槽(13)的槽口与各个燃油进口连通，所述进油管连接口设置在第一圆弧槽(13)的槽底；
所述燃油出口集合器(5)包括长条状的第二圆弧槽(15)和分别设置在第二圆弧槽(15)长度方向两端的两个第二挡片(16)；所述第二圆弧槽(15)的槽口与各个燃油出口连通，所述出油管连接口设置在第二圆弧槽(15)的槽底。
4.根据权利要求3所述的用于高温燃油状态下发汗冷却面板的热测试装置，其特征在于：还包括进口管接头(3)、出口管接头(6)以及与发汗出口(12)数量相等且一一对应的发汗出口管接头(9)；
所述进口管接头(3)设置于第一圆弧槽(13)底部的进油管连接口处；
所述出口管接头(6)设置于第二圆弧槽(15)底部的出油管连接口处；
所述发汗出口管接头(9)对应设置于测试壳体顶部的发汗出口(12)处。
5.根据权利要求4所述的用于高温燃油状态下发汗冷却面板的热测试装置，其特征在于：所述测试壳体包括长条状壳本体(1)和发汗剂收集盖(8)；
所述高温燃油腔(11)设置于壳本体(1)中部；
所述发汗剂收集盖(8)位于壳本体(1)顶部，且盖装在高温燃油腔(11)上；
所述高温燃油腔(11)底部内壁上沿其长度方向设有多个再生冷却槽(17)，用于模拟燃烧室中的部分或全部冷却槽；
多个所述燃油进口沿壳本体(1)宽度方向并排设置；用于模拟燃烧室中的部分或全部进油口；
多个所述燃油出口沿壳本体(1)宽度方向并排设置；用于模拟燃烧室中的部分或全部出油口；
所述发汗出口(12)设置在发汗剂收集盖(8)上，且在长度方向上对应位于所述燃油进口和燃油出口之间。
6.根据权利要求5所述的用于高温燃油状态下发汗冷却面板的热测试装置，其特征在于：所述发汗剂收集盖(8)的内壁上沿其长度方向设有加强筋(18)。
7.根据权利要求6所述的用于高温燃油状态下发汗冷却面板的热测试装置，其特征在于：所述壳本体(1)上设有测温口(19)，用于安装测温接头(4)。
8.根据权利要求7所述的用于高温燃油状态下发汗冷却面板的热测试装置，其特征在于：所述发汗剂收集盖(8)上设有两个发汗出口(12)；
所述测温口(19)设置于燃油进口和燃油出口之间；
两个所述发汗出口(12)分别设置在燃油进口与测温口(19)之间以及测温口(19)与燃油出口之间。
9.根据权利要求8所述的用于高温燃油状态下发汗冷却面板的热测试装置，其特征在于：所述壳本体(1)两端分别设有两个连接通孔(20)；
所述加热机构为电加热机构；所述电加热机构的正、负极分别通过两个所述连接通孔(20)与壳本体(1)连接。
10.根据权利要求9所述的用于高温燃油状态下发汗冷却面板的热测试装置，其特征在于：所述壳本体(1)、燃油进口集合器(2)、进口管接头(3)、测温接头(4)、燃油出口集合器(5)以及出口管接头(6)采用3D打印技术一体成型；
所述发汗剂收集盖(8)和发汗出口管接头(9)采用3D打印技术一体成型。
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| CN202310261158.3A CN116482163A (zh) | 2023-03-17 | 2023-03-17 | 用于高温燃油状态下发汗冷却面板的热测试装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310261158.3A CN116482163A (zh) | 2023-03-17 | 2023-03-17 | 用于高温燃油状态下发汗冷却面板的热测试装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116482163A true CN116482163A (zh) | 2023-07-25 |
Family
ID=87214604
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310261158.3A Pending CN116482163A (zh) | 2023-03-17 | 2023-03-17 | 用于高温燃油状态下发汗冷却面板的热测试装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117284508A (zh) * | 2023-09-25 | 2023-12-26 | 北京交通大学 | 一种气动相对压差分布与热模拟试验系统及其试验方法 |
-
2023
- 2023-03-17 CN CN202310261158.3A patent/CN116482163A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117284508A (zh) * | 2023-09-25 | 2023-12-26 | 北京交通大学 | 一种气动相对压差分布与热模拟试验系统及其试验方法 |
| CN117284508B (zh) * | 2023-09-25 | 2024-03-22 | 北京交通大学 | 一种气动相对压差分布与热模拟试验系统及其试验方法 |
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