CN213632674U - 一种高温燃气降温装置及航空发动机实验平台 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种高温燃气降温装置及航空发动机实验平台。高温燃气降温装置包括：外壳，呈第一环形结构，所述第一环形结构的外环面上设有第一进水口，内环面上设有第一出水口，且所述第一环形结构的内部设有环形空腔；转接段，设置于所述第一环形结构的内侧，并通过第二进水口连通于所述外壳的第一出水口；以及喷嘴，设置于所述转接段，且出口方向平行于所述第一环形结构的轴线方向。基于此，本公开实施例能够提高喷淋水的雾化效果，增加水雾与高温工质掺混的均匀性，并缩短热冲击试验掺混段的设计长度。

Description

一种高温燃气降温装置及航空发动机实验平台

技术领域

本公开涉及航空发动机实验领域，尤其涉及一种高温燃气降温装置及航空发动机实验平台。

背景技术

热冲击试验是一种在试验件上施加温度快速切换的气体，用以考核试验件在试验条件下的受损状态以及寿命的实验类型，在实验过程中需要试验器能够提供温度快速切换的气体工质。此外，热冲击试验还要求工质的升温、降温的时间短，试验件前工质温度的均匀性好，试验件前液态水的蒸发率高。

目前常规的方法是通过在试验件前流道内喷入雾化水，利用水滴蒸发的气化潜热降低流道内气体的温度，由于液态水雾的蒸发时间为毫秒级，这种装置可以实现高温工质快速降温。然而目前常规方法所喷射的液态水雾与主流道工质掺混效果差，需要足够长掺混段才能使试验件前工质温度均匀性好以及水雾蒸发率达到试验要求。此外，受制于试验器结构布局等因素，掺混段的轴向长度很难达到理想长度，影响了热冲击试验的试验结果。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提供一种高温燃气降温装置及航空发动机实验平台，能够提高喷淋水的雾化效果，增加水雾与高温工质掺混的均匀性，并缩短热冲击试验掺混段的设计长度。

在本公开的一个方面，提供一种高温燃气降温装置，包括：

外壳，呈第一环形结构，所述第一环形结构的外环面上设有第一进水口，内环面上设有第一出水口，且所述第一环形结构的内部设有环形空腔；

转接段，设置于所述第一环形结构的内侧，并通过第二进水口连通于所述外壳的第一出水口；以及

喷嘴，设置于所述转接段，且出口方向平行于所述第一环形结构的轴线方向。

在一些实施例中，所述转接段呈第二环形结构，且所述第二环形结构的轴线方向平行于所述第一环形结构的轴线方向。

在一些实施例中，所述第二环形结构的内部设有环形集水腔，所述第二环形结构的一个底面上设有第二出水口，所述第二出水口连通于所述环形集水腔，所述喷嘴通过所述第二出水口连通于所述环形集水腔。

在一些实施例中，在经过所述第一环形结构轴向方向的截面上，所述第二环形结构的截面形状呈三角形，所述三角形的第一底面重合于所述第二环形结构上设有所述第二出水口的底面，而与所述第一底面相对的顶点位于所述第二环形结构远离所述第二出水口的棱上。

在一些实施例中，所述第二进水口呈三棱柱结构，所述三棱柱结构的一个侧面靠近于所述第二环形结构设有所述第二出水口的底面，而与所述侧面相对的棱远离于所述第二环形结构设有所述第二出水口的底面。

在一些实施例中，沿所述第一环形结构的轴向，所述第二进水口的高度与所述转接段的高度相同，且所述三棱柱结构的所述侧面重合于所述第二环形结构设有所述第二出水口的底面。

在一些实施例中，所述第一进水口的数量为至少两个，所述第一出水口的数量为至少两个，且所述第一进水口和所述第一出水口各自沿周向均匀分布。

在一些实施例中，至少两个所述第一进水口与至少两个所述第一出水口在周向上互相交错地分布。

在一些实施例中，所述第二进水口的数量为至少两个，所述第二出水口的数量为至少两个，且所述第二进水口和所述第二出水口各自沿周向均匀分布。

在一些实施例中，所述喷嘴包括离心喷嘴。

在一些实施例中，所述高温燃气降温装置还包括：

法兰盘，对称地设置于所述外壳的所述第一环形结构的两个底面，用于使所述高温燃气降温装置与外界接口互相连接。

在本公开的一个方面，提供一种航空发动机实验平台，包括如前文任一实施例所述的高温燃气降温装置。

在一些实施例中，所述实验平台用于涡轮叶片热冲击疲劳实验，所述实验平台包括：

燃烧段，包括燃烧室，用于产生高温燃气；

降温段，设置于所述燃烧室的出口，并内置有至少一个所述高温燃气降温装置，被配置为喷射水雾以使所述高温燃气降温；以及

试验段，设置于所述降温段的出口，用于设置进行热冲击疲劳实验的蜗轮叶片。

在一些实施例中，所述高温燃气降温装置中喷嘴的出口方向平行于所述高温燃气在所述降温段内的流动方向。

在一些实施例中，所述降温段被进一步配置为：响应于输入的温度控制指令，调整喷射水雾的流量，从而使进入所述试验段的燃气温度匹配于所述温度控制指令。

因此，根据本公开实施例，通过在高温燃气降温装置中设置的转接段可实现在流道内任意位置布置喷水点，通过沿轴向布置离心喷嘴增大了水雾分布区域，由此优化了水雾与工质的掺混效果，可以有效缩短热冲击试验段的掺混距离。在试验器空间布局有限的条件下，使热冲击试验叶栅前工质温度分布均匀、液态水滴含量低，提高热冲击疲劳试验的技术水平。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：

图1是根据本公开一些实施例的高温燃气降温装置的结构示意图；

图2是根据本公开一些实施例的高温燃气降温装置的前视角度的结构示意图；

图3是根据本公开一些实施例的高温燃气降温装置的后视角度的结构示意图；

图4是根据本公开一些实施例的高温燃气降温装置的外壳的切剖状态的结构示意图；

图5是根据本公开一些实施例的高温燃气降温装置的转接段的后视角度的结构示意图；

图6是根据本公开一些实施例的高温燃气降温装置的转接段的前视角度的结构示意图；

图7是根据本公开一些实施例的高温燃气降温装置的转接段的环形集水腔的结构示意图；

图8是根据本公开一些实施例的高温燃气降温装置的转接段与喷嘴连接状态的结构示意图；

图9是根据本公开一些实施例的高温燃气降温装置的结构示意图；

图10是根据本公开一些实施例的高温燃气降温装置的子午面的剖视结构示意图；

图11是根据本公开一些实施例的高温燃气降温装置中外壳的子午面的剖视结构示意图；

图12是根据本公开一些实施例的高温燃气降温装置中外壳在垂直于轴向截面的剖视结构示意图；

图13是根据本公开一些实施例的高温燃气降温装置中转接段的子午面的剖视结构示意图。

图中：

1，外壳；11，第一进水口；12，第一出水口；13，环形空腔；2，转接段；21，第二进水口；22，第二出水口；23，环形集水腔；24，第一底面；3，喷嘴；4，法兰盘；。

应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。

本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。

本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

申请人研究发现，目前喷淋水雾化装置主要采用离心喷嘴与直射式喷嘴：

其中的离心喷嘴雾化效果好，雾化液滴直径小，水雾利于蒸发。但是，离心喷嘴水雾出口切向速度高，而径向速度比较低，因此水雾只能覆盖喷嘴径向位置的部分区域。使用这种装置流道截面温度分布特点是喷嘴出口径向高度温度低，其它区域温度高。因此掺混段需要设计的足够长，才能使工质温度均匀性好以及液态水雾蒸发率高。

而其中的直射式喷嘴雾化效果差，喷射径向速度高，液滴雾化直径大，液滴分布区域小。由于液滴直径大，蒸发时间加长，蒸发距离比较长。由于液滴分布范围小，掺混段需要设计的足够长才能使工质温度均匀性好。

此外，无论是离心喷嘴还是直射式喷嘴，都会导致降温段中的掺混距离需要设计得足够长，才能达到试验的要求。而现实情况中，受试验平台结构布局的限制，降温段中的掺混距离很难设计的足够长。

有鉴于此，本公开实施例提供一种高温燃气降温装置及航空发动机实验平台，能够提高喷淋水的雾化效果，增加水雾与高温工质掺混的均匀性，并缩短热冲击试验掺混段的设计长度。

如图1～13所示：在本公开的一个方面，提供一种高温燃气降温装置，包括：

外壳1，呈第一环形结构，第一环形结构的外环面上设有第一进水口11，内环面上设有第一出水口12，且第一环形结构的内部设有环形空腔13；

转接段2，设置于第一环形结构的内侧，并通过第二进水口21 连通于外壳1的第一出水口12；以及

喷嘴3，设置于转接段2，且出口方向平行于第一环形结构的轴线方向。

本公开通过设置外壳1使高温燃气降温装置与外部接口连接，同时外壳1通过第一进水口11连通外部高压水源，并通过第一出水口 12将外部高压水源提供给转接端。

上述转接端被设置于第一环形结构的内侧，使设置于自身的喷嘴 3能够更靠近于第一环形结构的轴线，并且使喷嘴3能够被以出口方向平行于第一环形结构的轴向的方式向高温燃气降温装置的下游喷射水雾，相较于相关方案中从降温段壁面沿径向向内喷射水雾的方式，本公开实施例能够扩大水雾的分布区域，并提高水雾分布的均匀性，优化了水雾与高温燃气的掺混效果。

如图5～6所示，为了使喷嘴3的径向位置更靠近于第一环形结构的轴线，并尽可能降低转接段2的扰流影响，在一些实施例中，转接段2呈第二环形结构，且第二环形结构的轴线方向平行于第一环形结构的轴线方向。

呈第二环形结构的转接段2与呈第一环形结构的外壳1之间通过第二进水口21互相连接，而气流可以从第一环形结构和第二环形结构之间通过，相较于直接从外壳1向第一环形结构的轴线连续地延伸的转接端而言，具有第二环形结构的转接端的迎风面积更小，因此对来流的干扰更小，有助于提高降温段出口气流的速度和温度分布均匀性。

如图7～8所示，为了实现从外壳1到喷嘴3的液体连通，在一些实施例中，第二环形结构的内部设有环形集水腔23，第二环形结构的一个底面上设有第二出水口22，第二出水口22连通于环形集水腔23，喷嘴3通过第二出水口22连通于环形集水腔23。

环形集水腔23的设置，使得喷嘴3在转接段2的位置设置不再依赖于第二进水口21的位置，自第二进水口21进入转接段2的高压冷却水将首先充盈环形集水腔23，再由环形集水腔23经第二出水口 22向喷嘴3供给。由于环形集水腔23的中间传递作用，喷嘴3无须设置在第二进水口21的附近，并且喷嘴3的数量也可以不再依赖于第二进水口21的数量，而具有设置更多喷嘴3以提高水雾沿周向均匀性的选择。

如图5～8所示，为了进一步降低转接段2的扰流影响，在一些实施例中，在经过第一环形结构轴向方向的截面上，第二环形结构的截面形状呈三角形，三角形的第一底面24重合于第二环形结构上设有第二出水口22的底面，而与第一底面24相对的顶点位于第二环形结构远离第二出水口22的棱上。

具有三角形截面形状的第二环形结构，将由与第一底面24相对的圆形棱作为劈尖结构，使来流分为两股，其中一股从第二环形结构的内部穿过，而另一股从第一环形结构与第二环形结构之间穿过，避免来流直接“撞向”第二环形结构而产生较为严重的扰流影响，进而减少转接段2对气流均匀性的破坏作用。

类似的，在一些实施例中，第二进水口21呈三棱柱结构，三棱柱结构的一个侧面靠近于第二环形结构设有第二出水口22的底面，而与侧面相对的棱远离于第二环形结构设有第二出水口22的底面。

第二进水口21的三棱柱结构同样能够减少第二进水口21的迎风面积，从而减少扰流作用。然而此处需要说明，无论是第二环形结构还是第二进水口21的三棱柱结构的截面形状所呈的三角形，并不要求每条边都是直线，也即如图5～8所示，当三角形的底位于第一底面24 时，三角形的两条腰线可以呈向外凸出的圆弧形腰线，从而使气流流经转接段2和第二进水口21时的速度及方向变化更加均匀。

为了便于转接段2与第二进水口21的整体加工，在一些实施例中，沿第一环形结构的轴向，第二进水口21的高度与转接段2的高度相同，且三棱柱结构的侧面重合于第二环形结构设有第二出水口22 的底面。

如图13所示，在经过沿周向相对的两个第二进水口21的截面上，转接段2与第二进水口21在厚度方向互相重合，因此两者的连接更加紧密，且从第二进水口21到环形集水腔23的对正更加简便，从而降低转接段2与第二进水口21的整体加工的整体加工难度。

如图4所示，在一些实施例中，第一进水口11的数量为至少两个，第一出水口12的数量为至少两个，且第一进水口11和第一出水口12各自沿周向均匀分布。

为了使第一出水口12的出水流量在周向上更具均匀性，在一些实施例中，至少两个第一进水口11与至少两个第一出水口12在周向上互相交错地分布。

通过使第一进水口11与第一出水口12在周向上互相交错地分布，避免高压冷却水直接从第一进水口11进入与自身相对的第一出水口12，而使得不与第一进水口11相对的第一出水口12的流量不足。

在一些实施例中，第二进水口21的数量为至少两个，第二出水口22的数量为至少两个，且第二进水口21和第二出水口22各自沿周向均匀分布。

为了进一步提高自喷嘴3喷出的冷却水的均匀性，在一些实施例中，喷嘴3包括离心喷嘴。

离心喷嘴的优点是雾化效果好，雾化液滴直径小，水雾利于蒸发，而其缺点——水雾出口切向速度高，径向速度比较低，因此水雾只能覆盖喷嘴3径向位置的部分区域，则可由本申请中的转接段2靠近于第一环形结构的轴线和在周向上增加喷嘴3的数量来解决。

为了实现高温燃气降温装置在航空发动机实验平台的安装，并使高温燃气降温装置能够在流道内沿轴向的任意位置布置转接段2与离心喷嘴，在一些实施例中，高温燃气降温装置还包括：

法兰盘4，对称地设置于外壳1的第一环形结构的两个底面，用于使高温燃气降温装置与外界接口互相连接。

在本公开的一个方面，提供一种航空发动机实验平台，包括如前文任一实施例的高温燃气降温装置。

在一些实施例中，实验平台用于涡轮叶片热冲击疲劳实验，实验平台包括：

燃烧段，包括燃烧室，用于产生高温燃气；

降温段，设置于燃烧室的出口，并内置有至少一个高温燃气降温装置，被配置为喷射水雾以使高温燃气降温；以及

试验段，设置于降温段的出口，用于设置进行热冲击疲劳实验的蜗轮叶片。

在一些实施例中，高温燃气降温装置中喷嘴3的出口方向平行于高温燃气在降温段内的流动方向。

进一步的，在一些实施例中，降温段被进一步配置为响应于输入的温度控制指令，调整喷射水雾的流量，从而使进入试验段的燃气温度匹配于温度控制指令。

因此，根据本公开实施例，通过在高温燃气降温装置中设置的转接段2可实现在流道内任意位置布置喷水点，通过沿轴向布置离心喷嘴增大了水雾分布区域，由此优化了水雾与工质的掺混效果，可以有效缩短热冲击试验段的掺混距离。在试验器空间布局有限的条件下，使热冲击试验叶栅前工质温度分布均匀、液态水滴含量低，提高热冲击疲劳试验的技术水平。

至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (15)

1.一种高温燃气降温装置，其特征在于，包括：

外壳(1)，呈第一环形结构，所述第一环形结构的外环面上设有第一进水口(11)，内环面上设有第一出水口(12)，且所述第一环形结构的内部设有环形空腔(13)；

转接段(2)，设置于所述第一环形结构的内侧，并通过第二进水口(21)连通于所述外壳(1)的第一出水口(12)；以及

喷嘴(3)，设置于所述转接段(2)，且出口方向平行于所述第一环形结构的轴线方向。

2.根据权利要求1所述的高温燃气降温装置，其特征在于，所述转接段(2)呈第二环形结构，且所述第二环形结构的轴线方向平行于所述第一环形结构的轴线方向。

3.根据权利要求2所述的高温燃气降温装置，其特征在于，所述第二环形结构的内部设有环形集水腔(23)，所述第二环形结构的一个底面上设有第二出水口(22)，所述第二出水口(22)连通于所述环形集水腔(23)，所述喷嘴(3)通过所述第二出水口(22)连通于所述环形集水腔(23)。

4.根据权利要求3所述的高温燃气降温装置，其特征在于，在经过所述第一环形结构轴向方向的截面上，所述第二环形结构的截面形状呈三角形，所述三角形的第一底面(24)重合于所述第二环形结构上设有所述第二出水口(22)的底面，而与所述第一底面(24)相对的顶点位于所述第二环形结构远离所述第二出水口(22)的棱上。

5.根据权利要求4所述的高温燃气降温装置，其特征在于，所述第二进水口(21)呈三棱柱结构，所述三棱柱结构的一个侧面靠近于所述第二环形结构设有所述第二出水口(22)的底面，而与所述侧面相对的棱远离于所述第二环形结构设有所述第二出水口(22)的底面。

6.根据权利要求5所述的高温燃气降温装置，其特征在于，沿所述第一环形结构的轴向，所述第二进水口(21)的高度与所述转接段(2)的高度相同，且所述三棱柱结构的所述侧面重合于所述第二环形结构设有所述第二出水口(22)的底面。

7.根据权利要求1所述的高温燃气降温装置，其特征在于，所述第一进水口(11)的数量为至少两个，所述第一出水口(12)的数量为至少两个，且所述第一进水口(11)和所述第一出水口(12)各自沿周向均匀分布。

8.根据权利要求7所述的高温燃气降温装置，其特征在于，至少两个所述第一进水口(11)与至少两个所述第一出水口(12)在周向上互相交错地分布。

9.根据权利要求3所述的高温燃气降温装置，其特征在于，所述第二进水口(21)的数量为至少两个，所述第二出水口(22)的数量为至少两个，且所述第二进水口(21)和所述第二出水口(22)各自沿周向均匀分布。

10.根据权利要求1所述的高温燃气降温装置，其特征在于，所述喷嘴(3)包括离心喷嘴。

11.根据权利要求1所述的高温燃气降温装置，其特征在于，还包括：

法兰盘(4)，对称地设置于所述外壳(1)的所述第一环形结构的两个底面，用于使所述高温燃气降温装置与外界接口互相连接。

12.一种航空发动机实验平台，其特征在于，包括如权利要求1～11任一所述的高温燃气降温装置。

13.根据权利要求12所述的航空发动机实验平台，其特征在于，所述实验平台用于涡轮叶片热冲击疲劳实验，所述实验平台包括：

燃烧段，包括燃烧室，用于产生高温燃气；

降温段，设置于所述燃烧段的出口，并内置有至少一个所述高温燃气降温装置，被配置为喷射水雾以使所述高温燃气降温；以及

试验段，设置于所述降温段的出口，用于设置进行热冲击疲劳实验的蜗轮叶片。

14.根据权利要求13所述的航空发动机实验平台，其特征在于，所述高温燃气降温装置中喷嘴(3)的出口方向平行于所述高温燃气在所述降温段内的流动方向。

15.根据权利要求13所述的航空发动机实验平台，其特征在于，所述降温段被进一步配置为：响应于输入的温度控制指令，调整喷射水雾的流量，从而使进入所述试验段的燃气温度匹配于所述温度控制指令。

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