CN105277290B - 一种燃烧室室壁温度梯度测量模块 - Google Patents
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Abstract
本发明属于温度测量技术领域，具体涉及一种液体火箭发动机燃烧室圆柱段室壁温度梯度测量模块。该模块为平板型结构，包括平面形压板、5支热电偶传感器、弹簧、挡片、绝热衬套、支撑套；每支热电偶传感器感温端处均焊接有圆盘形挡片，热电偶传感器在挡片上部的一端穿过支撑套和弹簧，支撑套套入弹簧内，一并套入平面形压板中；热电偶传感器在挡片以下部分穿入绝热衬套中。本发明可对燃烧室圆柱段冷却通道内壁结构温度进行测量，从而获得当地的热流、气壁温、外壁温等参数。
Description
技术领域
本发明属于温度测量技术领域，具体涉及一种液体火箭发动机燃烧室圆柱段室壁温度梯度测量模块。
背景技术
液体火箭发动机燃烧室内的工质是3000K以上的高压燃气，为了避免室壁发生烧蚀破坏，在燃烧室内壁和外壁之间设置有铣槽式通道，引入低温流体对室壁结构进行冷却。通过燃烧室圆柱段室壁的热流密度往往达到几十MW/m2，结构材料承受的温差往往达到几百K以上，工作环境非常恶劣。因此，摸清推力室内的传热过程是进行合理的热防护设计从而保证燃烧室可靠工作乃至提高发动机性能的最重要前提之一。
燃烧室传热过程研究的途径包括热试验和仿真计算，两者相辅相成，关键在于传热试验中获得热流、气壁温等有价值测量数据。而由于铣槽式冷却结构的肋宽、壁厚均很薄(肋宽通常为1～2mm，壁厚一般只有0.6～1mm)，很难在结构中布置普通传感器对热流密度、气壁温等参数进行直接测量。
传统量热式缩比燃烧室只能获得某一区段内的平均热流，而受燃烧室内燃烧过程的影响，热流沿轴向不同位置不尽相同，这样就造成平均热流无法准确反映实际的当地热流，且由于采用分段水冷身部，冷却剂侧结构、传热状态与全尺寸时相差较大，这种方法测量值的应用误差较大。在内壁埋入热电偶的方法虽然可以直接测得气壁温度，但由于埋热电偶的加工浅槽的深度一般达到0.5以上，而在此深度方向上结构温度变化可能到几十K，测得的气壁温值准确度不太高。且由于***传感器时需要在内外壁上加工通孔，还需要内壁浅槽表面电镀铜层保证密封，不但工艺复杂，而且容易出现缺陷。以往燃烧室外壁温的测量是通过在外壁面点焊热电偶进行测量，从实际情况来看，受外界热环境、振动环境等因素影响，测量结果常常出现存在毛刺、失真等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液体火箭发动机燃烧室圆柱段室壁温度梯度测量模块，可对燃烧室圆柱段冷却通道内壁结构温度进行测量，从而获得当地的热流、气壁温、外壁温等参数。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种燃烧室室壁温度梯度测量模块，该模块为平板型结构，包括平面形压板、5支热电偶传感器、弹簧、挡片、绝热衬套、支撑套；每支热电偶传感器感温端处均焊接有圆盘形挡片，热电偶传感器在挡片上部的一端穿过支撑套和弹簧，支撑套套入弹簧内，一并套入平面形压板中；热电偶传感器在挡片以下部分穿入绝热衬套中。
所述的平面形压板为平板凸台结构，凸台上加工有5个平底盲孔，盲孔内径比弹簧外径大，盲孔底部加工有同轴心的通孔，通孔孔径比对应的热电偶传感器的外径大，且沿垂直于通孔轴线方向向外侧开出与通孔等宽的U形槽；平面形压板凸台两侧各伸出一耳片，其上各加工一通孔，在耳片侧面垂直于通孔方向加工出螺纹孔；盲孔和通孔的排列与燃烧室外壁和内壁上加工的孔的位置相对应；热电偶传感器在挡片上部的一端穿过支撑套和弹簧，支撑套套入弹簧内，一并套入平面形压板上的盲孔中，其中热电偶传感器在弹簧以上较细部分提前通过平面形压板上的U形槽穿入通孔中；热电偶传感器在挡片以下部分穿入绝热衬套中。
被测量的燃烧室在外壁和内壁上加工个沉头盲孔，沉头盲孔中的大孔只位于外壁中；5个盲孔分成平行的两组，一组2个，一组3个，呈交错排列，每组的盲孔中心分别对应着内壁上的相邻两个肋片的中心；盲孔深度控制根据孔底距离内壁面的距离L1～L5来确定，L1、L2、L3、L4为逐渐增加的等差数列，螺柱上半部加工有螺纹，底端***燃烧室外壁上加工的盲孔中，并焊接固定。
L1根据加工精度在保证内壁不被穿透的情况下取0.4～0.8mm，L4要保证对应的热电偶传感器的测量端位于温度随径向位置呈线性变化的区间，L4小于等于2mm。
测温模块安装时，把热电偶传感器感温端***燃烧室外壁上对应的沉头盲孔的小孔中，绝热衬套***大孔中；用力下压平面形压板，使弹簧产生一定的压缩量，并使螺柱分别穿过其两侧耳片上的通孔，然后使用螺母拧入螺柱压住平面形压板；弹簧压缩后产生的力作用于挡片使热电偶传感器的感温端与燃烧室上的被测孔底面接触；安装时通过平面形压板下沿距离外壁外表面的距离Lth进行控制；压紧螺钉拧入平面形压板耳片侧面的螺纹孔中，并压紧螺柱。
所述的弹簧压缩力取3～6N，压缩量控制在10～15mm。
所述的热电偶传感器在挡片以下的长度根据燃烧室外壁和内壁上的孔深确定，挡片下长度设计成两种尺寸，L1～L4对应孔挡片下长度为相同尺寸，L5对应孔挡片下长度为另一尺寸。
获得燃烧室圆柱段被测部位的热流、气壁温、外壁温参数的方法如下：
采用平板式测温模块，通过平面形压板将弹簧压缩力施加于5个长度不一的探针式微细(公称直径≤Φ1.0)铠装热电偶传感器上，使之***燃烧室室壁上不同深度的盲孔中，测得孔底位置的温度；利用直接测得的不同深度的壁温数据，运用傅里叶定律计算得出热流和气壁温：
从三维传热数值仿真结果来看，在距气壁面2mm距离内，肋中心温度随距离气壁面的距离增加呈线性降低；因此，将4个热电偶传感器4感温端布置在此线性变化区间内并处于不同的深度层，获得一组距离-温度值(Li，Twi)(i＝1,2,3,4)；可由此组数据进行线性拟合得到公式Twx＝a·L+Tw0：当L等于0时，Tw0即为气壁温；式中拟合直线的斜率α等于温度梯度，由傅里叶定律可知热流密度式中λ为固壁材料的导热系数；测温模块中测量值Tw5即为外壁温值。
本发明所取得的有益效果为：
本发明通过一个模块实现了对燃烧室圆柱段某一位置的热流、气壁温和外壁温度三个参数的测量，具有高度的集成性。本发明利用弹簧压缩力作为热电偶压紧力，可以通过控制压缩量实现对预紧力的定量控制，保证在热试验振动环境下热电偶感温端与被测表面接触良好以及测试数据的稳定性和有效性。本发明采用螺柱安装、螺钉锁紧，任一传感器损坏后可拆卸更换，具有结构简单、维护方便的优点。对被测推力室，只需在燃烧室室壁上加工出一定深度的细小盲孔，即可满足测量要求，对产品的传热过程和结构承载能力影响小，冷却结构可完全按照真实燃烧室进行设计，可用于全尺寸或缩比燃烧室的传热过程研究。
附图说明
图1为本发明所述燃烧室室壁温度梯度测量模块三维分解图；
图2为本发明所述燃烧室室壁温度梯度测量模块俯视图；
图3为本发明所述燃烧室室壁温度梯度测量模块C-C剖视图；
图4为本发明所述燃烧室室壁温度梯度测量模块A向视图；
图5为本发明所述燃烧室室壁温度梯度测量模块B向视图；
图中：1、螺母；2、平面形压板；3、螺柱；4、热电偶传感器；5、绝热衬套；6、压紧螺钉；7、支撑套；8、弹簧；9、挡片；11、外壁；12、内壁；13、盲孔；14、通孔；15、U形槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明所述液体火箭发动机燃烧室圆柱段室壁温度梯度测量模块为平板型结构，包括平面形压板2、5支热电偶传感器4、弹簧8、挡片9、绝热衬套5、支撑套7、螺母1、螺柱3、压紧螺钉6；每支热电偶传感器4感温端处均焊接有圆盘形挡片9，热电偶传感器4在挡片9上部的一端穿过支撑套7和弹簧8，支撑套7套入弹簧8内，一并套入平面形压板2上的盲孔13中，其中热电偶传感器4在弹簧8以上较细部分提前通过平面形压板2上的U形槽15穿入通孔14中；热电偶传感器4在挡片9以下部分穿入绝热衬套5中；
如图2～图5所示，平面形压板2为平板凸台结构，凸台上加工有5个平底盲孔13，盲孔13内径比弹簧8外径稍大，盲孔13底部加工有同轴心的通孔14，通孔14孔径比对应的热电偶传感器4的外径稍大，且沿垂直于通孔14轴线方向向外侧开出与通孔14等宽的U形槽15。平面形压板2凸台两侧各伸出一耳片，其上各加工一通孔，在耳片侧面垂直于通孔方向加工出螺纹孔。盲孔13和通孔14的排列与燃烧室外壁11和内壁12上加工的孔的位置相对应。
如图4和图5所示，被测量的燃烧室在外壁11和内壁12上加工5个沉头盲孔，其中，沉头盲孔中的大孔只位于外壁11中。5个盲孔分成平行的两组，一组2个，一组3个，呈交错排列，每组的盲孔中心分别对应着内壁12上的相邻两个肋片的中心。盲孔深度控制根据孔底距离内壁面的距离L1～L5来确定，L1、L2、L3、L4为逐渐增加的等差数列，L1取值尽可能小，根据加工精度在保证内壁12不被穿透的情况下一般取0.4～0.8mm，L4的取值要保证对应的热电偶传感器4的测量端位于温度随径向位置呈线性变化的区间，一般小于等于2mm。螺柱3上半部加工有螺纹，底端***燃烧室外壁11上加工的盲孔中，并焊接固定。
如图2所示，测温模块安装时，把热电偶传感器4感温端***燃烧室外壁11上对应的沉头盲孔的小孔中，绝热衬套5***大孔中。用力下压平面形压板2，使弹簧8产生一定的压缩量，并使螺柱3分别穿过其两侧耳片上的通孔，然后使用螺母1拧入螺柱3压住平面形压板2。弹簧8压缩后产生的力作用于挡片9使热电偶传感器4的感温端与燃烧室上的被测孔底面接触。为确保测量效果，弹簧压缩力一般取3～6N为宜，压缩量一般控制在10～15mm，安装时可通过平面形压板2下沿距离外壁11外表面的距离Lth进行控制。弹簧8刚度可根据上述压缩力和压缩量的要求确定。为防止在热试验过程中螺母1产生松动引起平面形压板2抖动从而造成感温端接触不良，压紧螺钉6拧入平面形压板2耳片侧面的螺纹孔中，并压紧螺柱3。
热电偶传感器4在挡片9以下的长度根据燃烧室外壁11和内壁12上的孔深确定，挡片下长度设计成两种尺寸，L1～L4对应孔挡片下长度为相同尺寸，L5对应孔挡片下长度为另一尺寸。本实例中弹簧刚度选为0.335N/mm，弹簧压缩量控制在15mm，这样***L1～L4对应孔的热电偶传感器4上的弹簧压缩量的最大差值在1.2mm，产生的压缩力的差别为0.4N，受力基本一致，并可实现L1～L4对应传感器为同一规格。
通过以下技术方案获得燃烧室圆柱段被测部位的热流、气壁温、外壁温参数：
采用平板式测温模块，通过平面形压板2将弹簧8压缩力施加于5个长度不一的探针式微细(公称直径≤Φ1.0)铠装热电偶传感器4上，使之***燃烧室室壁上不同深度的盲孔中，测得孔底位置的温度。利用直接测得的不同深度的壁温数据，运用傅里叶定律计算得出热流和气壁温：
从三维传热数值仿真结果来看，在距气壁面2mm距离内，肋中心温度随距离气壁面的距离增加呈线性降低。因此，将4个热电偶传感器4感温端布置在此线性变化区间内并处于不同的深度层，获得一组距离-温度值(Li，Twi)(i＝1,2,3,4)。可由此组数据进行线性拟合得到公式Twx＝a·L+Tw0：当L等于0时，Tw0即为气壁温；式中拟合直线的斜率α等于温度梯度，由傅里叶定律可知热流密度式中λ为固壁材料的导热系数。测温模块中测量值Tw5即为外壁温值。
Claims (5)
1.一种燃烧室室壁温度梯度测量模块，其特征在于：该模块为平板型结构，包括平面形压板(2)、5支热电偶传感器(4)、弹簧(8)、挡片(9)、绝热衬套(5)、支撑套(7)；每支热电偶传感器(4)感温端处均焊接有圆盘形挡片(9)，热电偶传感器(4)在挡片(9)上部的一端穿过支撑套(7)和弹簧(8)，支撑套(7)套入弹簧(8)内，一并套入平面形压板(2)中；热电偶传感器(4)在挡片(9)以下部分穿入绝热衬套(5)中；
所述的平面形压板(2)为平板凸台结构，凸台上加工有5个平底盲孔(13)，盲孔(13)内径比弹簧(8)外径大，盲孔(13)底部加工有同轴心的通孔(14)，通孔(14)孔径比对应的热电偶传感器(4)的外径大，且沿垂直于通孔(14)轴线方向向外侧开出与通孔(14)等宽的U形槽(15)；平面形压板(2)凸台两侧各伸出一耳片，其上各加工一通孔，在耳片侧面垂直于通孔方向加工出螺纹孔；盲孔(13)和通孔(14)的排列与燃烧室外壁(11)和内壁(12)上加工的孔的位置相对应；热电偶传感器(4)在挡片(9)上部的一端穿过支撑套(7)和弹簧(8)，支撑套(7)套入弹簧(8)内，一并套入平面形压板(2)上的盲孔(13)中，其中热电偶传感器(4)在弹簧(8)以上较细部分提前通过平面形压板(2)上的U形槽(15)穿入通孔(14)中；热电偶传感器(4)在挡片(9)以下部分穿入绝热衬套(5)中；
被测量的燃烧室在外壁(11)和内壁(12)上加工5个沉头盲孔，沉头盲孔中的大孔只位于外壁(11)中；5个盲孔分成平行的两组，一组2个，一组3个，呈交错排列，每组的盲孔中心分别对应着内壁(12)上的相邻两个肋片的中心；盲孔深度控制根据孔底距离内壁面的距离L1～L5来确定，L1、L2、L3、L4为逐渐增加的等差数列，螺柱(3)上半部加工有螺纹，底端***燃烧室外壁(11)上加工的盲孔中，并焊接固定；
L1根据加工精度在保证内壁(12)不被穿透的情况下取0.4～0.8mm，L4要保证对应的热电偶传感器(4)的测量端位于温度随径向位置呈线性变化的区间，L4小于等于2mm。
2.根据权利要求1所述的燃烧室室壁温度梯度测量模块，其特征在于：测温模块安装时，把热电偶传感器(4)感温端***燃烧室外壁(11)上对应的沉头盲孔的小孔中，绝热衬套(5)***大孔中；用力下压平面形压板(2)，使弹簧(8)产生一定的压缩量，并使螺柱(3)分别穿过其两侧耳片上的通孔，然后使用螺母(1)拧入螺柱(3)压住平面形压板(2)；弹簧(8)压缩后产生的力作用于挡片(9)使热电偶传感器(4)的感温端与燃烧室上的被测孔底面接触；安装时通过平面形压板(2)下沿距离外壁(11)外表面的距离Lth进行控制；压紧螺钉(6)拧入平面形压板(2)耳片侧面的螺纹孔中，并压紧螺柱(3)。
3.根据权利要求2所述的燃烧室室壁温度梯度测量模块，其特征在于：所述的弹簧(8)压缩力取3～6N，压缩量控制在10～15mm。
4.根据权利要求1所述的燃烧室室壁温度梯度测量模块，其特征在于：所述的热电偶传感器(4)在挡片(9)以下的长度根据燃烧室外壁(11)和内壁(12)上的孔深确定，挡片下长度设计成两种尺寸，L1～L4对应孔挡片下长度为相同尺寸，L5对应孔挡片下长度为另一尺寸。
5.根据权利要求1所述的燃烧室室壁温度梯度测量模块，其特征在于：获得燃烧室圆柱段被测部位的热流、气壁温、外壁温参数的方法如下：
采用平板式测温模块，通过平面形压板(2)将弹簧(8)压缩力施加于5个长度不一的探针式微细(公称直径≤Φ1.0)铠装热电偶传感器(4)上，使之***燃烧室室壁上不同深度的盲孔中，测得孔底位置的温度；利用直接测得的 不同深度的壁温数据，运用傅里叶定律计算得出热流和气壁温：
从三维传热数值仿真结果来看，在距气壁面2mm距离内，肋中心温度随距离气壁面的距离增加呈线性降低；因此，将4个热电偶传感器(4)感温端布置在此线性变化区间内并处于不同的深度层，获得一组距离-温度值(Li，Twi)(i＝1,2,3,4)；可由此组数据进行线性拟合得到公式Twx＝a·L+Tw0：当L等于0时，Tw0即为气壁温；式中拟合直线的斜率α等于温度梯度，由傅里叶定律可知热流密度式中λ为固壁材料的导热系数；测温模块中测量值Tw5即为外壁温值。
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