CN114136647B - 一种超音速高温三维流场测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超音速高温三维流场测量装置，所述测量装置包括用于测量流场特性的受感机构和用于调节所述受感机构在流场中位置的位移机构；所述受感机构包括后支撑板和用于对流场进行导流的前导流板，所述后支撑板和所述前导流板之间形成腔体，所述腔体内安装有多个探头，所述多个探头包括感温探头、感压探头和三维流场测量探头，所述后支撑板和所述前导流板通过连接板与所述位移机构连接。本发明受感部采取三维速度测量探头与前导流板之间设计换装定位接口，使每一个三维速度测量探头均可作为独立单元模块在小型校准风洞上开展三维流场气动特性试验，在保证测量装置总体特性的条件下有效地降低了校准试验费用且校准试验方便易操作。

Description

一种超音速高温三维流场测量装置

技术领域

本发明属于测量领域，具体涉及一种超音速高温三维流场测量装置

背景技术

航空发动机喷管出口高温燃气温度场、压力场、速度场、静压场测量数据可用于超音速喷管、矢量喷管流量特性、推力特性、有效矢量角等性能参数的分析和评定，还可用于发动机推力计算，与试验台架测量推力进行对比，提高推力测量可信度。由于航空发动机喷管出口为高温高速燃气流，喷管出口流场测量区域大，对测量装置耐热冲击和抗振动要求很高，且要求测量装置对流场内的扰动影响小。航空发动机整机性能试验研究目前常采用的测量方式是在喷管进口安装多支固定式受感部，喷管出口未安装受感部或固定安装少量受感部，喷管进、出口测点数量均有限；通过航空发动试验获得的喷管进、出口性能参数有限。航空发动机推力测试通常采用试验台架推力测量装置直接测量，由于少部分发动机与试验台架相关联的管线较多，影响了推力直接测试准确性。开展喷管出口三维流场测试可为航空发动机整机喷管性能分析和推力辅助计算提供测试技术支持。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种在热冲击和高气动负荷燃气环境下使用强度可靠、测点种类多、测点分布区域广、安装拆卸方便、对超音速流场扰动小、测量精度高、经济效益好的测量装置。

本发明的目的在于提供一种超音速高温三维流场测量装置，所述测量装置包括用于测量流场特性的受感机构和用于调节所述受感机构在流场中位置的位移机构；所述受感机构包括后支撑板和用于对流场进行导流的前导流板，所述后支撑板和所述前导流板之间形成腔体，所述腔体内安装有多个探头，所述多个探头包括感温探头、感压探头和三维流场测量探头，所述后支撑板和所述前导流板通过连接板与所述位移机构连接。

本发明所提供的超音速高温三维流场测量装置，还具有这样的特征，所述后支撑板为U型结构，所述U型结构的槽用于冷却水的通过。

本发明所提供的超音速高温三维流场测量装置，还具有这样的特征，所述前导流板为尖劈结构，所述尖劈结构的迎风面宽度与轴长的比为0.3～0.5。

本发明所提供的超音速高温三维流场测量装置，还具有这样的特征，所述感温探头包括固定在所述前导流板上的屏蔽罩、设置在所述屏蔽罩内的支撑管、热电偶和填充剂，所述屏蔽罩伸入所述腔体内，所述热电偶安装在支撑管内，所述填充剂将所述支撑管固定在所述屏蔽罩内。

本发明所提供的超音速高温三维流场测量装置，还具有这样的特征，所述屏蔽罩端部设有进气孔，所述屏蔽罩的头部两侧设有泄气孔，所述进气孔和所述泄气孔的面积比为1.2～1.5，所述屏蔽罩头部直径不大于6mm，后端直径大于头部直径并不大于12mm，所述屏蔽罩头部和所述后端之间设有过渡段，所述过渡段为30°～45°的圆锥面，所述屏蔽罩后端设置在所述腔体内。

本发明所提供的超音速高温三维流场测量装置，还具有这样的特征，所述热电偶为耐高温偶丝，所述热电偶直径不小于0.5mm，所述偶丝伸出支撑管的感温段长径比不小于8，所述热电偶的感温结点为球形。

本发明所提供的超音速高温三维流场测量装置，还具有这样的特征，所述感压探头的直径不大于8mm；所述三维流场测量探头包括圆锥结构的受感段和用于在所述前导流板上定位的定位块，所述受感段轴心位置设有总压孔，所述总压孔的周向均布四个感压孔，所述总压孔和所述感压孔的开孔方向平行。

本发明所提供的超音速高温三维流场测量装置，还具有这样的特征，所述连接板包括与所述前导流板和支撑板之间焊接连接的第一连接板以及与所述前导流板和支撑板之间间隙配合的第二连接板。

本发明所提供的超音速高温三维流场测量装置，还具有这样的特征，所述第一连接板和所述第二连接板分别与所述位移机构连接，所述第一连接板与所述位移机构连接的第一安装通孔直径大于与其配合的第一螺栓通径1mm，所述第二连接板与所述位移机构连接的第二安装通孔直径大于与其配合的第二螺栓通径4mm。

本发明所提供的超音速高温三维流场测量装置，还具有这样的特征，所述位移机构为三坐标位移机构。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果

本发明受感部采取三维速度测量探头与前导流板之间设计换装定位接口，使每一个三维速度测量探头均可作为独立单元模块在小型校准风洞上开展三维流场气动特性试验，在保证测量装置总体特性的条件下有效地降低了校准试验费用且校准试验方便易操作。

本发明受感部固定采用双支点安装结构，且主体带水冷却结构，安装拆卸简单方便、结构强度可靠、经济效益高。

本发明测点类别多、测点数量多、测点分布区域广，配合使用附属控制装置可在短时间内获得超音速高温流场中大量测点的试验数据，大大降低了测量装置对流场的影响，测量精度满足试验与测试规范要求，可获取发动机喷管出口燃气三维总温场、总压场、速度场(含矢量角)、静压场，为航空发动机喷管性能评估和推力的准确评估奠定了技术基础。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例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的一些实施例，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为本发明所提供的超音速高温三维流场测量装置的结构示意图；

图2为本发明所提供的受感机构结构示意图；

图3为本发明所提供的受感机构局部剖面图，

其中，1：温度受感段；2：压力受感段；3：方向受感段；4：前导流板；5：后支撑板；6：连接板；7：压力接头；8：冷却水接头；9：温度尾端；10：第一软态传压管；11：第二软态传压管；12：热电偶；13：支撑管；14：填充剂；15：加强支筋；16：位移机构；17：屏蔽罩。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明所提供的测量装置作具体阐述。

在本发明实施例的描述中，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。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

如图1-3所示，提供了一种超音速高温三维流场测量装置，所述测量装置包括用于测量流场特性的受感机构和用于调节所述受感机构在流场中位置的位移机构16；所述受感机构包括后支撑板5和用于对流场进行导流的前导流板4，所述后支撑板5和所述前导流板4之间形成腔体，所述腔体内安装有多个探头，所述多个探头包括感温探头、感压探头和三维流场测量探头，所述后支撑板5和所述前导流板4通过连接板6与所述位移机构16连接。同时将超音速总温、总压、静压、速度、方向测试集中在同一支受感部上，缩小了堵塞面积；配合附属控制***由位移机构带动受感部测量可在短时间内调节被测截面内测点密度。

在部分实施例中，所述后支撑板5为U型结构，所述U型结构的槽用于冷却水的通过。受感部采用通水冷却方式，主体材料采用不锈钢材料，加工成本低、加工工艺简单；受感部采用大跨度双支点安装结构，受感部两端的转接板与位移机构安装接口采用法兰连接方式。

在部分实施例中，所述前导流板4为尖劈结构，所述尖劈结构的迎风面宽度与轴长的比为0.3～0.5。前导流板4上设置与定位块相配合的定位槽。该结构有效降低了在超音速气流中的阻力影响。

在部分实施例中，所述感温探头包括固定在所述前导流板上的屏蔽罩17、设置在所述屏蔽罩17内的支撑管13、热电偶12和填充剂14，所述支撑管13伸入所述腔体内，所述热电偶12安装在支撑管13内，所述填充剂14将所述支撑管13固定在所述屏蔽罩17内。支撑管13采用耐高温绝缘材质、填充剂14为耐高温材质。

在部分实施例中，所述屏蔽罩17端部设有进气孔，所述屏蔽罩17的头部两侧设有泄气孔，所述进气孔和所述泄气孔的面积比为1.2～1.5，所述屏蔽罩17头部直径不大于6mm，后端直径大于头部直径并不大于12mm，所述屏蔽罩17头部和所述后端之间设有过渡段，所述过渡段为30°～45°的圆锥面，所述屏蔽罩17后端设置在所述腔体内。

在部分实施例中，所述热电偶为耐高温偶丝，所述热电偶直径不小于0.5mm，所述偶丝伸出支撑管的感温段长径比不小于8，所述热电偶的感温结点为球形。热电偶后端从所述腔体引出后与所述采集***连接。温度受感段1前端开进气孔，侧面共有两处泄气孔，进、排气面积比为1.2～1.5，降低了热电偶丝感温段接触的气流速度带来的影响，减小直接测温误差；温度受感段1头部外形尺寸≯6mm，后端外形尺寸≯12mm，过渡段采用30°～45°圆锥面，保证感温探头强度的情况下减小对流场的扰动；支撑管13和填充剂14对裸偶丝进行绝缘和固定；屏蔽罩17外部直接接触冷却水降低感温探头温度；感温探头总体结构设计增强了其在高温高气动负荷气流环境下的抗振能力。

在部分实施例中，所述感压探头的直径不大于8mm；所述三维流场测量探头包括圆锥结构的受感段和用于在所述前导流板上定位的定位块，所述受感段轴心位置设有总压孔，所述总压孔的周向均布四个感压孔，所述总压孔和所述感压孔的开孔方向平行。

在部分实施例中，所述连接板6包括与所述前导流板4和后支撑板5之间焊接连接的第一连接板以及与所述前导流板4和后支撑板5之间间隙配合的第二连接板。

在部分实施例中，所述第一连接板和所述第二连接板分别与所述位移机构16连接，所述第一连接板与所述位移机构16连接的第一安装通孔直径大于与其配合的第一螺栓通径1mm，所述第二连接板与所述位移机构16连接的第二安装通孔直径大于与其配合的第二螺栓通径4mm。上述结构设计保证了测量装置在航空发动机喷管出口高温超音速燃气流场中的强度可靠。

在部分实施例中，感压探头、三维流场测量探头内部传压通道尺寸≮1.5mm，大孔径传压管防止异物堵塞传压管道；设计相应的感压探头头部外形≯8mm，三维流场测量探头头部外形尺寸8≯mm，五孔方向受感段头部为60°圆锥，中间为总压感压孔，圆锥段周向均布4个感压孔，感压孔开孔方向与总压孔平行，压力受感段2头部采用圆管形式，有效地保证了各测量探头的气动特性。三维流场测量探头和前导流板4之间安装连接设计定位换装结构，三维流场测量探头作为独立单元模块辅助使用夹具单独在小型风洞上进行气动特性试验，获得每一个三维流场测量探头的总压、静压、方向特性数据，再对试验数据进行测量偏差修正，从而获得总装后的总压、静压、方向特性，在保证了测量精度满足测试要求的前提下，校准试验简单且经费低；感压探头、三维流场测量探头设计密封结构直接接触冷却水降低其温度；感压探头、三维流场测量探头总体结构设计增强了其在高温高气动负荷气流环境下的抗振能力。

在部分实施例中，所述位移机构16为三坐标位移机构。

在部分实施例中，感压探头与第一软态传压管10连接、三维流场测量探头和第二软态传压管11连接，所述第一软态传压管10和第二软态传压管11用于传压；所述前导流板4和所述后支撑板5之间设有用于加强结构强度的加强支筋15。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种超音速高温三维流场测量装置，其特征在于，所述测量装置包括用于测量流场特性的受感机构和用于调节所述受感机构在流场中位置的位移机构；所述受感机构包括后支撑板和用于对流场进行导流的前导流板，所述后支撑板和所述前导流板之间形成腔体，所述腔体内安装有多个探头，所述多个探头包括感温探头、感压探头和三维流场测量探头，所述后支撑板和所述前导流板通过连接板与所述位移机构连接，

所述感压探头的直径不大于8mm；所述三维流场测量探头包括圆锥结构的受感段和用于在所述前导流板上定位的定位块，所述受感段轴心位置设有总压孔，所述总压孔的周向均布四个感压孔，所述总压孔和所述感压孔的开孔方向平行，

所述连接板包括与所述前导流板和支撑板之间焊接连接的第一连接板以及与所述前导流板和支撑板之间间隙配合的第二连接板。

2.根据权利要求1所述的超音速高温三维流场测量装置，其特征在于，所述后支撑板为U型结构，所述U型结构的槽用于冷却水的通过。

3.根据权利要求1所述的超音速高温三维流场测量装置，其特征在于，所述前导流板为尖劈结构，所述尖劈结构的迎风面宽度与轴长的比为0.3～0.5。

4.根据权利要求1所述的超音速高温三维流场测量装置，其特征在于，所述感温探头包括固定在所述前导流板上的屏蔽罩、设置在所述屏蔽罩内的支撑管、热电偶和填充剂，所述屏蔽罩伸入所述腔体内，所述热电偶安装在支撑管内，所述填充剂将所述支撑管固定在所述屏蔽罩内。

5.根据权利要求4所述的超音速高温三维流场测量装置，其特征在于，所述屏蔽罩端部设有进气孔，所述屏蔽罩的头部两侧设有泄气孔，所述进气孔和所述泄气孔的面积比为1.2～1.5，所述屏蔽罩头部直径不大于6mm，后端直径大于头部直径并不大于12mm，所述屏蔽罩头部和所述后端之间设有过渡段，所述过渡段为30°～45°的圆锥面，所述屏蔽罩后端设置在所述腔体内。

6.根据权利要求4所述的超音速高温三维流场测量装置，其特征在于，所述热电偶为耐高温偶丝，所述热电偶直径不小于0.5mm，所述偶丝伸出支撑管的感温段长径比不小于8，所述热电偶的感温结点为球形。

7.根据权利要求1所述的超音速高温三维流场测量装置，其特征在于，所述第一连接板和所述第二连接板分别与所述位移机构连接，所述第一连接板与所述位移机构连接的第一安装通孔直径大于与其配合的第一螺栓通径1mm，所述第二连接板与所述位移机构连接的第二安装通孔直径大于与其配合的第二螺栓通径4mm。

8.根据权利要求1所述的超音速高温三维流场测量装置，其特征在于，所述位移机构为三坐标位移机构。