一种燃烧室壁面实时热流密度测量装置及测量方法
阅读说明：本技术 一种燃烧室壁面实时热流密度测量装置及测量方法 (Device and method for measuring real-time heat flux density of wall surface of combustion chamber ) 是由 刘昭宇 薛帅杰 李悦 王焕燃 熊剑 房喜荣 肖虹 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及热流密度测量技术,尤其涉及一种燃烧室壁面实时热流密度测量装置及测量方法,主要解决了现有技术测量燃烧室壁面的热响应时间久、测量精度低且无法实时测量的技术问题。本发明装置包括燃烧室壁、测量孔、测量组件以及固定限位组件；燃烧室壁上设置测量孔；测量孔内放置热电偶；热电偶与测量孔底部接触；固定套筒套在热电偶上,热电偶固定板上设置有限位孔；热电偶固定板与燃烧室壁固连,将固定套筒压紧固定在燃烧室外壁面和热电偶固定板之间,将弹簧压缩在挡块和热电偶固定板之间。固定套筒、弹簧、挡块以及热电偶固定板组合形成一种弹簧补偿式热电偶固定法。同时,本发明还提供了一种燃烧室壁面实时热流密度的测量方法。(The invention relates to a heat flux density measurement technology, in particular to a real-time heat flux density measurement device and a measurement method for a wall surface of a combustion chamber, and mainly solves the technical problems that in the prior art, the measurement time for measuring the heat response of the wall surface of the combustion chamber is long, the measurement precision is low, and real-time measurement cannot be carried out. The device comprises a combustion chamber wall, a measuring hole, a measuring component and a fixed limiting component; the wall of the combustion chamber is provided with a measuring hole; a thermocouple is placed in the measuring hole; the thermocouple is contacted with the bottom of the measuring hole; the fixed sleeve is sleeved on the thermocouple, and a limit hole is formed in the thermocouple fixing plate; the thermocouple fixing plate is fixedly connected with the wall of the combustion chamber, the fixing sleeve is tightly pressed and fixed between the outer wall surface of the combustion chamber and the thermocouple fixing plate, and the spring is compressed between the stop block and the thermocouple fixing plate. The fixing sleeve, the spring, the stop block and the thermocouple fixing plate are combined to form a spring compensation type thermocouple fixing method. Meanwhile, the invention also provides a method for measuring the real-time heat flux density of the wall surface of the combustion chamber.)
技术领域
本发明涉及热流密度测量技术，尤其涉及一种燃烧室壁面实时热流密度测量装置及测量方法。
背景技术
航空航天发动机燃烧室内的燃气温度高达3000K以上，燃烧室内的工作热环境极其恶劣，这对燃烧室壁面的热防护有较高的要求。燃烧室壁面热流密度是评估燃烧室壁面材料极其重要的物理量，准确获取壁面的实时热流密度，可以定量评估燃烧室壁面的局部传热特性，进而指导优化燃烧室壁面的热防护结构；同时还可以反映燃烧室内的燃烧状态，评估热力组件的燃烧性能。
在航空航天发动机燃烧室的研制过程中，使用热流量计测量热流密度是一种常见的热流密度测量方法，但由于其工作端端头直径大，热响应时间长，使用寿命较短且测量结果不准确，因此不适用于在航空航天发动机燃烧室的高温环境。同时，现有测量装置主要通过螺纹或法兰直接与所测壁面连接，当发动机燃烧室进行燃烧工作时，发动机燃烧室易发生振动造成测点偏移，且测量计与所测壁面产生间隙导致所测热流密度误差偏大。综上所述，现有的热流密度测量方法响应时间久、测量精度较低且无法实现燃烧室壁面热流密度的实时测量。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中燃烧室壁面的热流密度测量方法响应时间久、测量精度较低且无法实现燃烧室壁面热流密度的实时测量的技术问题，而提供了一种燃烧室壁面实时热流密度测量装置及测量方法。本发明提供的一种燃烧室壁面实时热流密度测量装置可适用于高温环境的航空航天发动机燃烧室热流密度的实时测量。
本发明的技术方案为：
一种燃烧室壁面实时热流密度测量装置，包括可导热的燃烧室壁，所述燃烧室壁为筒状结构，其特殊之处在于：
包括测量组件以及固定限位组件；
所述燃烧室壁上设置有至少一组测量孔，所述测量孔包括n个盲孔，n≥2，n个盲孔沿燃烧室外壁面径向设置、轴向排布；
所述测量组件的数量与盲孔数量一致，包括热电偶、以及依次套设在热电偶上的弹簧和挡块，且挡块与热电偶固连；
所述热电偶设置在盲孔内，且热电偶的工作端与盲孔底部接触；
所述固定限位组件包括固定套筒以及热电偶固定板；
所述固定套筒套在设有弹簧和挡块的热电偶上；
所述热电偶固定板设置在燃烧室外壁面外侧；所述热电偶固定板上设置有限位孔，限位孔与盲孔相对应，用于热电偶的限位固定和热电偶上的引线穿过并向外引出；热电偶固定板与燃烧室壁固定连接，将固定套筒压紧固定在燃烧室外壁面和热电偶固定板之间，将弹簧压缩在挡块和热电偶固定板之间。
固定套筒、弹簧、挡块以及热电偶固定板组合形成一种弹簧补偿式热电偶固定法。弹簧补偿式热电偶固定法的工作原理为：弹簧在热电偶固定板的压力作用下产生收缩形变，储存有弹性势能，当燃烧室振动造成螺栓松动时，弹簧释放弹性势能，使热电偶工作端依然能保持和燃烧室壁面紧密贴合，保证所测温度的有效性和准确性。
进一步地，所述热电偶采用露端式铠装热电偶，露端式铠装热电偶直径为1～1.5mm，露端式铠装热电偶工作端端头的直径不大于0.5mm。铠装热电偶具有热容小、响应时间短的特点，进一步选用端头直径不大于0.5mm的露端式铠装热电偶，大大缩短了热电偶热响应时间。
进一步地，所述盲孔为台阶盲孔，弹簧和挡块设置在台阶盲孔的大端，热电偶的工作端设置在台阶盲孔的小端并与盲孔底部接触。
进一步地，所述台阶盲孔的大端直径为2～3mm；小端直径不小于1mm。便于露端式铠装热电偶工作端与盲孔底部的紧密贴合进而获取该位置处的精准温度数据。
进一步地，所述每组台阶盲孔为三个，三个盲孔在同一条直线上，且相邻盲孔之间的深度差相同；所述热电偶、限位孔、弹簧和挡块均为三个。设计三个具有梯度距离的露端式铠装热电偶为一组，可获得燃烧室壁面的高精度热流密度；即使其中一个热电偶设备故障，也可以通过其余两个热电偶获得燃烧壁面的热流密度和温度。
进一步地，所述热电偶固定板两端设置螺栓孔，通过螺栓穿过螺栓孔拧入燃烧室壁内将热电偶固定板固定锁紧。
进一步地，所述螺栓与热电偶固定板之间设有垫片，使热电偶固定板安装更加牢固。
一种燃烧室壁面实时热流密度测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1)测量燃烧室外壁面直径和燃烧室内壁面的半径，分别记为d和R0；沿燃烧室外壁面按径向设置、轴向排布的方式进行加工盲孔，盲孔深度依次由深到浅，记为h1，h2...hi...hn，1≤i≤n-1，n≥2；对应盲孔深度，将盲孔孔底所在的圆周半径(以燃烧室中心线为轴心)记为R1，R2...Ri...Rn，1≤i≤n-1，n≥2，则Ri＝d/2-hi，Rn＝d/2-hn；
步骤2)将套设有弹簧和挡块的热电偶穿过固定套筒，并将热电偶放置于盲孔中，使热电偶工作端与盲孔底部接触，固定套筒一端与燃烧室外壁面接触；接着将热电偶固定板放在盲孔对应位置并与固定套筒的另一端接触，将热电偶的引线穿过限位孔向外引出；并将热电偶固定板与燃烧室壁进行固定连接；将固定套筒压紧固定在燃烧室外壁面和热电偶固定板之间，将弹簧压缩在挡块和热电偶固定板之间；
步骤3)将热电偶引线与温控仪表进行连接，在燃烧室工作时，测得对应盲孔底部的实时温度记为T1，T2......Tn；
步骤4)通过以下热流密度公式进行计算：
q0：燃烧室内壁面热流密度；
n：盲孔个数，n≥2；
R0：燃烧室内壁面的半径；
Ri：i号盲孔孔底所在圆周半径(以燃烧室中心线为轴心)，1≤i≤n-1；
Ti：i号盲孔孔底对应实测温度；
λ：燃烧室壁面所用金属材料的导热系数。
进一步地，步骤1)中，相邻盲孔之间深度差均为0.5～10mm。
本发明的有益效果：
(1)本发明装置设计合理、结构简单、加工方便，结合选用端头直径小于0.5mm的露端式铠装热电偶，热响应时间缩短，测量精度高。
(2)本发明装置采用弹簧补偿式热电偶固定法，满足热电偶在测量温度时，工作端始终保持和盲孔底部的紧密贴合，能够实现实时获取燃烧室壁面温度和热流密度的有效数据。
(3)本发明装置设置三个具有梯度距离的露端式铠装热电偶测量燃烧室壁面热流密度，可获得燃烧室壁面的高精度热流密度；即使其中一个热电偶设备故障，也可以通过其余两个热电偶获得燃烧室壁面的温度和热流密度。
(4)本发明装置测量热流密度的方法简单易行、测量精度高，能获取实时的燃烧室壁面热流密度数据，对航空航天发动机燃烧室的研制具有指导意义。
附图说明
图1为本发明一个实施例的装置示意图；
图2为图1实施例所选用的露端式铠装热电偶的局部结构示意图；
图3为图1实施例中热电偶固定板的结构示意图。
附图标记说明：
1-燃烧室壁；2-盲孔；3-测量组件，31-热电偶，32-弹簧，33-挡块，34-热电偶工作端；4-固定限位组件，41-固定套筒，42-热电偶固定板，43-螺栓，44-垫片，45-限位孔，46-螺栓孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地说明。
如图1至图3所示，一种燃烧室壁面实时热流密度测量装置，包括可导热的燃烧室壁1、测量组件3以及固定限位组件4，燃烧室壁1为筒状结构；
沿燃烧室外壁面向燃烧室内壁面方向按径向设置、轴向排布的方式钻一组测量孔，一组测量孔为三个盲孔2。本实施例中盲孔2为台阶盲孔，三个台阶盲孔在同一条直线上，相邻台阶盲孔深度差相同。台阶盲孔位置灵活可调，具体按照实际工程需要确定，台阶盲孔数量也可根据实际需求增加。
测量组件3的数量与台阶盲孔数量一致，包括热电偶31、以及依次套设在热电偶31上的弹簧32和挡块33，且挡块33与热电偶31固连；弹簧32一端与挡块33接触，另一端与固定限位组件4中的热电偶固定板42接触。本实施例中热电偶31为露端式铠装热电偶；在每个台阶盲孔内放置一个露端式铠装热电偶，弹簧32和挡块33设置在台阶盲孔的大端，露端式铠装热电偶的工作端34设置在台阶盲孔的小端并与台阶盲孔底部接触。台阶盲孔的大端直径为2～3mm，小端直径不小于1mm，便于露端式铠装热电偶工作端34与台阶盲孔底部的紧密贴合进而获取该位置处的精准数据。选用露端式铠装热电偶的直径为1～1.5mm，露端式铠装热电偶工作端34端头的直径不大于0.5mm；基于铠装热电偶热容小、响应时间短的特点，进一步选用端头直径不大于0.5mm的露端式铠装热电偶，大大缩短了热响应时间。
固定限位组件4包括固定套筒41、热电偶固定板42以及螺栓43。固定套筒41套在设有弹簧32和挡块33的露端式铠装热电偶上，固定套筒41的作用是用于弥补露端式铠装热电偶上的引线因为较软导致弹簧32作用力易发生偏移而使弹簧32在工作过程中不能有效压缩和回弹的缺陷。热电偶固定板42设置在燃烧室外壁面外侧，热电偶固定板42上设置有限位孔45，限位孔45与台阶盲孔位置相对应，用于露端式铠装热电偶的限位固定和露端式铠装热电偶上的引线穿过并向外引出；热电偶固定板42两端设置螺栓孔46，通过螺栓43穿过螺栓孔46拧入燃烧室壁1内将热电偶固定板42固定锁紧；将固定套筒41压紧固定在燃烧室外壁面和热电偶固定板42之间，将弹簧32压缩在挡块33和热电偶固定板42之间。
固定套筒41、弹簧32、挡块33以及热电偶固定板42组合形成一种弹簧补偿式热电偶固定法。弹簧补偿式热电偶固定法的工作原理为：弹簧32在热电偶固定板42的压力作用下产生收缩形变，储存有弹性势能，当燃烧室振动造成螺栓43松动时，弹簧32释放弹性势能，使露端式铠装热电偶工作端34依然能保持和台阶盲孔底部紧密贴合，保证所测温度的有效性和准确性。
本实施例的热流密度测量方法是：
步骤1)测量燃烧室外壁面直径和燃烧室内壁面的半径，分别记为d和R0；沿燃烧室外壁面按径向设置、轴向排布的方式进行加工台阶盲孔，台阶盲孔深度依次由深到浅，记为h1，h2，h3；对应台阶盲孔深度，将台阶盲孔孔底所在的圆周(以燃烧室中心线为轴心)半径记为R1，R2，R3，则R1＝d/2-h1，R2＝d/2-h2，R3＝d/2-h3；相邻台阶盲孔之间深度差为0.5～10mm；
步骤2)将套设有弹簧32和挡块33的露端式铠装热电偶穿过固定套筒41，并将露端式铠装热电偶放置于台阶盲孔中，使露端式铠装热电偶工作端34与台阶盲孔底部接触，固定套筒41一端与燃烧室外壁面接触；接着将热电偶固定板放在台阶盲孔对应位置并与固定套筒的另一端接触，将露端式铠装热电偶的引线穿过限位孔45向外引出；拧入螺栓43穿过螺栓孔46将热电偶固定板42与燃烧室壁1进行固定连接；将固定套筒41压紧固定在燃烧室外壁面和热电偶固定板42之间，将弹簧32压缩在挡块33和热电偶固定板42之间；
步骤3)将露端式铠装热电偶引线与温控仪表进行连接，在燃烧室工作时，测得对应台阶盲孔底部的实时温度记为T1，T2......Tn；
步骤4)将具体数值代入热流密度公式进行计算：
q0：燃烧室内壁面热流密度；
λ：燃烧室壁面所用金属材料的导热系数。