燃烧室后测量段及其冷却方法与流程

1.本发明涉及一种燃烧室后测量段及其冷却方法。


背景技术：

2.目前航空发动机的燃烧室部件研制主要遵行单头部试验、多头部扇形试验和全环试验的方式，对燃烧室部件方案进行验证和优化。在这三种试验方式中，均需开展燃烧性能试验，包括出口温度分布试验、污染排放试验、燃烧效率试验等。燃烧室的性能试验与一般的流动换热试验不同，无法采用相似准则进行低温低压或者中温中压的试验来替代，因此，燃烧室的性能均为高温高压试验，且进口试验参数需尽量与部件设计参数相同或者接近。
3.随着科技进步，航空发动机推重比不断提高，燃烧室温升和燃烧室工作温度也不断提高。因此，燃烧室试验中燃烧室试验件本体(试验段)以及与试验段相连的后测量段均需承受高温高压燃气的冲刷，面临了较严峻的冷却问题。
4.燃烧室全环试验台的试验工况逐渐升高，燃气排放温度升高，对燃烧室后测量段的冷却要求更高，需保证其可以稳定工作。由于燃气从燃烧室内流出进入燃烧室后测量段会逐渐冷却，如果燃烧室后测量段被冷却时前后温度相差过大，则会导致燃烧室后测量段局部热应力过大，长时间工作则会导致发生变形，影响使用寿命。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是克服现有技术中燃烧室后测量段冷却不均匀、容易发生变形的缺陷，提供一种冷却效果好、避免冷却不均的燃烧室后测量段及其冷却方法。
6.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
7.本发明提供了一种燃烧室后测量段，包括外筒体、内筒体，所述内筒体设于所述外筒体的内侧，所述内筒体与所述外筒体之间形成环形通道；
8.所述外筒体包括依次连通的第一环形腔、外锥形腔和第二环形腔，所述第一环形腔和所述第二环形腔分别位于所述外锥形腔的大开口端和小开口端；
9.所述内筒体包括连通的第三环形腔和内锥形腔，所述第三环形腔设于所述第一环形腔的内侧并通过第一管道与所述第一环形腔连通，所述内锥形腔设于所述外锥形腔的内侧，所述内锥形腔的小开口端通过第二管道与所述第二环形腔连通；
10.所述燃烧室后测量段还包括第一水口、第二水口和第三水口，所述第一水口设于所述第二环形腔，所述第二水口和所述第三水口分别设于所述第一环形腔且位于所述第一环形腔的不同侧。
11.在本方案中，冷却介质既可以实现从第一水口流入，充满第二环形腔及外锥形腔，从第二环形腔通过第二管道流入内锥形腔，从第三环形腔通过第一管道流入第一环形腔，最终从第二水口或第三水口流出；也可以实现从第二水口流入，充满第一环形腔并流入外锥形腔，并通过第一管道流入第三环形腔，进而通过内锥形腔经第二管道流入第二环形腔，然后从第一水口或第三水口流出；冷却介质还可以从第一水口和第二水口同时流入，在冷
却介质充满所有冷却流场的腔体之前，实现冷却介质互补注入，减少冷却介质流动阻力及压力损失，实现小压力下快速充满冷却流场腔体后从第三水口流出。上述燃烧室后测量段的冷却使得燃气温度由高变低的过程中，冷却流场的对流换热面积由大到小，保证了燃烧室后测量段的整体温度均匀，有效避免局部热应力过大，使其不易变形，延长了燃烧室后测量段的使用寿命。
12.较佳地，所述外锥形腔具有外锥壁体和内锥壁体，所述外锥壁体和所述内锥壁体之间沿轴向设置有多个连接板，多个所述连接板上具有轴向贯穿的通孔。
13.在本方案中，通过在外锥壁体和内锥壁体之间设置连接板，一方面可以增加连接强度，还使得冷却介质从上向下流的过程中起到均流作用，避免出现有的地方没有填充到冷却介质，影响局部冷却效果，导致出现应力集中现象。
14.较佳地，所述第一环形腔具有外环形壁体和内环形壁体，所述外环形壁体和所述内环形壁体之间设有支撑板，所述支撑板上具有连通所述第一环形腔和所述外锥形腔的通孔。
15.在本方案中，外环形壁体和内环形壁体之间设有支撑板，增强第一环形腔的强度，避免产生变形，在支撑板上设置通孔使第一环形腔和外锥形腔，用于使得冷却介质可以从外锥形腔流入第一环形腔或者从第一环形腔流入外锥形腔，进而使得冷却介质可以在不同工作模式下均可快速充满整个冷却流场。
16.较佳地，所述内锥形腔的小开口端的端部具有连接腔，所述内锥形腔与所述连接腔之间设有阻流板，所述阻流板上具有连通所述内锥形腔和所述连接腔的通孔；
17.所述第二管道的两端均与所述第二环形腔连通，所述第二管道还与所述连接腔连通。
18.在本方案中，采用上述结构，实现内锥形腔与第二环形腔的连通，便于流体快速充满整个冷却流场。
19.较佳地，所述外筒体靠近所述第一环形腔的一端设有第一安装端，所述第一安装端用于与燃烧室机匣的后法兰连接；所述外筒体靠近所述第二环形腔的一端设有第二安装端，所述第二安装端用于与燃气排放管道连接。
20.较佳地，所述燃烧室后测量段还包括受感部装置，所述受感部装置固定于所述第一环形腔的腔体并设于所述第一环形腔与所述第三环形腔之间。
21.在本方案中，设置受感部装置可以对从燃烧室出口进入燃烧室后测量段的燃气的温度、压力等参数进行探测。
22.较佳地，所述受感部装置有多个，多个所述受感部装置沿所述第一环形腔的周向排布。
23.在本方案中，设置多个受感部装置可以更加全面、准确的检测燃气的各种所需参数。
24.较佳地，所述燃烧室后测量段还包括观察装置，所述观察装置安装于所述第一环形腔所在位置的所述外筒体上，且所述观察装置的轴线与所述第一环形腔的轴线呈锐角，所述观察装置用于对所述燃烧室后测量段连接的燃烧室机匣的内部进行观察。
25.较佳地，所述第一管道有多个，多个所述第一管道沿所述环形通道的周向排布。
26.在本方案中，通过设置多个第一管道一方面可以对外筒体和内筒体进行均匀的支
撑，另一方面可以加快第一环形腔与第三环形腔内冷却介质的流通。
27.较佳地，所述第一水口和所述第二水口在周向上呈180度，所述第二水口和所述第三水口在周向上呈180度。
28.在本方案中，采用上述结构形式，可以使冷却介质在冷却流场内具有更长的冷却路径，以达到更好地冷却效果。
29.本发明还提供了一种燃烧室后测量段的冷却方法，所述燃烧室后测量段为上述的燃烧室后测量段，所述冷却方法包括以下步骤：
30.s1、将第一水口和第二水口用于冷却介质的流入，第三水口用于冷却介质的流出，将冷却介质从第一水口和第二水口同时注入，直至冷却介质充满内筒体和外筒体；
31.s2、关闭第一水口或第二水口，使冷却介质只从第二水口流入或只从第一水口流入，或者冷却介质继续从第一水口和第二水口流入。
32.在本方案中，冷却介质从第一水口和第二水口同时流入，在冷却介质充满所有冷却腔之前，实现冷却介质互补注入，减少冷却介质流动阻力及压力损失，实现小压力下快速充满冷却流场的腔体后从第三水口流出；冷却介质充满所有冷却流场的腔体之后，可实现从第一水口或第二水口或同时从第一水口和第二水口流入，保证冷却介质稳定流动，减少流动死区，提高冷却效果。
33.本发明的积极进步效果在于：本发明的燃烧室后测量段在工作时，冷却介质既可以实现从第一水口流入，充满第二环形腔及外锥形腔，从第二环形腔通过第二管道流入内锥形腔，从第三环形腔通过第一管道流入第一环形腔，最终从第二水口或第三水口流出；也可以实现从第二水口流入，充满第一环形腔并流入外锥形腔，并通过第一管道流入第三环形腔，进而通过内锥形腔经第二管道流入第二环形腔，然后从第一水口或第三水口流出；冷却介质从第一水口和第二水口同时流入，在冷却介质充满所有冷却流场的腔体之前，实现冷却介质互补注入，减少冷却介质流动阻力及压力损失，实现小压力下快速充满冷却流场腔体后从第三水口流出。上述燃烧室后测量段的冷却使得燃气温度由高变低的过程中，冷却流场的对流换热面积由大到小，保证了燃烧室后测量段的整体温度均匀，有效避免局部热应力过大，使其不易变形，延长使用寿命。
附图说明
34.图1为本发明较佳实施例中燃烧室后测量段的立体结构示意图。
35.图2为图1中燃烧室后测量段的侧视图。
36.图3为图2中燃烧室后测量段的a-a处剖视图。
37.图4为图3中b处结构放大示意图。
38.图5为图1中燃烧室后测量段的另一视角的侧视图。
39.图6图5中燃烧室后测量段的c-c处剖视图。
40.附图标记说明：
41.外筒体100
42.第一环形腔110
43.第一外环形壁体111
44.第一内环形壁体112
45.支撑板113
46.外锥形腔120
47.第一外锥壁体121
48.第一内锥壁体122
49.连接板123
50.第二环形腔130
51.第二外环形壁体131
52.第二内环形壁体132
53.第一安装端140
54.第二安装端150
55.第一水口101
56.第二水口102
57.第三水口103
58.内筒体200
59.第三环形腔210
60.内锥形腔220
61.第二外锥壁体221
62.第二内锥壁体222
63.阻流板223
64.连接腔230
65.环形通道300
66.第一管道400
67.第二管道500
68.受感部装置600
69.受感部安装座601
70.受感部盖板602
71.观察装置700
具体实施方式
72.下面通过实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在该实施例范围之中。
73.需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。同时，本技术使用了特定词语来描述本技术的实施例。方位词“内侧、外侧”是指相对于各部件本身的轮廓的内外，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本发明保护范围的限制。如“一个实施例”、“另一个实施例”意指与本技术至少一个实
施例相关的某一特征、结构或特点。此外，本技术的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
74.如图1-6所示，为本实施例一种燃烧室后测量段，该燃烧室后测量段包括外筒体100、内筒体200，内筒体200设于外筒体100的内侧，内筒体200与外筒体100之间形成环形通道300。其中，该外筒体100和内筒体200均为空心结构，用于通入冷却介质，环形通道300用于作为供高温燃气通过的燃气流道，高温燃气在经过燃气流道时，会被外筒体100和内筒体200内的冷却介质逐渐冷却，避免燃烧室后测量段长期承受高温高压燃气的冲刷。
75.在本实施例中，外筒体100包括依次连通的第一环形腔110、外锥形腔120和第二环形腔130，第一环形腔110和第二环形腔130分别位于外锥形腔120的大开口端和小开口端。内筒体200包括连通的第三环形腔210和内锥形腔220，第三环形腔210设于第一环形腔110的内侧并通过第一管道400与第一环形腔110连通，内锥形腔220设于外锥形腔120的内侧，内锥形腔220的小开口端通过第二管道500与第二环形腔130连通；
76.燃烧室后测量段还包括第一水口101、第二水口102和第三水口103，第一水口101设于第二环形腔130，第二水口102和第三水口103分别设于第一环形腔110且位于第一环形腔110的不同侧。
77.在本实施例中，该燃烧室后测量段在工作时，冷却介质既可以实现从第一水口101流入，充满第二环形腔130及外锥形腔120，从第二环形腔130通过第二管道500流入内锥形腔220，从第三环形腔210通过第一管道400流入第一环形腔110，最终从第二水口102或第三水口103流出；也可以实现从第二水口102流入，充满第一环形腔110并流入外锥形腔120，并通过第一管道400流入第三环形腔210，进而通过内锥形腔220经第二管道500流入第二环形腔130，然后从第一水口101或第三水口103流出；冷却介质还可以从第一水口101和第二水口102同时流入，在冷却介质充满所有的冷却流场的腔体之前，实现冷却介质互补注入，减少冷却介质流动阻力及压力损失，实现小压力下快速充满冷却流场腔体后从第三水口103流出。上述燃烧室后测量段的冷却使得燃气温度由高变低的过程中，冷却流场的对流换热面积由大到小，换热系数由大到小，保证了燃烧室后测量段的整体温度均匀，有效避免局部热应力过大，使其不易变形，延长了燃烧室后测量段的使用寿命。
78.如图3和图6所示，外锥形腔120具有第一外锥壁体121和第一内锥壁体122，第一外锥壁体121和第一内锥壁体122之间沿轴向设置有多个连接板123，多个连接板123上具有轴向贯穿的通孔。通过在第一外锥壁体121和第一内锥壁体122之间设置连接板123，一方面可以增加连接强度，还使得冷却介质从上向下流的过程中起到均流作用，避免出现有的地方没有填充到冷却介质，影响局部冷却效果，导致出现应力集中现象。
79.第一外锥壁体121、第一内锥壁体122以及连接板123的厚度在3～10mm，优选在3～5mm，连接板123的个数至少为2个，根据燃烧室后测量段及试验台长度选择。
80.内锥形腔220具有第二外锥壁体221和第二内锥壁体222，第三环形腔210也具有内外环形壁体，并且内锥形腔220的第二内锥壁体222与第三环形腔210的内环形壁体为一体结构，内锥形腔220的第二外锥壁体221与第三环形腔210的外环形壁体为一体结构。
81.第二外锥壁体221和第二内锥壁体222以及第三环形腔210的内外环形壁体的厚度也在3～10mm，优选在3～5mm。
82.如图3所示，第一环形腔110具有第一外环形壁体111和第一内环形壁体112。第二
环形腔130具有第二外环形壁体131和第二内环形壁体132。
83.第一外环形壁体111和第一内环形壁体112之间设有支撑板113，支撑板113上具有连通第一环形腔110和外锥形腔120的通孔。在第一外环形壁体111和第一内环形壁体112之间设置支撑板113，增强第一环形腔110的强度，避免产生变形，在支撑板113上设置通孔使第一环形腔110和外锥形腔120，用于使得冷却介质可以从外锥形腔120流入第一环形腔110或者从第一环形腔110流入外锥形腔120，进而使得冷却介质可以在不同工作模式下均可快速充满整个冷却流场。
84.如图3所示，在本实施例中，内锥形腔220的小开口端的端部具有连接腔230，内锥形腔220与连接腔230之间设有阻流板223，阻流板223上具有连通内锥形腔220和连接腔230的通孔。第二管道500的两端均与第二环形腔130连通，第二管道500还与连接腔230连通。采用该种结构，实现内锥形腔220与第二环形腔130的连通，便于流体快速充满整个冷却流场。
85.如图1-6所示，外筒体100靠近第一环形腔110的一端设有第一安装端140，第一安装端140用于与燃烧室机匣的后法兰连接；外筒体100靠近第二环形腔130的一端设有第二安装端150，第二安装端150用于与燃气排放管道连接。
86.第一安装端140和第二安装端150均为法兰结构，本实施例中的法兰结构是环形，但不限于此，也可以是圆形、矩形、扇形等形状。
87.在本实施例中，燃烧室后测量段还包括受感部装置600，受感部装置600固定于第一环形腔110的腔体并设于第一环形腔110与第三环形腔210之间。受感部装置600有多个，多个受感部装置600沿第一环形腔110的周向排布。
88.受感部装置600包括受感部安装座601和受感部盖板602，的受感部安装座601设置于第一环形腔110与第三环形腔210之间，受感部盖板602位于外筒体100的外侧。
89.在燃烧室后测量段中设置受感部装置600可以通过温度、压力等传感器对从燃烧室出口进入燃烧室后测量段的燃气流道中的燃气的温度、压力等参数进行探测。设置多个受感部装置600可以更加全面、准确的检测燃气的各种所需参数。燃烧室出口的形状可以是环形，但不以此为限，也可以是圆形、矩形、扇形等形状，但都应该在第一环形腔110的外筒体100以内，燃烧室出口尽量设置与第一环形腔110、第三环形腔210共轴。
90.在本实施例中，燃烧室后测量段还包括观察装置700，观察装置700安装于第一环形腔110所在位置的外筒体100上，且观察装置700的轴线与第一环形腔110的轴线呈锐角，观察装置700用于对燃烧室后测量段连接的燃烧室机匣的内部进行观察。
91.第一管道400有多个，多个第一管道400沿环形通道300的周向排布。通过设置多个第一管道400一方面可以对外筒体100和内筒体200进行均匀的支撑，另一方面可以加快第一环形腔110与第三环形腔210内冷却介质的流通。
92.第一水口101和第二水口102在周向上呈180度，第二水口102和第三水口103在周向上呈180度。三个水口采用上述结构形式，可以使冷却介质在冷却流场内具有更长的冷却路径，以达到更好地冷却效果。
93.本发明还提供了一种上述的燃烧室后测量段的冷却方法，冷却方法包括以下步骤：
94.s10、将第一水口101和第二水口102用于冷却介质的流入，第三水口103用于冷却介质的流出，将冷却介质从第一水口101和第二水口102同时注入，直至冷却介质充满内筒
体200和外筒体100；
95.s20、关闭第二水口102，使冷却介质只从第二水口102流入，从第三水口103流出。
96.采用上述方法，冷却介质开始先从第一水口101和第二水口102同时流入，在冷却介质充满所有冷却流场的腔体之前，实现冷却介质互补注入，减少冷却介质流动阻力及压力损失，实现小压力下快速充满冷却流场腔体后从第三水口103流出。冷却介质充满所有冷却流场的腔体且流动稳定后，根据实际换热需要，冷却介质从第一水口101流入，从第三水口103流出，保证冷却介质稳定流动，减少流动死区，提高冷却效果，实现燃烧室不同工况的冷却需求。
97.参考图3-图4及图6，在本实施例中，冷却介质从第一水口101流入，充满第二环形腔130及外锥形腔120，从第二环形腔130通过第二管道500流入内锥形腔220，从第三环形腔210通过第一管道400流入第一环形腔110，最终从第三水口103流出。
98.冷却介质可以是水，其比热容大，冷却效果好，且成本低，但不以此为限，也可以是其它的冷却介质。第一环形腔110、第二环形腔130和第三环形腔210均可以是圆柱状，以促进冷却介质的流动以及增大冷却介质与各环形腔的接触面积，提高冷却效果。以水为冷却介质的实施例中，水流速优选地在1～10m/s之间，具体流速需要根据需求进行设定。
99.在其他实施例中，冷却介质充满所有冷却流场的腔体之后，还可从第二水口102或同时从第一水口101和第二水口102流入，保证冷却介质稳定流动，减少流动死区，提高冷却效果。
100.冷却介质只从第二水口102流入时，充满第一环形腔110穿过支撑板113上的通孔流入外锥形腔120，并通过第一管道400流入第三环形腔210，进而通过内锥形腔220经第二管道500流入第二环形腔130，然后从第三水口103流出。
101.冷却介质同时从第一水口101和第二水口102流入时，根据不同水口流入水流的压力分成以下两种情况：
102.在一个实施例中，继续参考图3-图4及图6，流动稳定后，当冷却介质从第一水口101和第二水口102同时流入，且第一水口101的压力较大，则冷却介质从第一水口101流入第二环形腔130，分为两股水流，一股水流流向外锥形腔120，再通过第一管道400流入第三环形腔210，最终从第三水口103流出，另一股水流通过第二管道500流入内锥形腔220，进而流入第三环形腔210，最终从第三水口103流出；冷却介质从第二水口102流入第一环形腔110，从第三水口103流出。冷却介质从第二环形腔130流入外锥形腔120再流入第一环形腔110过程中，流道截面积逐渐增加，且通过均匀布置的通孔，使冷却介质均匀分布，无流动死区，提高冷却效果。
103.在另一个实施例中，流动稳定后，当冷却介质从第一水口101和第二水口102同时流入，且第二水口102压力较大，则冷却介质从第一水口101流入第二环形腔130，流向外锥形腔120，再通过第一管道400流入第一环形腔110，最终从第三水口103流出；冷却介质从第二水口102流入第一环形腔110，分为两股水流，一股水流从第三水口103流出，一股水流流入内锥形腔220，通过第二管道500流入第二环形腔130。冷却介质从第一环形腔110流入内锥形腔220再流入第二环形腔130过程中，流道截面积逐渐减小，且通过均匀布置的通孔，使冷却介质均匀分布，无流动死区，提高冷却效果。
104.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅
是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。