冲压发动机用水冷多通道高温燃气压力测量装置及方法

1.本发明涉及一种冲压发动机用水冷多通道高温燃气压力测量装置及方法，属于固体冲压发动机试验测量技术领域。


背景技术：

2.固体燃料冲压发动机是一种新型动力装置，主要由进气道、燃烧室、补燃室和喷管组成，具有结构简单、比冲高、燃烧稳定、便于存储和使用等优点。在固体燃料冲压发动机的设计研究中，试验研究是不可或缺的研究手段。
3.通过试验，可以为理论分析提供必要的参数，验证理论分析结果，同时发掘理论计算中无法发现的问题。地面连管试验是研究发动机燃烧室流动燃烧过程最经济有效的手段。
4.地面连管试验系统主要包括进气模拟系统、发动机试验系统以及试验参数测量系统。进气模拟系统用来模拟所研究的飞行状态，提供该状态下的空气总温、总压以及空气流量。发动机试验系统用来研究发动机内的燃烧流动性能，获得发动机燃烧室、补燃室以及尾喷管的工作状态。试验参数测量系统通过压力传感器获得补燃室压力。
5.发动机补燃室压力测量能直接反映发动机工作状态，但是由于测量介质是高温高压气体，同一位置多路测量能获得准确实验数据，现有的很多高频压力传感器只能测量压力变化的幅值，无法采集当地压力平均压力，因此无法准确获得某点处实时压力数据。


技术实现要素：

6.现由于高频压力传感器只能采集到振幅无法采集当地平均压力，为了获得发动机某一点处平均压力及其压力的振荡幅值，本发明设计了一种水冷多通道压力测量装置，解决同一空间位置高温高压气体高频压力和低频压力同步采集的问题，其具体技术方案如下：一种冲压发动机用水冷多通道高温燃气压力测量装置，包括水冷缸体和三通测压管路，为保证水冷缸体密封性，所述三通测压管路套设有密封垫设置在水冷缸体的内部，所述水冷缸体的两侧水平对称设置有上水管路和下水管路，所述水冷缸体内部设置有连通上水管路和下水管路的内部冷却空间，用于冷却三通测压管路。
7.所述三通测压管路包括转接头一、转接头二、转接头三、金属管一、金属管二和金属管三，所述三通测压管路的所有材料均采用304不锈钢，并焊接连通保证待测气体在高温高压工况下的气密性。所述金属管一、金属管二和金属管三呈y形焊接连通，位于水冷缸体的内部冷却空间，为减小压力损失，所述金属管一和金属管二呈对称分布且夹角为60
°
，减小三通测压管路的整体长度，实现了同一位置的多通道测量。所述转接头一的一端外接传感器，另一端连通金属管一；所述转接头二的一端外接传感器，另一端连通金属管二；所述转接头三的一端外接待测发动机，另一端连通金属管三。
8.进一步的，所述水冷缸体包括前缸盖和后缸盖，所述前缸盖和后缸盖贴合设置在
三通测压管路和密封垫的两侧，并通过若干组螺栓和螺母紧固，所述前缸盖和后缸盖的中部对称开设有朝向密封垫的凹槽，所述密封垫的中部开设有与凹槽对应的通孔，所述凹槽和通孔形成水冷缸体的内部冷却空间。
9.进一步的，所述密封垫上设置有管状结构，用于密封水冷缸体与三通测压管路的转接头一、转接头二和转接头三之间的间隙，所述密封垫和三通测压管路过盈配合、整体安装。
10.进一步的，所述管状结构的上下端面皆低于密封垫的端面，具体差值根据实际需要设置，保证各转接头和缸体端面的密封性。
11.进一步的，所述转接头一和转接头二皆采用内螺纹转光杆，内螺纹部分连接传感器且内螺纹长度不小于传感器的外螺纹长度，光杆部分与对应的金属管一和金属管二连通；所述转接头三采用外螺纹转光杆，外螺纹部分外接待测发动机，光杆部分与金属管三连通；所述转接头一、转接头二和转接头三的光杆部分皆设置在水冷缸体的内部，易于加工、密封，其余部分暴露于水冷缸体的外部。
12.进一步的，所述转接头一、转接头二和转接头三靠近水冷缸体的端面处设置有六边形的台阶，所述台阶起到限位作用，便于安装传感器和整个测量装置。
13.进一步的，为了进一步密封，所述台阶与水冷缸体的端面之间设置皆有环形垫。
14.进一步的，为了方便焊接与密封，所述金属管一、金属管二和金属管三的管壁外径略小于转接头一、转接头二和转接头三的通孔内径。
15.进一步的，所述密封垫和环形垫皆采用紫铜材料。
16.冲压发动机用水冷多通道高温燃气压力测量装置的测量方法，包括以下步骤：步骤s1：进行两个密封性测试：一是三通测压管路的密封性测试，保证高压热气能够完全通过三通测压管路传递给压力传感器；二是水冷缸体和三通管道之间的密封性测试，确保不会有冷却液流出，保证试验台不会因为漏液导致短路影响实验。良好密封也能保证冷却效果，另外应保证上水管路和下水管路冷却液的正压差和流速，使得冷却液能够完全充满整个冷却缸体，及时通过热对流带走燃气传导给三通测压管路的热量，达到冷却的目的。
17.步骤s2：组装测量装置：将加工好的三通测压管路和密封垫置于前缸盖和后缸盖中间，并通过螺栓将前后缸体夹紧。安装上水管路和下水管路，并连接水泵，测试水冷缸体是否漏水。
18.步骤s3：安装测量装置：通过转接头三将测试完成的装置安装在发动机测压孔上，并通过转接头一和转接头二安装好测试所需传感器，打开水冷循环水泵，即可正常工作。
19.冲压发动机开始工作后，燃气通过转接头三进入三通测压管路，经过水冷缸体的内部冷却空间的水冷之后，降温之后的热气作用于转接头一和转接头二的压力传感器，从而采集到当地平均压力和压力振荡幅值，数据经处理后即可获得该测压点处的压力。
20.通过水冷缸体、上水管路和下水管路形成的密封水冷系统，对待测的三通测压管路中的燃气进行降温。通过对流换热和热传导，分别实现被测对象（燃气）和测试设备（传感器）的降温，使整个测试系统处在相对温和的工作温度下。在保证测量精度和传感器使用寿命的同时，通过高频压力传感器和低频压力传感器测量的数据，实现测量实时压力的需求。
21.本发明的有益效果是：本发明通过一根三通测压管路测量同一位置的两路压力数据，并减小压力损失，实现数据采集的可靠性。本发明能够实现同步采集低频和高频压力数据，同时对于测量介质（高温燃气）进行水冷保护传感器、降低测量误差，保证实验数据测量的准确。
22.本发明由密封的水冷缸体实现对三通测压管路的冷却，保证了压力传感器在合理的环境下工作，延长了传感器使用寿命，并进一步保证了传感器采集数据的准确性。
23.本发明结构简单，可根据实际测量发动机的需求和空间位置，变换采集管路形状，实现多通道测量，也为类似实验同步采集提供了参考模型。
附图说明
24.图1为本发明三通测压管路的半剖面结构示意图；图2为本发明前缸盖和后缸盖的立体结构示意图；图3为本发明前缸盖和后缸盖的平面结构示意图；图4是图3的a-a剖面视图；图5为本发明密封垫的平面结构示意图，其中：（a）为主视图，（b）为侧视图；图6为本发明装置的装配半剖面结构示意图；图中：1-上水管路，2-下水管路，3-前缸盖，4-后缸盖，5-密封垫，6-转接头一，7-转接头二，8-转接头三，9-金属管一，10-金属管二，11-金属管三，12-环形垫，13-固定孔；虚线为对称轴线。
具体实施方式
25.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
26.如图6所示，测量装置包括水冷缸体和三通测压管路，水冷缸体的两侧水平对称设置有上水管路1和下水管路2。上水管路1和下水管路2根据其材料选择转接头类型，本实施例采用pvc软管，选择宝塔转接头和软管过盈配合。
27.水冷缸体包括对称设置的前缸盖3和后缸盖4，前缸盖3和后缸盖4的结构相同，其立体结构如图2所示，其平面结构如图3所示，图3的a-a剖面视图如图4所示。为保证水冷缸体密封性，三通测压管路套设有紫铜材料的密封垫5，前缸盖3和后缸盖4贴合设置在密封垫5和三通测压管路的两侧。本实施例的前缸盖3、后缸盖4和密封垫5皆呈五边形，使得水冷缸体的外轮廓呈五边形，前缸盖3、后缸盖4和密封垫5的五个角处皆开设有互相对应的固定孔13，并通过五组贯穿固定孔13的螺栓和螺母使其紧固。前缸盖3和后缸盖4的中部对称开设有朝向密封垫5的凹槽，密封垫5的中部开设有与凹槽对应的通孔，凹槽和通孔形成连通上水管路1和下水管路2的内部冷却空间，用于冷却三通测压管路。
28.如图1所示，三通测压管路包括转接头一6、转接头二7、转接头三8、金属管一9、金属管二10和金属管三11，所有材料均采用304不锈钢，并焊接连通保证待测气体在高温高压工况下的气密性。金属管一9、金属管二10和金属管三11呈y形焊接连通，位于水冷缸体的内部冷却空间。为减小压力损失，金属管一9和金属管二10呈对称分布且夹角为60
°
，减小三通测压管路的整体长度，实现了同一位置的多通道测量。转接头一6和转接头二7皆采用内螺纹转光杆，内螺纹部分连接传感器且内螺纹长度不小于传感器的外螺纹长度，光杆部分与
对应的金属管一9和金属管二10焊接连通；转接头三8采用外螺纹转光杆，外螺纹部分外接待测发动机，光杆部分与金属管三11焊接连通。转接头一6、转接头二7和转接头三8的光杆部分皆设置在密封垫5的管状结构内，易于加工、密封，其余部分暴露于水冷缸体的外部。
29.转接头一6、转接头二7和转接头三8靠近水冷缸体的端面处设置有高度不小于10mm的六边形的台阶，台阶起到限位作用，便于安装传感器和整个测量装置。为了进一步密封，台阶与水冷缸体的端面之间设置皆有紫铜材料的环形垫12。为了方便焊接与密封，金属管一9、金属管二10和金属管三11的管壁厚度不小于1mm，且其外径略小于转接头一6、转接头二7和转接头三8的通孔内径。
30.图5为密封垫5的平面结构示意图，如图5所示，密封垫5上设置有管状结构，用于密封水冷缸体与三通测压管路的转接头一6、转接头二7和转接头三8之间的间隙，密封垫5和三通测压管路过盈配合、整体安装。管状结构的上下端面皆低于密封垫5的端面，本实施例的差值取1.5mm，保证各转接头和缸体端面的密封性。另外，密封垫5的厚度取2mm，保证垫片具有足够的延展性，保证密封。
31.本装置的测量方法，包括以下步骤：步骤s1：进行两个密封性测试：一是三通测压管路的密封性测试，能保证高压热气能够完全通过三通测压管路传递给压力传感器；二是水冷缸体和三通管道之间的密封性测试，确保不会有冷却液流出，保证试验台不会因为漏液导致短路影响实验。良好密封也能保证冷却效果，另外应保证上水管路1和下水管路2冷却液的正压差和流速，使得冷却液能够完全充满整个冷却缸体，及时通过热对流带走燃气传导给三通测压管路的热量，达到冷却的目的。
32.步骤s2：组装测量装置：将加工好的三通测压管路和密封垫5置于前缸盖3和后缸盖4中间，并通过螺栓将前后缸体夹紧。安装上水管路1和下水管路2，并连接水泵，测试水冷缸体是否漏水。
33.步骤s3：安装测量装置：通过转接头三8将测试完成的装置安装在发动机测压孔上，并通过转接头一6和转接头二7安装好测试所需传感器，打开水冷循环水泵，即可正常工作。
34.冲压发动机开始工作后，燃气通过转接头三8进入三通测压管路，经过水冷缸体的内部冷却空间的水冷之后，降温之后的热气作用于转接头一6和转接头二7的压力传感器，从而采集到当地平均压力和压力振荡幅值，数据经处理后即可获得该测压点处的压力。
35.通过水冷缸体、上水管路1和下水管路2形成的密封水冷系统，对待测的三通测压管路中的燃气进行降温。通过对流换热和热传导，分别实现被测对象燃气和测试设备传感器的降温，使整个测试系统处在相对温和的工作温度下。在保证测量精度和传感器使用寿命的同时，通过高频压力传感器和低频压力传感器测量的数据，实现测量实时压力的需求。
36.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。