一種燃燒室室壁溫度梯度測量模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于溫度測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種液體火箭發(fā)動機燃燒室噴管段室壁 溫度梯度測量模塊。
【背景技術(shù)】
[0002] 液體火箭發(fā)動機燃燒室內(nèi)的工質(zhì)是3000KW上的高壓燃氣，為了避免室壁發(fā)生燒 蝕破壞，在燃燒室內(nèi)壁和外壁之間設(shè)置有就槽式通道，引入低溫流體對室壁結(jié)構(gòu)進行冷卻。 燃燒室噴管段室壁的最高熱流密度可W達到上百MW/m2,結(jié)構(gòu)材料承受的溫差往往達到幾 百KW上，且沿不同軸向位置熱流變化劇烈，工作環(huán)境極其惡劣，是燃燒室最容易發(fā)生失效 的部位。因此，摸清推力室內(nèi)的傳熱過程是進行合理的熱防護設(shè)計從而保證燃燒室可靠工 作乃至提高發(fā)動機性能的最重要前提之一。
[0003] 燃燒室傳熱過程研究的途徑包括熱試驗和仿真計算，兩者相輔相成，關(guān)鍵在于傳 熱試驗中獲得熱流、氣壁溫等有價值測量數(shù)據(jù)。而由于就槽式冷卻結(jié)構(gòu)的肋寬、壁厚均很薄 (肋寬通常為1~2mm，壁厚一般只有0. 6~1mm)，很難在結(jié)構(gòu)中布置普通傳感器對熱流密 度、氣壁溫等參數(shù)進行直接測量。
[0004] 傳統(tǒng)量熱式縮比燃燒室只能獲得某一區(qū)段內(nèi)的平均熱流，而受燃燒室內(nèi)型面收縮 擴張的影響，熱流沿軸向不同位置變化劇烈，熱流沿軸向不同位置不盡相同，送樣就造成平 均熱流無法準確反映實際的當(dāng)?shù)責(zé)崃?，且由于采用分段水冷身部，冷卻劑側(cè)結(jié)構(gòu)、傳熱狀態(tài) 與全尺寸時相差較大，送種方法測量值的應(yīng)用誤差較大。在內(nèi)壁埋入熱電偶的方法雖然可 W直接測得氣壁溫度，但由于埋熱電偶的加工淺槽的深度一般達到0. 5W上，而在此深度 方向上結(jié)構(gòu)溫度變化可能到幾十K，測得的氣壁溫值準確度不太高。且由于插入傳感器時需 要在內(nèi)外壁上加工通孔，還需要內(nèi)壁淺槽表面電錐銅層保證密封，不但工藝復(fù)雜，而且容易 出現(xiàn)缺陷。W往燃燒室外壁溫的測量是通過在外壁面點焊熱電偶進行測量，從實際情況來 看，受外界熱環(huán)境、振動環(huán)境等因素影響，測量結(jié)果常常出現(xiàn)存在毛刺、失真等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種液體火箭發(fā)動機燃燒室噴管段室壁溫度梯度測量模 塊，可對燃燒室噴管段某一橫截面內(nèi)的冷卻通道內(nèi)壁結(jié)構(gòu)溫度進行測量，從而獲得當(dāng)?shù)氐?熱流、氣壁溫、外壁溫等參數(shù)。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為：
[0007] -種燃燒室室壁溫度梯度測量模塊，該模塊為環(huán)形結(jié)構(gòu)，包括環(huán)形壓板、5支熱電 偶傳感器、彈黃、擋片、絕熱襯套、支撐套；每支熱電偶傳感器感溫端處均焊接有圓盤形擋 片，熱電偶傳感器在擋片上部的一端穿過支撐套和彈黃，支撐套套入彈黃內(nèi)，一并套入環(huán)形 壓板中，熱電偶傳感器在擋片W下部分穿入絕熱襯套中。
[0008] 所述的環(huán)形壓板為部分圓環(huán)板式結(jié)構(gòu)，部分圓環(huán)的兩端沿圓環(huán)徑向均加工有馬蹄 形缺口，缺口寬度η比螺柱外徑大，缺口內(nèi)側(cè)為半圓柱面，兩缺口半圓柱面中必夾角α，每 個缺口同一側(cè)的板體上加工出Md3大小的螺紋通孔；在兩馬蹄形缺口之間均勻布置5個軸 線夾角為目、直徑為Odi的徑向盲孔，盲孔深度為Ldl，每個盲孔的底部對應(yīng)一個同軸的直 徑為〇d2的小通孔，且垂直于盲孔軸線方向向板的一側(cè)加工出寬度d2的通槽；d2比所裝 配的熱電偶傳感器直徑大，dl比彈黃外徑大，Ldl需小于彈黃壓縮后的長度；螺柱上半部加 工有螺紋，底端插入燃燒室外壁上加工的盲孔中，并焊接固定，螺柱焊接后的夾角為α，與 環(huán)形壓板兩缺口半圓柱面中必夾角相同。
[0009] 被測量的燃燒室在噴管段外壁和內(nèi)壁上加工5個沉頭盲孔，沉頭盲孔中的大孔只 位于外壁中；5個盲孔中必線夾角為目，分別對應(yīng)著內(nèi)壁上的相鄰5個肋片的中必；盲孔深 度控制根據(jù)孔底距離內(nèi)壁面的距離L1~L5來確定，L1、L2、L3、L4為逐漸增加的等差數(shù)列。
[0010] L1、L2、L3、L4為逐漸增加的等差數(shù)列，在保證內(nèi)壁不被穿透的情況下取0. 4~ 0.8mm，L4的取值要保證對應(yīng)的熱電偶傳感器的測量端位于溫度隨徑向位置呈線性變化的 區(qū)間，不大于2mm。
[0011] 所述的熱電偶傳感器在擋片W下的長度設(shè)計成兩種尺寸，L1~L4對應(yīng)孔擋片下 長度為相同尺寸，L5對應(yīng)孔擋片下長度為另一尺寸
[0012] 測溫模塊安裝時，首先將5支熱電偶傳感器感溫端插入燃燒室外壁上對應(yīng)的沉頭 盲孔的小孔中，絕熱襯套嵌入大孔中；然后將熱電偶傳感器在彈黃W上較細部分提前通過 環(huán)形壓板上的寬度為d2的通槽穿入直徑〇d2的通孔中，接著將熱電偶傳感器在擋片W上 部分一并套入環(huán)形壓板上的盲孔Odi中，并用力下壓環(huán)形壓板，使彈黃產(chǎn)生一定的壓縮 量，同時使螺柱分別穿過其兩端的馬蹄形缺口，然后使用螺母掙入螺柱壓住環(huán)形壓板；彈黃 壓縮后產(chǎn)生的力作用于擋片使熱電偶傳感器的感溫端與燃燒室上的被測孔底面接觸；為確 保測量效果，彈黃壓縮力取3~6N為宜，壓縮量控制在10~15mm，通過環(huán)形壓板兩端馬蹄 形缺口內(nèi)側(cè)半圓柱面與螺柱的配合實現(xiàn)限位；使用壓緊螺釘掙入環(huán)形壓板兩端的Md3螺紋 孔中，并壓緊螺柱。
[0013] 通過W下方法獲得燃燒室噴管段被測部位的熱流、氣壁溫、外壁溫參數(shù)：通過環(huán)形 壓板將彈黃壓縮力施加于5個長度不一的探針式微型熱電偶傳感器上，使之插入燃燒室室 壁上不同深度的盲孔中，測得孔底位置的溫度；利用直接測得的不同深度的壁溫數(shù)據(jù)，運用 傅里葉定律計算得出熱流和氣壁溫；從Η維傳熱數(shù)值仿真結(jié)果來看，在距氣壁面2mm距離 內(nèi)，肋中必溫度隨距離氣壁面的距離增加呈線性降低；將4個熱電偶傳感器感溫端布置在 此線性變化區(qū)間內(nèi)并處于不同的深度層，獲得一組距離-溫度值化i，Twi)α= 1，2, 3, 4); 由此組數(shù)據(jù)進行線性擬合得到公式Twx=a·L+TwO;當(dāng)L等于0時，TwO即為氣壁溫；式中 擬合直線的斜率α等于溫度梯度，由傅里葉定律可知熱流密度= 式中入 為固壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)，測溫模塊中測量值Tw5即為外壁溫值。
[0014] 本發(fā)明所取得的有益效果為：
[0015] 本發(fā)明通過一個模塊實現(xiàn)了對燃燒室噴管段某一位置的熱流、氣壁溫和外壁溫度 Η個參數(shù)的測量，具有高度的集成性。本發(fā)明通過環(huán)形壓板將傳感器沿環(huán)向布置于燃燒室 垂直于軸線的某一橫截面內(nèi)的，測量結(jié)果不受熱流、溫度等參數(shù)沿軸線劇烈變化的影響。本 發(fā)明利用彈黃壓縮力作為熱電偶壓緊力，可W通過控制壓縮量實現(xiàn)對預(yù)緊力的定量控制， 保證在熱試驗振動環(huán)境下熱電偶感溫端與被測表面接觸良好W及測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和有 效性。本發(fā)明采用螺柱安裝、螺釘鎖緊，任一傳感器損壞后可拆卸更換，具有結(jié)構(gòu)簡單、維護 方便的優(yōu)點。對被測推力室，只需在燃燒室室壁上加工出一定深度的細小盲孔，即可滿足測 量要求，對產(chǎn)品的傳熱過程和結(jié)構(gòu)承載能力影響小，冷卻結(jié)構(gòu)可完全按照真實燃燒室進行 設(shè)計，可用于全尺寸或縮比燃燒室的傳熱過程研究。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明所述燃燒室室壁溫度梯度測量模塊Η維視圖；
[0017] 圖2為本發(fā)明所述燃燒室室壁溫度梯度測量模塊環(huán)形壓板俯視圖；
[0018] 圖3為本發(fā)明所述燃燒室室壁溫度梯度測量模塊環(huán)形壓板D-D剖視圖；
[0019] 圖4為本發(fā)明所述燃燒室室壁溫度梯度測量模塊安裝后視圖；
[0020] 圖5為本發(fā)明所述燃燒室室壁溫度梯度測量模塊安裝后C向視圖；
[0021] 圖中：1、螺母；3、螺柱；4、熱電偶傳感器；5、絕熱襯套；6、壓緊螺釘；7、支撐 套；8、彈黃；9、擋片；10、環(huán)形壓板；11、外壁；12、內(nèi)壁。
【具體實施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0023] 如圖1所示，本發(fā)明所述液體火箭發(fā)動機燃燒室噴管段室壁溫度梯度測量模塊為 環(huán)形結(jié)構(gòu)，包括環(huán)形壓板1〇、5支熱電偶傳感器4、彈黃8、擋片9、絕熱襯套5、支撐套7、螺母 1、螺柱3、壓緊螺釘6 ;每支熱電偶傳感器4感溫端處均焊接有圓盤形擋片9,熱電偶傳感器 4在擋片9上部的一端穿過支撐套7和彈黃8,支撐套7套入彈黃8內(nèi)，一并套入環(huán)形壓板 10中，熱電偶傳感器4在擋片9W下部分穿入絕熱襯套5中。
[0024] 如圖2和圖3所示，環(huán)形壓板10為部分圓環(huán)板式結(jié)構(gòu)，部分圓環(huán)的兩端沿圓環(huán)徑 向均加工有馬蹄形缺口，缺口寬度η比螺柱3外徑稍大，缺口內(nèi)側(cè)為半圓柱面，兩缺口半圓 柱面中必夾角α，每個缺口同一側(cè)的板體上加工出Md3大小的螺紋通孔。在兩馬蹄形缺口 之間均勻布置5個軸線夾角為目、直徑為Odl的徑向盲孔，盲孔深度為Ldl，每個盲孔的底 部對應(yīng)一個同軸的直徑為Φ(12的小通孔，且垂直于盲孔軸線方向向板的一側(cè)加工出寬度 m(等于d2)的通槽。d2比所裝配的熱電偶傳感器4直徑稍大，dl比彈黃8外徑稍大，Ldl 需小于彈黃8壓縮后的長度