一种燃烧室室壁温度梯度测量模块的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于温度测量技术领域，具体涉及一种液体火箭发动机燃烧室喷管段室壁 温度梯度测量模块。
【背景技术】
[0002] 液体火箭发动机燃烧室内的工质是3000KW上的高压燃气，为了避免室壁发生烧 蚀破坏，在燃烧室内壁和外壁之间设置有就槽式通道，引入低温流体对室壁结构进行冷却。 燃烧室喷管段室壁的最高热流密度可W达到上百MW/m2,结构材料承受的温差往往达到几 百KW上，且沿不同轴向位置热流变化剧烈，工作环境极其恶劣，是燃烧室最容易发生失效 的部位。因此，摸清推力室内的传热过程是进行合理的热防护设计从而保证燃烧室可靠工 作乃至提高发动机性能的最重要前提之一。
[0003] 燃烧室传热过程研究的途径包括热试验和仿真计算，两者相辅相成，关键在于传 热试验中获得热流、气壁温等有价值测量数据。而由于就槽式冷却结构的肋宽、壁厚均很薄 (肋宽通常为1~2mm，壁厚一般只有0. 6~1mm)，很难在结构中布置普通传感器对热流密 度、气壁温等参数进行直接测量。
[0004] 传统量热式缩比燃烧室只能获得某一区段内的平均热流，而受燃烧室内型面收缩 扩张的影响，热流沿轴向不同位置变化剧烈，热流沿轴向不同位置不尽相同，送样就造成平 均热流无法准确反映实际的当地热流，且由于采用分段水冷身部，冷却剂侧结构、传热状态 与全尺寸时相差较大，送种方法测量值的应用误差较大。在内壁埋入热电偶的方法虽然可 W直接测得气壁温度，但由于埋热电偶的加工浅槽的深度一般达到0. 5W上，而在此深度 方向上结构温度变化可能到几十K，测得的气壁温值准确度不太高。且由于插入传感器时需 要在内外壁上加工通孔，还需要内壁浅槽表面电锥铜层保证密封，不但工艺复杂，而且容易 出现缺陷。W往燃烧室外壁温的测量是通过在外壁面点焊热电偶进行测量，从实际情况来 看，受外界热环境、振动环境等因素影响，测量结果常常出现存在毛刺、失真等问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种液体火箭发动机燃烧室喷管段室壁温度梯度测量模 块，可对燃烧室喷管段某一横截面内的冷却通道内壁结构温度进行测量，从而获得当地的 热流、气壁温、外壁温等参数。
[0006] 为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
[0007] -种燃烧室室壁温度梯度测量模块，该模块为环形结构，包括环形压板、5支热电 偶传感器、弹黃、挡片、绝热衬套、支撑套；每支热电偶传感器感温端处均焊接有圆盘形挡 片，热电偶传感器在挡片上部的一端穿过支撑套和弹黃，支撑套套入弹黃内，一并套入环形 压板中，热电偶传感器在挡片W下部分穿入绝热衬套中。
[0008] 所述的环形压板为部分圆环板式结构，部分圆环的两端沿圆环径向均加工有马蹄 形缺口，缺口宽度η比螺柱外径大，缺口内侧为半圆柱面，两缺口半圆柱面中必夹角α，每 个缺口同一侧的板体上加工出Md3大小的螺纹通孔；在两马蹄形缺口之间均匀布置5个轴 线夹角为目、直径为Odi的径向盲孔，盲孔深度为Ldl，每个盲孔的底部对应一个同轴的直 径为〇d2的小通孔，且垂直于盲孔轴线方向向板的一侧加工出宽度d2的通槽；d2比所装 配的热电偶传感器直径大，dl比弹黃外径大，Ldl需小于弹黃压缩后的长度；螺柱上半部加 工有螺纹，底端插入燃烧室外壁上加工的盲孔中，并焊接固定，螺柱焊接后的夹角为α，与 环形压板两缺口半圆柱面中必夹角相同。
[0009] 被测量的燃烧室在喷管段外壁和内壁上加工5个沉头盲孔，沉头盲孔中的大孔只 位于外壁中；5个盲孔中必线夹角为目，分别对应着内壁上的相邻5个肋片的中必；盲孔深 度控制根据孔底距离内壁面的距离L1~L5来确定，L1、L2、L3、L4为逐渐增加的等差数列。
[0010] L1、L2、L3、L4为逐渐增加的等差数列，在保证内壁不被穿透的情况下取0. 4~ 0.8mm，L4的取值要保证对应的热电偶传感器的测量端位于温度随径向位置呈线性变化的 区间，不大于2mm。
[0011] 所述的热电偶传感器在挡片W下的长度设计成两种尺寸，L1~L4对应孔挡片下 长度为相同尺寸，L5对应孔挡片下长度为另一尺寸
[0012] 测温模块安装时，首先将5支热电偶传感器感温端插入燃烧室外壁上对应的沉头 盲孔的小孔中，绝热衬套嵌入大孔中；然后将热电偶传感器在弹黃W上较细部分提前通过 环形压板上的宽度为d2的通槽穿入直径〇d2的通孔中，接着将热电偶传感器在挡片W上 部分一并套入环形压板上的盲孔Odi中，并用力下压环形压板，使弹黃产生一定的压缩 量，同时使螺柱分别穿过其两端的马蹄形缺口，然后使用螺母挣入螺柱压住环形压板；弹黃 压缩后产生的力作用于挡片使热电偶传感器的感温端与燃烧室上的被测孔底面接触；为确 保测量效果，弹黃压缩力取3~6N为宜，压缩量控制在10~15mm，通过环形压板两端马蹄 形缺口内侧半圆柱面与螺柱的配合实现限位；使用压紧螺钉挣入环形压板两端的Md3螺纹 孔中，并压紧螺柱。
[0013] 通过W下方法获得燃烧室喷管段被测部位的热流、气壁温、外壁温参数：通过环形 压板将弹黃压缩力施加于5个长度不一的探针式微型热电偶传感器上，使之插入燃烧室室 壁上不同深度的盲孔中，测得孔底位置的温度；利用直接测得的不同深度的壁温数据，运用 傅里叶定律计算得出热流和气壁温；从Η维传热数值仿真结果来看，在距气壁面2mm距离 内，肋中必温度随距离气壁面的距离增加呈线性降低；将4个热电偶传感器感温端布置在 此线性变化区间内并处于不同的深度层，获得一组距离-温度值化i，Twi)α= 1，2, 3, 4); 由此组数据进行线性拟合得到公式Twx=a·L+TwO;当L等于0时，TwO即为气壁温；式中 拟合直线的斜率α等于温度梯度，由傅里叶定律可知热流密度= 式中入 为固壁材料的导热系数，测温模块中测量值Tw5即为外壁温值。
[0014] 本发明所取得的有益效果为：
[0015] 本发明通过一个模块实现了对燃烧室喷管段某一位置的热流、气壁温和外壁温度 Η个参数的测量，具有高度的集成性。本发明通过环形压板将传感器沿环向布置于燃烧室 垂直于轴线的某一横截面内的，测量结果不受热流、温度等参数沿轴线剧烈变化的影响。本 发明利用弹黃压缩力作为热电偶压紧力，可W通过控制压缩量实现对预紧力的定量控制， 保证在热试验振动环境下热电偶感温端与被测表面接触良好W及测试数据的稳定性和有 效性。本发明采用螺柱安装、螺钉锁紧，任一传感器损坏后可拆卸更换，具有结构简单、维护 方便的优点。对被测推力室，只需在燃烧室室壁上加工出一定深度的细小盲孔，即可满足测 量要求，对产品的传热过程和结构承载能力影响小，冷却结构可完全按照真实燃烧室进行 设计，可用于全尺寸或缩比燃烧室的传热过程研究。
【附图说明】
[0016]图1为本发明所述燃烧室室壁温度梯度测量模块Η维视图；
[0017] 图2为本发明所述燃烧室室壁温度梯度测量模块环形压板俯视图；
[0018] 图3为本发明所述燃烧室室壁温度梯度测量模块环形压板D-D剖视图；
[0019] 图4为本发明所述燃烧室室壁温度梯度测量模块安装后视图；
[0020] 图5为本发明所述燃烧室室壁温度梯度测量模块安装后C向视图；
[0021] 图中：1、螺母；3、螺柱；4、热电偶传感器；5、绝热衬套；6、压紧螺钉；7、支撑 套；8、弹黃；9、挡片；10、环形压板；11、外壁；12、内壁。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0023] 如图1所示，本发明所述液体火箭发动机燃烧室喷管段室壁温度梯度测量模块为 环形结构，包括环形压板1〇、5支热电偶传感器4、弹黃8、挡片9、绝热衬套5、支撑套7、螺母 1、螺柱3、压紧螺钉6 ;每支热电偶传感器4感温端处均焊接有圆盘形挡片9,热电偶传感器 4在挡片9上部的一端穿过支撑套7和弹黃8,支撑套7套入弹黃8内，一并套入环形压板 10中，热电偶传感器4在挡片9W下部分穿入绝热衬套5中。
[0024] 如图2和图3所示，环形压板10为部分圆环板式结构，部分圆环的两端沿圆环径 向均加工有马蹄形缺口，缺口宽度η比螺柱3外径稍大，缺口内侧为半圆柱面，两缺口半圆 柱面中必夹角α，每个缺口同一侧的板体上加工出Md3大小的螺纹通孔。在两马蹄形缺口 之间均匀布置5个轴线夹角为目、直径为Odl的径向盲孔，盲孔深度为Ldl，每个盲孔的底 部对应一个同轴的直径为Φ(12的小通孔，且垂直于盲孔轴线方向向板的一侧加工出宽度 m(等于d2)的通槽。d2比所装配的热电偶传感器4直径稍大，dl比弹黃8外径稍大，Ldl 需小于弹黃8压缩后的长度