专利名称：一种燃烧室内壁面温度和热流分布的测量方法及装置的制作方法
一种燃烧室内壁面温度和热流分布的测量方法及装置技术领域：
本发明涉及一种用于获得燃烧室内壁温度和热流分布的测量方法及装置。本发明 特别用于获得火箭发动机轴对称结构燃烧室稳定工作时内壁温度和热流分布。背景技术：
在火箭发动机燃烧室的研制过程中，为了获得良好的热防护效果，燃烧室的传热 特性，即内壁面温度和热流的分布，是重点考察内容之一。
在对燃烧室传热特性的研究中， 一般采用容热式燃烧室结构，试验时间设置在几 秒钟，而采用温度传感器装置测量获得燃烧室内壁面温度和热流分布是火箭发动机试 验中常用的方法。在轴对称燃烧室结构中只要获得燃烧室壁面一个周向方向的内壁面 温度和热流的分布，即可代表整个周向的传热情况。在同一周向上在不同的轴向位置 上安排足够多的测温点，即可充分地考察内壁面温度和热流的分布情况。
一般获得内壁面温度和热流的测量方法，分别采用了一组热电偶和一组热流计， 将它们的测头都置于燃烧室内壁上，以直接获得燃烧室内壁温度和热流，例如William M. Marshall' ， Sibtosh Pal' ， etc,《Benchmark Wall Heat Flux Data for a G02/GH2 Single Element Combustor》.AIAA 2005-3572所述。但在这种方法中热流计由于无法与地面 信号隔离，导致不可用。对内壁面热流的测量采用了一种同轴式温度传感器，其具有 两个测温头， 一个安装于内壁面，直接测量内壁温度， 一个安装于同一轴向距内壁面 一定距离的位置。采用测量得到这两点温度进行计算获得内壁热流值。该方法由于直 接将热电偶置于内壁上，因此要使测得的温度为真实内壁温度，则温度传感器材料必 须与室壁相同，传感器测温头形状必须与内壁圆弧形形状吻合，且整个同轴式热电偶 与燃烧室室壁紧密接触、融为一体。这种方案结构复杂，加工、安装及密封困难，必 须采用一种复杂的同轴式温度传感器，成本高，且传感器材料不可选，测量量程受限， 传感器也不可拆卸。在燃烧室尺寸改变的情况下，需要新的热电偶組件。
发明内容
本发明的目的是提供一种筒单、可靠的获得燃烧室内壁面温度和热流的测量方法。 本发明要解决的问题是，采用技术成熟的凯装式热电偶对壁面进行测温，且热电偶可 以方便进行拆装；在燃烧室身部采用盲孔方案，测温点位于孔底，解决燃烧室加工、 安装密封的困难；采用一种热电偶紧固装置，实现热电偶定位，并使测温头与测温点
紧密接触；在轴向各点上仅采用单点测温，采用一种数据处理方法来获得内壁面温度
和热流数据。
一种燃烧室内壁面温度和热流分布测量方法，包括燃烧室、热电偶温度传感器、 热电偶固定装置(包括紧固螺母和紧定螺丝)、信号传输线、计算机和一种传热计算方 法及程序。燃烧室身部同一周向上钻有沿轴向等距离分布测温孔，测温孔为盲孔，各 孔孔底为面积较小的平面，且除喷注面板内为测量燃烧室头部温度的一测温点孔，其
余测温孔距离燃烧室内壁距离相同；温度传感器采用的是凯装式热电偶温度传感器； 温度传感器伸入测温孔，采用热电偶固定装置将热电偶固定在燃烧室上，使其测温头 与孔底紧密接触；所述温度传感器固定装置包括紧固螺母和紧定螺丝；在燃烧室工作 时间内，采集到测点的温度信号经信号传输线传送到计算机中，得到各测点温度测量 输出曲线；利用各测点的温度测量输出曲线，分为以下三个步骤来获得内壁面温度和 热流的分布
第一步由于传感器具有一定的响应时间，根据其响应特性对测量输出温度曲线进行拟合再解析求解的方法，得到真实测温点的温度上升曲线；
第二步根据试验压力曲线，选取计算时间和计算终止时刻的温度；
第三步首先进行一维非稳态导热的迭代计算，获得二维计算内壁面各点的初值， 再进行轴对称二维非稳态导热的迭代计算，获得燃烧室内壁面温度和热流的分布。
本发明的燃烧室内壁温和热流分布的测量方法具有的优点和积极效果在于(1) 采用了常用的、技术成熟的凯装式热电偶温度传感器，成本低，加工简单，使用方便， 可以自由选择热电偶材料；(2)在燃烧室上采用了盲孔方案，避免了测量带来的燃烧 室加工、安装密封等问题；(3)采用了热电偶固定装置，能够可靠地使热电偶与盲孔 孔底紧密接触；(4)传感器可以方便的安装和拆卸；(4)实现了在同一周向位置仅进 行单点测温即可；(5 )该方法具有较为广泛的应用范围，通用性强。可以应用于液体、 气体推进剂等单喷嘴和多喷嘴的研究，并完全可以推广到测量喷管部分的热载，还可 以应用于其它需要获得传热特性的研究试验中。
图l是带测量装置的燃烧室安装示意图
图2是紧固螺母
图3是紧定螺丝
图4是单测量孔测量装置安装示意图
图5是典型试验燃烧室压力和某测温点温度输出曲线图
图6是温度传感器特性曲线示意图
图7是传感器输出曲线和真实温度曲线对比示意图
图8是温度曲线转化实例
图9是一维计算模型
图IO是换热系数的连续性分布边界条件示意图具体实施方式
下面结合附图用实施例来进一步说明本发明。
实施此测量方法所用装置主要包括带测温孔的燃烧室身部1、热电偶温度传感 器2和热电偶固定装置(包括紧固螺母3和紧定螺丝4 )。实验前将热电偶探头伸入测 温孔内，使探头与固体壁面测温点紧密接触，用热电偶固定装置将热电偶位置固定。 实验中即可采集到燃烧室壁内部各测点温度。
如图l所示，测温孔沿轴向直线排列，除头部一测温点外，各 温孔深度、直径、 结构完全相同。测温孔是同轴台阶孔结构，孔底形状为平面，外側孔直径大于内侧孔， 且外側孔有内螺紋段。
如图2所示，传感器紧固螺母3下半部分为外螺紋结构，上半部分为实心圓柱体， 圆柱体侧面有内螺紋孔，圆柱体中心轴上有直径稍大于热电偶外径的通孔，该通孔与 侧面螺紋孔相贯通。实验时，紧固螺母3下半部分外螺紋固定于发动机燃烧室l测温 孔内螺紋上，传感器2测温端穿过紧固螺母3中心轴位置的通孔使测温头与测点接触， 紧定螺丝4从紧固螺母3侧面螺紋孔旋入将传感器2测温端压紧固定，^f吏传感器测温 头与测温点紧密接触，传感器安装图如图4所示。
采用以上测温装置对所研究的燃烧室进行了传热特性的研究，典型试验燃烧室压 力和测温点温度传感器输出曲线如图5所示。
把这些温度曲线处理为内壁温和内壁热流需要经过三个过程，如下所示。 1 、测量温度转化为实际壁温由于热电偶具有一定的响应特性，即设将初温/。的热电偶在0时刻突然对定温物体
(T)进行测量，热电偶测量温度r的反应曲线为
^ = eXp(-丄r) (1)
其中、为热电偶的时间常数，7"为时间量，热电偶测量定温物体温度输出定性曲线
如下图6所示。
而燃烧室壁温在试验过程中为非稳态传热过程，室壁温为不断上升的曲线，时间 常数的存在，导致热电偶输出曲线与真实壁温曲线之间存在一定的差别。且随着真实 壁温的上升，热电偶输出曲线与真实壁温之间的差距越来越大，这是由于响应常数的 存在，导致输出曲线的上升斜率永远低于真实曲线上升斜率，如图7所示。
这种差别与响应时间常数直接相关。本文采用先对测温输出曲线进行曲线拟合， 再对方程(1 )进行解析的方法来进行温度修正。以下举一实际测温曲线作为事例，如 图8。图中Tl为热试车采集曲线，T2为4次多项式拟合曲线(T2被T1所覆盖)，T3 为考虑了传感器热响应时间后的温度曲线，时间常数为100ms。
2、 选取计算时间和计算终止时刻的温度
图5为某次典型试验的燃烧室压力曲线和某测量点的温度输出曲线。数据处理中 忽略启动过程传热影响，认为压力建立到稳定压力的90%为燃烧开始，这是由于此时 内流场对内壁的热流已经基本建立起来，如图5中tO时刻。计算终止时间取为燃烧室 压力稳定的末点时间位置，如图5中tl时刻，选取各测点该时刻的温度作为计算终止 时刻温度。
3、 计算内壁热流和内壁温 现已知n组各轴向上测量点温度值Ti，L,…，TVi,Tn。就可以计算各轴向位置的内
壁温和热流^i。
计算中，所求得的是整个试验时间内壁面平均换热系数。由于喷注面板内只安排 了一个测量点，计算中设整个喷注面板上的为均匀热载；轴向上求得与测量点同一径 向上内壁各点平均换热系数，轴向上各点之间以线性插值得到。计算步骤分二步进行， 如下介绍。
第一步，计算各轴向位置上综合换热系数hk的迭代初值。
在二维非稳态跌代计算之前采用一维非稳态计算得到二维计算的跌代初值。假设 各测量点之间没有热传递，内壁热流仅为沿径向的一维热传导，如图9。
燃气总温取对推进剂热力计算绝热燃烧温度2^ ,根据经验选取两个相近的换热系 数h"hk2(hw〈hj对一维模型进行非稳态计算，计算时间为所选取试验时间长度。采用 一维轴对称导热模型，喷注面板在模型侧面加载，身部在内壁加载。得到计算终止时 刻测量点位置处两温度值Tkl、 Tk2,与测量值Tk进行线性插值直接求出跌代初值hk。
气4+l^(Ac广^) (2)
丫k2 "1
第二步，采用轴对称非稳态导热计算得到内壁各点温度和热流。 采用轴对称模型计算，如图10。利用第一步得到的各hk (k=l，2,…，n)值作为加 载在轴对称非稳态导热模型边界上的第三类边界条件进行计算，采用如下连续性空间 边界条件，其中喷注面板采用均匀热载，身部采用各点线形插值进行加载。其余各面 都采用绝热边界条件。紫铜材料的物性随温度进行插值处理。
5计算初始条件为紫铜为试验室环境温度r。，时间上热边界条件采用阶跃加栽，计
算时间为试验时间，轴对称非稳态导热方程如下。
is,, sr、 3 ,， 5r、 ^ n)
pc——=--(/Ir—)+——(A—) + W
r & 5z
源项(i)在圆筒段内部点取0,在边界上取w"-ro4),其中r(^ (k=l,2,…，n)为内 壁温。计算结果将得到n组各测量点计算终止时刻的温度值TV (k=l, 2,…，n)。
比较Tk，与各点测量值Tk， 一般第一次计算Tk，与Tk存在一定差别，再选取 V = Vd-:r。)/(V-。进行计算，直到计算得到的各测量点温度值与测量值误差在允许
误差范围内停止计算。输出此时喷注面板和身部沿轴向上内壁温与热流。
权利要求
1、一种燃烧室内壁面温度和热流分布的测量装置，包括燃烧室、热电偶温度传感器、热电偶固定装置、信号传输线、计算机，燃烧室侧面安排有沿轴向等距离分布的测温孔，温度传感器伸入测温孔中使测温端与测点接触，用温度传感器固定装置将温度传感器固定，温度传感器采集到测点的温度信号经信号传输线传送到计算机中，得到测点温度输出曲线，其特征在于所采用的热电偶为常用的技术成熟的凯装式热电偶，所述测温孔为盲孔，温度传感器由可拆卸的温度传感器固定装置固定在燃烧室上。
2、 根据权利要求1所述的燃烧室内壁面温度和热流分布的测量装置，其特征在于 所述测温孔为台阶孔，孔底形状为平面，且测温孔外端有一^:螺紋孔。
3、 根据权利要求1所述的燃烧室内壁面温度和热流分布的测量装置，其特征在于 所述测温孔除喷注面板内一测温孔外，其余测温孔距燃烧室内壁距离相等。
4、 根据权利要求1所述的燃烧室内壁面温度和热流分布的测量装置，其特征在于 所述温度传感器固定装置包括紧固螺母和紧定螺丝。
5、 根据权利要求4所述的燃烧室内壁面温度和热流分布的测量装置，其特征在于 所述紧固螺母 一 端为外螺紋段。
6、 根据权利要求4所述的燃烧室内壁面温度和热流分布的测量装置，其特征在于 所述紧固螺母轴线上有一通孔，该通孔直径略大于温度传感器测温段外径。
7、 根据权利要求4所述的燃烧室内壁面温度和热流分布的测量装置，其特征在于 所述紧固螺母侧面有一螺紋孔，该螺紋孔与轴向上通孔相贯通。
8、 根据权利要求7所述的燃烧室内壁面温度和热流分布的测量装置，其特征在于 温度传感器穿过紧固螺母轴线上通孔伸入各测温孔中，其测温头与测温孔底壁面贴 紧，紧固螺母外螺紋端旋入身部侧面测温孔内螺紋中，紧定螺丝旋入紧固螺母侧面 螺紋中压紧温度传感器测温段，固定传感器测温段，使测温头与测点紧密接触。
9、 一种用权利要求1所述的装置测量燃烧室内壁面温度和热流分布的方法，其特征 在于通过实验得到各测温点温度输出曲线后，分为以下三个步骤来获得内壁面温 度和热流的分布第一步由于传感器具有一定的响应时间，根据其响应特性对测量输出温度曲线进 行拟合再解析求解的方法，得到真实测温点的温度上升曲线；第二步根据试验压力曲线，选取计算时间和计算终止时刻的温度；第三步首先进行一维非稳态导热的迭代计算，获得二维计算内壁面各点的初值，再进行轴对称二维非稳态导热的迭代计算，获得燃烧室内壁面温度和热流的分布。
全文摘要
一种燃烧室内壁面温度和热流分布的测量方法及装置，属于温度和热流测量领域。测量装置包括燃烧室、温度传感器、温度传感器固定装置、信号传输线和计算机，在燃烧室侧面安排一系列等距测温盲孔，温度传感器对盲孔底进行测温，得到各测点的温度输出曲线，然后采用一定的数值计算方法计算得到燃烧室内壁面温度和热流分布。由于采用了盲孔测温方案，因此解决了现有技术中加工、安装难度大，拆卸不方便等问题，且采用了技术成熟的凯装式热电偶温度传感器，成本低，使用方便。本发明可用于具有轴对称结构的燃烧装置的内壁面温度和热流分布的测量。
文档编号G01K1/14GK101608953SQ20081011526
公开日2009年12月23日 申请日期2008年6月19日 优先权日2008年6月19日
发明者杜正刚, 汪小卫, 肖 肖, 蔡国飙, 平 金, 高玉闪 申请人:北京航空航天大学