一种高温高压扇形燃烧室出口参数测量机构的制作方法

本发明属于航空发动机燃烧室性能试验技术领域,特别是涉及一种高温高压扇形燃烧室出口参数测量机构。

背景技术：

目前航空发动机燃烧室试验主要包含全环燃烧室，扇形燃烧室、矩形燃烧室试验，其中全环燃烧室和矩形燃烧室试验，出口参数测量机构都拥有自身的位移机构，用于燃烧室出口参数全范围的测量，获取试验数据。而扇形主燃烧室多数采用固定耙的方式进行燃烧室试验，也有用全环燃烧室(加装挡板的方式)进行测量。

目前国外普遍认为扇形燃烧室由于多了侧壁的影响，与实际全环燃烧室有一定差异，基本不开展扇形燃烧室的性能试验，只进行矩形和全环试验。而国内普片认为扇形主燃烧室试验的开展，对全环燃烧室的设计能够起到一定作用，尤其是燃烧室全温全压的性能试验模拟，试验结果对全环燃烧室的实际改进有了更重多的数据支撑。因此扇形燃烧室试验在国内普片开展，主要试验单位中国航发动力所，中国航发涡轮院利用全环位移机构加装堵板的方式进行过扇形燃烧室试验，其他相关领域用位移机构去测量扇形出口全尺寸试验参数基本没有。

目前扇形主燃烧室为了获取全尺寸范围的出口试验参数，大多采用安装固定耙的方式进行，这种测量方式，需要加工大量的受感部，并且安装多支受感部对燃烧室出口的流场形成堵塞干扰，对试验结果的分析带来很大难度。而用全环位移机构去测量扇形环槽，一个是全环位移机构结构尺寸偏大，造成生产的成本偏高，另一个是不同的扇形试验件需要用不同的位移机构，全环位移机构在扇形试验件上很难实现结构通用性，造成产品的浪费。

相关领域的工作者也考虑过运用矩形位移机构的方式进行扇形位移机构的设计，主要认为扇形燃烧室出口参数测量机构的位移机构在这样设计过程中，存在泄漏和卡滞问题，因为扇形位移机构密封像圈不像矩形位移机构只受到单一方向的作用力，容易造成密封橡胶圈受损，导致高温燃气泄露；且加工制造圆弧形的受感部具有一定难度，不能保证每一环面的半径相同，出现机构卡滞。

在考虑这些问题的时候，借助前人的思想和全环位移机构的设计理念，将受感部与传动轴进行整体设计，去除受感部转轴卡滞的现象。另外从密封橡胶圈的受力情况来看，密封橡胶圈更易用于静摩擦和滚动摩擦的场合，滑动摩擦对密封橡胶圈会降低密封橡胶圈的使用寿命，采用静摩擦和滚动摩擦的方式来替代滑动摩擦。综合考虑下，重新对扇形位移机构的结构进行设计，解决密封和卡滞问题。

技术实现要素：

发明目的：本发明用于完成扇形主燃烧室高温高压下的性能试验任务，实现扇形主燃烧室出口参数全范围的的测量。

技术方案：

一种高温高压扇形燃烧室出口参数测量机构，其特征在于，包括扇形燃烧室出口连接法兰、后转接段连接法兰、出口测量参数测量耙1、传动装置；扇形燃烧室出口连接法兰和后转接段连接法兰均为板状结构，二者固定连接且内部具有扇形空腔，外端面开设有与扇形燃烧室出口形状相同的扇形；

其中，传动装置包括电机主轴15、传动轴4和传动齿轮，电机主轴15将电机的动力通过传动齿轮传递至传动轴4控制其转动；

出口测量参数测量耙1包括主体、支撑体和受感部，其中，主体为柱状结构，固定设置于传动轴4内并同心，随传动轴4转动，支撑体一端设置于主体外壁，伸入后转接段连接法兰与扇形燃烧室出口连接法兰之间的扇形空腔，受感部设置于支撑体另一端并深入扇形燃烧室出口测量截面，可随主体转动而转动，覆盖测量截面；

主体与传动轴4之间设置有高压密封气体通道，且传动轴4靠近后转接段连接法兰的一端周向开设有环槽，环槽底部设置有气孔，高压密封气体通过通道和气孔，引入传动轴4环槽与后转接段连接法兰接触面形成的环腔，传动轴4在气孔旁开设有密封槽，密封槽内设置有一个密封圈，与环腔内的高压密封气体配合实现高温燃气的密封。

所述测量参数测量耙1主体靠近转接段连接法兰的一端，设置有转接圆盘，通过转接圆盘将主体固定在传动轴4内，支撑体也设置于转接圆盘上。

所述扇形燃烧室出口连接法兰、后转接段连接法兰与高温燃气接触面采用水冷冷却方式。

所述测量参数测量耙1包括主体与传动轴4的同心度≦0.1mm；

所述高压密封气体温度为0℃-30℃。

所述主体与传动轴4之间设置有高压密封气体通道为二者之间的间隙，其间距控制在2mm～3mm。

所述出口测量参数测量耙1采用水冷冷却方式。

有益效果

经过设计加工制造，该位移机构已经成功用于黄山扇形主燃烧室性能试验任务，完成相关试验。通过试验验证该位移机构构具有以下优点：

1.该位移机构是一种用于测量扇形主燃烧室出口参数新结构，解决了以往非全环位移机构在密封、卡滞等环节的问题，能够用于高温高压的试验环境；

2.相比全环燃烧室位移机构，该扇形位移机构结构紧凑，减少了加工用料，降低了设计加工成本；

3.该位移机构通过传动轴摆动，只需安装一支受感部，就能够实现扇形主燃烧室出口参数全范围的测量，比以往固定耙测量扇形燃烧室出口参数方式，既避免了出口流道堵塞情况的发生，又节约了受感部设计加工费用；

4.结构通用性强，便于进行结构改进，通过更换受感部耙体，可用于其他扇形燃烧室试验。

附图说明

图1为扇形环槽内出口测量参数测量耙的运动模型。

图2为本发明测量机构的二维视图。

图3为本发明测量机构的立体视图。

图4是本发明主体结构剖视图。

图5是高温燃气隔离密封部分结构剖视图。

其中，1出口测量参数测量耙、2密封圈、3轴套、4传动轴、5从动齿轮、6挡圈、7定位拉杆、8密封盖板、9轴承安装座、10推力球轴承、11深沟球轴承、12冷气o型密封橡胶圈、13主动齿轮、14电机安装板、15电机主轴。

具体实施方式：

本发明设计扇形环槽内位移机构运动模型见图1。根据运动模型、燃烧室出口尺寸、其他链接尺寸，设计扇形位移机构整体结构见图2，图3，通过结构定型，选取相应的转轴的尺寸，基准定位。根据选定的转轴尺寸，根据试验技术要求，选用密封圈和轴承，计算摩擦力，得出传动轴扭矩，选用电机，以满足机械结构设计要求。最后根据定型的机械结构，进行强度校核，冷却结构设计，包括气冷水冷结构设计，换热计算，流场计算等。

如图4所示，本发明的具体结构为：

参数测量机构包括扇形燃烧室出口连接法兰、后转接段连接法兰、出口测量参数测量耙1、传动装置；扇形燃烧室出口连接法兰和后转接段连接法兰均为板状结构，二者固定连接且内部具有扇形空腔，外端面开设有与扇形燃烧室出口形状相同的扇形；

其中，传动装置包括电机主轴15、传动轴4和传动齿轮，电机主轴15将电机的动力通过传动齿轮传递至传动轴4控制其转动；出口测量参数测量耙1包括主体、支撑体和受感部，其中，主体为柱状结构，固定设置于传动轴4内并同心，随传动轴4转动，支撑体一端设置于主体外壁，伸入后转接段连接法兰与扇形燃烧室出口连接法兰之间的扇形空腔，受感部设置于支撑体另一端并深入扇形燃烧室出口测量截面，可随主体转动而转动，覆盖测量截面；主体与传动轴4之间设置有高压密封气体通道，且传动轴4靠近后转接段连接法兰的一端周向开设有环槽，环槽底部设置有气孔，高压密封气体通过通道和气孔，引入传动轴4环槽与后转接段连接法兰接触面形成的环腔，传动轴4在气孔旁开设有密封槽，密封槽内设置有一个密封圈，与环腔内的高压密封气体配合实现高温高压燃气的密封。

具体设计思路如下：

a)机构支撑壳体按《钢制压力容器》(gb150-1999)设计标准执行；

b)高温燃气接触型面使用水冷方式冷却；

c)出口测量参数测量耙受感部、支撑部与主体为一体结构，内部采用水冷结构，防止受感部烧蚀以及受热变形。受感部通过支撑部和高合螺栓与传动轴连接，由传动轴带动受感部在燃气腔中摆动测量燃烧室出口参数；

d)由于设备条件与现有电机尺寸的限制，传动轴转动采用电机驱动齿轮连接方式，在结构上根据机械手册和实际工作环境选型计算；

e)为了防止高温燃气从传动轴与法兰连接之间泄漏，设置气膜缝隙，接入压力高于高温燃气的高压冷空气以形成气帘，将高温燃气隔绝；为了稳定冷却供气压力及防止冷气的泄露，在气膜孔后端安装橡胶o型密封圈用以密封。高压密封气体进气在受感部上布置，受感部与外界大气的密封采用o型橡胶来密封；

h)驱动电机为高精度伺服电机，并集成高精度减速器，确定减速比，使用专用控制机控制，步距可任意调节，并且能够实现正反转。

该位移机构在设计过程中充分考虑传动轴可能出现抱死和机构可能出现泄漏问题，并给出了解决方法。

a)传动轴抱死现象。该位移机构在技术要求最大工作压力为2.8mpa状态下,传动轴在试验过程中承受较大的轴向力(顺气流方向)作用，可能出现传动轴抱死，无法转动现象。另外在传动轴径向上，也会因为传动轴自身转动和齿轮传动带来径向偏差，造成传动轴转动失效。

解决方法：对传动轴进行轴向定位设计，轴向上设置四根定位拉杆，法兰面设置倒角，保证传动轴与法兰面具有一定间隙。法兰上设置轴套，轴套采用软材料黄铜，并涂抹润滑材料，末端设置轴承安装座，安放推力球轴承和深沟球轴承，用以抵消传动轴所受的轴向力和消除传动轴径向上的偏离。

b)位移机构漏气问题。高温高压的试验内容，漏气的问题是必须考虑的，结构上的影响，密封形式的失效，都会增加试验的风险。

解决方法：由于传动轴需要转动，本位移机构采用的密封方式o型橡胶圈，相对来说摩擦力较小。尽管密封形式与原位移机构密封形式相同，但新方案中o型橡胶圈不存在往复运动的摩擦力，减少了对o型橡胶圈的损耗。加上高压密封气体的冷却作用，冷却缝隙为0.35mm环带，可以保证密封橡胶圈正常工作。

对于受感部与外界的密封，采用了密封垫片和双层o型圈密封密封形式，确保高压密封气体不泄露，保证高压密封气体的冷却不受影响。

位移机构在正常工作下的技术工作过程如下：

在燃烧室燃烧试验过程中，通过电机主轴15低速运转，驱动主动齿轮13，主动齿轮13带动从动齿轮5，将力矩传递给传动轴4，带动传动轴4转动，将和传动轴4连接为一体的出口测量参数测量耙1进行摆动步进测量，获取扇形燃烧室出口参数。

该专利在设计过程中，由于燃烧室出口结构尺寸和后转接段接口尺寸的限制，只能用轴套3替代轴承作用，限制传动轴径向位移，在后期扇形燃烧室位移机构的设计过程中，也可以采用轴承代替轴套3的设计思路，实现对传动轴径向位移的限制，进一步避免传动轴4出现卡滞现象的发生。另外传动装置右端深沟球轴承10和推力球轴承11可以集成为一个轴承替代，用于抵消高压燃气带来的作用力，同时限制传动轴在径向上的窜动。冷气密封结构采用双o型橡胶圈密封结构，根据需要可以采用单o型橡胶圈密封结构。