盘状冷却结构及全环燃烧室试验件后测量段的制作方法

1.本实用新型专利涉及流体冷却领域，尤其涉及一种盘状冷却结构以及全环燃烧室试验件后测量段。


背景技术：

2.发动机研制过程中，在关键技术攻关及部件验证阶段需要开展全环燃烧室试验支撑部件方案确定，通过全环燃烧室试验，验证燃烧室部件的总压损失、污染排放、出口温度分布等关键的重要性能指标，以上重要指标的测量对于评价该全环燃烧室试验件的性能、指导燃烧室部件优化设计以及节省试验资源等方面有着重要的作用。目前常用的一种测量方法为使用摆动式后测量段，即通过后测量段上的传动装置带动采样受感部绕中心轴回转遍历整个测量环面。由于全环燃烧室试验为高温高压试验，导致全环燃烧室试验中燃烧室试验件本体以及与试验段相连的后测量段均需承受高温高压燃气的冲刷，面临了较严峻的冷却问题。摆盘挡板位于后测量段的最前端，它的作用是为了隔绝高温高压气流，减少热量向后测量段内部传递，因此对于摆盘挡板的耐温耐压能力，自身冷却形式、结构强度等提出了更高的要求。目前现有的摆盘挡板因冷却效果不佳而出现局部烧蚀现象，结构刚度不强导致转盘中心鼓起，出现焊缝开裂漏水情况，影响试验结果及试验周期。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是提供一种盘状冷却结构。
4.本实用新型的另一个目的是提供一种全环燃烧室试验件后测量段。
5.根据本实用新型一方面的一种盘状冷却结构，包括：盘状基座；盖体，盖设于所述盘状基座，构成一冷却液流动空间，该流动空间具有冷却液进口以及冷却液出口；隔板，位于所述冷却流动空间内，构成冷却流道，所述隔板包括：在所述盘状基座径向相邻布置的多圈流道隔板；以及位于每圈所述流道隔板两端的导引隔板；其中，每圈所述流道隔板具有一缺口，所述缺口的两端具有导引隔板，用于导引冷却流体从所述流道隔板的径向外侧沿所述流道隔板的径向内侧流动，径向相邻的两所述流道隔板的缺口位于盘心的两侧。
6.在一可选实施方式中，所述冷却液进口的对应位置为最外圈的所述流道隔板的缺口相对的位置，所述冷却液出口的对应位置为所述盘状基座的盘心位置。
7.在一可选实施方式中，所述隔板相对于所述盘状基座的一直径轴对称。
8.在一可选实施方式中，所述导引隔板为凹槽结构，所述流道隔板的端部从所述凹槽结构的开口伸入所述凹槽结构，并与所述凹槽结构的凹槽底、凹槽壁具有间隙。
9.在一可选实施方式中，所述凹槽底与所述流道隔板的周向延伸垂直，所述凹槽壁与所述流道隔板平行，所述流道隔板与径向两侧的凹槽壁的径向距离相等。
10.在一可选实施方式中，其特征在于，所述盘状基座、所述盖体以及所述隔板一体成型。
11.在一可选实施方式中，所述隔板与所述盖体、所述盘状基座的夹角为非直角。
12.在一可选实施方式中，所述隔板与所述盖体、所述盘状基座的接触部具有过渡倒角。
13.在一可选实施方式中，所述隔板在其轴向的两端分别连接所述盖体、所述盘状基座。
14.根据本实用新型另一方面的一种全环燃烧室试验件后测量段，包括如上所述的盘状冷却结构，所述盘状冷却结构位于所述后测量段的上游端。
15.本实用新型的有益效果在于流道隔板的设计实现了冷却流路并更好的控制分配冷却水，保证每个通道内的水量，从而保证冷却效果，同时相比于一条螺旋形流路，减少了流动路径长度，增强了冷却效果。导引隔板的设计使水流更顺畅、减小流动损失、避免出现流动死区导致高温烧蚀。盘状冷却结构为一体式设计，增强了结构强度以及结构刚性。全环燃烧室试验件后测量段的上游端设有盘状冷却结构，盘状冷却结构隔绝了高温高压气流，减少热量向后测量段内部的传递，有效防止高温对后测量段的损坏。
附图说明
16.下面将通过结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明可使本实用新型的上述的以及其他的特征、性质和优势变得更加明显，其中：
17.图1为全环燃烧室试验件后测量段示意图；
18.图2为摆盘挡板剖面示意图；
19.图3为冷却流道示意图；
20.图4为摆盘挡板增材制造方法的流程示意图；
21.图5为摆盘挡板水平45度摆放打印示意图；
22.图6为摆盘挡板成形模型示意图；
23.图7为成形件支撑结构示意图。
24.附图标记：
25.1-后测量段外机匣，2-后测量段水冷内机匣，3-滑动轴承，4-传动装置，5-从动齿轮，51-从动轴，52-摆盘，6-采样测量耙，7-摆盘挡板，8-盘状基座，9-接口位置，10-盖体，11-冷却液进口，12-冷却液出口，1034-隔板，13-流道隔板，130-缺口，131-第一流道隔板，1310-第一流道隔板缺口，132-第二流道隔板，1320-第二流道隔板缺口，133-第三流道隔板，1330-第三流道隔板缺口，14-导引隔板，141-凹槽底，142、143-凹槽壁，15-盖体下表面，16-盘状基座下表面，17-隔板下表面，18-过渡倒角，19-优化后的隔板下表面，20-实体支撑结构。
具体实施方式
26.现在将详细地参考本实用新型的各个实施方案，这些实施方案的实例被显示在附图中并描述如下。尽管本实用新型将与示例性实施方案相结合进行描述，但是应当意识到，本说明书并非旨在将本实用新型限制为那些示例性实施方案。相反，本实用新型旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本实用新型的精神和范围之内的各种选择形式、修改形式、等效形式及其它实施方案。
27.在接下来的描述中，“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”、“周向”、“轴向”、“径向”或
者其他方位术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。需要解释的是，接下来的描述中，盘状冷却结构以全环燃烧室试验件后测量段的摆盘挡板为例。
28.图1所示为一种常用的全环燃烧室试验件后测量段，由后测量段外机匣1、后测量段水冷内机匣2、滑动轴承3、传动装置4、从动齿轮5、从动轴51、摆盘52、采样测量耙6、摆盘挡板7组成。传动装置4端部设有驱动齿轮与从动齿轮5啮合，从动齿轮5设于从动轴51的一端。从动轴51置于滑动轴承3内，从动轴51的另一端设有摆盘52。两个采样测量耙6对称均布在摆盘52两侧，摆盘挡板7固定连接于摆盘52。传动装置4被电机带动旋转，通过齿轮啮合使从动齿轮5转动，进而使从动轴51在滑动轴承3中转动，带动采样测量耙6绕中心轴回转遍历整个全环燃烧室出口的测量环面。燃烧室喷出的高温高压气体沿箭头方向流入后测量段中。摆盘挡板7位于后测量段的最前端，为了隔绝高温高压气流，减少热量向后测量段内部传递。
29.图2结合图3所示的实施方式，摆盘挡板7由盘状基座8、隔板1034及盖体10组成。盖体10盖设于盘状基座8上，与盘状基座8共同构成一冷却液流动空间，该流动空间具有冷却液进口11以及冷却液出口12。隔板1034由流道隔板13、导引隔板14组成，位于冷却流动空间内，构成冷却流道。多圈流道隔板13径向相邻布置于盘状基座8上，每圈流道隔板13均具有一缺口130，缺口130的两端具有导引隔板14，用于导引冷却流体从流道隔板13的径向外侧沿流道隔板13的径向内侧流动，径向相邻的两流道隔板13的缺口130位于盘状基座8的盘心的两侧。摆盘挡板7具有较好的冷却效果，其原理在于，采用流道隔板13的设计，可以更好的分配冷却流体，同时在隔板上设计缺口130，能够使冷却流体汇合穿过，相比于螺旋形一条流路周向环绕的冷却设计，可以缩短流动路径长度，减缓流道内冷却流体温度的升高，进而增强冷却效果；进一步地，在缺口130处设置导引隔板14，防止缺口130两端的冷却流体过多地碰撞产生流动死区，使冷却流体流动更顺畅，减小流动损失，并避免出现流动死区导致温度过高出现烧蚀。
30.参考图3所示，冷却液进口11的对应位置为最外圈的流道隔板13的缺口130相对的位置，冷却液出口12的对应位置为盘状基座8的盘心位置。如此，冷却流体从下方流入由中心流出，可以使冷却流体最先流经直接与燃烧室高温高压燃气接触的高温区，带走大量的热量，然后向中心低温区流动，使冷却效果显著提高，同时配合流道隔板13及缺口130的设置使得相邻通道的冷却流体流动方向相反，可以很好的保证每个通道内冷却流体的量，从而保证冷却效果。进一步的，在一可选实施方式中，隔板1034相对于盘状基座8的一直径轴对称，使得摆盘挡板7左右两侧冷却效果相同，整体冷却效果均衡，不致出现部分区域温度较高使高温传入后测量段内部，导致冷却效果不佳。
31.如图3所示的实施方式，在盘状基座8上的冷却流道由第一流道隔板131、第二流道隔板132、第三流道隔板133构成，第一流道隔板131、第二流道隔板132、第三流道隔板133均为圆弧形，固定于盘状基座8上，圆弧形设计可使冷却流体流动更顺畅。在第一流道隔板131、第三流道隔板133的顶部与冷却液进口11相对的位置设计缺口1310、1330，在第二流道隔板132的底部与冷却液进口11相对的位置设计缺口1320，供冷却流体穿过。在缺口1310、1320、1330的两端分别设置导引隔板14，对冷却流体的流动方向进行导引。冷却流体流动方
向为箭头方向所示，冷却流体通过下方的冷却液进口11流入盘状基座8后，分成两路、左右对称、自下而上流经导引隔板14由第一流道隔板131外侧流向第一流道隔板131内侧，自上而下继续流经第二隔板132的导引隔板14由第二隔板132的外侧流向第二隔板132的内侧，自下而上继续流经第三隔板133的导引隔板14由第三隔板133的外侧流向第三隔板133的内侧，如此上下环绕流动，最终从冷却液出口12流出。在其他可选实施方式中，流道隔板13的组成不限于第一隔板131、第二隔板132、第三隔板133，还可由一个流道隔板或多个流道隔板组成，为使相邻两个通道的水流方向相反，相邻流道隔板的缺口位置应上下错开，更好的保证冷却效果。
32.继续参考图3所示，导引隔板14为凹槽结构，流道隔板13的端部从凹槽结构的开口伸入凹槽结构中，并与凹槽结构的凹槽底141、凹槽壁142、143具有间隙，使大部分的冷却流体能够经过导引隔板14的导引并通过导引隔板14的内部。进一步地，凹槽底141与流道隔板13的周向延伸垂直，凹槽壁142、143与流道隔板13大致平行，流道隔板13距离径向两侧的凹槽壁142、143的径向距离相等，保证流道隔板13与凹槽壁142构成的进口通道与出口通道相同，保证冷却流体快速顺利的通过导引隔板14的内部，防止流速降低，进而保证冷却效果。在一可选实施方式中，导引隔板14为u型。
33.图2中所示的摆盘挡板7采用的加工方式为车加工和铣加工，并在接口位置9进行一圈氩弧焊。氩弧焊和操作人员的焊接经验有很大关系，其工艺稳定性较差，后期极易出现焊缝开裂问题；另外，除了接口位置9，盘状基座8与盖体10间在其余位置处均无连接，导致摆盘挡板结构刚性较差，高温高压下容易变形；同时，车加工和铣加工的加工周期长。为解决上述问题，将上述结构的盘状基座8与盖体10设计为一个整体，这样既可以取消焊接结构带来的结构强度低问题，又可以通过隔板1034对盖体10实施拉力，有效提高摆盘挡板的结构刚性。由于整体结构的摆盘挡板内腔流道无法通过传统的车、铣加工方式加工，可以采用增材制造的加工方法对整体式结构的摆盘挡板进行加工。
34.图4所示的对于整体式摆盘挡板的增材制造的加工方法，步骤可以包括：
35.步骤1：设计摆盘挡板的打印角度，在该角度下对摆盘挡板进行结构优化，使其利于增材制造成形。
36.步骤2：提供成形模型，包括优化后的摆盘挡板及其实体支撑结构。
37.步骤3：根据成形模型，进行激光选区熔化成形，得到初步成形件，并将初步成形件从激光选区熔化成形装置的成形基板上切割下来。
38.步骤4：对初步成形件去除支撑结构，并进行清粉，即可得到摆盘挡板的成品形态。
39.具体的，在步骤1中，摆盘挡板7有两种摆放方式。当按照图2所示位置摆放摆盘挡板7时，盘状基座8与盖体10内腔中均无悬空结构，成形质量较好，但是摆盘挡板7内部的隔板下表面17悬空，无法成形。当按照图5所示位置摆盘挡板7与水平面成非直角摆放时，所有内部型腔结构均可成形，但是盘状基座下表面16与盖体下表面15成形质量较差，盘状基座下表面16与盖体下表面15会比较粗糙，会对后期工作过程中冷却水的流速造成影响，进而影响冷却效果。综合以上考虑，将摆盘挡板7按照图2所示位置摆放，并对其内部隔板结构进行优化。图2结合图6所示，对摆盘挡板7的隔板1034结构的主要优化内容有：
40.(1)将原隔板下表面17由与水平面成0度角改为与竖直面成非直角，优选为45度角，如图6中所示优化后的隔板下表面19；
41.(2)将隔板1034与盘状基座8、隔板1034与盖体10的接触面根部均增加过渡倒角18，一方面可以减小此处成形过程中的应力集中，另一方面使根部圆滑过渡，便于后期内腔中金属粉末的清除。
42.具体的，在步骤2中，如图7所示的实体支撑结构20，支撑摆盘挡板7两侧的悬空面，另外，可以在实体支撑结构20上添加减重结构，如可在其上开设通孔、拱形槽等结构。
43.具体的，在步骤4中，初步成形件去除支撑结构及清粉的步骤可以包括：
44.步骤41：用线切割方式将支撑结构20从摆盘挡板7上去除。
45.步骤42：通过振动加敲击零件的方式，将内腔中的金属粉末从冷却液进口11及冷却液出口12排出。
46.步骤43：在冷却液进口11位置插入高压气枪，用高压气将内腔中剩余的少量金属粉末由冷却液出口12吹出。
47.步骤44：在冷却液进口11位置连接高压水，使其沿着冷却水流动路径流动，带走腔体中残留的金属粉末。
48.综上所述，以上实施例介绍的盘状冷却结构以及全环燃烧室试验件后测量段的有益效果包括但不限于以下之一或组合：
49.1.导引隔板的设计使冷却流体更顺畅，减小流动损失，并防止冷却流体汇合避免出现流动死区导致温度过高出现烧蚀；流道隔板的设计，可以更好的控制冷却流体的分配；缺口的设计，能够使冷却流体汇合穿过，相比于螺旋形一条流路周向环绕的冷却设计，可以缩短流动路径长度，减缓流道内冷却流体温度的升高，进而增强冷却效果。
50.2.缺口与冷却液进口位置相对，保证相邻的两个通道的冷却流体流动方向相反，很好的保证每个通道内的水量，从而保证冷却效果。
51.3.采用下方冷却液进口流入，中心冷却液出口流出的冷却设计，可以使冷却水最先流经直接与燃烧室高温高压燃气接触的高温区，带走大量的热量，然后向中心低温区流动，使冷却效果显著提高。
52.4.采用左右对称的流动设计，得盘状冷却结构左右两侧冷却效果相同，整体冷却效果均衡，不致出现部分区域温度较高使高温传入后测量段内部，导致冷却效果不佳。
53.5.将盘状结构设计为一个整体，这样既可以取消焊接结构带来的结构强度低问题，又可以通过隔板对盖板实施拉力，有效提高摆盘挡板的结构刚性。
54.6.全环燃烧室试验件后测量段的最前端设有盘状冷却结构，盘状冷却结构隔绝了高温高压气流，减少热量向后测量段内部的传递。
55.本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本实用新型权利要求所界定的保护范围之内。