本發(fā)明屬于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)研究領(lǐng)域，更具體地，涉及燃燒室和渦輪耦合熱氣流遷移作用研究實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，尤其涉及到一種綜合光學(xué)診斷、熱學(xué)和聲學(xué)測量的環(huán)形燃燒室與渦輪級間耦合作用機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究裝置。

背景技術(shù)：

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)過程中，燃燒室和渦輪分屬于兩個(gè)設(shè)計(jì)子系統(tǒng)，需要將燃燒室的出口高溫?zé)釟饬鞯膮?shù)作為渦輪的入口條件進(jìn)行關(guān)聯(lián)。高溫?zé)釟饬鲗u輪葉片的熱沖擊是航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)需要考慮的首要問題。同時(shí)，下游的渦輪也會改變?nèi)紵业牧鲌龊蜏囟葓龇植?，單?dú)燃燒室試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往跟實(shí)際工況有較大差別。特別是先進(jìn)燃燒室設(shè)計(jì)在向短環(huán)和高溫升發(fā)展趨勢中，燃燒室與渦輪的耦合作用顯得尤為重要，但常規(guī)的實(shí)驗(yàn)通常是把兩者分開來測試。

工業(yè)級的燃燒室和渦輪等部件結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高，測量窗口安裝困難，很難在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺上對流場細(xì)節(jié)、火焰特征與熱斑遷移的作用機(jī)制進(jìn)行深入研究。

采用電加熱來模擬高溫?zé)釟饬?，來研究燃燒室與渦輪耦合作用的實(shí)驗(yàn)方式或?qū)嶒?yàn)裝置，很難模擬燃燒室內(nèi)實(shí)際湍流燃燒過程產(chǎn)生高溫?zé)煔鉁囟葓龅膹?qiáng)烈時(shí)空不均勻性，也不能捕捉下游渦輪存在對上游燃燒室內(nèi)流場和燃燒反應(yīng)的影響機(jī)制，無法研究燃燒過程中壓力場、溫度場和速度場的變動(dòng)對燃燒室與渦輪耦合作用的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了填補(bǔ)現(xiàn)有上述實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段的空缺，本發(fā)明的目的在于提供一種燃燒室和渦輪耦合熱氣流遷移作用機(jī)理實(shí)驗(yàn)裝置，為燃燒室渦輪耦合過程提供溫度場、聲學(xué)和光學(xué)測量的實(shí)驗(yàn)條件，并可通過一些結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)參數(shù)的調(diào)整對燃燒室和渦輪耦合作用下的熱氣流遷移機(jī)理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種燃燒室和渦輪耦合作用機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究裝置，該裝置主要包括底部法蘭盤、頂部法蘭盤、旋流噴嘴、燃燒室內(nèi)壁、燃燒室外壁、渦輪靜葉盤、渦輪動(dòng)葉盤、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸、軸支承主部件、軸支承輔部件、下軸承、上軸承、電機(jī)、電機(jī)支承部件以及承力筒；

底部法蘭盤、頂部法蘭盤通過螺栓緊固連接，二者之間形成環(huán)形的密閉的配氣室，配氣室側(cè)壁開有若干周向?qū)ΨQ分布的混合氣體入口，在頂部法蘭盤上周向均勻設(shè)置有若干旋流噴嘴，承力筒、燃燒室內(nèi)壁和燃燒室外壁同軸設(shè)置于頂部法蘭盤上，燃燒室內(nèi)壁和燃燒室外壁分別為高溫不銹鋼材質(zhì)的圓柱筒和石英材質(zhì)的圓柱筒，頂部法蘭盤位于燃燒室內(nèi)壁和燃燒室外壁之間的區(qū)域上設(shè)有環(huán)形凸臺結(jié)構(gòu)，燃燒室內(nèi)壁和燃燒室外壁與該環(huán)形凸臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行最大間隙為毫米量級的間隙配合，渦輪靜葉盤固定安裝于承力筒上，燃燒室內(nèi)壁、燃燒室外壁、渦輪靜葉盤及頂部法蘭盤之間的空間形成燃燒室，空氣和燃?xì)獾幕旌蠚怏w通過混合氣體入口進(jìn)入配氣室，再經(jīng)旋流噴嘴進(jìn)入燃燒室；點(diǎn)火針從燃燒室外壁上的通孔插入燃燒室用于引燃旋流混合氣體；渦輪動(dòng)葉盤設(shè)置于渦輪靜葉盤上方，轉(zhuǎn)軸上端與渦輪動(dòng)葉盤之間鍵連接，下端通過聯(lián)軸器連接電機(jī)，轉(zhuǎn)軸與軸支承部件之間設(shè)有上軸承，與軸支承輔部件之間設(shè)有下軸承，且轉(zhuǎn)軸上安裝有軸套；軸支承主部件通過螺釘緊固在渦輪靜葉盤上，軸支承輔部件、電機(jī)支承部件通過螺釘依次緊固于軸支承主部件下方。

上述技術(shù)方案中，所述的旋流噴嘴上開有中心盲孔作為主噴嘴通道，且側(cè)壁上開有6個(gè)切向圓孔通道，氣流從切向圓孔通道進(jìn)入主噴嘴通道形成旋流，主噴嘴通道底部設(shè)有螺紋孔用于裝配穩(wěn)流裝置進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。

所述的靜葉盤和動(dòng)葉盤均采用整體葉盤技術(shù)加工制造，靜葉葉片和動(dòng)葉葉片進(jìn)行拋光處理，靜葉盤的最大徑向尺寸(靜葉葉尖處)與燃燒室外壁進(jìn)行配合，動(dòng)葉盤的最大徑向尺寸(動(dòng)葉葉尖處)與燃燒室外壁的間隙為毫米量級，靜葉盤底部有沉頭孔用以裝配連接靜葉盤和頂部法蘭盤的長螺桿。

所述的靜葉盤的內(nèi)部壁面有螺旋布置的冷卻水管槽道用以鋪設(shè)銅制冷卻水管，鋪設(shè)方式為自上而下，通過連接到外部的水泵進(jìn)行冷卻液的驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)渦輪部件的熱防護(hù)。

所述的上軸承為深溝球軸承，而下軸承為成對的角接觸球軸承，能夠承受軸向載荷與傾覆力矩；轉(zhuǎn)軸與動(dòng)葉盤間為鍵連接以固定徑向的相對位置，轉(zhuǎn)軸上端部通過與螺母的螺紋連接和軸支承主部件上端面的壓力作用固定了軸向的相對位置，使得動(dòng)葉盤和靜葉盤之間的最小間隙為亞毫米量級；轉(zhuǎn)軸下端部同樣通過與螺母的螺紋連接固定下軸承的軸向位置，而軸套能夠?qū)D(zhuǎn)軸起到軸向定位的作用；轉(zhuǎn)軸上端和下端的螺紋的正反牙配置與軸的旋轉(zhuǎn)方向相匹配。

所述的軸支承主部件和輔部件為轉(zhuǎn)軸和軸承的主要定位和承力部件，軸支承主部件有開口結(jié)構(gòu)作為冷卻水管連接外部水泵的通道。

所述的燃燒器底部法蘭盤的底部開有輻射狀通道，且內(nèi)環(huán)進(jìn)行倒角處理作為冷卻水管和電機(jī)控制線路進(jìn)出的通道；配氣室側(cè)壁設(shè)有階梯結(jié)構(gòu)用于鋪陳防回火紗網(wǎng)裝置；除用于配合預(yù)混氣體入口的螺紋孔外，燃燒器底部法蘭盤的側(cè)壁上還開有周向等方位角分布的螺紋孔以配合聲學(xué)測量設(shè)備；燃燒器底部法蘭盤的底面與安裝臺面接觸并通過螺釘進(jìn)行緊固連接，ⅰ型通孔呈圓周狀排布而ⅱ型通孔呈方形網(wǎng)格狀排布可對應(yīng)裝配于光學(xué)平臺上。

承力筒和燃燒室內(nèi)壁有多套相對應(yīng)的高度組合以實(shí)現(xiàn)渦輪部件與燃燒噴頭間不同的距離組合，用于實(shí)驗(yàn)探究渦輪部件與燃燒噴頭間距離的影響因素。

本發(fā)明通過設(shè)計(jì)和制造燃燒器和渦輪等主要部件并完成裝配，搭建相匹配的流動(dòng)控制系統(tǒng)和燃燒控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)過程考慮實(shí)驗(yàn)測量窗口和可調(diào)整的結(jié)構(gòu)參數(shù)，具體地，燃燒器為旋流噴嘴的環(huán)形燃燒室，燃燒室外壁為石英材質(zhì)厚壁圓筒，渦輪部件包括靜葉盤和動(dòng)葉盤及其轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，而轉(zhuǎn)動(dòng)軸與控制電機(jī)相連接。

燃燒器底部法蘭盤承受包括自重在內(nèi)的數(shù)十千克的載荷，整體結(jié)構(gòu)均采用厚壁設(shè)計(jì)以保證強(qiáng)度和剛度，進(jìn)一步地，匹配具有足夠強(qiáng)度和剛度實(shí)驗(yàn)臺以滿足整個(gè)裝置裝載要求。

該技術(shù)方案中，混合氣體入口周向?qū)ΨQ布置，這將使得配氣室內(nèi)的壓強(qiáng)環(huán)境保持一定的對稱性，而該壓強(qiáng)環(huán)境將驅(qū)動(dòng)混合氣體以較為均勻的流量進(jìn)入各個(gè)旋流噴嘴內(nèi)，有利于實(shí)現(xiàn)各噴嘴的流動(dòng)情形與燃燒情形的相似性。

采用旋流噴嘴有效增強(qiáng)湍流度，利于火焰?zhèn)鞑ィ墒沟萌紵映浞帧?/p>

燃燒器底部法蘭盤側(cè)壁開有四個(gè)周向?qū)ΨQ的聲學(xué)測量窗口，工作時(shí)，內(nèi)置麥克風(fēng)且用高溫密封膠進(jìn)行密封的“堵頭”通過與聲學(xué)測量窗口進(jìn)行螺紋緊密配合，并可將數(shù)據(jù)傳輸線通至外部連接數(shù)據(jù)采集器并進(jìn)行進(jìn)一步記錄和處理。

此外，可通過配氣室側(cè)壁的階梯結(jié)構(gòu)來鋪陳防回火紗網(wǎng)裝置，在旋流噴嘴上游的金屬紗網(wǎng)可通過淬熄作用防止發(fā)生回火時(shí)燃燒進(jìn)入管路結(jié)構(gòu)中。

特別地，燃燒室外壁采用石英材制的厚壁圓筒具有下述三個(gè)重要特征：

·耐高溫且熱膨脹率小，有效適應(yīng)高溫?zé)岘h(huán)境；

·石英管足夠厚以保證強(qiáng)度，在安全范圍內(nèi)耐壓超過10atm；

·透明的石英管為光學(xué)數(shù)據(jù)采集提供窗口。

燃燒室內(nèi)壁、靜葉盤和動(dòng)葉盤均為高溫不銹鋼材質(zhì)，在燃燒過程的熱-結(jié)構(gòu)耦合中，三者均能夠滿足熱應(yīng)力校核，而熱變形也在處于最大限制位移范圍內(nèi)。

靜葉葉片和動(dòng)葉葉片均為三維葉型，其中靜葉葉片數(shù)量為26，動(dòng)葉葉片數(shù)量為36,靜葉盤盤轂為收縮通道，氣流被壓縮并在靜葉處流向偏轉(zhuǎn)作用于動(dòng)葉葉片。

尤其通過動(dòng)葉盤的動(dòng)平衡測試，有效平衡和優(yōu)化動(dòng)葉盤質(zhì)量分布，并進(jìn)行超轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)(10000r/min)有效校核轉(zhuǎn)動(dòng)條件下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

動(dòng)葉盤與轉(zhuǎn)軸間通過鍵與鍵槽的配合以固定徑向的相對位置，而兩者軸向的相對位置通過轉(zhuǎn)軸上端部與螺母的螺紋連接和軸支承主部件上端面的壓力作用固定。

軸承系統(tǒng)包括上部的深溝球軸承和下部的角接觸球軸承，能夠有效承受軸向載荷與傾覆力矩。

進(jìn)一步地，軸套能夠?qū)D(zhuǎn)軸起到軸向定位的作用。

轉(zhuǎn)軸上端和下端的螺紋的正反牙配置與軸的旋轉(zhuǎn)方向相匹配以保證在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中螺母與之更緊密地進(jìn)行配合。

進(jìn)一步地，設(shè)計(jì)電機(jī)調(diào)控系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，符合尺寸、功率及扭矩要求的電機(jī)通過聯(lián)軸器與旋轉(zhuǎn)軸連接。

有利地，底部冷卻水管和電機(jī)線路出入通道有較大倒角結(jié)構(gòu)，利于管路彎折，且呈輻射狀設(shè)計(jì)利于結(jié)構(gòu)的承力對稱性和外部裝置的布置。

本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置能夠有效應(yīng)用于燃燒室和渦輪耦合機(jī)理研究，特別是耦合系統(tǒng)中高溫?zé)釟饬鬟w移機(jī)理的研究。

附圖說明

圖1是本發(fā)明燃燒室渦輪耦合作用機(jī)理性模型實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖2是本發(fā)明環(huán)形燃燒器結(jié)構(gòu)的仰視圖與軸測圖；

圖3是本發(fā)明旋流噴嘴的剖視圖與旋流通道示意圖；

圖4是本發(fā)明中氣流依次經(jīng)過配氣室、旋流噴嘴、燃燒室和渦輪級的流動(dòng)示意圖；

圖5是本發(fā)明靜/動(dòng)葉葉盤的俯視圖與葉型的剖面圖；

圖6是本發(fā)明軸支承主/輔部件的軸測圖與剖面圖；

圖中：1、燃燒器底部法蘭盤，2、燃燒器頂部法蘭盤，3、燃燒室外壁，4、燃燒室內(nèi)壁圓筒，5、靜葉盤，6、動(dòng)葉盤，7、混合氣體入口管道，8、配氣室，9、旋流噴嘴，10、防回火金屬紗網(wǎng)置放平臺，11、環(huán)形燃燒室，12、點(diǎn)火針插孔，13、渦輪靜葉，14、冷卻水管布置槽道，15、渦輪動(dòng)葉，16、承力筒，17、電機(jī)，18、電機(jī)支承部件，19、軸支承主部件，20、軸支承輔部件，21、對角球軸承，22、深溝球軸承，23、動(dòng)葉盤轉(zhuǎn)軸，24、軸套，25、呈圓周狀排布的ⅰ型通孔，26、呈方形網(wǎng)格狀排布的ⅱ型通孔，27、聲學(xué)測量窗口，28、旋流噴嘴旋流入口通道，29、穩(wěn)流裝置裝配螺紋孔，30、冷卻水管開口通道，31、電機(jī)控制線路及冷卻水管出入通道。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方案對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1-6所示，一種燃燒室渦輪耦合作用機(jī)理性模型實(shí)驗(yàn)裝置，包括環(huán)形旋流燃燒室(主要由法蘭盤1和2、燃燒室外壁3和內(nèi)壁4及旋流噴嘴9構(gòu)成)、渦輪(主要由靜/動(dòng)葉盤5和6、軸23及其支承部件19與16等構(gòu)成)與電機(jī)系統(tǒng)(主要由電機(jī)17及支承部件18構(gòu)成)三部分。

如圖1、2所示，配氣室8的主體結(jié)構(gòu)由法蘭盤1和法蘭盤2通過螺栓緊固連接構(gòu)成，空氣和燃?xì)獾幕旌蠚怏w通過周向?qū)ΨQ的混合氣體入口7進(jìn)入配氣室8中，預(yù)混氣入口7與法蘭盤1的側(cè)壁之間通過螺紋進(jìn)行緊固和密封。

如圖1、2、3、4所示，配氣室8中的混合氣體通過旋流噴嘴9后形成旋流射流進(jìn)入燃燒室11中，燃燒器頂部法蘭盤2的上表面在旋流噴嘴陣列的位置有環(huán)形凸臺結(jié)構(gòu)，燃燒室內(nèi)壁4和燃燒室外壁3與該環(huán)形凸臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行配合，點(diǎn)火針從燃燒室外壁3上的通孔12插入可引燃旋流混合氣體，燃燒室11內(nèi)的燃后高溫氣體在靜葉盤5處進(jìn)入收縮段且在一級靜葉13的作用下發(fā)生流向偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而作用于一級動(dòng)葉15并在動(dòng)葉盤6上產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

如圖1、5、6所示，轉(zhuǎn)軸23與渦輪動(dòng)葉盤6通過鍵和鍵槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，軸支承主部件19通過螺釘緊固在渦輪靜葉盤5上，而軸支承輔部件20通過螺釘緊固于軸支承主部件19上并為軸承部件21提供支撐。

如圖1、6所示，在轉(zhuǎn)速調(diào)控工作模式下，與軸23通過聯(lián)軸器連接的電機(jī)17及其支承部件18和控制系統(tǒng)能夠?qū)D(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)控，而電機(jī)17的支承結(jié)構(gòu)18通過螺釘緊固于軸支承主部件19上，電機(jī)電源及控制部件與電機(jī)通過控制線路連接。

如圖1所示，承力筒16作為主要承力結(jié)構(gòu)支撐起渦輪和電機(jī)部件，在燃燒器頂部法蘭盤2的上表面有環(huán)形凹槽結(jié)構(gòu)與其進(jìn)行配合，且渦輪靜葉盤5底部端面也對應(yīng)著環(huán)形凹槽結(jié)構(gòu)與其進(jìn)行配合，承力筒16限制了渦輪靜葉盤5等部件向下的運(yùn)動(dòng)，起主要的定位作用。

如圖1、5所示，渦輪靜葉盤5底部有沉頭孔用以裝配連接靜葉盤5和燃燒器法蘭盤1和法蘭盤2的長螺桿以消除渦輪動(dòng)葉盤6及軸23發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)靜葉盤等部件受到的反向力矩作用，同時(shí)長螺桿也限制了渦輪靜葉盤5與支承筒16等部件向上的運(yùn)動(dòng)。

如圖1、6所示，靜葉盤5的內(nèi)部壁面有螺旋布置的冷卻水管槽道14用以鋪設(shè)銅制冷卻水管，且軸支承主部件19開有開口結(jié)構(gòu)30以保證水管的進(jìn)出，工作時(shí)外部水泵用以驅(qū)動(dòng)冷卻液在管道內(nèi)的流動(dòng)，管路按從上向下的螺旋方式嵌入槽道14，該方式將有利于渦輪盤整體的傳熱效果。

如圖1、2所示,燃燒器底部法蘭盤1的底部開有輻射狀通道并進(jìn)行倒角處理31,用于冷卻水管和電機(jī)控制線路進(jìn)出的通道；

如圖1、2、4所示，燃燒器底部法蘭盤1的側(cè)壁開有聲學(xué)測量窗口27，燃燒室外壁石英管3提供了光學(xué)測量窗口，在燃燒、轉(zhuǎn)動(dòng)等過程中不同的測量手段將用以捕捉各物理場的細(xì)節(jié)特征，為燃燒室渦輪耦合作用的研究提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

工作時(shí)，包括但不局限于以下調(diào)整：

·燃燒器底部法蘭盤1側(cè)壁開孔27加裝堵頭或聲學(xué)測量“堵頭”；

·通過電機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速工況；

·改變支撐筒16和燃燒室內(nèi)壁筒4的高度組合，以實(shí)現(xiàn)渦輪部件與燃燒噴頭間不同的距離組合。