一种超高温低流阻燃气取样器

技术领域

本申请属于航空发动机计量仪器技术领域，特别涉及一种超高温低流阻燃气取样器。

背景技术

航空发动机燃烧室出口温度场对于涡轮使用寿命具有重要影响，随着发动机的推重比持续增加，使得燃烧室的出口温度不断提高，推重比12的航空发动机的燃烧室温升达1150K，热点温度高达2300K以上，而更高推重比的航空发动机的燃烧室温升将高达1400K，热点温度将超过2500K，已经远远超过在氧化环境中具有较长寿命的铂铑、铱铑等热电偶的测温极限。

燃气分析方法是测量高温常用的技术手段，其是一种接触式测试技术，燃气取样器直接与发动机燃烧室喷出的高温燃气接触，其在高温高压环境下的安全性决定了燃气分析技术高温测试能力。

现有的高温取样装置，安装座常采用高温合金材料加工而成；迎风及背风面板为直板形状。

现有的燃气取样器有四方面缺点：a)取样器出口燃气温度过高，经常将与其连接的软管烧坏；b)取样器安装在模型试验管路中，取样器产生较大的流阻，影响试验状态；c)取样器内部水套流路在拐角处常产生回流区，造成外壳体的局部有热点产生，导致壳体材料发生塑性变形；d)来气温度超过一定值时，取样器安装座壁温超温，缩短取样器使用寿命。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种超高温低流阻燃气取样器，包括：

壳体、取样管以及取样器安装座；

壳体内部形成容纳取样管的冷却腔，壳体一侧面具有取样孔，每个取样管的进口分别通过所述取样孔与外界连通；取样管的另一端通过壳体另一侧面的穿孔伸出所述冷却腔外；

所述冷却腔通过支板分为来流通道与排流通道，来流通道通过进水管注入冷却介质，排流通道通过回水管排出冷却介质；

取样器安装座具有安装通孔，所述壳体套在所述安装通孔中，取样器安装座的外表面内置用于冷却的水套流路结构。

优选的是，壳体包括两个盖面板、过渡连接两个盖面板的侧面板，其中，盖面板呈“7”字型，包括靠近取样孔的前半段以及靠近所述穿孔的后半段，前半段的宽度大于后半段的宽度，使相邻取样管在前半段位置处保持有的一定的距离的空间，取样管具有与“7”字型盖面板对应的折弯，取样管在所述冷却腔中呈波浪状。

优选的是，所述支板包括隔板与支撑隔板，隔板呈“7”字型将冷却腔分为来流通道与排流通道，来流通道与排流通道在靠近取样孔处连通。

优选的是，在前半段位置处的通过多个支撑隔板将来流通道分隔为具有折弯的窄道。

优选的是，所述穿孔位于底部堵板上，底部堵板还具有进水管与回水管，回水管上通过支路连接回水压力接嘴，回水压力接嘴实时监控回水压力，便于控制取样器水套内压力，回水管上布置用于监控回水温度温度贴片。

优选的是，在具有气孔的所述侧面板、盖面板夹角位置处的侧面板为弧状流线型结构。

优选的是，一部分支撑隔板的一端垂直固定在所述侧面板内表面，另部分支撑隔板的一端垂直固定在隔板上，两部分的支撑隔板交错对立布置，其中，支撑隔板在与隔板连接位置处具有喷水孔。

优选的是，位于盖面板夹角位置处的侧面板在夹角处具有喷水孔。

优选的是，取样管的出口均安装有接嘴形式的取样管接头，取样管接头根部布置用于监控取样温度的温度贴片。

优选的是，在具有取样孔的侧面板拐角处具有喷水孔，喷水孔的开孔方向沿取样气流方向斜向后。

本申请的优点包括：1)降低取样器出口燃气温度，避免转接的橡胶软管烧坏；2)降低取样器流阻；3)避免取样器外壳体出现局部热点，超出材料使用温度上限；4)提高取样器安装座耐温指标。

附图说明

图1是本申请一优选实施方式超高温低流阻燃气取样器结构剖视图；

图2是本申请一优选实施方式超高温低流阻燃气取样器结构侧视图；

图3是本申请一优选实施方式取样器三维示意图；

图4是本申请一优选实施方式取样器仿真示意图；

图5是本申请一优选实施方式取样管水套内俯视图；

图6是本申请一优选实施方式取样器安装座结构图。

具体实施方式

为使本申请的技术方案及其优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的技术方案作进一步清楚、完整的详细描述，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅是本申请的部分实施例，其仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分，其他相关部分可参考通常设计，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合以得到新的实施例。

此外，除非另有定义，本申请描述中所使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内一般技术人员所理解的通常含义。本申请描述中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“中心”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等表示方位的词语仅用以表示相对的方向或者位置关系，而非暗示装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，当被描述对象的绝对位置发生改变后，其相对位置关系也可能发生相应的改变，因此不能理解为对本申请的限制。本申请描述中所使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似用语，仅用于描述目的，用以区分不同的组成部分，而不能够将其理解为指示或暗示相对重要性。本申请描述中所使用的“一个”、“一”或者“该”等类似词语，不应理解为对数量的绝对限制，而应理解为存在至少一个。本申请描述中所使用的“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

此外，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，在本申请的描述中使用的“安装”、“相连”、“连接”等类似词语应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，领域内技术人员可根据具体情况理解其在本申请中的具体含义。

如图一种超高温低流阻燃气取样器结构见图1-图2，三维示意图见图3，主要原理是将取样管内置于水套中，即保护了取样管不会被高温气体烧蚀；还可以将取样管中的高温燃气骤冷，保持高温燃气化学成分不变，便于分析燃烧后的燃气化学成分。

为解决上文四个技术问题，实施的主要措施如下：a)为降低取样器出口燃气温度，将取样管设计为弯曲状，增加了水套中取样管的长度，增大换热面积，从而增大换热量，降低取样器出口燃气温度；b)为降低取样器流阻，将取样器迎风及背风面设计为流线型外壁结构；3)为避免取样器外壳体出现局部热点，在前面板及支撑隔板设置多个喷水孔，喷水孔角度为相对高温燃气斜向后45度，消除了水套内拐角处局部回流区以及对外壁热点进行直接喷水冷却，同时避免了喷水进入取样管；4)为提高取样器安装座耐温指标，在取样器安装座增加了水套冷却结构。

其中图4是边界条件为来流燃气温度2500K，压力3.5MPa时，采用数值仿真计算出的取样器外表面温度分布，除取样管迎风处部分点最高温度为1100K，处于高温合金材料可用范围之内，其余的取样器表面温度均低于800K，无高温热点，高温合金材料在此温度的塑形应力远大于此工况下取样器所承受的应力，说明取样器整体设计是安全的。

一种超高温低流阻燃气取样器主要结构包含壳体、取样管5以及取样器安装座8；

壳体内部形成容纳取样管5的冷却腔，壳体一侧面具有取样孔，每个取样管5的进口分别通过所述取样孔与外界连通；取样管5的另一端通过壳体另一侧面的穿孔伸出所述冷却腔外；

所述冷却腔通过支板分为来流通道与排流通道，来流通道通过进水管3注入冷却介质，排流通道通过回水管6排出冷却介质；

取样器安装座8具有安装通孔，所述壳体套在所述安装通孔中，取样器安装座8的外表面内置用于冷却的水套流路结构。

壳体包括两个盖面板12、过渡连接两个盖面板12的侧面板，其中，盖面板12呈“7”字型，包括靠近取样孔的前半段以及靠近所述穿孔的后半段，前半段的宽度大于后半段的宽度，使相邻取样管5在前半段位置处保持有的一定的距离的空间，取样管5具有与“7”字型盖面板12对应的折弯，取样管5在所述冷却腔中呈波浪状，各结构具有的具体特征介绍如下：

1、安装座冷却盖板1布置了两路进水、两路回水，冷却循环水覆盖整个安装座外表面，其中安装座冷却盖板1焊接在取样器安装座8上；

2、进回水接头2，进水接头采用粗牙螺纹接嘴，回水接头采用细牙螺纹接嘴，进行了防安装错误设置；

3、进水管3，进水设计了两条支路，到底部堵板7时进水管合二为一，总管与底部堵板7焊接；

4、取样管接头4为接嘴形式，在接嘴根部布置温度贴片，监控取样温度；

5、取样管5为φ4x1的不锈钢管，取样管在水套内的结构如图5所示，采用弯曲结构强化换热，其中弯曲半径不小于5倍取样管的直径；

6、回水管6，回水总管与底部堵板7焊接，然后分为两条回水支路，其中在回水总管上布置回水压力接嘴16，实时监控回水压力，用于控制取样器水套内压力，保持水套内压力与试验管路内压力差不超设计指标。回水总管布置温度贴片，监控回水温度；

7、取样器安装座8采用凹凸面形式密封结构，外表面内置水套流路结构，如图6所示；

8、前侧板9、下侧板10采用弧状流线型结构，其中下侧板10留有φ2喷水孔，冷却前侧板9、下侧板10焊接拐角；

9、前面板11采用弧状流线型结构，在迎风面等间距布置取样孔，用于焊接取样管，在拐角处布置四处φ2喷水孔，避免回流区生成，其中喷水孔斜向后喷水，避免喷水进入取样管；

10、盖面板12包括上面板与下面板，其预留长条孔，用于焊接隔板13、支撑隔板14；

11、隔板13、支撑隔板14布置穿孔，用于固定取样管，在隔板13与支撑隔板14焊接直角处留有φ2喷水孔，喷水孔角度为斜向后45度；

12、上侧板15采用弧状流线型结构，上侧板15预留长条孔，用于焊接支撑隔板14。

本申请能够：1、降低取样器出口燃气温度，避免转接的橡胶软管烧坏；2、降低取样器流阻；3、避免取样器外壳体出现局部热点，超出材料使用温度上限；4、提高取样器安装座耐温指标。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。