一种等动力采样管、采样方法及燃油浓度测量系统技术方案

本公开涉及一种等动力采样管，用于对航空发动机燃烧室内的燃气采样，包括：采样头；导气管，第一端用于安装所述采样头，第二端连接至燃气收集设备，且所述导气管靠近所述第一端的区域具有弯折部，以使所述第一端与所述第二端呈设定的角度；外管，套设于所述导气管外；锥形头，套设于所述采样头靠近于所述导气管一端，并与所述外管可拆卸连接；以及中间层，设置于所述导气管与所述外管之间，能够对所述导气管起支撑作用与加热作用。根据本公开实施例所提供的一种等动力采样管，至少能够便利于准确地测量航空发动机燃烧室内的燃油浓度。

An Isodynamic Sampling Tube, Sampling Method and Fuel Concentration Measurement System

【技术实现步骤摘要】
一种等动力采样管、采样方法及燃油浓度测量系统
本公开属于航空发动机燃烧室燃气成分分析领域，具体涉及一种根据权利要求1前序部分所述的等动力采样管，根据权利要求9前序部分所述的采样方法，以及一种根据权利要求11前序部分所述的燃油浓度测量系统。
技术介绍
测定航空发动机燃烧室内燃油浓度分布，对进一步分析燃烧性能有着重要意义。目前测定燃油浓度分布主要分光测法和采样法两种手段。通过光测法测定燃油浓度分布存在两个主要问题，其一，难以同时获得气液两相的浓度分布，通常仅能测得气相或者液相的浓度；其二，难以定量确定光信号与浓度分布的对应关系，目前通常根据光信号的强弱，定性表征浓度分布。与光测法相反，采样法可同时采集气化燃油和液态油雾，利用相应的燃气分析仪可定量测得采样气中燃油浓度，有效弥补了光测法的上述两个短板。采样法的要点在于：既要准确地采集局部气液两相燃油，又要尽可能减小采样系统对流场的干扰。而等动力采样管基于气态燃油和液态油雾基本维持原有的流线进入采样区域的理念，通过使采样速度等于采样点局部流速，保证了采样结果的真实性，又通过设计合理的采样气量和采样管结构，减小对采样探针上游的流场干扰，比较好地应对了上述采样法的两个要点。然而对于航空发动机燃烧室而言，相关的等动力采样管受限于以下缺陷，难以适用于高速、高温的工作环境：(1)采样速度：现有的等动力采样管主要针对环保和工业控制设计，仅适用于低速常温工况下的烟气采样，其所允许的最大采样速度约1m/s，然而航空发动机燃烧室环境下的流速量级可达10～100m/s；(2)对流场的干扰：现有的等动力采样管的采样探针头部内径最小也有4mm，这一截面面积对于高速流动下的航空发动机燃烧室而言，会对流场产生较大的干扰，而简单地将现有的等动力采样管进行缩放以减少探针头部截面面积，则会由于高速来流的冲击而带来强度问题；(3)管路温度：现有等动力采样管的管路加温设计，主要是为了防止烟气中的水蒸汽冷凝，采用的是伴热管加温，最高承受温度一般为200℃。而航空煤油沸程可达300℃左右。
技术实现思路
有鉴于此，本公开实施例提供一种等动力采样管及燃油浓度测量系统，由此便利于准确地测量航空发动机燃烧室内的燃油浓度。在本公开的一个方面，提供一种等动力采样管，用于对航空发动机燃烧室内的燃气采样，其特征在于，包括：采样头；导气管，第一端用于安装所述采样头，第二端连接至燃气收集设备，且所述导气管靠近所述第一端的区域具有弯折部，以使所述第一端与所述第二端呈设定的角度；外管，套设于所述导气管外；锥形头，套设于所述采样头靠近于所述导气管一端，并与所述外管可拆卸连接；以及中间层，设置于所述导气管与所述外管之间，能够对所述导气管起支撑作用与加热作用。在一些实施例中，所述中间层包括：至少一根电热丝；以及刚玉支撑片，沿厚度方向开设有中心孔和至少一个外孔，所述中心孔用于穿过所述导气管，所述至少一个外孔用于穿过所述至少一根电热丝。在一些实施例中，所述刚玉支撑片具有柱形结构，且所述柱形结构的上底面与下底面互相平行；所述多个刚玉支撑片设置于所述导气管的弯折部，所述多个刚玉支撑片中任意两个相邻的刚玉支撑片以相邻端面抵接的方式设置于所述导气管与所述外管之间，并由分别设置在所述导气管第一端和第二端的压紧装置紧固限位。在一些实施例中，所述中间层还包括：刚玉绝缘片，沿厚度方向开设有中心孔，用于穿过所述导气管，所述刚玉绝缘片设置于所述压紧装置与所述刚玉支撑片之间，用以防止所述电热丝向外导电。在一些实施例中，所述外管靠近于所述导气管第二端的内表面具有内螺纹，并开设有沿所述外管长度方向的导向槽，设置在所述导气管第二端的所述压紧装置包括：压紧螺栓，与所述内螺纹可拆卸装配，开设有中心孔，用于导出所述导气管；导向垫片，设置于所述压紧螺栓靠近所述刚玉支撑片的一端，具有用于穿过所述导气管的中心孔和用于穿过所述电热丝的外孔，能够通过沿径向设置的导向销与所述导向槽互相配合，为所述外孔提供周向定位；以及第一紧定螺丝，沿径向设置于所述压紧螺栓的螺帽部位，能够通过旋进所述压紧螺栓对所述压紧螺栓中心孔内设置的导气管进行顶紧限位。在一些实施例中，所述锥形头与所述导气管通过螺纹密封连接，设置在所述导气管第一端的所述压紧装置包括：第二紧定螺丝，在所述锥形头与所述外管的弯折部套装后，紧固所述锥形头与所述外管。在一些实施例中，所述采样头的内径为1mm，所述采样头与所述锥形头焊接连接，所述采样头部分伸出于所述锥形头的套设范围。在一些实施例中，所述等动力采样管还包括：静压管，由开设于所述锥形头的径向孔，和开设于所述导气管的壁面孔构成，其中，所述壁面孔与所述径向孔同径同轴；以及皮托管，通过卡箍固设于所述外管的一侧，具有与所述采样头相同的进气方向。在本公开的另一个方面，提供一种采样方法，其特征在于，利用上文任意一项所述的等动力采样管，所述采样方法包括：采样过程，通过所述静压管测量所述导气管内部采样气流的采样静压，通过所述皮托管测量所述采样头的局部总压和局部静压，再根据所述采样静压与所述局部静压的平衡关系，调整所述采样头的采样流量，从而实现所述采样管的等动力采样；以及校准过程，在调整所述采样管的采样流量时，考虑所述采样头与所述静压孔之间总压损失对于所述采样静压与所述局部静压平衡关系的影响。在一些实施例中，所述校准过程包括：M1步骤，在设定的来流速度下，记录不同采样流量下的局部总压、局部静压和采样静压，并根据所述导气管的流通面积和所述采样静压计算所述导气管内的采样速度，根据所述局部总压和所述局部静压计算所述采样头的局部速度；M2步骤，改变所述采样管的采样流量，并在所述采样速度等于所述局部速度时，记录所述采样速度和所述局部静压与所述采样静压的降压差值；以及M3步骤，改变设定的来流速度，并重复上述M2步骤，建立所述采样速度与所述静压差值的函数关系；所述采样步骤包括：N1步骤，根据所述皮托管测量的局部总压和局部静压计算局部速度，并基于所述局部速度，根据M3步骤中的所述函数关系查找与所述局部速度相同的采样速度所对应的静压差值；N2步骤，将N1步骤中得到的静压差值纳入所述采样静压与所述局部静压的平衡关系计算过程中，并基于所述平衡关系调整所述采样头的采样流量。在本公开的另一个方面，提供一种燃油浓度测量系统，包括根据前文任一所述的等动力采样管，所述测量系统还包括：空气源；催化燃烧装置，入口连接于所述等动力采样管的出口和所述空气源，用于使所述燃气采样与空气在催化条件下燃烧；以及尾气分析装置，连接于所述催化燃烧装置的出口，用于分析在催化条件下燃烧的尾气。在一些实施例中，所述测量系统还包括：抽气泵，用于控制所述空气源的流量；真空泵，用于控制所述尾气分析装置的进气流量；第一流量计，用于测量所述空气源的流量；第二流量计，用于测量所述尾气分析装置的进气流量；以及控制器，通讯连接于所述抽气泵、所述真空泵、所述第一流量计和所述第二流量计，能够基于所述第一流量计和所述第二流量计的测量值分别控制所述抽气泵和所述真空泵的开度。在一些实施例中，所述催化燃烧装置包括真空炉，所述测量系统还包括：第一温度传感器，用于测量所述等动力采样管采样区域的温度；以及第二温度传感器，用于测量所述真空炉的温度；所述控制器通讯连接于所述第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种等动力采样管，用于对航空发动机燃烧室内的燃气采样，其特征在于，包括：采样头；导气管，第一端用于安装所述采样头，第二端连接至燃气收集设备，且所述导气管靠近所述第一端的区域具有弯折部，以使所述第一端与所述第二端呈设定的角度；外管，套设于所述导气管外；锥形头，套设于所述采样头靠近于所述导气管一端，并与所述外管可拆卸连接；以及中间层，设置于所述导气管与所述外管之间，能够对所述导气管起支撑作用与加热作用。

【技术特征摘要】
1.一种等动力采样管，用于对航空发动机燃烧室内的燃气采样，其特征在于，包括：采样头；导气管，第一端用于安装所述采样头，第二端连接至燃气收集设备，且所述导气管靠近所述第一端的区域具有弯折部，以使所述第一端与所述第二端呈设定的角度；外管，套设于所述导气管外；锥形头，套设于所述采样头靠近于所述导气管一端，并与所述外管可拆卸连接；以及中间层，设置于所述导气管与所述外管之间，能够对所述导气管起支撑作用与加热作用。2.根据权利要求1所述的等动力采样管，其特征在于，所述中间层包括：至少一根电热丝；以及刚玉支撑片，沿厚度方向开设有中心孔和至少一个外孔，所述中心孔用于穿过所述导气管，所述至少一个外孔用于穿过所述至少一根电热丝。3.根据权利要求2所述的等动力采样管，其特征在于，所述刚玉支撑片具有柱形结构，且所述柱形结构的上底面与下底面互相平行；所述多个刚玉支撑片设置于所述导气管的弯折部，所述多个刚玉支撑片中任意两个相邻的刚玉支撑片以相邻端面抵接的方式重叠设置于所述导气管与所述外管之间，并由分别设置在所述导气管第一端和第二端的压紧装置紧固限位。4.根据权利要求3所述的等动力采样管，其特征在于，所述中间层还包括：刚玉绝缘片，沿厚度方向开设有中心孔，用于穿过所述导气管，所述刚玉绝缘片设置于所述压紧装置与所述刚玉支撑片之间，用以防止所述电热丝向外导电。5.根据权利要求3所述的等动力采样管，其特征在于，所述外管靠近于所述导气管第二端的内表面具有内螺纹，并开设有沿所述外管长度方向的导向槽，设置在所述导气管第二端的所述压紧装置包括：压紧螺栓，与所述内螺纹可拆卸装配，开设有中心孔，用于导出所述导气管；导向垫片，设置于所述压紧螺栓靠近所述刚玉支撑片的一端，具有用于穿过所述导气管的中心孔和用于穿过所述电热丝的外孔，能够通过沿径向设置的导向销与所述导向槽互相配合，为所述外管提供周向定位；以及第一紧定螺丝，沿径向设置于所述压紧螺栓的螺帽部位，能够通过旋进所述压紧螺栓对所述压紧螺栓中心孔内设置的导气管进行顶紧限位。6.根据权利要求3所述的等动力采样管，其特征在于，所述锥形头与所述导气管通过螺纹密封连接，设置在所述导气管第一端的所述压紧装置包括：第二紧定螺丝，在所述锥形头与所述外管的弯折部套装后，紧固所述锥形头与所述外管。7.根据权利要求1所述的等动力采样管，其特征在于，所述采样头的内径为1mm，所述采样头与所述锥形头焊接连接，所述采样头部分伸出于所述锥形头的套设范围。8.根据权利要求1所述的等动力采样管，其特征在于，还包括：静压管，由开设于所述锥形头的径向孔，和开设于所述导气管的壁面孔构成，其中，所述壁面孔与所述径向孔同径同轴；以及皮托管，通过卡箍固设于所述外管的一侧，具有与所述采样头相同的进气方向。9.一种等动力采样方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘玉英，朱鸿宇，刘广海，谢奕，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11