УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ И СПОСОБ ЕГО УСТАНОВКИ
DEVICE FOR MEASURING HEAT FLOW IN COMBUSTION CHAMBER AND METHOD FOR INSTALLATION THEREOF

Группа изобретений относится к устройствам для измерения тепловых потоков, в том числе нестационарных, в частности в камерах сгорания двигателей при высоких давлениях и температурах, а также к способам установки устройств для измерения теплового потока в стенке камеры сгорания.
Из уровня техники известны различные устройства для измерения тепловых потоков: RU 2131118 C1, 27.05.1999; SU 301573 А, 21.04.1971; US 3605494 А, 20.09.1971.
Основным недостатком всех вышеперечисленных устройств является невозможность их применения для измерения теплового потока при высоком (более 8,0 МПа) давлении высокотемпературной среды относительно давления внешней среды.
Прототипом предлагаемой группы изобретений является решение, раскрытое в авторском свидетельстве SU 322661 А, 30.11.1971. Из прототипа известно устройство для измерения теплового потока, содержащее калориметрическое тело, соединенное со спаем проводов термопары, и теплоизолирующее кольцо. В прототипе раскрыт также способ установки устройства для измерения теплового потока в стенке модели, при котором выполняют в стенке отверстие и устанавливают в отверстии калориметрическое тело так, чтобы тепловоспринимающая поверхность калориметрического тела была заподлицо с внутренней поверхностью стенки.
Существенным недостатком прототипа является то, что предлагаемое в нем устройство не позволяет измерять тепловой поток от высокотемпературной среды, находящейся при высоком (более 1,0 МПа) давлении относительно давления внешней среды, со стороны которой к устройствам подводятся провода термопар, так как воздействующая на калориметрическое тело сила от высокого относительного давления высокотемпературной среды превышает прочность закрепления калориметрического тела в отверстии в стенке, и, соответственно, выбросит калориметрическое тело из отверстия.
Технической задачей предлагаемой группы изобретений является разработка конструкции устройства для измерения теплового потока и способа его установки в стенке камеры сгорания, которые обеспечили бы:
- сверление отверстия в стенке камеры сгорания под калориметрическое тело не со стороны высокотемпературной среды, тепловой поток от которой измеряется, а со стороны внешней среды,
- теплоизоляцию калориметрического тела от материала стенки,
- фиксацию калориметрического тела в стенке при высоких (более 8,0 МПа) давлениях высокотемпературной среды, тепловой поток от которой измеряется, относительно давления внешней среды, в которую выводятся провода термопары калориметрического тела,
- исключение протекания высокотемпературной среды, тепловой поток от которой измеряется, во внешнюю среду через отверстие в стенке, в котором устанавливается калориметрическое тело.
Технический результат заключается в обеспечении возможности измерения теплового потока от высокотемпературной среды к стенке камеры сгорания при высоких давлениях в камере сгорания.
Для решения технической задачи и обеспечения технического результата предлагается устройство для измерения теплового потока в камере сгорания, содержащее калориметрическое тело с заделанным в него спаем проводов термопары и теплоизолирующее кольцо. Причем калориметрическое тело выполнено в виде цилиндра с торцевым буртиком со стороны, противоположной тепловоспринимающей поверхности цилиндра. При этом провода термопары расположены в керамической трубке, на которую последовательно установлены теплоизолирующее кольцо и металлическая кольцевая заглушка с резьбой на внешней поверхности для поджима теплоизолирующего кольца к торцевому буртику цилиндра. Причем на цилиндр калориметрического тела под торцевым буртиком установлена теплоизолирующая шайба.
Предложен также способ установки устройства для измерения теплового потока в стенке камеры сгорания, при котором выполняют в стенке отверстие и устанавливают в отверстии калориметрическое тело так, чтобы тепловоспринимающая поверхность калориметрического тела была заподлицо с внутренней (огневой) поверхностью стенки камеры сгорания. При этом отверстие выполняют ступенчатым, сужающимся к внутренней поверхности камеры сгорания, затем отверстие заклеивают липкой лентой со стороны внутренней поверхности камеры сгорания и заливают термоцементом. До застывания термоцемента на кольцевой уступ отверстия устанавливают теплоизолирующую шайбу и вставляют в отверстие калориметрическое тело, соединенное с расположенными в керамической трубке проводами термопары и имеющее форму цилиндра с торцевым буртиком, так, чтобы калориметрическое тело не касалось стенок отверстия, а торцевой буртик опирался на теплоизолирующую шайбу. Затем зазор между керамической трубкой с проводами термопары и стенкой отверстия заливают термоцементом. До застывания термоцемента на торцевой буртик калориметрического тела устанавливают теплоизолирующее кольцо, которое поджимают к торцевому буртику металлической кольцевой заглушкой, закручиваемой в стенку камеры сгорания на резьбе. После этого окончательно заливают все устройство термоцементом со стороны внешней поверхности стенки камеры сгорания, с выходом термоцемента на эту поверхность, а после полного отверждения термоцемента липкую ленту удаляют.
При необходимости после удаления липкой ленты тепловоспринимающую торцевую поверхность калориметрического тела зачищают от остатков термоцемента.
Внутри ступенчатого отверстия может быть выполнена резьба.
Предлагаемая группа изобретений поясняется чертежом.
На чертеже показан продольный разрез стенки модельной камеры сгорания двигателя с установленным в ней устройством для измерения теплового потока. На чертеже изображены: 1 - металлическая стенка камеры сгорания, 2 - калориметрическое тело, 3 - теплоизолирующая шайба, 4 - теплоизолирующее кольцо, 5 - металлическая кольцевая заглушка, 6 - термоцемент, 7 - керамическая трубка.
Калориметрическое тело 2 выполнено из материала с высокой теплопроводностью, например, из меди. Теплоизолирующее кольцо 4 представляет собой цилиндр со сквозной полостью и выполнено из керамики. Теплоизолирующая шайба 3 выполнена из керамики. Металлическая кольцевая заглушка 5 представляет собой цилиндр с центральным сквозным отверстием. На внешней поверхности заглушки выполнена резьба для дополнительного крепления устройства в стенке камеры сгорания.
Для определения теплового потока предлагаемое устройство устанавливают в стенке 1 камеры сгорания. Сначала с внешней стороны камеры сгорания выполняют ступенчатое отверстие, сужающееся к внутренней поверхности камеры сгорания. Затем отверстие заклеивают липкой лентой со стороны внутренней (огневой) поверхности камеры сгорания для предотвращения вытекания термоцемента 6 на огневую поверхность камеры сгорания и заливают термоцементом 6. До застывания термоцемента 6 на кольцевой уступ отверстия устанавливают теплоизолирующую шайбу 3 и вставляют в отверстие калориметрическое тело 2, соединенное с расположенными в керамической трубке 7 проводами термопары и имеющее форму цилиндра с торцевым буртиком 2.2, так, чтобы калориметрическое тело 2 не касалось стенок отверстия, а торцевой буртик 2.2 опирался на теплоизолирующую шайбу 3. Тепловоспринимающую поверхность 2.1 калориметрического тела 2 располагают заподлицо со внутренней поверхностью стенки камеры сгорания. Затем зазор между керамической трубкой 7 с проводами термопары и стенкой отверстия заливают термоцементом 6. До застывания термоцемента на торцевой буртик 2.2 калориметрического тела 2 устанавливают теплоизолирующее кольцо 4, которое поджимают к торцевому буртику 2.2 металлической кольцевой заглушкой 5, закручиваемой в стенку камеры сгорания на резьбе. Выход керамической трубки 7 с проводами термопары на внешнюю поверхность камеры сгорания заливают термоцементом 6. После полного отверждения термоцемента липкую ленту удаляют. Термоцемент заполняет зазоры между всеми элементами устройства (калориметрическим телом, теплоизолирующей шайбой, теплоизолирующим кольцом, керамической трубкой, металлической кольцевой заглушкой) и стенкой камеры сгорания. Для улучшения сцепления термоцемента со стенкой внутри ступенчатого отверстия (большего и меньшего диаметра) может быть выполнена резьба.
После застывания термоцемента и удаления липкой ленты при необходимости тепловоспринимающую торцевую поверхность калориметрического тела зачищают от остатков термоцемента. Устройство готово к работе и работает следующим образом.
Измеряемый тепловой поток воздействует на тепловоспринимающую поверхность калориметрического тела, разогревая ее, термопара регистрирует изменение температуры калориметрического тела во времени. Полученная в результате эксперимента зависимость температуры от времени служит исходной информацией для определения теплового потока из решения обратной задачи теплопроводности.
Конструктивное исполнение устройства и способ его установки позволяет увеличить прочность закрепления устройства в отверстии в стенке камеры сгорания, предотвращая вылет его из отверстия под действием высокого давления высокотемпературной среды.
Предлагаемая группа изобретений обеспечивает измерение тепловых потоков при многократных включениях камеры сгорания с температурой продуктов сгорания до 1800 К включительно и при давлении в камере сгорания до 12,0 МПа.