一种用于非接触测温红外探头的热防护及冷却装置

1.本发明属于换热设备技术领域，具体涉及一种用于非接触测温红外探头的热防护及冷却装置。


背景技术：

2.航空发动机是一种精密且非常复杂的热力机械，其性能的优越于否对飞机的可靠性能、安全性能以及经济性能有着直接的影响，同时其发展水平同样反映出了一个国家的科技、国防和工业等综合实力水平。航空发动机的研制的进步在很大程度是取决于各类的测试技术的发展，如温度、流量、压力、应力和震动等相关参数的测试，在其中温度是发动机的设计分析过程中的重要参数。
3.涡轮盘作为燃气涡轮式发动机中的一个十分关键的部件，其性能是影响航空发动机的特性的一个重要的因素。当前的普遍使用的涡轮盘测温方式仍然是传统的热电偶测温方式，该种测温方式在使用过程中存在安装不便的问题，易对测试效率产生影响；为了能够在涡轮盘内实现高温、高速旋转、强振动状态下的非接触式的温度测量，则需要研究红外测温的技术。目前的红外测温传感器的工作温度最高为50℃，但是在航空发动机的涡轮盘腔里，存在着导热、对流和辐射三种传热方式，因此涡轮盘腔内的导热形式十分复杂，易对传感器的工作产生影响。为实现在发动机工作状态下，红外传感器在涡轮盘腔内对涡轮盘进行长时间的测温需求，开展对现有的红外探头热防护和冷却结构设计具有重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种用于非接触测温红外探头的热防护及冷却装置，用以保证红外探头在高温环境下的稳定运行。
5.本发明提供了一种非接触测温红外探头的热防护及冷却装置，包括热防护套管、进气结构及出气结构；
6.所述热防护套管包括同心设置的外层不锈钢管、中层不锈钢管、内层不锈钢管，以及散热翅片；所述热防护套管前端包括由外层不锈钢管、中层不锈钢管形成的真空隔热层，以及由中层不锈钢管、内层不锈钢管形成的热管层；所述热防护套管后端包括由中层不锈钢管、内层不锈钢管形成的热管层；所述散热翅片通过过盈配合方式套于热防护套管后端中层不锈钢管的外壁；所述热防护套管前端真空隔热层及热管层端口通过前端盖封堵；所述热防护套管后端热管层端口通过后端盖封堵；所述热管层内填充有丙酮工质；所述内层不锈钢管腔体用于放置红外传感器；所述内层不锈钢管前端开口处安装有玻璃视窗；
7.所述进气结构包括进气嘴、氮气进气罩、盖板、均流板、准直管；所述出气结构包括氮气出气罩、安装支板；
8.所述进气嘴通过螺纹连接方式安装在氮气进气罩上，所述氮气进气罩一端通过螺栓与所述盖板连接，另一端通过螺栓与所述均流板及氮气出气罩连接；所述热防护套管后端安装于所述氮气出气罩内，所述氮气出气罩靠近热防护套管前端的环向设有出气口，所
述氮气出气罩通过螺栓固定在所述安装支板上；所述准直管设于所述氮气进气罩内，并与所述内层不锈钢管同轴连接；所述进气结构用于使由所述进气嘴进入的冷却气体在所述均流板的作用下均匀吹扫所述散热翅片，并使由所述盖板及准直管进入的冷却气体吹扫所述内层不锈钢管的腔体。
9.进一步地，所述玻璃视窗采用高温胶进行粘贴，或者采用旋钮扣紧方式安装。
10.进一步地，所述后端盖配有用于充装工质的充液管。
11.进一步地，所述中层不锈钢管内壁烧结有一层厚度为0.3-0.4的镍粉或不锈钢粉末，粉末粒径为100～300目，孔隙率大于等于50％，用于为热管层工质回流提供毛细力。
12.进一步地，所述外层不锈钢管外表面喷涂高反射率材料。
13.进一步地，所述前端盖内部设有三个圆槽，用来插入所述外层不锈钢管、中层不锈钢管、内层不锈钢管，所述后端盖内部设有二个圆槽，用于插入所述中层不锈钢管、内层不锈钢管，并配有与所述充液管连通的充注孔。
14.进一步地，所述散热翅片采用圆柱形结构。
15.与现有技术相比本发明的有益效果是：
16.本发明能够保证红外探头在高温环境下的稳定运行。
附图说明
17.图1为本发明用于非接触测温红外探头的热防护及冷却装置的立体图；
18.图2为本发明用于非接触测温红外探头的热防护及冷却装置的剖视图；
19.图3为本发明用于非接触测温红外探头的热防护及冷却装置的爆炸图；
20.图4为本发明热防护套管的爆炸图；
21.图5为本发明一实施例中用于安装非接触测温红外探头的热防护及冷却装置的涡轮盘的示意图；
22.图6为本发明一实施例中非接触测温红外探头的热防护及冷却装置安装于涡轮盘的示意图。
23.图中标号：
24.1-外层不锈钢管；2-中层不锈钢管；3-内层不锈钢管；4-后端盖；5-散热翅片；6-前端盖；7-玻璃视窗；8-进气嘴；9-氮气进气罩；10-盖板；11-均流板；12-螺栓；13-准直管；14-氮气出气罩；15-出气口；16-安装支板；17-充注口；18-涡轮盘；19-热防护套管安装孔。
具体实施方式
25.下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
26.参图1至图4所示，本实施例提供了一种非接触测温红外探头的热防护及冷却装置，包括热防护套管、进气结构及出气结构。
27.热防护套管包括同心设置的外层不锈钢管1、中层不锈钢管2、内层不锈钢管3，以及散热翅片5，不同直径的不锈钢管通过焊接完成连接；热防护套管前端包括由外层不锈钢管1、中层不锈钢管2形成的真空隔热层，以及由中层不锈钢管2、内层不锈钢管3形成的热管
层；热防护套管后端包括由中层不锈钢管2、内层不锈钢管3形成的热管层；真空隔热层用于隔绝部分热量，热管层用于传输热量；散热翅片5通过过盈配合方式套于热防护套管后端中层不锈钢管2的外壁，用时外层不锈钢管被加热，热量通过翅片散热带走；热防护套管前端真空隔热层及热管层端口通过前端盖6封堵，形成双空心圆柱层；热防护套管后端热管层端口通过后端盖4封堵；热管层内填充有丙酮工质；内层不锈钢管3腔体用于放置红外传感器；内层不锈钢管3前端开口处安装有玻璃视窗7，用以隔绝外部的部分热量。热防护套管的整体长度尺寸由承载的热负荷、背景辐射遮挡效率、测试安装时的位置要求等因素进行最终确定。进行工作时，中层不锈钢管受热，热管层内部的工质通过相变的方式带走大量热量并输送至翅片位置，热量通过热传导及对流的方式散入到大气环境中。
28.进气结构包括进气嘴8、氮气进气罩9、盖板10、均流板11、准直管13；出气结构包括氮气出气罩14、安装支板16；
29.连接外部冷气气源的进气嘴8通过螺纹连接方式安装在氮气进气罩9上，氮气进气罩9一端通过螺栓与所述盖板10连接，另一端通过螺栓12与均流板11及氮气出气罩14连接，盖板的轴心同热防护套管轴心重合；热防护套管后端安装于氮气出气罩14内，氮气出气罩14靠近热防护套管前端的环向设有出气口15，氮气出气罩的出气口位置同冷端翅片位置相对应，可保证升温后的气体顺利流出，使用时，冷却气体从氮气出气罩的出气口流出；氮气出气罩14通过螺栓固定在安装支板16上，安装支板可根据使用环境不同对其安装孔径进行调整以适应不同的使用需求，以保证整体结构在工作过程中不会发生晃动；准直管13设于所述氮气进气罩9内，并与内层不锈钢管3同轴连接；进气结构用于使由所述进气嘴8进入的冷却气体在所述均流板11的作用下均匀吹扫散热翅片5，并使由盖板10及准直管13进入的冷却气体吹扫内层不锈钢管3的腔体。使用时，冷气从进气嘴及盖板进入，经过均流板和准直管分流后，形成两股气流，分别吹扫热防护套管结构的翅片和内层不锈钢管的内腔，可保证放在内层不锈钢腔内的红外传感器的温度低于其最高使用温度。为提升冷却效率，使用氮气或其他冷却气体对翅片进行降温冷却，氮气进气出气罩尺寸同散热翅片端尺寸相互配合，用以保证通气顺利进行。为保证冷却气体的稳定持续流动，使用具有一定压力的外部起源连接到进气嘴上。进气嘴的安装直径为12mm，因此外部气源的对应连接部分也应为12mm。
30.该非接触测温红外探头的热防护及冷却装置能够保证红外探头在高温环境下的稳定运行，装配简单、操作简便，性能优越。
31.在本实施例中，玻璃视窗7可以采用高温胶进行粘贴，或者采用旋钮扣紧方式安装。注意旋钮方式需保证高温下不脱落。
32.在本实施例中，后端盖4配有用于充装工质的充液管17。充液管17管外径1mm，内径0.5mm，在完成工质装填之后，需对充液管进行封夹处理，并进行补焊操作以防止工质泄漏。
33.在本实施例中，中层不锈钢管2内壁烧结有一层厚度为0.3-0.4的镍粉或不锈钢粉末，粉末粒径为100～300目，孔隙率大于等于50％，用于为热管层工质回流提供毛细力。
34.在本实施例中，外层不锈钢管1外表面喷涂高反射率材料，用以提高真空层外壳的隔热效果。
35.在本实施例中，前端盖6内部设有三个圆槽，用来插入外层不锈钢管1、中层不锈钢管2、内层不锈钢管3，由于间距较小，采用cnc加工工艺成型；后端盖4内部设有二个圆槽，用于插入中层不锈钢管2、内层不锈钢管3，并配有与充液管17连通的充注孔，采用cnc加工成
型后，利用激光打孔机将充注孔打穿。为保证热防护套管的三层不锈钢管的正确配合，需保证最外层套筒的不锈钢管内径19mm，外径为20mm，定位完成后需进行前端盖和该层后端盖的焊斑打磨处理。中层不锈钢管内径为14.4mm，管内壁烧结金属粉末式吸液芯，结烧结后与前、后端盖进行焊接。内层不锈钢管采用内径为10mm，外径为11.6mm不锈钢管与前、后端盖进行焊接，前端盖内径为9mm，不锈钢管插入前端盖内部，在管子外圈进行焊接；后端盖由于要将红外探头深入，因此需与不锈钢管内径平齐，为10mm；三层不锈钢管的内外径均有公差要求，采用线切割工艺加工，零件加工完毕后，除散热翅片以外，其余零件均采用感应扩散焊焊接以降低传热热阻。
36.在本实施例中，散热翅片5采用圆柱形结构，周向排列，内径16mm，公差-0.1～0，外径32mm，采用线切割工艺加工成型，最终采用热套的方式与中层不锈钢管外壁紧密贴合。
37.航空发动机运转过程中将导致涡轮盘18温度大幅度升高，常规的热电偶测温方式相对来讲操作简便性差、对涡轮盘潜在损伤大、温度测量相对较大(接触式测温，对原始环境温度场产生一定影响)。所以考虑采用红外测温方式进行测温，为保证红外传感器及电气元器件和引线可在其工作温度范围情况下正常使用，将其置于本实施例提供的非接触测温红外探头的热防护及冷却装置的内层不锈钢管空腔内。外层不锈钢管和中层不锈钢管形成的真空隔热层可作为隔热效果良好的真空绝热体，对来自涡轮盘腔的热量有良好的阻绝效果。中层不锈钢管和内层不锈钢管形成的热管层具备优良的导热性能，可将热量通过相变传热的方式输送至热防护套管的翅片部分，防止热量在红外传感器的安放位置积聚进而对传感器正常工作造成影响。
38.参图5、图6所示，对涡轮盘表面进行测温时，需要需将组装好的热防护和冷却装置通过六个热防护套管安装孔19安装在涡轮盘支板上。
39.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

技术特征：
1.一种非接触测温红外探头的热防护及冷却装置，其特征在于，包括热防护套管、进气结构及出气结构；所述热防护套管包括同心设置的外层不锈钢管(1)、中层不锈钢管(2)、内层不锈钢管(3)，以及散热翅片(5)；所述热防护套管前端包括由外层不锈钢管(1)、中层不锈钢管(2)形成的真空隔热层，以及由中层不锈钢管(2)、内层不锈钢管(3)形成的热管层；所述热防护套管后端包括由中层不锈钢管(2)、内层不锈钢管(3)形成的热管层；所述散热翅片(5)通过过盈配合方式套于热防护套管后端中层不锈钢管(2)的外壁；所述热防护套管前端真空隔热层及热管层端口通过前端盖(6)封堵；所述热防护套管后端热管层端口通过后端盖(4)封堵；所述热管层内填充有丙酮工质；所述内层不锈钢管(3)腔体用于放置红外传感器；所述内层不锈钢管(3)前端开口处安装有玻璃视窗(7)；所述进气结构包括进气嘴(8)、氮气进气罩(9)、盖板(10)、均流板(11)、准直管(13)；所述出气结构包括氮气出气罩(14)、安装支板(16)；所述进气嘴(8)通过螺纹连接方式安装在氮气进气罩(9)上，所述氮气进气罩(9)一端通过螺栓与所述盖板(10)连接，另一端通过螺栓(12)与所述均流板(11)及氮气出气罩(14)连接；所述热防护套管后端安装于所述氮气出气罩(14)内，所述氮气出气罩(14)靠近热防护套管前端的环向设有出气口(15)，所述氮气出气罩(14)通过螺栓固定在所述安装支板(16)上；所述准直管(13)设于所述氮气进气罩(9)内，并与所述内层不锈钢管(3)同轴连接；所述进气结构用于使由所述进气嘴(8)进入的冷却气体在所述均流板(11)的作用下均匀吹扫所述散热翅片(5)，并使由所述盖板(10)及准直管(13)进入的冷却气体吹扫所述内层不锈钢管(3)的腔体。2.根据权利要求1所述的非接触测温红外探头的热防护及冷却装置，其特征在于，所述玻璃视窗(7)采用高温胶进行粘贴，或者采用旋钮扣紧方式安装。3.根据权利要求1所述的非接触测温红外探头的热防护及冷却装置，其特征在于，所述后端盖(4)配有用于充装工质的充液管(17)。4.根据权利要求1所述的非接触测温红外探头的热防护及冷却装置，其特征在于，所述中层不锈钢管(2)内壁烧结有一层厚度为0.3-0.4的镍粉或不锈钢粉末，粉末粒径为100～300目，孔隙率大于等于50％，用于为热管层工质回流提供毛细力。5.根据权利要求1所述的非接触测温红外探头的热防护及冷却装置，其特征在于，所述外层不锈钢管(1)外表面喷涂高反射率材料。6.根据权利要求1所述的非接触测温红外探头的热防护及冷却装置，其特征在于，所述前端盖(6)内部设有三个圆槽，用来插入所述外层不锈钢管(1)、中层不锈钢管(2)、内层不锈钢管(3)，所述后端盖(4)内部设有二个圆槽，用于插入所述中层不锈钢管(2)、内层不锈钢管(3)，并配有与所述充液管(17)连通的充注孔。7.根据权利要求1所述的非接触测温红外探头的热防护及冷却装置，其特征在于，所述散热翅片(5)采用圆柱形结构。

技术总结
本发明提供了一种非接触测温红外探头的热防护及冷却装置，包括热防护套管、进气结构及出气结构；所述热防护套管包括同心设置的外层不锈钢管(1)、中层不锈钢管(2)、内层不锈钢管(3)，以及散热翅片(5)；所述进气结构包括进气嘴(8)、氮气进气罩(9)、盖板(10)、均流板(11)、准直管(13)；所述出气结构包括氮气出气罩(14)、安装支板(16)；所述进气结构用于使由所述进气嘴(8)进入的冷却气体在所述均流板(11)的作用下均匀吹扫所述散热翅片(5)，并使由所述盖板(10)及准直管(13)进入的冷却气体吹扫所述内层不锈钢管(3)的腔体。本发明能够保证红外探头在高温环境下的稳定运行。保证红外探头在高温环境下的稳定运行。保证红外探头在高温环境下的稳定运行。


技术研发人员：杨立新 孙家智 韩爽
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/7/25