高超聲速風(fēng)洞氣流穩(wěn)定裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種高超聲速風(fēng)洞氣流穩(wěn)定裝置。其包括外殼筒體，滑移筒體、支撐筒體、加熱元件和蓄熱筒體，外殼筒體的兩端分別帶有法蘭，外殼筒體內(nèi)部依次為所述滑移筒體、支撐筒體和所述蓄熱筒體，滑移筒體的外壁焊接有多個凸臺，通述凸臺與外殼筒體內(nèi)表面抵接而配置在外殼筒體內(nèi)，滑移筒體與所述支撐筒體之間固定有隔熱層，所述發(fā)熱元件安裝在支撐筒體與所述蓄熱筒體之間，蓄熱筒體為具有前部擴(kuò)張段、中間平直段和后部收縮段的內(nèi)壁光滑的筒體，其一端焊接在所述外殼筒體一端的法蘭上，另一端插接在所述外殼筒體另一端的法蘭上。根據(jù)本發(fā)明的氣流穩(wěn)定裝置，明顯縮短風(fēng)洞啟動時間，提高試驗效率，便于制造加工，安裝方便。
【專利說明】高超聲速風(fēng)洞氣流穩(wěn)定裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及空氣動力學(xué)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種常規(guī)高超聲速風(fēng)洞設(shè)備部件，一種帶電加熱功能的氣流穩(wěn)定段裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]常規(guī)高超聲速風(fēng)洞運(yùn)行時，風(fēng)洞氣流經(jīng)過管道、閥門和加熱器等設(shè)備，擾動大，流動紊亂，流速不均；主氣流進(jìn)入噴管前，需要?dú)饬鞣€(wěn)定裝置進(jìn)行整流，以期達(dá)到流速均勻，沿噴管軸線氣流方向無偏斜，較低的氣流紊流度。使用中，按照風(fēng)洞氣流溫度的差別，存在有不同的穩(wěn)定段結(jié)構(gòu)。
[0003]通常情況下，風(fēng)洞對常溫、低溫氣流進(jìn)行整流的辦法，是在穩(wěn)定段前部加孔板、蜂窩器和紗網(wǎng)，來提高氣流進(jìn)入噴管喉道前的流動品質(zhì)。特別是從直徑較小氣源管道到達(dá)孔徑較大的穩(wěn)定段平直部分，采用突擴(kuò)或者大角度過渡段，更應(yīng)在穩(wěn)定段前方設(shè)置有金屬多孔板，將氣流速度均勻起來。高超聲速風(fēng)洞的主氣流是屬于高溫高壓狀態(tài)下的流動，穩(wěn)定段要承受高溫和較大的壓力，例如CAAA的FD-07風(fēng)洞，試驗調(diào)試參數(shù)Ma = 8運(yùn)行時，氣流溫度480°C條件下，壓力為8.0MPa。Ma= 10調(diào)試運(yùn)行時，氣流溫度800°C條件下，壓力達(dá)到10.0MPa，穩(wěn)定段設(shè)計壓力需要達(dá)到14.0MPa甚至更高，強(qiáng)度安全和氣密性是極其重要的，穩(wěn)定段的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也必須耐熱、抗沖擊，連接可靠，外部必須耐壓，氣密性好。
[0004]根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗，高超聲速風(fēng)洞穩(wěn)定段內(nèi)的蜂窩器和紗網(wǎng)在高溫下易變形、損毀，特別是紗網(wǎng)結(jié)構(gòu)，變成凸形，用一段時間，便起不到應(yīng)有的整流作用，反而影響氣流的均勻和風(fēng)洞運(yùn)行安全，所以高超聲速風(fēng)洞穩(wěn)定段內(nèi)部基本上不安裝整流設(shè)備紗網(wǎng)、蜂窩器等，為了使通過閥以后的高速氣流經(jīng)過擴(kuò)散減速，合理設(shè)計氣流進(jìn)入穩(wěn)定裝置的擴(kuò)散部分，同時依靠長一些的平直段，以及大一些的亞音速收縮段，來起整流的作用。氣流進(jìn)入噴管前，為了避免加熱的氣流發(fā)生熱偏折，氣流的速度經(jīng)驗認(rèn)為5?20m/s比較合適,低速流動的情況下，能夠滿足風(fēng)洞穩(wěn)定氣流的要求。
[0005]針對高超聲速風(fēng)洞對氣流加熱的特點(diǎn)，風(fēng)洞穩(wěn)定段從冷狀態(tài)短時間進(jìn)入熱狀態(tài)，一般為數(shù)秒鐘，風(fēng)洞穩(wěn)定段是被動吸熱的，在風(fēng)洞運(yùn)行時需要主氣流預(yù)熱管道內(nèi)壁，風(fēng)洞等待穩(wěn)定段氣流溫度上升的啟動時間，有時甚至比正常的試驗時間還要長；運(yùn)行溫度越高，啟動時間越長。
[0006]對于壓力-引射式風(fēng)洞運(yùn)行，例如CAAA的FD-07高超聲速風(fēng)洞，依靠熱的主氣流預(yù)熱穩(wěn)定段，大流量下，穩(wěn)定段溫度500°C時，一般30s左右，如果Ma數(shù)高，主氣流的流量小時，預(yù)熱的時間更長，風(fēng)洞運(yùn)行浪費(fèi)大量的能源，為了達(dá)到快速升溫的條件，需要提高加熱器出口的溫度，給加熱器系統(tǒng)提出更高的要求，基于加熱器的能力限制，高M(jìn)a數(shù)試驗時，一般難以滿足快速升溫的目的。對于CARDC的FL-31高超聲速風(fēng)洞，目前，采取噴管前引出旁路，用熱的主氣流進(jìn)行穩(wěn)定段預(yù)熱，來提高穩(wěn)定段的溫度，縮短風(fēng)洞的啟動時間，但帶來設(shè)備運(yùn)行的復(fù)雜程度提高和程序繁瑣。
[0007]對于壓力-真空風(fēng)洞運(yùn)行，真空系統(tǒng)一般維持風(fēng)洞運(yùn)行時間約幾十秒，穩(wěn)定段還沒有達(dá)到要求的溫度，真空罐的壓力已經(jīng)不能滿足需要的壓比條件，無法進(jìn)行試驗。例如，日本NAL-50常規(guī)高超聲速風(fēng)洞，增加預(yù)熱排氣系統(tǒng)，實(shí)驗前，需要預(yù)熱管道，在穩(wěn)定段的末端設(shè)置三通，實(shí)驗前依靠加熱器的熱氣流，預(yù)先加熱管道，余熱氣體通過旁路排出，能夠達(dá)到縮短啟動時間的目的，但風(fēng)洞運(yùn)行程序繁瑣。
[0008]北京大學(xué)的0 0.3m和0 0.12m高超聲速風(fēng)洞，為滿足快速啟動，穩(wěn)定段基本都要提前預(yù)熱，來增加穩(wěn)定段溫度。采用的方法是，在穩(wěn)定段殼體外纏繞電熱帶，但是，此方式穩(wěn)定段加熱溫度必須受到限制。考慮殼體的耐壓要求，加熱溫度一般限定在200°C以下，以防出現(xiàn)外殼筒體壁面加熱不均，出現(xiàn)局部受熱降低外殼筒體的耐壓強(qiáng)度，由于主氣流的耐壓殼體管壁較厚，吸熱量大，溫度上升慢，消耗的電能較大，造成浪費(fèi)。對于Ma大于7的風(fēng)洞，應(yīng)用此方式存在一定風(fēng)險，如果風(fēng)洞在更高M(jìn)a數(shù)條件下工作，主氣流工作壓力一般大于5.0MPa,使用殼體壁面加熱是存在風(fēng)險的,實(shí)際工程中一般不米用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種縮短高超聲速風(fēng)洞啟動時間，便于加工制造的風(fēng)洞穩(wěn)定段裝置。
[0010]本發(fā)明的高超聲速風(fēng)洞氣流穩(wěn)定裝置包括外殼筒體，滑移筒體、支撐筒體、加熱元件和蓄熱筒體，所述外殼筒體的兩端分別帶有法蘭，所述外殼筒體內(nèi)部依次為所述滑移筒體、所述支撐筒體和所述蓄熱筒體，所述滑移筒體的外壁焊接有多個凸臺，通過所述凸臺與所述外殼筒體內(nèi)表面抵接而配置在所述外殼筒體內(nèi)，所述滑移筒體與所述支撐筒體之間固定有隔熱層，所述加熱元件安裝在所述支撐筒體與所述蓄熱筒體之間，所述蓄熱筒體為具有前部擴(kuò)張段、中間平直段和后部收縮段的內(nèi)壁光滑的筒體，其一端焊接在所述外殼筒體一端的法蘭上，另一端插接在所述外殼筒體另一端的法蘭上。
[0011 ] 優(yōu)選所述加熱元件均勻平鋪或纏繞在所述蓄熱筒體上。
[0012]優(yōu)選所述外殼筒體選用材料為12CrMoV的合金耐熱鋼，整體鍛造而成。
[0013]優(yōu)選所述滑移筒體的材料為lCrl8Ni9Ti，筒內(nèi)固定保溫層，整個筒體體能夠沿軸向移動。
[0014]優(yōu)選所述內(nèi)層蓄熱筒體通過壁厚較薄的無縫鋼管與兩端收縮管焊接而成，焊接后內(nèi)部處理光滑，材料為Cr25Ni20的耐熱鋼，
[0015]優(yōu)選所述發(fā)熱元件為管道加熱帶，能夠設(shè)定溫度，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)定管壁溫度的恒溫控制，其均勻纏繞在蓄熱筒上，并用保溫層覆蓋。
[0016]優(yōu)選還包括用于安裝測溫測壓排架的排架安裝座，所述排架安裝座位于所述外殼筒體的中段位置。
[0017]優(yōu)選還包括用于所述發(fā)熱元件電連接的電接頭，其安裝在所述外殼筒體的靠近其一個端部的下面。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在:
[0019](I)加熱后蓄熱筒體與主氣流溫差小，主氣流通過穩(wěn)定段的蓄熱筒體，熱量損失小，主氣流快速達(dá)到要求的溫度，能夠縮短風(fēng)洞啟動時間，減少風(fēng)洞氣源消耗。
[0020](2)采用加熱穩(wěn)定段內(nèi)部蓄熱筒體的辦法，蓄熱體質(zhì)量小，溫度上升快，耗電量低，根據(jù)主氣流在穩(wěn)定段內(nèi)的溫度要求，實(shí)現(xiàn)自動恒溫控制，降低風(fēng)洞運(yùn)行風(fēng)險。
[0021](3)易于加工制造，便于調(diào)整更換。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為穩(wěn)定段裝置系統(tǒng)圖。
[0023]圖2為穩(wěn)定段的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖3為電接頭位置的穩(wěn)定段截面圖。
[0025]圖4為電接頭密封結(jié)構(gòu)圖。
[0026]圖5蓄熱筒發(fā)熱元件布局結(jié)構(gòu)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0028]如圖1所示，氣流穩(wěn)定裝置系統(tǒng)圖，風(fēng)洞穩(wěn)定段的前部，有高溫高壓管道I和高溫高壓快速閥2，是穩(wěn)定段氣源輸入端部件，把加熱器出來的高溫高壓氣流通過控制，輸入穩(wěn)定段。氣流在穩(wěn)定段內(nèi)減速，擴(kuò)壓，穩(wěn)定，再通過收縮段，到達(dá)出口，穩(wěn)定段出口部分連接鎖緊機(jī)構(gòu)13，通過液壓機(jī)構(gòu)或者螺栓緊固件與噴管14連接。在外殼筒體6中段具有排架安裝座12，測溫測壓排架通過法蘭盤固定排架安裝座12上，用于測量氣流的溫度和壓力。測壓、測溫排架一般在穩(wěn)定段外殼筒體的中部位置安裝，測壓力是通過細(xì)鋼管或者紫銅管引出壓力源，接到傳感器或者顯示表上，測溫則是把熱電偶放置在排架的迎風(fēng)位置，引出信號線，是目前風(fēng)洞上應(yīng)用比較成熟的測溫測壓結(jié)構(gòu)
[0029]如圖2為穩(wěn)定段的結(jié)構(gòu)示意圖；穩(wěn)定段裝置包括連接法蘭3，端面法蘭4，連接螺栓5，外殼筒體6，滑移筒體7，隔熱材料8，支撐筒體9，發(fā)熱元件10，蓄熱筒體11和排架安裝座12。外殼筒體6兩端分別帶有法蘭，連接法蘭3通過焊接與前部的管道連接，連接法蘭3與端面連接法蘭4螺栓連接，端面連接法蘭4通過螺栓連接在外殼筒體6 —端的法蘭上。鎖緊機(jī)構(gòu)13通過連接法蘭和端面連接法蘭連接在外殼筒體6的另一端的法蘭上。耐壓外殼筒體11通過材料為12CrMoV的合金耐熱鋼整體鍛造而成，根據(jù)設(shè)備的壓力，相應(yīng)選擇壁厚。
[0030]在外殼筒體6內(nèi)依次具有滑移筒體7、支撐筒體9和蓄熱筒體11。
[0031]滑移筒體7的外壁焊接有多個凸臺，這些凸臺抵接在外殼筒體6的內(nèi)表面上，從而減少與外殼筒體6的接觸面積，受熱和冷卻時滑移筒7能夠自由伸縮?；仆搀w7的材料為lCrl8Ni9Ti，筒內(nèi)固定保溫層，整個筒體體能夠沿軸向移動。采用氣壓平衡的方式，進(jìn)口端部采用插接，留有空隙。
[0032]在滑移筒體7與支撐筒體之間安裝有隔熱材料8，該隔熱材料8通過鑄造成型，本實(shí)施例為多晶莫來石材料，通過組裝固定在蓄熱筒體11和支撐筒體9上。
[0033]蓄熱筒體11是具有前部擴(kuò)張段、中間平直段和后部收縮段的內(nèi)壁光滑的筒體，其一端焊接在外殼筒體6 —端的法蘭上,要確保內(nèi)壁面光滑過渡。另一端插接在外殼筒體6另一端的法蘭中，從而能夠在受熱時膨脹自由移動。蓄熱筒體11通過壁厚較薄的無縫鋼管與兩端收縮管焊接而成，焊接后內(nèi)部處理光滑，采用材料為Cr25Ni20的耐熱鋼。
[0034]支撐筒體9與蓄熱筒體11之間具有用于安裝發(fā)熱元件10的空間，發(fā)熱元件10為軟帶狀發(fā)熱體，稱為管道加熱帶，能夠設(shè)定溫度，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)定管壁溫度的恒溫控制，由耐熱纖維套管封裝，是成熟的市場產(chǎn)品。
[0035]發(fā)熱元件10均勻纏繞在蓄熱筒體11上，在蓄熱筒體11的壁面安裝測溫?zé)犭娕?，探測蓄熱筒體的溫度。發(fā)熱元件的電源連接導(dǎo)線與電接頭15相連。測溫導(dǎo)線通過安裝于排架安裝座12上的測溫測壓排架引出。
[0036]如圖3為電接頭位置的穩(wěn)定段截面圖，電接頭裝置15通過法蘭盤固定在外殼筒體6上，共有3件，分別接電源的A、B、C相，發(fā)熱元件10的電源為380Vac供電。本實(shí)施例，電接頭裝置15安裝在外殼筒體6的靠近其一個端部的下面，考慮外部外殼筒體6的空氣對流傳熱，下部的溫度較低，有利于電接頭裝置15的降溫。電接頭布局之間的角度為30°。
[0037]圖4為電接頭密封結(jié)構(gòu)圖，導(dǎo)電桿15-1外部安裝剛玉絕緣件15-2，起到絕緣和隔離作用，密封絕緣件15-3安裝在法蘭15-4內(nèi)，通過螺母15-5鎖緊導(dǎo)電桿端部螺紋，壓緊密封絕緣件15-3，法蘭15-4通過螺栓固定在穩(wěn)定段外殼筒體上。本實(shí)施例，法蘭與穩(wěn)定段外殼筒體之間采用紫銅密封，導(dǎo)電桿與法蘭之間的密封絕緣件15-3使用云母墊片絕緣兼具密封作用。
[0038]如圖5是蓄熱筒體發(fā)熱元件布局結(jié)構(gòu)圖，蓄熱筒體11包括擴(kuò)張段11-1，平直段11-2收縮段11-4組成，內(nèi)壁過渡光滑；平直段11-2的壁外側(cè)焊接隔板11-3，支撐筒體，保持蓄熱筒體11在中心位置，隔板之間纏繞發(fā)熱元件，兩種纏繞方式，軸向平行鋪設(shè)，或者圓周螺旋纏繞。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，發(fā)熱元件10為軸向平行鋪設(shè)，蓄熱筒體11為薄壁耐熱鋼焊接筒體，材料為Cr25Ni20，吸熱量小，溫度上升快，壁面溫度均勻。內(nèi)部氣流通道光滑過渡，對氣流干擾小。在發(fā)熱元件10的安裝位置，同時鋪設(shè)測溫點(diǎn)，通過控制系統(tǒng)可以根據(jù)試驗要求，設(shè)定不同的溫度，實(shí)現(xiàn)溫度測量顯示和恒溫控制。本實(shí)施例，控制溫度設(shè)定為80°C、220°C、330°C、480°C、650°C、800°C，共6個目標(biāo)值。滿足不同Ma數(shù)噴管主氣流的加熱溫度要求。以上對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了說明，但本發(fā)明并不限定于上述實(shí)施例。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在權(quán)利要求書所記載的范疇內(nèi)，顯而易見地能夠想到各種變更例或者修正例，當(dāng)然也屬于本發(fā)明的技術(shù)范疇。
【權(quán)利要求】
1.一種高超聲速風(fēng)洞氣流穩(wěn)定裝置，其特征在于:包括外殼筒體，滑移筒體、支撐筒體、加熱元件和蓄熱筒體，所述外殼筒體的兩端分別帶有法蘭，所述外殼筒體內(nèi)部依次為所述滑移筒體、所述支撐筒體和所述蓄熱筒體，所述滑移筒體的外壁焊接有多個凸臺，通過所述凸臺與所述外殼筒體內(nèi)表面抵接而配置在所述外殼筒體內(nèi)，所述滑移筒體與所述支撐筒體之間固定有隔熱層，所述發(fā)熱元件安裝在所述支撐筒體與所述蓄熱筒體之間，所述蓄熱筒體為具有前部擴(kuò)張段、中間平直段和后部收縮段的內(nèi)壁光滑的筒體，其一端焊接在所述外殼筒體一端的法蘭上，另一端插接在所述外殼筒體另一端的法蘭上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高超聲速風(fēng)洞氣流穩(wěn)定裝置，其特征在于:所述發(fā)熱元件均勻平鋪或纏繞在所述蓄熱筒體上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高超聲速風(fēng)洞氣流穩(wěn)定裝置，其特征在于:所述外殼筒體選用材料為12CrMoV的合金耐熱鋼，整體鍛造而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高超聲速風(fēng)洞氣流穩(wěn)定裝置，其特征在于:所述滑移筒體的材料為lCrl8Ni9Ti，筒內(nèi)固定保溫層，整個筒體體能夠沿軸向移動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高超聲速風(fēng)洞氣流穩(wěn)定裝置，其特征在于:所述內(nèi)層蓄熱筒體通過壁厚較薄的無縫鋼管與兩端收縮管焊接而成，焊接后內(nèi)部處理光滑，材料為Cr25Ni20的耐熱鋼，
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高超聲速風(fēng)洞氣流穩(wěn)定裝置，其特征在于:所述發(fā)熱元件為管道加熱帶，能夠設(shè)定溫度，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)定管壁溫度的恒溫控制，其均勻纏繞在蓄熱筒上，并用保溫層覆蓋。
7.根據(jù)權(quán)利要求1?6中任一項所述的高超聲速風(fēng)洞氣流穩(wěn)定裝置，其特征在于:還包括用于安裝測溫測壓排架的排架安裝座，所述排架安裝座位于所述外殼筒體的中段位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1?6中任一項所述的高超聲速風(fēng)洞氣流穩(wěn)定裝置，其特征在于:還包括用于所述發(fā)熱元件電連接的電接頭，其安裝在所述外殼筒體的靠近其一個端部的下面。
【文檔編號】G01M9/04GK104458199SQ201410768065
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月11日
【發(fā)明者】郭孝國, 王宏亮 申請人:中國航天空氣動力技術(shù)研究院