CN104180966B - 一种水冷天平 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水冷天平，包括杆式天平和水冷套，所述杆式天平的内部设置有两个通水管道，通水管道的两端分别设置在杆式天平的两个端面上；所述水冷套与杆式天平之间设置有转接头，所述转接头通过螺钉固定在杆式天平的一个端面上，转接头上设置有进水、出水转接管路，进水、出水转接管路的一端与杆式天平端面上的两个通水管道口位置相对应，且进水、出水转接管路的另一端与水冷套的进水口、出水口对应连接。本发明克服了波纹管式水冷天平阻力测量误差大、安装使用不便、波纹管容易损坏漏水的缺陷。另外，由于去除了波纹管相关装置，天平长度缩短、直径增大，大大提高了天平刚度和冷却效果，降低了温度效应，使测量不确定度显著减小。

Description

一种水冷天平

技术领域

本发明属于航空航天测力试验气动力测量技术领域，尤其是高超声速飞行器模型的风洞测力试验时，利用水冷系统冷却杆式天平进行高超声速飞行器模型精确六分量气动力测量，是高超声速测力试验中最重要的测量设备。

背景技术

天平是用于风洞试验中测量模型所受气动载荷的核心力学测量设备，利用粘贴在测量元件表面的应变计组成的惠斯登电桥将气动载荷引起的测量元件变形转换为电压信号，通过校准得到的电压信号与力、力矩的对应矩阵，计算获得作用在试验模型上的气动力。

高超声速风洞试验中，为了防止气体发生冷凝，要对气流进行加热，当Ma=10时，加热温度可达到800℃以上，用于测量飞行器模型上的空气动力与力矩的天平环境温度可达到200～300℃。高超声速风洞天平解决温度效应这一难题的主要方法一是对天平采取防热、隔热措施，二是对天平进行温度补偿，通常采用经过温度补偿的水冷式天平，使应变计在正常的温度范围内工作，以保证天平测量的精度和准度。

常见的水冷天平由水冷隔热套、天平元件、波纹管、冷却隔热接头和冷却水管等组成。冷却水经过水管，首先对冷却隔热接头进行冷却，再通过一侧的一组波纹管流经水冷隔热套对天平与模型进行冷却，最后通过另一侧的一组波纹管流出。由于波纹管将天平元件与支杆连接起来，无法消除波纹管刚度、水压及装配对阻力测量数据的影响，并且风洞试验时有可能因振动而发生损坏漏水，同时其结构复杂，减小了天平的直径，增加了天平长度，降低了天平刚度，严重影响到水冷天平的长期稳定性和使用寿命。

发明内容

本发明的目的是为了解决波纹管式水冷天平对测力数据的影响，提供一种水冷天平，采用独特的通水结构增强水冷天平的长期稳定性，延长水冷天平使用寿命，提高天平在高温环境下的测量精度和准度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案：一种水冷天平，包括杆式天平和水冷套，所述水冷套套在杆式天平上；

所述杆式天平的内部设置有两个通水管道，通水管道的两端分别设置在杆式天平的两个端面上；

所述水冷套与杆式天平之间设置有转接头，所述转接头通过螺钉固定在杆式天平的一个端面上，转接头上设置有进水、出水转接管路，进水、出水转接管路的一端与杆式天平端面上的两个通水管道口位置相对应，且进水、出水转接管路的另一端与水冷套的进水口、出水口对应连接；

所述杆式天平的两个通水管道，一个为进水管道，一个为出水管道。

在上述技术方案中，所述两个通水管道以杆式天平的轴心线为基线对称分布在杆式天平内部。

在上述技术方案中，所述的杆式天平中设置有阻力前支撑片和阻力后支撑片，所述进水管道和出水管道在前支撑片的两侧分别设置有一个“回”形管路，且在后支撑片的两侧分别设置有一个“回”形管路，共设置有四个“回”形管路。

在上述技术方案中，所述进水管道的“回”形管路和出水管道的“回”形管路在位置上相互错开，互不干涉。

在上述技术方案中，所述“回”形管路其中两个设置在阻力前支撑片和阻力后支撑片的内部，而另外两个设置在天平阻力测量结构与前后测量元件之间的过渡段内部。

在上述技术方案中，“回”形管路为纵向对称结构。

在上述技术方案中，所述水冷套内部为中空结构，且水冷套内设置有若干隔板。

在上述技术方案中，所述隔板成对等间隔交互设置，使得水冷套内部形成一个循环的过水通道。

本发明的工作原理是：利用冷却水通过杆式天平内部布置的通水管路，将冷却水输送到隔热套内流动，并将吸收热量的流体引到天平体外，形成冷却水流动回路，达到冷却天平目的。具体来讲，在杆式天平内部的连接结构上布置通水管路，取代外部通过两组波纹管给水冷套供水冷却和保护天平。杆式天平的前、后弹性敏感元件被阻力分割槽分开，仅通过阻力前支撑片和阻力后支撑片及阻力敏感元件连接，以便测量阻力，因此可以充分利用阻力前支撑片和阻力后支撑片的连接部位布置通水孔，以便将冷却水从外部通过天平内部的进水管路依次流经过渡段进水 “回”形管路、进水连接管路和支撑片进水“回”形管路，通过进水转接管路输入到水冷套内部流动，在此过程中吸收外部热量，吸收了热量的冷却水通过出水转接管路流经天平内部的出水管路依次流经过渡段出水 “回”形管路、出水连接管路和支撑片出水“回”形管路引出，并带走热量达到冷却天平的目的。

本发明所述的进水管路和出水管路中有四个结构为平行于天平横截面的“回”形管路，分别位于天平的过渡段内部和阻力支撑片内部，目的是在天平体内部形成相互不干涉冷却水流动通道；所述的“回”形管路为纵向对称结构，位于天平结构内部，需要通过焊接堵块的工艺加工。

本发明所述的“回”形管路在空间上相互独立，加工时可先沿管路方向加工通孔，然后再用适当长度的销钉过盈配合后焊接封死，其它管路可采用电火花深小孔加工技术与焊接技术相结合实现全部管路的加工；所述的“回”形管路充分利用天平阻力支撑片结构内部的空间，构造通水管路实现水路在天平前后段之间的连通，使冷却水在天平体内流动，带走天平外部热量；为了减小天平体内水压对测量结果的影响，可通过天平通水校准，获得气动力计算公式，标定水压对天平测量的影响，以减小天平测量误差。高超声速风洞测力试验时，在进水管路入口供给校准时相同压力的冷却水，在出水管路出口引出水路。

综上所述，本发明的有益效果是：

一是去除了高超声速风洞应变天平水冷回路中的波纹管及相关装置，消除了波纹管式水冷天平中波纹管装置对气动力测量的影响，尤其是对阻力测量精度和准度的影响。

二是去除了水冷回路中的波纹管及相关装置，简化了加工和装配，试验中不会因振动而发生漏水，延长了天平使用寿命，节约了高超声速风洞试验成本。

三是通水压力不受限制，通过通水状态天平校准可以消除天平体内部通水管路压力差对天平测量的影响，大大提高了冷却效果，降低测量不确定度。

四是隔热套内部设有隔板，使水流以隔热套内充分流动，冷却效果好。

五是增大了天平直径，减小了天平长度，大大提高了天平的刚度，增强了天平长期稳定性，延长了天平的使用寿命。

本发明有效的对高超声速风洞应变天平进行隔热和冷却，使应变计在正常的温度范围内工作，提高了天平测量的精度和准度，可广泛应用于多分量高超声速风洞水冷天平研制中，具有良好的实用性和推广价值。

除了用于高超声速风洞测力试验以外，若通入热水还可以用于低温风洞测力试验中天平加热与防护，减小温度效应，提高天平测量精度和准度。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的水冷天平通水结构主视图；

图2是图1的俯视图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是图3的B-B剖视图；

图5是图3的C-C剖视图；

图6是本发明的整体结构示意图；

图中：1.进水管路，11. 过渡段进水 “回”形管路，12.进水连接管路，13.支撑片进水“回”形管路， 2.出水管路，21. 过渡段出水 “回”形管路，22.出水连接管路，23.支撑片出水“回”形管路，3是水冷套，4是转接头。

具体实施方式

图1是本发明的水冷天平通水结构主视图。本发明所述的水冷天平通水结构，它主要包括进水管路1和出水管路2，所述的进水管路1通过过渡段进水 “回”形管路11、进水连接管路12和支撑片进水“回”形管路13，将冷却水输送到外部的水冷套达到隔热与降温目的；所述的出水管路2通过过渡段出水 “回”形管路21、出水连接管路22和支撑片出水“回”形管路23，将充分吸收热量的冷却水从水冷套输送出来，以形成冷却回路，以降低天平温度。

图2是图1的俯视图，所述的“回”形管路为纵向对称结构，位于天平结构内部,有利于降低水压对测量结果的影响，减小天平体内管路中流体的温度变化不均匀、不对称引起的测量误差。

图3是图2的A-A剖视图，所述的进水管路1和出水管路2位于天平体内，需要经过天平的前、后测量元件，在空间上相互独立；所述的进水管路1和出水管路2中的部分深小孔需要通过电火花深孔加工技术加工，具有一定的加工难度；所述的进水连接管路12和出水连接管路22分别位于天平阻力测量结构实体内部，需要将事先加工好的管路部件焊接到天平体上形成连通回路。

图4是图3的B-B剖视图，所述的支撑片进水“回”形管路13纵向对称，加工时可先沿管路方向加工通孔，然后再用适当长度的销钉过盈配合后焊接封死。所述的支撑片出水“回”形管路23结构与支撑片进水“回”形管路13类似。

图5是图3的C-C剖视图，所述的过渡段进水 “回”形管路11纵向对称，加工时可先沿管路方向加工通孔，然后再用适当长度的销钉过盈配合后焊接封死。所述的过渡段出水 “回”形管路21结构与过渡段进水 “回”形管路11类似。

下面参照图1-5说明本发明所述的水冷天平的实施步骤：

杆式天平内部的进水管路1和出水管路2要经过巧妙设计，其主要原则一是方便加工，二是不与其它功能结构干涉，三是要尽量远离应变计粘贴面并对称布置，以减小温差和压力变化对贴片处应变的影响。通水管路的直径根据天平的直径确定，优选地，孔径为φ2mm。所述的进水管路1和出水管路2在天平两个端部上下对称布置，并且关于纵剖面对称，一是可以错开天平固定端上面的定位键和拉紧楔孔等其它结构，也不影响天平模型端上面的大螺纹孔正常使用，二是便于加工和减小冷却水对天平测量的影响。通水管路中设置有四个平行于天平横截面的“回”形管路，其中所述的过渡段进水 “回”形管路11和过渡段出水 “回”形管路21位于天平阻力测量结构与前后测量元件之间的过渡段内部；所述的支撑片进水“回”形管路13和支撑片出水“回”形管路23位于阻力支撑片结构中的一组支撑片内部，它们在空间上尽量对称，但在纵向要避免进水管路1与出水管路2互不干涉。

杆式天平中进水管路1和出水管路2的加工主要利用深小孔加工技术和焊接技术，具体如下：靠近杆式天平端面的深小孔进水管路可利用电火花深小孔直接加工；四个平行于天平横截面的“回”形管路可先沿各管路加工通孔，然后在不需要的工艺孔位置用适当长度的销钉过盈配合后焊接封死；杆式天平中部的进水连接管路12和出水连接管路22可通过电火花加工沟槽，再在外侧焊接盖板。必要时“回”形管路与进水连接管路12和出水连接管路22之间需要加工连接管路，加工方法同“回”形管路，在杆式天平端面的管路转接处需要加工倒角以方便密封圈安装和保证密封效果。

完成加工后的杆式天平在完成应变计粘贴和温度补偿后，先将天平模型端锥面与水冷套锥面装配，保证配合面达85%以上，并且锥小径端面平齐，然后在进水转接管路和出水转接管路与杆式天平和水冷套连接位置安装耐高温密封圈，将转接头盖上，用螺钉拉紧。

安装完成后通过加压通水试验，确保所有管路不漏水、渗水，然后进行天平通水校准，获得气动力计算公式，并标定水压对天平测量的影响，以减小天平测量不确定度。高超声速风洞测力试验时，在进水管路1入口供给校准时相同压力的冷却水，在出水管路2出口引出水路。试验中有条件最好通入过滤水或蒸馏水，在试验完成后通过高压气体吹干通水管路，并定期通入除垢剂和防锈剂，以防止管路堵塞。

如图6所示，是本发明的装配后的结构示意图，正如前面所述的水冷天平安装过程，将水冷套套在水冷天平上，水冷套与水冷天平之间采用转接头连接。转接头采用螺钉固定在水冷天平的一端，转接头上设置有进水、出水转接管路，进水、出水转接管路与水冷天平上的进水道和出水道相配合，在转接头与水冷天平之间设置密封线圈保证内部空间的密封性。水冷套内设置有若干对隔板，每对隔板等间隔设置，使得水冷套内的空间被隔板隔成一个循环的过水通道，这样就能保证水从水冷套能完全通过，不会出现死角，有效的保证水冷效果。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明可扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种水冷天平，包括杆式天平和水冷套，所述水冷套套在杆式天平上；其特征为：

所述杆式天平的内部设置有两个通水管道，通水管道的两端分别设置在杆式天平的两个端面上；

所述水冷套与杆式天平之间设置有转接头，所述转接头通过螺钉固定在杆式天平的一个端面上，转接头上设置有进水、出水转接管路，进水、出水转接管路的一端与杆式天平端面上的两个通水管道口位置相对应，且进水、出水转接管路的另一端与水冷套的进水口、出水口对应连接；

所述杆式天平的两个通水管道，一个为进水管道，一个为出水管道；

所述两个通水管道以杆式天平的轴心线为基线对称分布在杆式天平内部，所述的杆式天平中设置有阻力前支撑片和阻力后支撑片，所述进水管道和出水管道在阻力前支撑片的两侧分别设置有一个“回”形管路，且在后支撑片的两侧分别设置有一个“回”形管路，共设置有四个“回”形管路。

2.根据权利要求1所述的一种水冷天平，其特征为所述进水管道的“回”形管路和出水管道的“回”形管路在位置上相互错开，互不干涉。

3.根据权利要求1所述的一种水冷天平，其特征为所述“回”形管路其中两个设置在阻力前支撑片和阻力后支撑片的内部，而另外两个设置在天平阻力测量结构与前后测量元件之间的过渡段内部。

4.根据权利要求1所述的一种水冷天平，其特征为所述“回”形管路为纵向对称结构。

5.根据权利要求1所述的一种水冷天平，其特征为所述水冷套内部为中空结构，且水冷套内设置有若干隔板。

6.根据权利要求5所述的一种水冷天平，其特征为所述隔板成对、等间隔交互设置，使得水冷套内部形成一个循环的过水通道。