CN104458199B - 高超声速风洞气流稳定装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高超声速风洞气流稳定装置。其包括外壳筒体，滑移筒体、支撑筒体、发热元件和蓄热筒体，外壳筒体的两端分别带有法兰，外壳筒体内部依次为所述滑移筒体、支撑筒体和所述蓄热筒体，滑移筒体的外壁焊接有多个凸台，通述凸台与外壳筒体内表面抵接而配置在外壳筒体内，滑移筒体与所述支撑筒体之间固定有隔热层，所述发热元件安装在支撑筒体与所述蓄热筒体之间，蓄热筒体为具有前部扩张段、中间平直段和后部收缩段的内壁光滑的筒体，其一端焊接在所述外壳筒体一端的法兰上，另一端插接在所述外壳筒体另一端的法兰上。根据本发明的气流稳定装置，明显缩短风洞启动时间，提高试验效率，便于制造加工，安装方便。

Description

高超声速风洞气流稳定装置

技术领域

本发明涉及空气动力学领域，具体而言，涉及一种常规高超声速风洞设备部件，一种带电加热功能的气流稳定段装置。

背景技术

常规高超声速风洞运行时，风洞气流经过管道、阀门和加热器等设备，扰动大，流动紊乱，流速不均；主气流进入喷管前，需要气流稳定装置进行整流，以期达到流速均匀，沿喷管轴线气流方向无偏斜，较低的气流紊流度。使用中，按照风洞气流温度的差别，存在有不同的稳定段结构。

通常情况下，风洞对常温、低温气流进行整流的办法，是在稳定段前部加孔板、蜂窝器和纱网，来提高气流进入喷管喉道前的流动品质。特别是从直径较小气源管道到达孔径较大的稳定段平直部分，采用突扩或者大角度过渡段，更应在稳定段前方设置有金属多孔板，将气流速度均匀起来。高超声速风洞的主气流是属于高温高压状态下的流动，稳定段要承受高温和较大的压力，例如CAAA的FD-07风洞，试验调试参数Ma＝8运行时，气流温度480℃条件下，压力为8.0MPa。Ma＝10调试运行时，气流温度800℃条件下，压力达到10.0MPa，稳定段设计压力需要达到14.0MPa甚至更高，强度安全和气密性是极其重要的，稳定段的内部结构也必须耐热、抗冲击，连接可靠，外部必须耐压，气密性好。

根据现有经验，高超声速风洞稳定段内的蜂窝器和纱网在高温下易变形、损毁，特别是纱网结构，变成凸形，用一段时间，便起不到应有的整流作用，反而影响气流的均匀和风洞运行安全，所以高超声速风洞稳定段内部基本上不安装整流设备纱网、蜂窝器等，为了使通过阀以后的高速气流经过扩散减速，合理设计气流进入稳定装置的扩散部分，同时依靠长一些的平直段，以及大一些的亚音速收缩段，来起整流的作用。气流进入喷管前，为了避免加热的气流发生热偏折，气流的速度经验认为5～20m/s比较合适，低速流动的情况下，能够满足风洞稳定气流的要求。

针对高超声速风洞对气流加热的特点，风洞稳定段从冷状态短时间进入热状态，一般为数秒钟，风洞稳定段是被动吸热的，在风洞运行时需要主气流预热管道内壁，风洞等待稳定段气流温度上升的启动时间，有时甚至比正常的试验时间还要长；运行温度越高，启动时间越长。

对于压力-引射式风洞运行，例如CAAA的FD-07高超声速风洞，依靠热的主气流预热稳定段，大流量下，稳定段温度500℃时，一般30s左右，如果Ma数高，主气流的流量小时，预热的时间更长，风洞运行浪费大量的能源，为了达到快速升温的条件，需要提高加热器出口的温度，给加热器系统提出更高的要求，基于加热器的能力限制，高Ma数试验时，一般难以满足快速升温的目的。对于CARDC的FL-31高超声速风洞，目前，采取喷管前引出旁路，用热的主气流进行稳定段预热，来提高稳定段的温度，缩短风洞的启动时间，但带来设备运行的复杂程度提高和程序繁琐。

对于压力-真空风洞运行，真空系统一般维持风洞运行时间约几十秒，稳定段还没有达到要求的温度，真空罐的压力已经不能满足需要的压比条件，无法进行试验。例如，日本NAL-50常规高超声速风洞，增加预热排气系统，实验前，需要预热管道，在稳定段的末端设置三通，实验前依靠加热器的热气流，预先加热管道，余热气体通过旁路排出，能够达到缩短启动时间的目的，但风洞运行程序繁琐。

北京大学的￠0.3m和￠0.12m高超声速风洞，为满足快速启动，稳定段基本都要提前预热，来增加稳定段温度。采用的方法是，在稳定段壳体外缠绕电热带，但是，此方式稳定段加热温度必须受到限制。考虑壳体的耐压要求，加热温度一般限定在200℃以下，以防出现外壳筒体壁面加热不均，出现局部受热降低外壳筒体的耐压强度，由于主气流的耐压壳体管壁较厚，吸热量大，温度上升慢，消耗的电能较大，造成浪费。对于Ma大于7的风洞，应用此方式存在一定风险，如果风洞在更高Ma数条件下工作，主气流工作压力一般大于5.0MPa，使用壳体壁面加热是存在风险的，实际工程中一般不采用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种缩短高超声速风洞启动时间，便于加工制造的风洞稳定段装置。

本发明的高超声速风洞气流稳定装置包括外壳筒体，滑移筒体、支撑筒体、发热元件和蓄热筒体，所述外壳筒体的两端分别带有法兰，所述外壳筒体内部依次为所述滑移筒体、所述支撑筒体和所述蓄热筒体，所述滑移筒体的外壁焊接有多个凸台，通过所述凸台与所述外壳筒体内表面抵接而配置在所述外壳筒体内，所述滑移筒体与所述支撑筒体之间固定有隔热层，所述发热元件安装在所述支撑筒体与所述蓄热筒体之间，所述蓄热筒体为具有前部扩张段、中间平直段和后部收缩段的内壁光滑的筒体，其一端焊接在所述外壳筒体一端的法兰上，另一端插接在所述外壳筒体另一端的法兰上。

优选所述加热元件均匀平铺或缠绕在所述蓄热筒体上。

优选所述外壳筒体选用材料为12CrMoV的合金耐热钢，整体锻造而成。

优选所述滑移筒体的材料为1Cr18Ni9Ti，筒内固定保温层，整个筒体体能够沿轴向移动。

优选所述内层蓄热筒体通过壁厚较薄的无缝钢管与两端收缩管焊接而成，焊接后内部处理光滑，材料为Cr25Ni20的耐热钢，

优选所述发热元件为管道加热带，能够设定温度，实现不同设定管壁温度的恒温控制，其均匀缠绕在蓄热筒上，并用保温层覆盖。

优选还包括用于安装测温测压排架的排架安装座，所述排架安装座位于所述外壳筒体的中段位置。

优选还包括用于所述发热元件电连接的电接头，其安装在所述外壳筒体的靠近其一个端部的下面。

本发明与现有技术相比，优点体现在：

(1)加热后蓄热筒体与主气流温差小，主气流通过稳定段的蓄热筒体，热量损失小，主气流快速达到要求的温度，能够缩短风洞启动时间，减少风洞气源消耗。

(2)采用加热稳定段内部蓄热筒体的办法，蓄热体质量小，温度上升快，耗电量低，根据主气流在稳定段内的温度要求，实现自动恒温控制，降低风洞运行风险。

(3)易于加工制造，便于调整更换。

附图说明

图1为稳定段装置系统图。

图2为稳定段的结构示意图。

图3为电接头位置的稳定段截面图。

图4为电接头密封结构图。

图5蓄热筒发热元件布局结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行详细说明。

如图1所示，气流稳定装置系统图，风洞稳定段的前部，有高温高压管道1和高温高压快速阀2，是稳定段气源输入端部件，把加热器出来的高温高压气流通过控制，输入稳定段。气流在稳定段内减速，扩压，稳定，再通过收缩段，到达出口，稳定段出口部分连接锁紧机构13，通过液压机构或者螺栓紧固件与喷管14连接。在外壳筒体6中段具有排架安装座12，测温测压排架通过法兰盘固定排架安装座12上，用于测量气流的温度和压力。测压、测温排架一般在稳定段外壳筒体的中部位置安装，测压力是通过细钢管或者紫铜管引出压力源，接到传感器或者显示表上，测温则是把热电偶放置在排架的迎风位置，引出信号线，是目前风洞上应用比较成熟的测温测压结构

如图2为稳定段的结构示意图；稳定段装置包括连接法兰3，端面法兰4，连接螺栓5，外壳筒体6，滑移筒体7，隔热材料8，支撑筒体9，发热元件10，蓄热筒体11和排架安装座12。外壳筒体6两端分别带有法兰，连接法兰3通过焊接与前部的管道连接，连接法兰3与端面连接法兰4螺栓连接，端面连接法兰4通过螺栓连接在外壳筒体6一端的法兰上。锁紧机构13通过连接法兰和端面连接法兰连接在外壳筒体6的另一端的法兰上。耐压外壳筒体11通过材料为12CrMoV的合金耐热钢整体锻造而成，根据设备的压力，相应选择壁厚。

在外壳筒体6内依次具有滑移筒体7、支撑筒体9和蓄热筒体11。

滑移筒体7的外壁焊接有多个凸台，这些凸台抵接在外壳筒体6的内表面上，从而减少与外壳筒体6的接触面积，受热和冷却时滑移筒7能够自由伸缩。滑移筒体7的材料为1Cr18Ni9Ti，筒内固定保温层，整个筒体体能够沿轴向移动。采用气压平衡的方式，进口端部采用插接，留有空隙。

在滑移筒体7与支撑筒体之间安装有隔热材料8，该隔热材料8通过铸造成型，本实施例为多晶莫来石材料，通过组装固定在支撑筒体9上。

蓄热筒体11是具有前部扩张段、中间平直段和后部收缩段的内壁光滑的筒体，其一端焊接在外壳筒体6一端的法兰上，要确保内壁面光滑过渡。另一端插接在外壳筒体6另一端的法兰中，从而能够在受热时膨胀自由移动。蓄热筒体11通过壁厚较薄的无缝钢管与两端收缩管焊接而成，焊接后内部处理光滑，采用材料为Cr25Ni20的耐热钢。

支撑筒体9与蓄热筒体11之间具有用于安装发热元件10的空间，发热元件10为软带状发热体，称为管道加热带，能够设定温度，实现不同设定管壁温度的恒温控制，由耐热纤维套管封装，是成熟的市场产品。

发热元件10均匀缠绕在蓄热筒体11上，在蓄热筒体11的壁面安装测温热电偶，探测蓄热筒体的温度。发热元件的电源连接导线与电接头15相连。测温导线通过安装于排架安装座12上的测温测压排架引出。

如图3为电接头位置的稳定段截面图，电接头装置15通过法兰盘固定在外壳筒体6上，共有3件，分别接电源的A、B、C相，发热元件10的电源为380Vac供电。本实施例，电接头装置15安装在外壳筒体6的靠近其一个端部的下面，考虑外部外壳筒体6的空气对流传热，下部的温度较低，有利于电接头装置15的降温。电接头布局之间的角度为30°。

图4为电接头密封结构图，导电杆15-1外部安装刚玉绝缘件15-2，起到绝缘和隔离作用，密封绝缘件15-3安装在法兰15-4内，通过螺母15-5锁紧导电杆端部螺纹，压紧密封绝缘件15-3，法兰15-4通过螺栓固定在稳定段外壳筒体上。本实施例，法兰与稳定段外壳筒体之间采用紫铜密封，导电杆与法兰之间的密封绝缘件15-3使用云母垫片绝缘兼具密封作用。

如图5是蓄热筒体发热元件布局结构图，蓄热筒体11包括扩张段11-1，平直段11-2收缩段11-4组成，内壁过渡光滑；平直段11-2的壁外侧焊接隔板11-3，支撑筒体，保持蓄热筒体11在中心位置，隔板之间缠绕发热元件，两种缠绕方式，轴向平行铺设，或者圆周螺旋缠绕。根据本发明的实施例，发热元件10为轴向平行铺设，蓄热筒体11为薄壁耐热钢焊接筒体，材料为Cr25Ni20，吸热量小，温度上升快，壁面温度均匀。内部气流通道光滑过渡，对气流干扰小。在发热元件10的安装位置，同时铺设测温点，通过控制系统可以根据试验要求，设定不同的温度，实现温度测量显示和恒温控制。本实施例，控制温度设定为80℃、220℃、330℃、480℃、650℃、800℃，共6个目标值。满足不同Ma数喷管主气流的加热温度要求。以上对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施例。对本领域的技术人员来说，在权利要求书所记载的范畴内，显而易见地能够想到各种变更例或者修正例，当然也属于本发明的技术范畴。

Claims (7)

1.一种高超声速风洞气流稳定装置，其特征在于：包括外壳筒体，滑移筒体、支撑筒体、发热元件和蓄热筒体，所述外壳筒体的两端分别带有法兰，所述外壳筒体内部依次为所述滑移筒体、所述支撑筒体和所述蓄热筒体，所述滑移筒体的外壁焊接有多个凸台，通过所述凸台与所述外壳筒体内表面抵接而配置在所述外壳筒体内，所述滑移筒体与所述支撑筒体之间固定有隔热层，所述发热元件安装在所述支撑筒体与所述蓄热筒体之间，所述蓄热筒体为具有前部扩张段、中间平直段和后部收缩段的内壁光滑的筒体，其一端焊接在所述外壳筒体一端的法兰上，另一端插接在所述外壳筒体另一端的法兰上。

2.根据权利要求1所述的高超声速风洞气流稳定装置，其特征在于：所述发热元件均匀平铺或缠绕在所述蓄热筒体上。

3.根据权利要求1所述的高超声速风洞气流稳定装置，其特征在于：所述外壳筒体选用材料为12CrMoV的合金耐热钢，整体锻造而成。

4.根据权利要求1所述的高超声速风洞气流稳定装置，其特征在于：所述滑移筒体的材料为1Cr18Ni9Ti，筒内固定保温层，整个筒体体能够沿轴向移动。

5.根据权利要求2所述的高超声速风洞气流稳定装置，其特征在于：所述发热元件为管道加热带，能够设定温度，实现不同设定管壁温度的恒温控制，其均匀缠绕在蓄热筒上，并用保温层覆盖。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的高超声速风洞气流稳定装置，其特征在于：还包括用于安装测温测压排架的排架安装座，所述排架安装座位于所述外壳筒体的中段位置。

7.根据权利要求1～5中任一项所述的高超声速风洞气流稳定装置，其特征在于：还包括用于所述发热元件电连接的电接头，其安装在所述外壳筒体的靠近其一个端部的下面。