CN105444979B - 一种阵列膜片泄压式风洞实验舱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列膜片泄压式风洞实验舱，包括实验舱舱体，实验舱舱体上开设有舱门，实验舱舱体沿纵向的截面为圆形，舱门为与实验舱舱体活动连接的圆弧形翻盖，当实验舱舱体处于闭合状态时舱门的截面圆弧的圆心在实验舱舱体沿轴向的中心线上。本发明通过风洞实验舱舱门采用格栅式舱门骨架，并在舱门骨架的大格栅上蒙上带有泄压槽的圆弧型泄压膜片；在实验舱内压为负压时，试验正常进行，实验舱内压为正压时，圆弧型泄压膜片向外破碎，实验舱舱体内的正压气体通过舱门骨架的大格栅泄压，从而保护实验舱舱体和舱体内模型设备的安全。

Description

一种阵列膜片泄压式风洞实验舱

技术领域

本发明涉及风洞实验技术领域，特别地，涉及一种风洞实验舱。

背景技术

超燃推进风洞和高超声速风洞广泛的应用于导弹、高超声速飞行器、空天飞机的模型实验，是航空航天领域内非常重要的地面试验设备。超燃推进风洞一般包括加热器、喷管、实验舱、扩压器、引射器(或真空罐)、气源系统、控制系统等，实验舱是实验模型的场所，是风洞的重要部件，要满足不同实验模型、实验任务的需要。

实验舱上游与喷管相连，下游与扩压器连接，对实验舱的基本要求有以下几个方面：

1)气动性能好。空气动力学性能要求好，确保高超声速推进风洞的启动性能和实验性能；

2)足够的空间。保证模型有足够的尺寸，以满足实验雷诺数要求和几何模拟的精确性；

3)气密性好。风洞正常启动时，实验舱内压力一般情况下接近真空，但出现特殊情况时也有正压力，不能出现气体泄漏现象，否则影响风洞气动和实验性能；

4)结构强度、刚度好。由于试验过程中，不管是在真空条件或正压，要保证实验舱在不变形、不破坏；

5)使用方便。如模型的安装和调整，模型姿态的调整，测量，数据采集都要求方便；

6)不同实验条件下，满足测量、数据采集、流场显示对实验舱的要求。

对于风洞设备中的实验舱，其基本的原理图如图1所示，实验舱的上游与喷管连接，下游与扩压器连接，实验模型置于喷管出口并且在实验舱中心位置。对于风洞实验舱外形设计，一般有两种，方形实验舱和圆形实验舱，方形实验舱和圆形实验舱各有优缺点，这两种类型的实验舱在风洞设备中均使用过，这里不再详细讨论。

对于传统的圆形实验舱，结构如图2所示，一般包括实验舱舱体、舱门、支撑件等主要部分，舱门一般都开在实验舱侧面。实验舱的舱门质量都较大，从几十公斤到几百公斤，甚至上吨，主要是用于模型进出实验舱，同时实验人员也需要通过舱门进出实验舱。

在不同的风洞实验中，有不同形状和尺寸的实验模型进出实验舱，对于大型风洞，模型的尺寸长度可以达到5-7m，直径1m以上，模型重量更是达到几吨；此时由于模型尺寸大、质量大，进出实验舱将非常困难，模型在实验舱内部还需要安装、调整位置，同时实验人员、仪器设备、操作工具等均需要进出实验舱，实验舱将非常不方便试验和操作，显然试验人员的劳动强度大，实验效率低。

为了克服上述困难，达到大模型进出实验舱的目的，一般的做法，使用图3的实验舱设计方法。该方法有两个主要特点，一是不管多大尺寸、多大质量的模型，包括仪器设备、实验人员等，可以轻松的进入实验舱，基本不需要任何劳动强度；二在不增加建设费用的前提下，实验舱的使用空间不受实验舱尺寸的任何限制，无限的增大了实验舱使用空间。

由图3原理图可知，对于横截面为圆形的实验舱可以简化为图3所示，对图3所示的圆沿AB线剖开成两个半圆，成两部分，即半圆形翻盖和舱体，半圆形翻盖通过A点旋转成不同角度，舱体固定不动，显然半圆形翻盖打开后，实验舱的上部空间无限大，对于大尺寸模型可以从上部直接吊装进入实验舱，带模型安装到位后，半圆形翻盖关闭，又合成一个完整的圆，形成圆形实验舱。α的大小可以在120度到180度之间变化。

当然采用图3的设计方法，可以解决实验舱进出大模型的问题，但是实际过程中仍然存在弊端。

由于设计方法的不合理，现有的圆形实验舱舱门设计存在以下缺陷：

采用图3半圆开闭式实验舱设计，强度比整体式实验舱差很多，试验过程中，除了实验舱出现接近真空的正常运行情况；也可能实验舱内会产生瞬时高压的非正常情况，据测量可以达到0.3MPa，对于5m直径，长度8m的大型实验舱，内部的正压力则相应达到1200吨，如此大的正压力气流，会造成实验舱舱体或舱门的损坏，甚至将舱门掀开，造成严重的安全事故。

因此需要设计一种新型实验舱，确保实验舱的在真空和气体正压运行下安全无事故。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种阵列膜片泄压式风洞实验舱，确保实验舱的在真空和气体正压运行下安全无事故。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种阵列膜片泄压式风洞实验舱，包括实验舱舱体，所述实验舱舱体上开设有舱门，所述实验舱舱体沿纵向的截面为圆形，所述舱门为与所述实验舱舱体活动连接的圆弧形翻盖，当所述实验舱舱体处于闭合状态时所述舱门的截面圆弧的圆心在所述实验舱舱体沿轴向的中心线上，实验舱舱体沿轴向的两端分别经蝶形封头与位于上游的喷管及位于下游的扩压器连接，其特征在于：所述舱门采用格栅式舱门骨架，所述格栅式舱门骨架是一种窗户空心型结构，由若干个面积相等、弧度相等的大格栅构成；每个大格栅由8个小格栅组成，每个小格栅为空心结构；所述大格栅外表面的四周和对称轴上开有螺纹孔，所述螺纹孔垂直于大格栅外表面；在格栅式舱门骨架的大格栅上蒙上圆弧型泄压膜片，并通过可断裂螺栓固定在格栅式舱门骨架上大格栅外表面的螺纹孔内；舱门下端固连两个旋转活页，使舱门围绕实验舱舱体上的旋转轴旋转。

进一步，所述圆弧型泄压膜片的四周和对称轴处设置通孔，并在其外侧开有左右对称的一对十字型泄压槽，所述通孔用于可断裂螺栓穿过该孔将圆弧型泄压膜片固定在格栅式舱门骨架上大格栅外表面的对应螺纹孔内。

进一步，所述圆弧型泄压膜片材料选用塑料、有机玻璃或聚四氟乙烯中的一种。

进一步，所述格栅式舱门骨架中的大格栅的数量为2的倍数。

进一步，所述大格栅由四个边框、两个中心框和两个用于加强大格栅刚度的加强筋组成，边框的厚度是中心框的两倍，中心框的厚度是加强筋的两倍。

进一步，所述舱门包括沿轴向分布的多个所述格栅式舱门骨架。

本发明的有益效果如下：本发明风洞实验舱舱门采用格栅式舱门骨架，并在舱门骨架的大格栅上蒙上带有泄压槽的圆弧型泄压膜片；在实验舱内压为负压时，试验正常进行，实验舱内压为正压时，圆弧型泄压膜片向外破碎，实验舱舱体内的正压气体通过舱门骨架的大格栅泄压，从而保护实验舱舱体和舱体内模型设备的安全。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1：现有技术中高超声速风洞实验舱的剖面结构示意图；

图2：现有技术中高超声速风洞实验舱的主视示意图；

图3：图2的侧面示意图；

图4：本发明优选实施例高超声速风洞实验舱的舱门原理示意图；

图5：图4中舱门处于打开状态的原理示意图；

图6：本发明优选实施例阵列膜片泄压式风洞实验舱的立体结构示意图；

图7：本发明优选实施例阵列膜片泄压式风洞实验舱的另一立体结构示意图；

图8：图7中舱门打开状态的立体结构示意图；

图9：图7中阵列膜片式泄压舱门示意图；

图10：格栅式舱门骨架示意图；

图11：圆弧型泄压膜片示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖多种不同方式实施。

参见图6，本发明的优选实施例提供了一种阵列膜片泄压式风洞实验舱，该阵列膜片泄压式风洞实验舱包括实验舱舱体10及位于实验舱舱体10的底部以支撑实验舱舱体10的支撑件30，实验舱舱体10在轴向的一端经蝶形封头60与位于上游的喷管2连接，实验舱舱体10在轴向的另一端经蝶形封头60与位于下游的扩压器3相连。实验舱舱体10上设有舱门以供实验模型或者操作人员进出实验舱舱体10内，实验模型放置在实验舱舱体10内并借助喷管2内加速导出的气流进行空气动力学模拟实验。

在本发明实施例中，参照图4，实验舱舱体10沿纵向的截面为圆形，沿图4所示的圆的直径AB剖开分为两个半圆部分，分别构成本实施例中的实验舱舱体10及圆弧形翻盖20。圆弧形翻盖20与实验舱舱体10在闭合状态下构成一个完整的圆形，即在闭合状态下，圆弧形翻盖20的截面圆弧的圆心位于实验舱舱体10沿轴向的中心线上。这样，只要将圆弧形翻盖20与实验舱舱体10活动连接，即可通过打开圆弧形翻盖20获得较大的出入空间(参照图5)，以方便实验模型的吊装、安装调整及其他仪器设备或者操作人员进出实验舱舱体10。

图8是本发明阵列膜片泄压式风洞实验舱的圆弧形翻盖20处于打开状态的状态示意图；图9为图8的侧面示意图，在打开状态下，实验模型可借助行车吊装到实验舱舱体10内，并可进一步对实验模型的姿态进行调整。

为了满足实验舱舱体10在闭合状态下的气密性要求，参照图5，在实验舱舱体10与圆弧形翻盖20的接触部分设置有密封结构。

参照图9，圆弧型泄压膜片21通过可断裂螺栓22固定在图8所示的格栅式舱门骨架27上，圆弧型泄压膜片21阵列式布置若干个，具体数量根据格栅式舱门骨架27的尺寸设计，例如图7所示轴向4个，圆周方向7个，共28个。

格栅式舱门骨架27是一种窗户空心型结构，由2的倍数个大格栅构成。参照图10，格栅式舱门骨架27由28个大格栅24构成，每个大格栅24由四个边框、两个中心框和两个用于加强大格栅刚度的加强筋26组成，边框的厚度是中心框的两倍，中心框的厚度是加强筋的两倍；所述大格栅24由8个小格栅组成，由于中心8个小格栅为空心结构，这样既保证了舱门本身的基本强度，又使舱门相对于传统的舱门质量更轻；所述大格栅24外表面的四周和对称轴处上开有螺纹孔25，所述螺纹孔25垂直于大格栅24外表面。

图11是带泄压槽的圆弧型泄压膜片。所述圆弧型泄压膜片21的四周和对称轴处设置通孔28，并在其外侧开有左右对称的一对十字型泄压槽29；每一个带泄压槽的圆弧型泄压膜片21蒙在格栅式舱门骨架27的大格栅24上，如图9所示。圆弧型泄压膜片21通过可断裂螺丝22穿过通孔28固定在格栅式舱门骨架27上大格栅24外表面的对应螺纹孔内。所述圆弧型泄压膜片材料选用塑料、有机玻璃或聚四氟乙烯中的一种。

当实验舱舱体10的尺寸特别大，且需要在实验舱舱体10上开设较大的供实验模型进出的开口空间时，可以将舱门设计为多个上述的格栅式舱门骨架27，多个格栅式舱门骨架27沿实验舱舱体10的轴向分布，且满足格栅式舱门骨架27的截面圆弧的圆心位于实验舱舱体10沿轴向的中心线的条件。

试验运行时，当以下两种情况发生时：

一、实验舱接近真空，此时带泄压槽的圆弧型泄压膜片受到大气压的作用力，会紧紧吸附在大格栅上，由于大格栅又分为8个小格栅，圆弧型泄压膜片在8个小格栅的支撑下，不会出现向实验舱内部破碎的情况，保证试验的正常进行。

二、实验舱内超压，也就是试验出现非正常情况，由于气体压力是瞬时突发性的，实验舱需要瞬时泄压，不然实验舱及舱门会承受巨大的气体压力；据测量压力可以达到0.3MPa，对于直径5m、长度8m的大型实验舱，内部的正压力则相应达到1200吨，如此大的正压力气流，会造成实验舱舱体或舱门的损坏，甚至将舱门掀开，造成严重的安全事故。这时，带泄压槽的圆弧型泄压膜片由于膜片的外侧是没有任何支撑，在如此大的空气冲击力作用下，膜片会向外侧飞出破碎，瞬间将实验舱内的正压力泄掉，达到保护实验舱、舱门、及舱内设备的目的。本实施例中膜片选用易碎的塑料板制造，膜片的外侧开有十字型泄压槽，有助于实验舱泄压。此外，可断裂螺丝在圆弧型泄压膜片万一没有破碎的情况下，会自行断开，圆弧型泄压膜片也能飞出。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种阵列膜片泄压式风洞实验舱，包括实验舱舱体(10)，所述实验舱舱体(10)上开设有舱门(20)，所述实验舱舱体(10)沿纵向的截面为圆形，所述舱门为与所述实验舱舱体(10)活动连接的圆弧形翻盖，当所述实验舱舱体(10)处于闭合状态时所述舱门(20)的截面圆弧的圆心在所述实验舱舱体(10)沿轴向的中心线上，实验舱舱体(10)沿轴向的两端分别经蝶形封头(60)与位于上游的喷管(2)及位于下游的扩压器(3)连接，其特征在于：所述舱门(20)采用格栅式舱门骨架(27)，所述格栅式舱门骨架(27)是一种窗户空心型结构，由若干个面积相等、弧度相等的大格栅(24)构成；每个大格栅(24)由8个小格栅组成，每个小格栅为空心结构；所述大格栅(24)外表面的四周和对称轴上开有螺纹孔(25)，所述螺纹孔(25)垂直于大格栅外(24)表面；在格栅式舱门骨架(27)的大格栅(24)上蒙上圆弧型泄压膜片(21)，并通过可断裂螺栓(22)固定在格栅式舱门骨架(27)上大格栅(24)外表面的螺纹孔(25)内；舱门(20)下端固连两个旋转活页(23)，使舱门(20)围绕实验舱舱体(10)上的旋转轴旋转。

2.如权利要求1所述的一种阵列膜片泄压式风洞实验舱，其特征在于：所述圆弧型泄压膜片(21)的四周和对称轴处设置通孔(28)，并在其外侧开有左右对称的一对十字型泄压槽(29)，所述通孔(28)用于可断裂螺栓(22)穿过该孔将圆弧型泄压膜片(21)固定在格栅式舱门骨架(27)上的大格栅(24)外表面的对应螺纹孔内。

3.如权利要求1或2所述的一种阵列膜片泄压式风洞实验舱，其特征在于：所述圆弧型泄压膜片材料选用塑料或有机玻璃中的一种。

4.如权利要求1所述的一种阵列膜片泄压式风洞实验舱，其特征在于：所述格栅式舱门骨架(27)中的大格栅的数量为2的倍数。

5.如权利要求1或4所述的一种阵列膜片泄压式风洞实验舱，其特征在于：所述大格栅(24)由四个边框、两个中心框和两个用于加强大格栅刚度的加强筋(26)组成，边框的厚度是中心框的两倍，中心框的厚度是加强筋的两倍。

6.如权利要求1所述的一种阵列膜片泄压式风洞实验舱，其特征在于：所述舱门(20)包括沿轴向分布的多个所述格栅式舱门骨架(27)。

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