CN105597583A - 多接口电弧加热气体解旋混合室 - Google Patents

多接口电弧加热气体解旋混合室 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多接口电弧加热气体解旋混合室，包括：混合室本体，其为多边形柱状筒体结构，所述混合室本体的一端设置一测量接口，另一端设置一气体流出接口，所述测量接口向混合室本体内贯通至所述气体流出接口以形成主腔室；多条气流入口通道，其均匀贯通设置在混合室本体的侧壁上，经由所述多条气流入口通道进入所述主腔室内的进气流动方向处于同一平面，且所述多条气流入口通道内的进气流动方向与所述气体流出接口的出气流动方向不一致。本发明的混合室提供了多条气流入口通道，允许多台电弧加热器并联运行，利于产生高温高压的流场，该混合室通过强制热气流交叉并转向，对热气流进行解旋，利于产生均匀的流场，同时该混合室冷却效果好。

Description

多接口电弧加热气体解旋混合室
技术领域
本发明涉及一种混合室。更具体地说，本发明涉及一种气动热地面模拟实验用的多接口电弧加热气体解旋混合室。
背景技术
混合室是接收电弧加热器加热的空气，在此调节气流温度和压力，并以此来模拟飞行热环境的关键部件。
随着航天技术的发展，对气动热地面模拟技术的要求越来越高，某些类型的试验需要提供高温高压并且均匀的热气流，这需要电弧加热器提供大功率、大流量的运行工况，而随着电弧功率和气体流量的增加，电弧加热器的损坏愈加严重，此时希望提供多台电弧加热器并联运行来解决该问题，同时要解除热气流的旋转。要解决这些问题，必须研制一种新型混合室。
国内之前使用的混合室只有两个接口，一端连接电弧加热器，一端连接喷管，混合室均采用水冷夹层结构。之前的混合室无法连接多台电弧加热器，需要提供大功率工况时对单台电弧加热器损害较大；同时之前的混合室不能解除气流的旋转，旋转的热气流到达喷管出口时容易使模型烧蚀不均匀；并且之前的混合室水冷夹层结构冷却效果虽然好，但壳体较薄，当气流压力或冷却水压力高于一定范围时，水冷夹层结构混合室将产生塑性变形。
发明内容
为了解决上述问题，本发明设计开发了一种多接口电弧加热气体解旋混合室。
本发明还有一个目的是提供一种能够同时连接多台电弧加热器的混合室。
本发明另一个目的是通过合理设计混合室的结构，使电弧加热器产生的旋转气流得到解旋。
本发明的另一个目的是通过合理的设计冷却水通道解决了混合室的冷却问题。
为达到上述目的，本发明提供了一种多接口电弧加热气体解旋混合室，包括：
混合室本体，其为多边形柱状筒体结构，所述混合室本体的一端设置一测量接口，另一端设置一气体流出接口，所述测量接口向所述混合室本体内贯通至所述气体流出接口以形成主腔室；
多条气流入口通道，其均匀贯通设置在所述混合室本体的侧壁上，经由所述多条气流入口通道进入所述主腔室内的进气流动方向处于同一平面，且所述多条气流入口通道内的进气流动方向与所述气体流出接口的出气流动方向不一致。
由于在所述混合室本体的侧壁上开设了多条气体入口通道，因此可连接多台电弧加热器，由多台电弧加热器吹出的电弧加热气体通过所述多条气体入口通道进入主腔室内，当多台电弧加热器并联产生大功率电弧时，每台电弧加热器的运行功率都可以控制在合理范围内，从而对对每台电弧加热器烧损较小，利于电弧加热器的长时间稳定运行，主腔室多条气流的进气流动方向在所述主腔室内形成一个平面，以使得多条热气流在所述主腔室内进行交叉混合，利于产生均匀的流场，气体流出接口交叉混合后的气流经过一定角度的转向后从气体流出接口喷出，以实现对混合气流的解旋，从而增加了流场的均匀度。
优选的是，其中，还包括：
第一冷却水通道，其包括多条，且多条所述第一冷却水通道的始端均匀开设在靠近所述测量接口的所述混合室本体的侧壁上，且向所述主腔室延伸至所述第一冷却水通道的终端；
第二冷却水通道，其包括多条，且多条所述第二冷却水通道的始端均匀开设在靠近所述气体流出接口的所述混合室本体的侧壁上，且向所述主腔室延伸至所述第二冷却水通道的终端；
冷却腔室，其连通所述第一冷却水通道的终端与所述第二冷却水通道的终端，且贯通所述混合室本体的一端和另一端，从所述第一冷却水通道或所述第二冷却水通道流入所述冷却腔室的冷却水包裹所述主腔室；
其中，当所述第一冷却水通道为冷却水进口通道时，所述第二冷却水通道为冷却水出口通道；
当所述第二冷却水通道为冷却水进口通道时，所述第一冷却水通道为冷却水出口通道。
在混合室本体的侧壁上开设了多条冷却水通道，这使得混合室本体具有较好的冷却效果，例如每条冷却水通道的孔径在10mm～20mm之间，冷却水通道的总截面积与冷却腔室的截面积大致相等，使所述混合室本体得到均匀的冷却。
优选的是，其中，还包括：
封口装置，其设置在所述混合室本体的一端和另一端，以使得所述冷却腔室形成一密闭腔室。
优选的是，其中，所述气体流出接口的出气流动方向垂直于所述多条气流入口通道内的进气流动方向形成的平面。其他角度也可实现解旋目的，但是流场的均匀度难以达到最佳效果，当为90度时，解旋效果最好，流场均匀度最佳。
优选的是，其中，所述冷却腔室与所述主腔室之间的距离为4mm。所述冷却腔室与主腔室的距离取值很重要。两个腔室之间的距离越小，冷却效果越好，两个腔室之间的距离越大，强度越大，所以要选择合适的距离，即能保证冷却效果，又能保持很高的强度。经过计算和试验，选择所述冷却腔室与主腔室的距离为4mm。
优选的是，其中，所述冷却腔室内嵌设有导流块。以强迫冷却水均匀流动，增强冷却效果。
优选的是，其中，所述第一冷却水通道和所述第二冷却水通道的始端在所述混合室本体的侧壁上形成三角形密封槽。
优选的是，其中，还包括：
密封圈，其嵌设在所述三角形密封槽内，以密封所述第一冷却水通道和所述第二冷却水通道与冷却水接管的连接处。例如为O型密封圈，将O型密封圈设置在三角形密封槽内，O形密封圈在三角形的密封槽内受到冷却水挤压时顺斜面向截面积更小处移动，能够自行加强密封性能。
优选的是，其中，所述主腔室与所述混合室本体外缘的距离为30mm～70mm。如果主腔室与所述混合室本体外缘的距离较小，当气流压力或冷却水压力高于一定范围时，混合室的整体结构将产生塑性变形。因此在节约成本的基础上，需要提供合适的距离，以提高混合室的强度
优选的是，其中，所述混合室本体为六边形柱状筒体结构。
本发明的有益效果在于：
1、本发明提供的多接口电弧加热气体解旋混合室具有多个气流入口通道，可接通多台电弧加热器，解决了因只能接通一台电弧加热器，由于增加运行功率而损坏加热器，缩短使用寿命的问题。
2、本发明提供的多接口电弧加热气体解旋混合室通过合理的设置气体进入方向和气体流出方向，解决了从混合室喷出的气体旋转的问题，从而避免了因气流不均匀而对模型产生非均匀烧灼的现象。
3、本发明提供的多接口电弧加热气体解旋混合室通过设置多条冷却水通道以及在冷却腔室内设置导流块，解决了对于混合室本体这种复杂结构进行冷却的问题，且冷却效果好。
4、本发明提供的多接口电弧加热气体解旋混合室合理设计了两个腔室之间的距离以及主腔室与混合室本体外壁的距离，不仅保证了冷却效果，而且保证了混合室本体的强度。
5、本发明提供的多接口电弧加热气体解旋混合室可为多边形柱状筒体结构，设计较灵活，根据实际情况而定。
附图说明
图1为本发明的其中一个实施例中所述的多接口电弧加热气体解旋混合室的横切面示意图。
图2为本发明的其中一个实施例中所述的多接口电弧加热气体解旋混合室的纵切面示意图。
图3为本发明的其中一个实施例中所述的多接口电弧加热气体解旋混合室的横切面示意图。
图4为本发明的其中一个实施例中所述的多接口电弧加热气体解旋混合室的纵切面示意图。
图5为本发明的其中一个实施例中所述的多接口电弧加热气体解旋混合室的三角形密封槽的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1～图5所示，本发明其中一个实施例所述的多接口电弧加热气体解旋混合室，其包括：
混合室本体1，其为多边形柱状筒体结构，所述混合室本体1的一端设置一测量接口140，另一端设置一气体流出接口110，所述测量接口140向所述混合室本体1内贯通至所述气体流出接口110以形成主腔室120；
多条气流入口通道2，其均匀贯通设置在所述混合室本体1的侧壁上，经由所述多条气流入口通道2进入所述主腔室120内的进气流动方向处于同一平面，且所述多条气流入口通道2内的进气流动方向与所述气体流出接口110的出气流动方向不一致。
由于在所述混合室本体1的侧壁上开设了多条气体入口通道2，因此可连接多台电弧加热器，由多台电弧加热器吹出的电弧加热气体通过所述多条气体入口通道2进入主腔室120内，当多台电弧加热器并联产生大功率电弧时，每台电弧加热器的运行功率都可以控制在合理范围内，从而对每台电弧加热器烧损较小，利于电弧加热器的长时间稳定运行，多条气流的进气流动方向在所述主腔室内形成一个平面，以使得多条热气流在所述主腔室120内进行交叉混合，利于产生均匀的流场，交叉混合后的气流经过一定角度的转向后从气体流出接口110喷出，以实现对混合气流的解旋，从而增加了流场的均匀度。
其中，混合室本体1为整体无氧铜材料加工而成，该材料热导率λ＝398W/(m·K)，适用于高温实验。当然，也可以选择其他热导率较高的金属材料，此处不做具体推荐。
为了解决混合室本体的冷却问题，在所述混合室本体的侧壁上还设置有：
第一冷却水通道3，其包括多条，且多条所述第一冷却水通道3的始端均匀开设在靠近所述测量接口140的所述混合室本体1的侧壁上，且向所述主腔室120延伸至所述第一冷却水通道3的终端；
第二冷却水通道4，其包括多条，且多条所述第二冷却水通道4的始端均匀开设在靠近所述气体流出接口110的所述混合室本体的侧壁上，且向所述主腔室120延伸至所述第二冷却水通道4的终端；
冷却腔室130，其连通所述第一冷却水通道3的终端与所述第二冷却水通道4的终端，且贯通所述混合室本体1的一端和另一端，从所述第一冷却水通道3或所述第二冷却水通道4流入所述冷却腔室130的冷却水包裹所述主腔室120；
其中，当所述第一冷却水通道3为冷却水进口通道时，所述第二冷却水通道4为冷却水出口通道；
当所述第二冷却水通道4为冷却水进口通道时，所述第一冷却水通道3为冷却水出口通道。
在混合室本体的侧壁上开设了多条冷却水通道，这使得混合室本体具有较好的冷却效果，例如每条冷却水通道的孔径在10mm～20mm之间，冷却水通道的总截面积与冷却腔室的截面积大致相等，使所述混合室本体得到均匀的冷却。
在其中一个实施例中，为了使得所述冷却腔室形成一密闭腔室，在所述混合室本体1的一端和另一端设置封口装置5。
在其中一个实施例中，所述气体流出接口的出气流动方向垂直于所述多条气流入口通道内的进气流动方向形成的平面。其他角度也可实现解旋目的，但是流场的均匀度难以达到最佳效果，当为90度时，解旋效果最好，流场均匀度最佳。
在其中一个实施例中，所述冷却腔室130与所述主腔室120之间的距离为4mm。所述冷却腔室130与主腔室120的距离取值很重要。两个腔室之间的距离越小，冷却效果越好，两个腔室之间的距离越大，强度越大，所以要选择合适的距离，即能保证冷却效果，又能保持很高的强度。经过计算和试验，选择所述冷却腔室130与主腔室120的距离为4mm。
同时，为了强迫冷却水均匀流动，增强冷却效果，所述冷却腔室130内嵌设有导流块6。导流块6与封口装置5例如为法兰，导流块6与混合室本体1焊接，保证冷却水的有效密封，封口装置5的厚度在20mm～50mm之间，根据具体强度要求选择。
如图5所示，在其中一个实施例中，所述第一冷却水通道3的始端和所述第二冷却水通道4的始端在所述混合室本体1的侧壁上形成三角形密封槽。将O型密封圈7设置在三角形密封槽内，冷却水管8与混合室主体1通过螺纹连接，通过密封圈7实现密封，O形密封圈7在三角形的密封槽内受到冷却水挤压时顺斜面向截面积更小处移动，能够自行加强密封性能。实验证明，保留加工中的120°工艺倒角，水压10MPa时密封处未见高压水泄漏。
在其中一个实施例中，所述主腔室与所述混合室本体外缘的距离为30mm～70mm。如果主腔室与所述混合室本体外缘的距离较小，当气流压力或冷却水压力高于一定范围时，混合室的整体结构将产生塑性变形。因此在节约成本的基础上，需要提供合适的距离，以提高混合室的强度。
如图1所示，所述混合室本体为六边形柱状筒体结构，所述混合室本体1的六个侧壁记为A、B、C、D、E、F，每个侧壁均设置一个气体入口通道2。
所述混合室本体不局限于六边形柱状筒体结构，可以选择其他多边形柱状筒体结构。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种多接口电弧加热气体解旋混合室，其特征在于，包括：
混合室本体，其为多边形柱状筒体结构，所述混合室本体的一端设置一测量接口，另一端设置一气体流出接口，所述测量接口向所述混合室本体内贯通至所述气体流出接口以形成主腔室；
多条气流入口通道，其均匀贯通设置在所述混合室本体的侧壁上，经由所述多条气流入口通道进入所述主腔室内的进气流动方向处于同一平面，且所述多条气流入口通道内的进气流动方向与所述气体流出接口的出气流动方向不一致。
2.如权利要求1所述的多接口电弧加热气体解旋混合室，其特征在于，还包括：
第一冷却水通道，其包括多条，且多条所述第一冷却水通道的始端均匀开设在靠近所述测量接口的所述混合室本体的侧壁上，且向所述主腔室延伸至所述第一冷却水通道的终端；
第二冷却水通道，其包括多条，且多条所述第二冷却水通道的始端均匀开设在靠近所述气体流出接口的所述混合室本体的侧壁上，且向所述主腔室延伸至所述第二冷却水通道的终端；
冷却腔室，其连通所述第一冷却水通道的终端与所述第二冷却水通道的终端，且贯通所述混合室本体的一端和另一端，从所述第一冷却水通道或所述第二冷却水通道流入所述冷却腔室的冷却水包裹所述主腔室；
其中，当所述第一冷却水通道为冷却水进口通道时，所述第二冷却水通道为冷却水出口通道；
当所述第二冷却水通道为冷却水进口通道时，所述第一冷却水通道为冷却水出口通道。
3.如权利要求2所述的多接口电弧加热气体解旋混合室，其特征在于，还包括：
封口装置，其设置在所述混合室本体的一端和另一端，以使得所述冷却腔室形成一密闭腔室。
4.如权利要求1所述的多接口电弧加热气体解旋混合室，其特征在于，所述气体流出接口的出气流动方向垂直于所述多条气流入口通道内的进气流动方向形成的平面。
5.如权利要求2所述的多接口电弧加热气体解旋混合室，其特征在于，所述冷却腔室与所述主腔室之间的距离为4mm。
6.如权利要求2所述的多接口电弧加热气体解旋混合室，其特征在于，所述冷却腔室内嵌设有导流块。
7.如权利要求2所述的多接口电弧加热气体解旋混合室，其特征在于，所述第一冷却水通道和所述第二冷却水通道的始端在所述混合室本体的侧壁上形成三角形密封槽。
8.如权利要求7所述的多接口电弧加热气体解旋混合室，其特征在于，还包括：
密封圈，其嵌设在所述三角形密封槽内，以密封所述第一冷却水通道和所述第二冷却水通道与冷却水接管的连接处。
9.如权利要求1所述的多接口电弧加热气体解旋混合室，其特征在于，所述主腔室与所述混合室本体外缘的距离为30mm～70mm。
10.如权利要求1所述的多接口电弧加热气体解旋混合室，其特征在于，所述混合室本体为六边形柱状筒体结构。
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