CN105890863A - 一种高超声速风洞喷管出口段水冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高超声速风洞喷管出口段水冷装置，该装置包括通水接头、外壳体、内壳体以及堵块、分水筋。该装置的冷却水从风洞试验段外的通水接头直接流入喷管出口段的外壳体和内壳体之间的夹层，在喷管出口段的末端折返，再从通水接头流出，冷却水在喷管出口段内部形成循环。该装置无须在风洞喷管段的末端和风洞试验段之间连接通水管构成回水管，不与风洞试验段产生关联。更换风洞喷管时，只需将风洞喷管直接脱离试验段，无须拆装回水管，具有很高的更换操作效率，而且避免了更换风洞喷管时冷却水泄露到试验段中。同时，在夹层中设置了易于加工的约束冷却水流动的冷却单元，使冷却水在夹层中的流动更均匀，对喷管出口段起到良好的冷却效果。

Description

一种高超声速风洞喷管出口段水冷装置

技术领域

本发明属于常规高超声速风洞试验技术领域，具体涉及一种高超声速风洞喷管出口段水冷装置。

背景技术

常规高超声速风洞喷管是拉瓦尔喷管，从形式上分为收缩段、喉道段、扩张段，从结构上通常分为入口段、喉道、中间扩张段、出口段四部分。喷管出口段需插入高超声速风洞试验段中，试验时，风洞来流经喷管流入试验段，风洞来流总温较高，有时会超过800℃，试验时间通常在60s以上，某些试验可达240s，高温气流对喷管加热效应明显，在缺乏冷却的情况下会引起喷管变形甚至破坏，并影响风洞流场质量，所以需要对喷管进行持续冷却降温。同时，由于高超声速风洞喷管是固定喷管，每个喷管对应一个来流马赫数，试验中经常需要更换喷管以改变来流马赫数，从而改变试验状态，因此，要求喷管更换的效率不能太低。也就是说，喷管冷却装置要同时满足高效实时降温和不影响风洞喷管更换两个要求。当前，有些高超声速风洞喷管出口段没有设置冷却装置；有些高超声速风洞喷管在喷管出口段和试验段内壁焊接管嘴，并用管道连接起来，制成了回水管，使冷却水形成回路，实现了高效冷却，但是，在更换喷管时必须拆装连接试验段的回水管，更换效率较低，而且冷却水也容易泄漏到试验段中，造成试验段内部设备的腐蚀和电器设备安全隐患。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供了一种高超声速风洞喷管出口段水冷装置。

本发明的高超声速风洞喷管出口段水冷装置，其特点是，所述的装置包括通水接头、外壳体、内壳体、分水筋、堵块；

所述的外壳体包裹在内壳体上，与内壳体两端的外缘环缝满焊，外壳体和内壳体之间为供冷却水流通的夹层，夹层通过焊接在内壳体上的分水筋和堵块均匀分割成n个冷却单元，分水筋的数量为2n，堵块的数量为n；冷却单元之间以焊接封闭的的分水筋和堵块作为分割界线，冷却单元内部焊接1条左端封闭、右端开口的分水筋，形成顺向子流道和逆向子流道；所述的法兰Ⅰ的径向设有2n个通水孔，通水孔的外侧焊接通水接头，通水接头连接外部通水管道，通水孔分为n个入水孔和n个出水孔，每个冷却单元分布有1个入水孔和1个出水孔，冷却水从入水孔进入冷却单元，沿顺向子流道流经经右凹槽处折返，再沿逆向子流道经出水孔流出冷却单元；

D为喷管出口内径（单位为m），n=12D，n为非整数时进位取整数；通水孔的孔径为d，冷却水流量为Q，通水孔内冷却水流速为v，流速范围为3～10m/s，d=[4Q/(nπv)]^0.5；分水筋和堵块的宽度相同，取5 mm～10mm。

所述的外壳体上设置有定位和密封端面，与风洞的试验段入口侧壁对接定位并密封；所述的内壳体左侧有法兰Ⅱ，法兰Ⅱ的右侧面为轴向定位平面，法兰Ⅰ的左侧平面与法兰Ⅱ的右侧面贴合定位，定位面粗糙度小于等于Ra1.6μm。

所述的外壳体和内壳体的材料均采用马氏体不锈钢或奥氏体不锈钢。若内壳体对材料的导热能力要求较高，可采用马氏体不锈钢，如1Cr13、2Cr13，若对焊接性能要求较高，则采用奥氏体不锈钢，如0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等。

所述的内壳体的外轮廓从左至右依次是法兰Ⅱ、左柱面、左凹槽、左凸台、流道、右凸台、右凹槽、右柱面，左柱面和右柱面是内壳体与外壳体内圆配合的柱段，内壳体的外侧表面焊接分水筋和堵块。左柱面和右柱面是内壳体与外壳体内圆配合的柱段，左柱面与外壳体的内圆、右柱面与外壳体的内圆的装配公差为H8/h7，配合表面表面粗糙度小于等于Ra3.2μm。除法兰Ⅱ、左柱面和右柱面外，其余外轮廓表面粗糙度范围为Ra6.3μm～12.5μm。

所述的左凹槽与左凸台、左凸台与流道、流道与右凸台、右凸台与右凹槽之间采用相同半锥角的锥面连接，半锥角为α，范围为25°～30°。左凹槽或右凹槽的深度为h，凹槽沿轴线方向的长度为L，1.5≤L/d≤2，凹槽的截面积等于通水孔的面积S=hL－0.5h ²cotα，较大的面积减小了冷却水在凹槽中沿环向流动的阻力，使冷却水更容易充满整个凹槽，凹槽下方的最小壁厚为δ，δ≥D/200且δ≥2mm。左凸台或右凸台顶部与左柱面之间的半径差为狭缝高度h＇，左柱面外周长为C，单个狭缝面积为S ₂，h＇=2nS ₂/C，且1.1≤S/S ₂≤1.5，狭缝高度h＇的下限取外壳体和内壳体配合公差理论偏差的3倍～6倍。

流道处内壳体的外轮廓为圆柱面，与外壳体之间的距离为流道的高度，范围为3mm～5mm。内壳体的厚度要满足右凹槽深度和下方最小壁厚以及内壁温控制的要求。若不能满足要求，应减小狭缝高度h＇，同时减小凹槽深度h，当狭缝高度h＇低于下限也不能满足要求时，应增加通水孔的数量。

本发明的高超声速风洞喷管出口段水冷装置在加工时要注意以下2点：

1.确保分水筋、堵块与内壳体对应位置的外轮廓互补，上表面与左柱面平齐，并预留加工余量，焊接后与左柱面、右柱面作为一个整体，继续精加工外表面。

2.先加工内壳体的外轮廓面，再在外轮廓上焊接分水筋和堵块，最后精加工外轮廓，此加工方式与整体数控铣相比，加工效率更高，加工成本低，并且达到了相同的效果，构造出复杂的流道，使分水筋、堵块与外壳体内圆贴合紧密，防止相邻流道串水。

本发明的高超声速风洞喷管出口段水冷装置采用了折返式流动，会不可避免地产生低速流动区域，但是，左凹槽、右凹槽和左凸台、右凸台的组合使得流道内的流动更均匀，较小的狭缝面积增大冷却水穿过狭缝的平均流速，增大了穿越狭缝所需的压力差，较高的压力差促使更多冷却水从压力低的位置穿过狭缝，减小穿越狭缝不同部位的流速差值，扩大了快速流动区域的范围，减小了低速流动区域的面积，避免了采用夹层内折返式流动结构带来的内壳体局部干烧问题。

本发明的高超声速风洞喷管出口段水冷装置的结构使冷却水能够在喷管夹层内部实现往复流动，不需要在出口段末端和试验段之间连接通水管构成回水管，更换风洞喷管时，只需将风洞喷管直接脱离试验段，无须拆装回水管。而且，在夹层中设置了易于加工的约束冷却水流动的冷却单元，使冷却水在夹层中的流动更均匀，对喷管出口段起到良好的冷却效果。本发明的高超声速风洞喷管出口段水冷装置具有操作效率高、无漏水问题、加工工艺简单、更换喷管快捷的优点。

附图说明

图1为本发明的高超声速风洞喷管出口段水冷装置的结构图；

图2为出口段左视剖视图；

图3为沿堵块、分水筋中面的局部剖视图；

图4为凹槽、流道局部放大图；

图5为内壳体内冷却水的流动路线示意图（平面图）；

图6为左凸台的局部放大图；

图7为冷却单元内的冷却水流动路线示意图；

图8为内壳体内冷却水的流动路线示意图（立体图）；

图中，1. 通水接头 2. 通水孔 3. 试验段入口侧壁板 4. 外壳体 5. 内壳体6. 分水筋 7. 堵块 8. 左柱面 9. 右柱面 10. 左凹槽 11. 左凸台 12. 右凸台13. 右凹槽 14. 流道 15. 快速流动区域 16. 低流速区域 17. 法兰Ⅰ 18. 法兰Ⅱ；

图2、图5、图8中，箭头方向为冷却水流动方向；图7中，⊗符号表示水流向凹槽，为入水孔，⊙符号表示水流出凹槽，为出水孔。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明。

如图1所示，外壳体4外部设有定位和密封端面，与风洞的试验段入口侧壁板3对接定位并密封。外壳体4包裹在内壳体5上，与内壳体5两侧的环缝采用满焊方式密封和连接。外壳体4和内壳体5之间为供冷却水流通的夹层，夹层被焊接在内壳体5上的分水筋6和堵块7分割成n个冷却单元。外壳体4上有法兰Ⅰ17，沿法兰Ⅰ的径向有通水孔2，通水孔2的外侧焊接通水接头1，通水接头1连接外部通水管道。如图2、图7所示，通水孔2分为入水孔和出水孔，冷却水从入水孔进入冷却单元，从出水孔流出冷却单元。

如图7所示，每个冷却单元与相邻冷却单元之间均以一组焊接的分水筋6和堵块7作为分割界线，每个冷却单元内部焊接一条一端封闭的分水筋6，形成顺向子流道和逆向子流道，冷却水从入水孔进入顺向子流道，经右凹槽13处折返，从逆向子流道流出。这种结构使冷却水在喷管夹层内部实现往复流动，不需要在出口段末端和试验段之间连接通水管构成回水管，更换喷管更快捷。

外壳体4和内壳体5装配后，通水孔2的左侧轮廓线与左凹槽10的左侧壁对齐，外壳体4与试验段固定后，法兰Ⅰ17上的通水接头1与试验段外壁面之间要有足够距离，使连接通水接头1和外部通水管道之间的连接螺母能够自由旋转。法兰Ⅰ17上的法兰通孔的数量与通水孔2数量相同，法兰通孔的位置处于两个邻近的通水孔2的中间，如图2所示，法兰通孔与通水孔2交错排列，避免通水孔2被打穿漏水。

通水孔2数量为2n，D为喷管出口内径（单位为m），n=12D，n非整数时进位取整数。通水孔2的孔径为d，出口段冷却水流量为Q，通水孔内冷却水流速为v，流速范围为3 m/s～10m/s，d=[4Q/(nπv)]^0.5。

如图4、图5所示，内壳体5为回转体，外轮廓从左至右依次是法兰Ⅱ18，左柱面8，左凹槽10，左凸台11，流道14，右凸台12，右凹槽13，右柱面9。法兰Ⅱ18的右侧面为轴向定位平面，法兰Ⅰ17的左侧平面与法兰Ⅱ18的右侧面贴合定位。除法兰Ⅱ18、左柱面8和右柱面9外，其余外轮廓表面粗糙度范围为Ra6.3μm～12.5μm。左柱面8和右柱面9是内壳体5与外壳体4内圆配合的柱段，装配公差为H8/h7，配合表面粗糙度小于等于Ra3.2μm。

如图6所示，左凹槽10与左凸台11、左凸台11与流道14、流道14与右凸台12、右凸台12与右凹槽13之间采用相同半锥角的锥面连接，半锥角为α，范围为25°～30°，较小的半锥角使流动更平顺。

如图4所示，左凹槽10或右凹槽13包括的区域从该凹槽竖侧壁到邻近凸台顶部的中央，截面积等于通水孔2的面积S。凹槽深度为h，凹槽沿轴线方向的长度为L，1.5≤L/d≤2，凹槽面积S=hL－0.5h ²cotα，较大的面积减小了冷却水在凹槽中沿环向流动的阻力，使冷却水更容易充满整个凹槽。凹槽下方的最小壁厚为δ，满足δ≥D/200且δ≥2mm，凹槽底部棱边均倒圆，圆角半径大于等于d/2，较大的圆角能避免产生较大热应力。

左凸台11、右凸台12的顶部与左柱面8之间的半径差为狭缝高度h＇，左柱面8外周长为C，单个狭缝面积为S ₂，满足h＇=2nS ₂/C，且1.1≤S/S ₂≤1.5，狭缝高度h＇的下限取外壳体4和内壳体5配合公差理论上偏差的3倍～6倍。

左凸台11、右凸台12的顶部为等直段，长度取2倍～4倍狭缝高度h＇，凸台顶部的两棱边倒圆，圆角不小于d/5，凸台与靠流道14一侧的底部棱角倒圆，圆角半径大于等于d/2。

流道14处的外轮廓为圆柱面，与外壳体4之间的距离为流道14的高度，范围为3 mm～5mm。流道14下方壳体的厚度上限，通过喷管壳体换热计算及壁面温度、热应力控制目标获取，壳体的厚度要满足右凹槽13深度和下方最小壁厚的要求。若不能满足要求，应减小狭缝高度h＇，同时减小凹槽深度h，当狭缝高度h＇低于下限也不能满足要求时，应增加通水孔2的数量。

如图3、图5所示，内壳体5的外表面沿纵向均匀焊接分水筋6和堵块7，分水筋6的数量为2n，堵块7的数量为n，分水筋6和堵块7宽度相同，取5mm～10mm。分水筋6从左柱面8右侧壁延伸至右凸台12的顶部中央，堵块7从右凸台12的顶部中央延伸至右柱面9的左侧壁。分水筋6和堵块7下轮廓与内壳体5对应位置的外轮廓互补，分水筋6和堵块7的下轮廓与内壳体5之间采用满焊，去应力退火后与左柱面8、右柱面9作为一个整体，精加工分水筋6和堵块7的顶部外表面，加工后上表面与左柱面8平齐，使分水筋6、堵块7与外壳体4之间的配合间隙尽量小。分水筋6和堵块7沿纵向均匀布置在内壳体5上，每一个堵块7与其中一根分水筋6对齐，如图5、图8所示。

加工内壳体5的外轮廓面后，再焊接分水筋6和堵块7，最后精加工外轮廓，此加工方式与整体数控铣成型相比，加工效率更高，加工成本低，并且能达到相同的效果，构造出复杂的流道14，使分水筋6、堵块7与外壳体4的内圆贴合紧密，防止相邻流道之间串水。

如图7所示，折返式流动不可避免产生低速流动区域，左凹槽10、右凹槽13和左凸台11、右凸台12的组合使得流道14内的流动更均匀，较小的狭缝面积增大冷却水穿过狭缝的平均流速，增大了穿越狭缝所需的压力差，较高的压力差促使更多冷却水从压力低的位置穿过狭缝，减小穿越狭缝不同部位的流速差值，扩大了快速流动区域15的范围，减小了低速流动区域16的面积，避免了采用夹层内折返式流动结构带来的内壳体5局部干烧问题。

外壳体4和内壳体5选择相同材料，采用不锈钢，如马氏体不锈钢或奥氏体不锈钢，若内壳体5对材料的导热能力要求较高，可采用马氏体不锈钢，如1Cr13、2Cr13，若对焊接性能要求较高，则采用奥氏体不锈钢，如0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等。

外壳体4和内壳体5与各自附属部件完成焊接、加工后，按照通水孔2与单个左凹槽10中央对正的方式组装，并采用周向定位方式避免外壳体4和内壳体5相互旋转。各冷却单元对应的两个通水接头1分别与一根进水管和一根出水管连接，见图2、图8所示。

本发明不局限于上述具体实施方式，所属技术领域的技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高超声速风洞喷管出口段水冷装置，其特征在于，所述的装置包括通水接头（1）、外壳体（4）、内壳体（5）、分水筋（6）、堵块（7）；

所述的外壳体（4）包裹在内壳体（5）上，与内壳体（5）两端的外缘环缝满焊，外壳体（4）和内壳体（5）之间为供冷却水流通的夹层，夹层通过焊接在内壳体（5）上的分水筋（6）和堵块（7）均匀分割成n个冷却单元，分水筋（6）的数量为2n，堵块（7）的数量为n；冷却单元之间以焊接封闭的的分水筋（6）和堵块（7）作为分割界线，冷却单元内部焊接1条左端封闭、右端开口的分水筋（6），形成顺向子流道和逆向子流道；所述的法兰Ⅰ（17）的径向设有2n个通水孔（2），通水孔（2）的外侧焊接通水接头（1），通水接头（1）连接外部通水管道，通水孔（2）分为n个入水孔和n个出水孔，每个冷却单元分布有1个入水孔和1个出水孔，冷却水从入水孔进入冷却单元，沿顺向子流道流经经右凹槽（13）处折返，再沿逆向子流道经出水孔流出冷却单元。

2.根据权利要求1所述的高超声速风洞喷管出口段水冷装置，其特征在于，所述的外壳体（4）上设置有用于定位和密封的端面，与风洞的试验段入口侧壁（3）对接定位并密封；所述的内壳体（5）左侧有法兰Ⅱ（18），法兰Ⅱ（18）的右侧面为轴向定位平面，法兰Ⅰ（17）的左侧平面与法兰Ⅱ（18）的右侧面贴合定位，定位面粗糙度小于等于Ra1.6μm。

3.根据权利要求1所述的高超声速风洞喷管出口段水冷装置，其特征在于，所述的外壳体（4）和内壳体（5）的材料均采用马氏体不锈钢或奥氏体不锈钢。

4.根据权利要求1所述的高超声速风洞喷管出口段水冷装置，其特征在于，所述的内壳体（5）的外轮廓从左至右依次是法兰Ⅱ（18）、左柱面（8）、左凹槽（10）、左凸台（11）、流道（14）、右凸台（12）、右凹槽（13）、右柱面（9），左柱面（8）和右柱面（9）是内壳体（5）与外壳体（4）内圆配合的柱段，内壳体（5）的外侧表面焊接分水筋（6）和堵块（7）。

5.根据权利要求4所述的高超声速风洞喷管出口段水冷装置，其特征在于，所述的左凹槽（10）与左凸台（11）、左凸台（11）与流道（14）、流道（14）与右凸台（12）、右凸台（12）与右凹槽（13）之间采用相同半锥角的锥面连接，半锥角为α，范围为25°～30°。

6.根据权利要求4所述的高超声速风洞喷管出口段水冷装置，其特征在于，所述的左柱面（8）与外壳体（4）的内圆、右柱面（9）与外壳体（4）的内圆的装配公差为H8/h7，配合表面表面粗糙度小于等于Ra3.2μm。