CN106840579B - 一种变截面重活塞压缩器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变截面重活塞压缩器，包括高压空气室，重活塞，压缩管，夹膜机构；所述高压空气室用于驱动重活塞；压缩管包括压缩管粗段和压缩管细段，二者的直径比在2.0～3.5范围内；重活塞在高压空气室的驱动下在压缩管粗段内运动；夹膜机构将膜片夹持在压缩管细段内部。本发明采用变截面结构的活塞压缩管可以有效缓解反射稀疏波引起的激波衰减，使得风洞焓值和喷管贮室压力的平稳性将获得较大的提升，风洞有效试验时间得以延长。

Description

一种变截面重活塞压缩器

技术领域

本发明涉及一种变截面重活塞压缩器，属于风洞试验领域。

背景技术

使用重活塞压缩器的激波管风洞(以下简称自由活塞激波风洞)主要用以获取高焓试验气流，模拟高超声速(或者超高声速)飞行环境，为高超声速飞行器的气动/防热设计提供技术支持。简单而言，重活塞压缩器是一种特殊的加热加压装置，其原理是，利用高压空气推动重活塞运动，并通过重活塞对压缩管中的驱动气体实施快速的等熵压缩。驱动气体一般采用氦气/氩气的等轻质气体，具有较高比热比，因此经过压缩，可以获得很高的温度和压力。活塞压缩器是自由活塞激波风洞的核心部件之一，活塞压缩器的性能决定了自由活塞激波风洞的驱动能力。

在自由活塞激波风洞中，传统的重活塞压缩器一般采用等截面设计，压缩管末端和较细的激波管直接相连，主膜片紧靠压缩管末端。等截面设计的重活塞压缩器意味着活塞具有更长的减速距离，便于活塞实现软着陆；另一方面，等截面设计的重活塞压缩器有助于风洞形成更强的入射激波。但是在实际运行中，采用等截面重活塞压缩器的自由活塞激波风洞入射激波在行进过程中衰减十分严重，这不仅降低了风洞焓值，也影响了风洞喷管贮室压力的平稳性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供种变截面重活塞压缩器，为激波管风洞运行提供稳定的高温高压的驱动气体。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种变截面重活塞压缩器，包括高压空气室，重活塞，压缩管，夹膜机构；

所述高压空气室用于驱动重活塞；

压缩管包括压缩管粗段和压缩管细段，二者的直径比在2.0～3.5范围内；

重活塞在高压空气室的驱动下在压缩管粗段内运动；

夹膜机构将膜片夹持在压缩管细段内部。

优选的，压缩管粗段和压缩管细段的内部连接端设置缓冲部件，对活塞在运行末段进行减速。

优选的，压缩管粗段和压缩管细段的连接端外部设置活塞缓冲机构，通过根据活塞质量和压缩管质量匹配惯性质量。

优选的，压缩管粗段与压缩管细段之间的容积比例根据重活塞压缩器的设计压缩比，为重活塞压缩器的设计压缩比的1.2到2.0倍。

优选的，重活塞压缩器的设计压缩比为25-60之间。

优选的，活塞头部具有柔性套头，与缓冲部件配合，保证吸收活塞剩余的动能(活塞在压缩管粗段末端位置速度不大于20m/s)。

优选的，忽略压缩管粗段和压缩管细段之间过渡连接段的容积，压缩管的设计满足如下约束：

其中L表示压缩管粗段长度，l表示压缩管细段长度，λ为设计压缩比，D为压缩管粗段直径，d为压缩管细段直径。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明采用变截面结构的活塞压缩管可以有效缓解反射稀疏波引起的激波衰减，使得风洞焓值和喷管贮室压力的平稳性将获得较大的提升，风洞有效试验时间得以延长。

(2)本发明优选了粗段和细段的直径比例及长度比例，有利于活塞压缩器获得平稳的驱动状态，并实现活塞的软着陆。

(3)本发明根据活塞质量和压缩管质量匹配惯性质量，减少了设备相对位移，根据相对位移的容忍范围合理选择惯性质量的大小。

附图说明

图1为本发明是变截面重活塞压缩器的结构示意图。

具体实施方式

自由活塞激波风洞所采用等截面设计的重活塞压缩器构型，加剧了反射膨胀波的影响，是导致激波衰减的更为主要因素(相比边界层黏性)。产生这一结果的原因是，在经历重活塞压缩后，活塞停止的位置和和主膜片的位置过于接近，以致反射膨胀波过早地追赶上接触面并与之发生相互作用，使得激波速度衰减严重。在很多情况下，等截面设计的重活塞压缩器带来的入射激波强度的增益，仍不足以消除这种衰减，因此传统的自由活塞激波风洞的设计构型需要修改。

变截面重活塞压缩器包含高压空气室1(含活塞发射机构)，重活塞2，压缩管粗段3，活塞缓冲机构4(含惯性质量)，压缩管细段5，夹膜机构6等几个主要部分。重活塞2的质量与截面积之比大于500kg/m2.压缩管粗段与细段直径比值在2.0-3.5范围内，二者的直径比需要结合活塞软着陆要求，以及模拟流场尺寸与品质的要求共同加以确定，根据经验，直径比满足比较适宜。压缩管细段后连激波管的直径无特别要求。压缩管粗段与细段之间的长度比例根据重活塞压缩器设计压缩比(输入量，该值一般在25-60之间)进行选择，压缩管粗段与细段容积之比一般大于实际运行的压缩比，在1.2到2.0之间，以满足活塞充分减速的需求。

与传统的重活塞压缩器相比，该压缩器的压缩管采用变截面结构(前段为粗段，后段为细段)，重活塞仅在压缩管粗段运动。重活塞压缩器通过其细段末端的夹膜机构变更主膜片位置获得不同压缩比。

激波管风洞气动要求和设备空间限制是进行变截面重活塞压缩器设计的应当充分考虑的两个先决条件。另外，在具体实施过程中，为了保证变截面重活塞压缩器高效安全地运行，还需要注意如下几个细节。

(1)压缩管粗段与细段直径比值在2.0-3.5范围内为宜。压缩管细段和激波管的直径彼此接近。压缩管粗段与细段之间的长度比例根据重活塞压缩器设计压缩比(输入量，该值一般在25-60之间)进行选择，压缩管粗段与细段容积之比大于实际运行的压缩比。这样冗余处理将增加活塞的减速距离。忽略压缩管粗段(3)和压缩管细段(5)之间过渡连接段的容积，压缩管的设计满足如下约束：

这里L表示压缩管粗段长度，l表示压缩管细段长度，λ为设计压缩比，D为压缩管粗段直径，d为压缩管细段直径。

(2)为了实现活塞在压缩管粗段末端有效的减速，尽可能达到“软着陆”要求，除了采用必要的气动减速以外，还将综合采用如下两种不同措施来实现对活塞的控制。其一，增加活塞密封圈和压缩管壁面之间的摩擦力。活塞密封圈采用尼拉特隆(nylatron，经过填充的酰胺纤维化合物)或其他更为坚硬的纤维材料。密封圈的工作依赖于活塞前的驱动气体，其内部压力始终和驱动气体压力保持一致，在此压力的作用下，紧贴压缩管内壁的尼拉特龙内衬将发生弯曲，从而实现密封效果。活塞受到的摩擦阻力随着驱动气体压力的增加而增加。通过选择与活塞质量相匹配的初始运行压力(活塞前脸和后脸)，即可从理论上实现活塞的软着陆。这种办法同时也能有效防止活塞两侧气体的泄漏。其二，压缩管粗段末端安装缓冲器和活塞头部使用柔性套头，可以吸收活塞剩余的动能(活塞末端速度不大于20m/s)。过驱动(over-driven)和亚驱动(under-driven)都有可能导致活塞的剩余速度，只要活塞速度低于这个值，整个设备都将是安全的。

(3)变截面重活塞压缩器，需要双膜夹膜结构的配合，通过变更膜片位置，调整压缩管细段的长度，以便获得不同的压缩比。另外需要说明的是，为了抵消部分潜在损耗，获得更接近设计要求的激波速度，实际运行中的活塞质量将比理论值稍大。

实施例

某风洞为例，对此型活塞压缩器略假说明。该变截面活塞压缩器的主膜片第一第二夹持位置分别位于压缩管细段下游1.1m和1.5m处。当启用第一位置时，按照粗段截面积折算，收缩连接段的等效长度约为0.035m，压缩管细段的等效长度约为0.135m，这样最大压缩比为(11.5+0.035+0.135)/0.135≈86.44，当启用第二位置时，可以获得的最大压缩比为(11.5+0.035+0.184)/0.184≈63.70。这样冗余处理将增加膜片打开以后活塞的减速距离。该变截面活塞压缩器具体参数见表1。

表1

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种变截面重活塞压缩器，其特征在于：包括高压空气室(1)，重活塞(2)，压缩管，夹膜机构(6)；

所述高压空气室(1)用于驱动重活塞(2)；

压缩管包括压缩管粗段(3)和压缩管细段(5)，二者的直径比在2.0～3.5范围内；

重活塞(2)在高压空气室(1)的驱动下在压缩管粗段(3)内运动；

夹膜机构(6)将膜片夹持在压缩管细段(5)内部；

压缩管粗段(3)与压缩管细段(5)之间的容积比例根据重活塞压缩器的设计压缩比，为重活塞压缩器的设计压缩比的1.2到2.0倍。

2.根据权利要求1所述变截面重活塞压缩器，其特征在于，压缩管粗段(3)和压缩管细段(5)的内部连接端设置缓冲部件，对活塞在运行末段进行减速。

3.根据权利要求1所述变截面重活塞压缩器，其特征在于，压缩管粗段(3)和压缩管细段(5)的连接端外部设置活塞缓冲机构(4)，通过根据活塞质量和压缩管质量匹配惯性质量。

4.根据权利要求1所述变截面重活塞压缩器，其特征在于，重活塞压缩器的设计压缩比为25-60之间。

5.根据权利要求2所述变截面重活塞压缩器，其特征在于，活塞头部具有柔性套头，与缓冲部件配合，保证吸收活塞剩余的动能。

6.根据权利要求1所述变截面重活塞压缩器，其特征在于，忽略压缩管粗段(3)和压缩管细段(5)之间过渡连接段的容积，压缩管的设计满足如下约束：

其中L表示压缩管粗段长度，l表示压缩管细段长度，λ为设计压缩比，D为压缩管粗段直径，d为压缩管细段直径。