CN107966262B - 一种带有滑动热补偿功能的高温真空风洞试验舱和扩压器整体结构及滑动热补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种带有滑动热补偿功能的高温真空风洞试验舱和扩压器整体结构及滑动热补偿方法，克服现有技术的不足，提供一种高温风洞扩压器的热补偿方案，解决大型燃气流风洞试验舱在长时间、高温、大热流恶劣热环境下的热补偿难题。采用扩压器中段固定支撑、两端滑动的结构设计，合理分配热胀量。根据热环境的不同，在不同的位置采用不同的热补偿方式。上游：通过增加锥形套增加舱体和扩压器之间接触面积，采用多道密封解除被烧毁和密封失效的风险，同时扩压器上游端(即收集口)为自由端，因而实现了滑动热补偿。下游：采用喷水降温装置将燃气温度降低之后采用膨胀节热补偿方法，实现了滑动热补偿。

Description

一种带有滑动热补偿功能的高温真空风洞试验舱和扩压器整 体结构及滑动热补偿方法

技术领域

本发明涉及一种带有滑动热补偿功能的高温真空风洞试验舱和扩压器整体结构及滑动热补偿方法，即带滑动热补偿的高温真空风洞用的结构及滑动热补偿方法，属于风洞技术领域。

背景技术

高温燃气流风洞是模拟材料和飞行器在高温气流中热性能的重要地面试验设备，其中试验舱和扩压器是风洞主要组件，试验舱主要用于安装试验模型及其测试测量装置，扩压器主要用于抬高气流的静压利于排出气流。相比与其他风洞，高温风洞具有热流大及试验时间长的特点。在燃气流风洞中，试验舱和扩压器内热环境非常恶劣，长时间处于大热流低压环境。舱内温度最高可达2000K左右，内表面热流密度最高可达900kW/m²，试验时间最长可达到1000s。扩压器的热环境更为恶劣，最高热流密度达到2000kW/m²。扩压器受热膨胀，通常在试验舱和扩压器之间用波纹管实现热补偿。在如此恶劣的热环境下，已有的波纹管热补偿措施将面临几方面的挑战：一是扩压器热胀伸长量较大，需要使用较长的波纹管才能满足要求，结构复杂；二是气流静温高，在波纹管端部气流滞止后温度更是超过了波纹管所能承受的极限；三是高温环境下在波纹管外径处易形成热应力集中导致密封失效。因此必须寻求新的高效、可靠的热补偿方法，解决上述难题。

发明内容

本发明解决的技术问题为：本发明克服现有技术不足，在国内首次将滑动热补偿方法应用于风洞试验舱和扩压器，实现了在长时间(1000s)、高温(约2000K)、大热流(最大约2000kW/m²)的恶劣热环境下的稳定工作，保证了高温燃气流超声速风洞试验的顺利进行。解决了高温真空环境下扩压器的热补偿的问题，结构更简单，对恶劣高温热环境适应性强，不存在热应力集中的问题。

本发明解决的技术方案为：一种带有滑动热补偿功能的高温真空风洞试验舱和扩压器整体结构，包括：试验舱(1)、扩压器(2)、固定支撑(8)、滑动支撑(9)和收集口滑动支撑(11)；

扩压器(2)的一端位于试验舱(1)舱体内，固定支撑(8)支撑在扩压器(2)的中部偏向试验舱(1)的一端；滑动支撑(9)分别支撑扩压器(2)的另一端与固定支撑(8)之间，滑动支撑(9)能够沿扩压器(2)的轴向滑动，收集口滑动支撑(11)上端连接扩压器(2)的一端，下端连接固定在试验舱(1)的底板上的滑动轨道(11-2)，收集口滑动支撑(11)上带有能够移动的水冷结构给扩压器(2)的一端冷却。

扩压器(2)，包括：收集口(3)、直筒段(4)、收缩段(5)、二喉道(6)、扩张段(7)；试验舱(1)，包括：舱体及锥形套(10)；

扩压器(2)的收集口(3)位于试验舱(1)舱体内，收集口(3)包括变径段(3-1)和等值段(3-2)；收集口滑动支撑(11)的支撑柱(11-1)上端连收集口，下端连滑动轨道(11-2)，滑动轨道(11-2)固定连接在试验舱(1)的底板上；变径段(3-1)的后端连接等值段(3-2)的前端，等值段(3-2)后端伸入到直筒段(4)的前端内，直筒段(4)的前端能够支撑等值段(3-2)的后端，收集口滑动支撑(11)上带有可移动的水冷结构，通过金属软管(11-3)实现给水冷结构动态供水；

直筒段(4)的外壁和锥形套(10)的内壁之间通过多道密封圈(10-4)密封连接。二喉道(6)包括前段和后段，直筒段(4)的后端与收缩段(5)的前端固定连接，收缩段(5)的后端固定连接二喉道(6)前段的前端，二喉道(6)前段的后端连接二喉道(6)后段的前端，二喉道(6)后段的后端固定连接扩张段(7)的前端。直筒段(4)通过锥形套(10)与试验舱(1)固定连接

固定支撑(8)支撑在扩压器(2)的二喉道(6)后段；扩张段(7)为喇叭口型，扩张段(7)的后端开口大于前端开口；滑动支撑(9)分别支撑扩压器(2)的整个收缩段(5)以及二喉道(6)的前段。滑动支撑(9)能够沿扩压器(2)的轴向滑动。

锥形套(10)能够套在扩压器(2)的直筒段(4)外侧，截面包括锥形段和矩形段；锥形段的后端和矩形段前端相连；锥形套的矩形段(10-2)与试验舱(1)的舱壁固定连接；直筒段(4)的直径大于等值段(3-2)的直径。

试验舱(1)为舱壁上有一处开口的密封结构，开口处能够连接扩压器(2)。

滑动支撑(9)包括：轨道、滑块和支撑架，支撑架能够连接轨道中的滑块，通过滑块在轨道中滑动，带动支撑架滑动。

直筒段(4)和等值段(3-2)为中空圆筒；收集口等值段(3-2)直径保持固定，等值段(3-2)前端的直径根据喷管直径可调，优选D_收集口＝1.2D_喷管。

直筒段(4)前端和收集口(3)滑动连接，直筒段(4)后端和收缩段(5)固定连接。

二喉道(6)是等直径圆筒，下端有固定支撑。

8扩张段(7)后端有喷水降温装置，用于降低高温燃气的温度；扩张段(7)的后端通过外部膨胀节连接下游排气管路。

固定支撑(8)的支撑位置在等直径的二喉道(6)上，当扩压器(2)受热膨胀时，将以固定支点为中心向两端膨胀，上游，即即收集器(3)一侧，将向前滑动，则扩压器上游的热膨胀量使得扩压器的直筒段(4)在锥形套(10)内滑动；扩压器下游将向下滑动，此部分膨胀量造成的整体滑动使扩压器扩张段(7)后端向后伸长。

一种高温真空风洞试验舱和扩压器整体结构的滑动热补偿方法，步骤如下：

(1)确定扩压器各段的长度；

(2)计算扩压器的整体热胀量；

(3)确定扩压器的固定支撑点的位置，分配上下游的膨胀滑动量；

(4)轴向调整固定支撑点两侧的滑动支撑点，使滑动支撑点能够撑起扩压器；

(5)对试验舱和扩压器之间进行密封；

(6)收集口的滑动支撑(11)对收集口进行冷却。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过固定和滑动支撑相结合的设计，合理分配扩压器热膨胀造成的伸长量，在扩压器两端根据热环境的不同采用不同的热补偿方式，简化了结构设计。

(2)本发明在热环境恶劣的扩压器上游采用滑动热补偿方法，通过锥形套增大了扩压器和舱体之间的接触面积，从而可采用多道密封圈进行密封。通过喷水降温装置给高温气流降温，因此可在扩压器下游沿用了膨胀节作为热补偿器；

(3)本发明在热环境恶劣的地方采用多道密封圈的结构，不存在被烧毁的风险；

(4)本发明收集口一端处于自由状态，降低了热应力，提高了结构安全度。

附图说明

图1为试验舱和扩压器滑动热补偿整体结构示意图；

图2为收集口的布置示意图；

图3为本发明锥形套的布置示意图；

图4为密封结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明一种带有滑动热补偿功能的高温真空风洞试验舱和扩压器整体结构及滑动热补偿方法，克服现有技术的不足，提供一种高温风洞扩压器的热补偿方案，解决大型燃气流风洞试验舱在长时间、高温、大热流恶劣热环境下的热补偿难题。采用扩压器中段固定支撑、两端滑动的结构设计，合理分配热胀量。根据热环境的不同，在不同的位置采用不同的热补偿方式。上游：通过增加锥形套增加舱体和扩压器之间接触面积，采用多道密封解除被烧毁和密封失效的风险，同时扩压器上游端(即收集口)为自由端，因而实现了滑动热补偿。下游：采用喷水降温装置将燃气温度降低之后采用膨胀节热补偿方法，实现了滑动热补偿。

按部段解释具体的连接关系和原理，说明如下：。

1、整体结构

各部件连接关系如下：一种带有滑动热补偿功能的高温真空风洞试验舱和扩压器整体结构，主要包括：试验舱(1)、扩压器(2)、固定支撑(8)、滑动支撑(9)、收集口滑动支撑(11)。另外扩压器下游连接的是膨胀节等常规设备。试验舱(1)，包括：舱体本身及锥形套(10)，锥形套可视为舱体的附件。扩压器(2)包括：收集口(3)、直筒段(4)、收缩段(5)、二喉道(6)、扩张段(7)。以上部件见附图1。

2、收集口的布置

收集口及其周围的结构如附图2所示，扩压器(2)的收集口(3)位于试验舱(1)内，由变径段(3-1)和等值段(3-2)组成。收集口滑动支撑(11)的支撑柱(11-1)上端连收集口，下端连滑动轨道(11-2)，滑动轨道(11-2)固定连接在试验舱(1)的底板上。直筒段(4)为中空圆筒，直筒段(4)的直径大于等值段(3-2)的直径，等值段(3-2)后端伸入到直筒段(4)的前端内，直筒段(4)的前端能够支撑等值段(3-2)的后端。因此收集口能在直通段内自由滑动，为自由端，这样就大大降低了高温环境下收集口的热应力，经有限元计算，热应力下降了46％，提高了设备的安全度。自由端更重要的作用是能够起到热补偿的作用。收集口滑动支撑(11)上带有可移动的水冷结构，是通过金属软管(11-3)实现的动态供水。

3、锥形套的布置

锥形套(10)的布置及密封结构如附图3和附图4所示。首先通过锥形套(10)增大舱体和扩压器(2)之间的接触面积，然后采取密封措施。直筒段(4)的外壁和锥形套(10)的内壁之间通过多道密封圈(10-4)密封连接。锥形套后端矩形段(10-2)面与试验舱(1)固定连接。采用焊接方式，之间不会漏气，锥形套长度在800mm以上，这样相当于增加了舱壁和扩压器之间的接触面积。在此较大的接触面上，方便布置多道密封圈(10-4)，每道密封圈之间的空气形成的热阻较大，有效地防止了密封圈被烧。如附图4所示，共布置了5组密封圈，共10道。而与气流相接触的那道密封圈的热环境最为恶劣，存在被烧毁的风险，对此有两个措施应对。一是该道密封圈在锥形套的最外侧，方便安装和拆卸；二是在锥形套和直筒段接触区的最左侧增加了一道金属环(10-3)，其目的是阻止气流直接进入锥形套和扩压器之间的缝隙中。该金属环(10-3)固定在锥形套锥形段(10-1)端面上，同时和扩压器之间的接触面积很小，因此不会影响收集口(3)的自由滑动。金属环的内侧有密封槽，槽内填充石棉绳，相当有在上游由增加了一道密封。金属环和锥形套(10)内最外侧密封圈一样，具有易更换的特点。至此就解决上游热膨胀时与舱体接触面之间的滑动和密封问题。这样的布置大大降低了密封件被烧毁的风险。

4、扩压器其他部分、固定支撑和滑动支撑

扩压器(2)其他部分，直筒段(4)的后端与收缩段(5)的前端固定连接，收缩段(5)的后端固定连接二喉道(6)前段的前端，二喉道(6)前段的后端连接二喉道(6)后段的前端，二喉道(6)后端的后端固定连接扩张段(7)的前端。二喉道(6)包括前段和后段，固定支撑(8)支撑在扩压器(2)的二喉道(6)后段。扩张段(7)为喇叭口型，扩张段(7)的后端开口大于前端开口。滑动支撑(9)为多个，分别支撑扩压器(2)的整个收缩段(5)以及二喉道(6)的前段。滑动支撑(9)能够沿扩压器(2)的轴向滑动。

不同于上游的恶劣热环境(因此才舍弃了膨胀节的设计)，高温燃气流经过收集口(3)、直筒段(4)、收缩段(5)和二喉道(6)传到下游，通过扩张段(7)内部的喷水降温装置，气流温度降至400摄氏度以下，热环境得到缓和，因此能够在下游采用膨胀节的设计。扩压器下的滑动支撑(9)将整体伸长量传递到下游的膨胀节。由于下游扩压器较长，因此膨胀节也释放了不少的膨胀滑动量。至此，上下游的热膨胀量均得到有效释放。

5、滑动热补偿方法的设计步骤

(1)确定扩压器各段的长度和结构

确定各段的长度，这和风洞的总体设计相关，但其具体结构，上下游关系均需要明确，因为这是下一步计算热膨胀量的基础。

(2)计算扩压器的整体热胀量

在确定了扩压器各段尺寸和结构之后，需要进一步明确各段的热环境，涉及到试验和CFD仿真。然后就能够计算热膨胀量，公式如下：

L1＝ΔTα

式中，L1是热膨胀量，ΔT是温差，α是膨胀系数。由于扩压器结构复杂，需要利用有限元软件辅助计算热膨胀量，和上述结果验证对比。

(3)确定扩压器的固定支撑点的位置，分配上下游的膨胀滑动量

结合各段热膨胀量和扩压器的结构形式，综合确定固定支撑点的位置。其原则：一是尽量降低上游的膨胀量，减小扩压器和舱体之间的滑动；二是布置点的位置尽量在二喉道这样的等值段。在该项目中，将支撑点确定在二喉道的后段。

(4)轴向调整固定支撑点两侧的滑动支撑点，使滑动支撑点能够撑起扩压器

此步骤按受力分配即可，保证结构安全的情况下降低滑动支撑的数量，因为滑动支撑上轨道安装同轴度较高。

(5)对试验舱和扩压器之间进行密封

密封较为关键，因为试验过程中舱内需要保持真空环境。因此防止密封件在高温环境下被烧毁就显得尤为重要。此处由几个关键的参数：密封圈数量(N)、密封圈组数(M)密封圈间隔长度(L2)、锥形套和直通段之间的接触长度(L3)。

接触长度L3由密封圈的数量N、间隔长度L2、和组数M共同决定，即：优选L3＝M*N*L2。首先确定每组密封圈之间的间隔L2。由于每组密封圈之间仅通过辐射和自然对流的方式进行传热，前者占比远大于后者，而辐射传热主要和温度的四次方相关，而温度是随轴线方向递减的，即热阻增大。因此可以采用定热阻的方式进行设计，这样可少布置几道密封圈，但密封圈之间的间隔是不固定的。等间距布置密封圈是更为保险的方式，远离收集口侧的密封圈将更安全，但布置的数量将增多。在条件恶劣的情况下建议采用等间距布置的方式。然后根据远离收集口侧的温度接近室温的条件计算需要密封圈组数。每组的密封圈数量可视为安全系数，优选M＝2即视为安全系数为2。这样就能计算L3了。

(6)收集口的滑动支撑

不同于仓位的滑动支撑，此处热环境恶劣，需要考虑冷却，即设计滑动冷却结构。可采用金属软件进行移动中的供水。

固定支撑(8)将扩压器(2)的受热膨胀造成的滑动分割成两部分。具体而言，固定支撑(8)的支撑位置在等直径的二喉道(6)上，当扩压器(2)受热膨胀时，将以固定支点为中心向两端膨胀，上游(及收集器(3)一侧)将向前滑动，因此，扩压器上游的热膨胀量使得扩压器的直筒段(4)在锥形套(10)内滑动；扩压器下游将向下滑动，此部分膨胀量造成的整体滑动使扩压器扩张段(7)末端向后伸长。上下游通过两种不同的方式来承担热膨胀造成的滑动量。

上游：首先通过锥形套(10)增大舱体和扩压器之间的接触面积，然后采取密封措施。具体而言，锥形套(10)和试验舱(1)焊接为一体，之间不会漏气，优选锥形套长度在800mm以上，这样相当于增加了舱壁和扩压器之间的接触面积。在此较大的接触面上，方便布置多道密封圈，每道密封圈之间的空气形成的热阻较大，有效地防止了密封圈被烧。而与气流相接触的那道密封圈的热环境最为恶劣，存在被烧毁的风险，对此有两个措施应对。一是该道密封圈在锥形套的最外侧，方便安装和拆卸；二是在锥形套和直筒段接触区的最左侧增加了一道金属环，其目的是阻止气流直接进入锥形套和扩压器之间的缝隙中。该金属环固定在锥形套上，同时和扩压器之间的接触面积很小，因此不会影响扩压器的自由滑动。金属环的内侧有密封槽，相当有在上游由增加了一道密封。金属环和锥形套(10)内最外侧密封圈一样，具有易更换的特点。至此就解决上游热膨胀时与舱体接触面之间的滑动和密封问题。

接下来通过收集口的滑动设计解决上游整体热膨胀的释放。收集口下有滑动支撑(11)，这是上游释放热膨胀量的关键。试验过程中，改滑动结构不锁死，处于自由滑动状，这样不仅能有效释放热膨胀量，还能抗冲击。经计算，此滑动设计将收集口的热应力降低了46％。

下游：不同于上游的恶劣热环境(因此才舍弃了膨胀节的设计)，高温燃气流经过收集口(3)、直筒段(4)、收缩段(5)和二喉道(6)传到下游，通过扩张段(7)内部的喷水降温装置，优选气流温度降至400摄氏度以下，热环境得到缓和，因此能够在下游采用膨胀节的设计。扩压器下的滑动支撑(9)将整体伸长量传递到下游的膨胀节。由于下游扩压器较长，因此膨胀节也释放了不少的膨胀滑动量。至此，上下游的热膨胀量均得到有效释放。

一种高温真空风洞试验舱和扩压器整体结构的滑动热补偿方法，步骤如下：

(1)确定扩压器各段的长度；(2)计算扩压器的整体热胀量；(3)确定扩压器的固定支撑点的位置，分配上下游的膨胀滑动量；(4)轴向调整固定支撑点两侧的滑动支撑点，使滑动支撑点能够撑起扩压器；(5)对试验舱和扩压器之间进行密封；(6)收集口的滑动支撑(11)对收集口进行冷却。

本发明测试效果显著，解决了大型燃气流风洞试验舱在长时间、高温、大热流恶劣热环境下的热补偿难题。将其应用到高温燃气流试验设备上，从目前的试验结果来看，密封效果良好；在最外侧金属环的保护下，各密封圈未被烧毁；膨胀伸长量的分配符合预期。因此，该方法适用于高温真空风洞扩压器的热补偿，在2000K的高温环境下，依然能实现密封。收集口热应力降低了46％。

Claims (9)

1.一种带有滑动热补偿功能的高温真空风洞试验舱和扩压器整体结构，其特征在于包括：试验舱(1)、扩压器(2)、固定支撑(8)、滑动支撑(9)和收集口滑动支撑(11)；

扩压器(2)的一端位于试验舱(1)舱体内，固定支撑(8)支撑在扩压器(2)的中部偏向试验舱(1)的一端；滑动支撑(9)分别支撑扩压器(2)的另一端与固定支撑(8)之间，滑动支撑(9)能够沿扩压器(2)的轴向滑动，收集口滑动支撑(11)上端连接扩压器(2)的一端，下端连接固定在试验舱(1)的底板上的滑动轨道上，收集口滑动支撑(11)上带有能够移动的水冷结构给扩压器(2)的一端冷却；

锥形套(10)能够套在扩压器(2)的直筒段(4)外侧，截面包括锥形段和矩形段；锥形段的后端和矩形段前端相连；锥形套的矩形段(10-2)与试验舱(1)的舱壁固定连接；直筒段(4)的直径大于等值段(3-2)的直径。

2.根据权利要求1所述的一种带有滑动热补偿功能的高温真空风洞试验舱和扩压器整体结构，其特征在于：扩压器(2)，包括：收集口(3)、直筒段(4)、收缩段(5)、二喉道(6)、扩张段(7)；试验舱(1)，包括：舱体及锥形套(10)；扩压器(2)的一端位于试验舱(1)舱体内为收集口(3)；收集口(3)包括变径段(3-1)和等值段(3-2)；收集口滑动支撑(11)包括支撑柱(11-1)和滑动轨道(11-2)，收集口滑动支撑(11)的支撑柱(11-1)上端连收集口，下端连滑动轨道(11-2)，滑动轨道(11-2)固定连接在试验舱(1)的底板上；变径段(3-1)的后端连接等值段(3-2)的前端，等值段(3-2)后端伸入到直筒段(4)的前端内，直筒段(4)的前端能够支撑等值段(3-2)的后端，收集口滑动支撑(11)上带有可移动的水冷结构，通过金属软管(11-3)实现给水冷结构动态供水。

3.根据权利要求2所述的一种带有滑动热补偿功能的高温真空风洞试验舱和扩压器整体结构，其特征在于：直筒段(4)的外壁和锥形套(10)的内壁之间通过多道密封圈(10-4)密封连接，二喉道(6)包括前段和后段，直筒段(4)的后端与收缩段(5)的前端固定连接，收缩段(5)的后端固定连接二喉道(6)前段的前端，二喉道(6)前段的后端连接二喉道(6)后段的前端，二喉道(6)后段的后端固定连接扩张段(7)的前端；直筒段(4)通过锥形套(10)与试验舱(1)固定连接，扩压器(2)的中部偏向试验舱(1)的一端为二喉道(6)，固定支撑(8)支撑在扩压器(2)的二喉道(6)后段；扩张段(7)为喇叭口型，扩张段(7)的后端开口大于前端开口；滑动支撑(9)分别支撑扩压器(2)的整个收缩段(5)以及二喉道(6)的前段；滑动支撑(9)能够沿扩压器(2)的轴向滑动。

4.根据权利要求1所述的一种带有滑动热补偿功能的高温真空风洞试验舱和扩压器整体结构，其特征在于：试验舱(1)为舱壁上有一处开口的密封结构，开口处能够连接扩压器(2)。

5.根据权利要求1所述的一种带有滑动热补偿功能的高温真空风洞试验舱和扩压器整体结构，其特征在于：滑动支撑(9)包括：轨道、滑块和支撑架，支撑架能够连接轨道中的滑块，通过滑块在轨道中滑动，带动支撑架滑动。

6.根据权利要求2所述的一种带有滑动热补偿功能的高温真空风洞试验舱和扩压器整体结构，其特征在于：二喉道(6)是等直径圆筒，下端有固定支撑。

7.根据权利要求2所述的一种带有滑动热补偿功能的高温真空风洞试验舱和扩压器整体结构，其特征在于：扩张段(7)后端有喷水降温装置，用于降低高温燃气的温度；扩张段(7)的后端通过外部膨胀节连接下游排气管路。

8.根据权利要求2所述的一种带有滑动热补偿功能的高温真空风洞试验舱和扩压器整体结构，其特征在于：固定支撑(8)的支撑位置在等直径的二喉道(6)上，当扩压器(2)受热膨胀时，将以固定支点为中心向两端膨胀，上游，即收集器(3)一侧，将向前滑动，则扩压器上游的热膨胀量使得扩压器的直筒段(4)在锥形套(10)内滑动；扩压器下游将向下滑动，此部分膨胀量造成的整体滑动使扩压器扩张段(7)后端向后伸长。

9.根据权利要求1所述的一种带有滑动热补偿功能的高温真空风洞试验舱和扩压器整体结构的滑动热补偿方法，其特征在于步骤如下：

(1)确定扩压器各段的长度；

(2)计算扩压器的整体热胀量；

(3)确定扩压器的固定支撑点的位置，分配上下游的膨胀滑动量；

(4)轴向调整固定支撑点两侧的滑动支撑点，使滑动支撑点能够撑起扩压器；

(5)对试验舱和扩压器之间进行密封；

(6)收集口的滑动支撑(11)对收集口进行冷却。