CN108278487B - 一种用于自由活塞激波风洞压缩管的转接装置及充气装置 - Google Patents

一种用于自由活塞激波风洞压缩管的转接装置及充气装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于自由活塞激波风洞压缩管的转接装置及充气装置，属于高超声速激波风洞工程技术领域。本发明通过在风洞结构中增设转接装置，解决了自由活塞激波风洞压缩管高真空抽吸困难的问题，从而提高了气体的纯度，通过流量控制器控制氦气氩气的充装比例，提高了充装的比例精度，从而满足了自由活塞激波风洞多种运行状态的需求。

Description

一种用于自由活塞激波风洞压缩管的转接装置及充气装置
技术领域
本发明涉及一种用于自由活塞激波风洞压缩管的转接装置及充气装置，属于高超声速激波风洞工程技术领域。
背景技术
自由活塞激波风洞主要由高压储气室(含重活塞发射机构)，压缩管，第一膜片，激波管，第二膜片，喷管，试验段和真空箱等主要部件组成。
运行原理是通过高压储气室发射重活塞，重活塞推动压缩管的轻质驱动气体(氦气或者氦气/氩气的混合气体)，使之达到设定的高温高压状态，并以此驱动激波管运行。自由活塞激波风洞是目前获得高密度的高超声速/超高速试验气流的最为可行的设备。自由活塞激波风洞可以模拟的高度范围大多集中在25-60km区域，可以覆盖不少典型再入飞行器和其他吸气式高超飞行器的飞行走廊。而自由活塞激波风洞实现多种不同运行状态的关键是在压缩管中充入不同配比的高纯度氦气氩气，氦气和氩气的配比精度以及纯度直接影响自由活塞激波风洞运行的最终流场。同时，氦气和氩气充装之前需要对压缩管先进行抽真空，由于压缩管体积较大如果要抽吸到比较低的真空度，则需要开设比较大的抽吸口，这样势必会影响风洞的流场。这样就需要解决两个难题:1、氦气氩气的不同运行模式下的高精度配比问题，2、压缩管的高真空抽吸问题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种用于自由活塞激波风洞压缩管的转接装置及充气装置。
本发明的技术解决方案是：
一种用于自由活塞激波风洞压缩管的转接装置，该装置包括两个法兰、管体、若干抽吸柱、抽吸环和第一高压气动阀；
所述的管体的一端固定连接一个法兰，所述的管体的另一端固定连接另一个法兰；
所述的管体在周向上有若干个通孔，该若干个通孔与抽吸环通过若干抽吸柱连接；
所述的第一高压气动阀与抽吸环固定连接。
所述的管体为空心圆柱。
所述的抽吸柱为空心圆柱。
所述的抽吸环为空心圆环，空心圆环上开有与抽吸柱连通的通孔。
所述的转接装置中的一个法兰与自由活塞激波风洞上的压缩管连接，转接装置中的另一个法兰与高压储气室连接。
该装置包括抽真空系统、氦气充装支路、氩气充装支路和汇总气路，还包括转接装置；
所述的抽真空系统与转接装置中的第一高压气动阀连接，用于对压缩管进行抽真空；
所述的氦气充装支路和氩气充装支路通过汇总气路汇总后与转接装置中的管体上的充气口连接，用于对压缩管中充入氦气和氩气。
所述的抽真空系统包括波纹软管、罗茨真空泵和油封机械泵；所述的波纹软管的一端与转接装置的第一高压气动阀连接；波纹软管的另一端与罗茨真空泵的抽气口连接，罗茨真空泵的排气口与油封真空泵的抽气口连接。
所述的氦气充装支路包括第一气源接口、第一减压阀、第一压力传感器、第一过滤器、第一流量控制器、第一单向阀和第一气动阀；
第一减压阀进口通过第一气源接口与氦气气源连接，第一减压阀出口通过管路与第一过滤器一端连接，第一压力传感器通过三通连接在第一减压阀和第一过滤器之间，用于测量第一减压阀出口压力，第一过滤器另一端与第一流量控制器入口连接，第一流量控制器通过管路与第一单向阀入口连接，第一单向阀出口通过管路与第一气动阀连接。
所述的氩气充装支路包括第二气源接口、第二减压阀、第二压力传感器、第二过滤器、第二流量控制器、第二单向阀和第二气动阀；
第二减压阀进口通过第二气源接口与氦气气源连接，第二减压阀出口通过管路与第二过滤器一端连接，第二压力传感器通过三通连接在第二减压阀和第二过滤器之间，用于测量第二减压阀出口压力，第二过滤器另一端与第二流量控制器入口连接，第二流量控制器通过管路与第二单向阀入口连接，第二单向阀出口通过管路与第二气动阀连接。
所述的汇总气路包括第二高压气动阀和高压软管；
第二高压气动阀通过管路同时与第一气动阀和第二气动阀连接，第二高压气动阀通过高压软管与转接装置的充气口连接。
本发明具有以下优点及突出性效果：
本发明提供了一种适应自由活塞激波风洞多种运行状态的压缩管充气装置，其中在自由活塞激波风洞的高压储气室和压缩管之间增设了转接装置，通过了转接装置上开设真空抽吸口和充气口，降低了抽吸口对风洞运行过程中的影响，同时提高了真空系统抽吸的效果；真空系统采用罗茨真空泵和油封机械泵二级真空泵的模式，提高了抽吸效率。采用流量控制器的方式可以方便的调节压缩管中氦气氩气的配比，提高了配比精度，从而适应风洞多种运行状态的需求。本发明公开了一种适应自由活塞激波风洞多种运行状态的压缩管充气装置，包括转接装置、真空系统、氦气充装支路、氩气充装支路，汇总气路。所述的转接装置包括法兰、管体、抽吸段、抽吸环、高压气动阀、充气口。所述真空系统由波纹软管、罗茨真空泵、油封机械泵等组成，所述氦气、氩气充装支路均由气源接口、减压阀、压力传感器、过滤器、流量控制器、单向阀、气动阀组成，汇总气路由高压气动阀、高压软管及相应的管件等组成。所述的转接装置位于风洞高压储气室和压缩管之间，氦气氩气充装支路的流量控制器分别与PLC连接，通过PLC对风洞不同运行状态需要充装的氦气和氩气的比例进行设定和调节。
本发明通过在风洞结构中增设转接装置，解决了自由活塞激波风洞压缩管高真空抽吸困难的问题，从而提高了气体的纯度，通过流量控制器控制氦气氩气的充装比例，提高了充装的比例精度，从而满足了自由活塞激波风洞多种运行状态的需求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为转接装置的结构示意图；
其中：1-转接装置，2-真空系统，3-氦气充装支路，4-氩气充装支路，5-汇总气路，101-法兰，102-管体，103-抽吸柱，104-抽吸环，105-高压气动阀，106-充气口，201-波纹软管，202-罗茨真空泵，203-油封机械泵，301-气源接口，302-减压阀，303-压力传感器，304-过滤器，305-流量控制器，306-单向阀，307-气动阀，401-气源接口，402-减压阀，403-压力传感器，404-过滤器，405-流量控制器，406-单向阀，407-气动阀，501-高压气动阀，502-高压软管。
具体实施方式
一种用于自由活塞激波风洞压缩管的充气装置，该装置包括转接装置1、抽真空系统2、氦气充装支路3、氩气充装支路4和汇总气路5；
所述的转接装置包括两个法兰101、管体102、若干抽吸柱103、抽吸环104和第一高压气动阀105；所述的转接装置为一体成型装置；
所述的管体102的一端固定连接一个法兰101，所述的管体102的另一端固定连接另一个法兰101；
所述的管体102在周向上有若干个通孔，该若干个通孔与抽吸环104通过若干抽吸柱103连接；
所述的管体102上还有充气口106；
所述的第一高压气动阀105与抽吸环104固定连接；
所述的管体102为空心圆柱；
所述的抽吸柱103为空心圆柱；
所述的抽吸环104为空心圆环，空心圆环上开有与抽吸柱103连通的通孔；
该转接装置中的一个法兰101与自由活塞激波风洞上的压缩管连接，转接装置中的另一个法兰101与高压储气室连接；该转接装置中的第一高压气动阀105与抽真空系统连接；
当启动抽真空系统时，管体102内的气体通过抽吸柱103进入到抽吸环104中，抽吸环104中的气体通过第一高压气动阀105被抽真空系统抽走，达到对管体102内的气体进行抽真空的目的；
汇总气路用于对氦气充装支路和氩气充装支路进行汇总后与转接装置中的充气口106连接，达到通过转接装置对压缩管中充入氢气和氦气的目的；
所述的抽真空系统包括波纹软管201、罗茨真空泵202和油封机械泵203；
所述的氦气充装支路3包括第一气源接口301、第一减压阀302、第一压力传感器303、第一过滤器304、第一流量控制器305、第一单向阀306和第一气动阀307；
所述的氩气充装支路4包括第二气源接口401、第二减压阀402、第二压力传感器403、第二过滤器404、第二流量控制器405、第二单向阀406和第二气动阀407；
所述的汇总气路包括第二高压气动阀501和高压软管502；
所述真空系统2的波纹软管201与转接装置1的第一高压气动阀105连接；
所述的氦气充装支路3和氩气充装支路4汇总后与汇总气路5连接。汇总气路5的高压软管502通过法兰或螺纹与转接装置1的充气口106连接；
转接装置1位于自由活塞激波风洞高压储气室和压缩管之间，通过法兰与之连接。
所述的管体102内径与压缩管内径相同，保证压缩管活塞顺畅通过。
所述的氦气充装支路3第一气源接口301和氩气充装支路4第二气源接口401分别与氦气气源和氩气气源连接。
所述的氦气充装支路3第一流量控制器305和氩气充装支路4第二流量控制器405分别与PLC连接，通过PLC对风洞不同运行状态需要充装的氦气和氩气的比例进行设定和调节。
使用工况：压缩管(体积20m3)充装氦气氩气质量比1：1，总压力20000Pa，油封真空泵203抽吸速率150L/s，罗茨真空泵202抽吸速率为600L/s，第一流量控制器305、第二流量控制器405均选用500L/min的气体质量流量控制器，精度1.5％F.S。在压缩管充气之前，开油封真空泵203，打开第一高压气动阀105通过装置对压缩管进行抽真空，当压缩管真空度到3000Pa时，开罗茨真空泵202继续抽真空至100Pa以下，然后关闭第一高压气动阀105，关闭罗茨真空泵202，关闭油封真空泵203。抽真空过程结束，时间20min左右。然后调节第一减压阀302，第二减压阀402，使第一压力传感器303，压力传感器304压力满足第一流量控制器305和第二流量控制器405入口压力要求，然后通过PLC设置第一流量控制器305流量为500L/min，第二流量控制器405流量为500L/min。然后开启第二高压气动阀501，同时开启第一气动阀307、第二气动阀407，当压缩管中压力到2000Pa时关闭第二高压气动阀501，关闭第一气动阀307、第二气动阀407。充装过程结束，整个过程25min左右。充装的氦气氩气的比例精度误差在3％左右，能够满足压缩管充气纯度和比例精度要求，整个过程的效率也能够满足试验的需求。
下面结合实施例及附图对本发明做进一步的说明，
实施例
一种适应自由活塞激波风洞多种运行状态的压缩管充气装置如图1所示包括转接装置1、真空系统2、氦气充装支路3、氩气充装支路4，汇总气路5组成。
如图1、图2所示，转接装置1包括法兰101、管体102、抽吸柱103、抽吸环104、第一高压气动阀105组成，同时在管体上开设充气口106。其中抽吸柱103通过焊接与管体连接，再通过焊接与抽吸环104连接，抽吸环104通过法兰与第一高压气动阀105连接。这种结构提高了真空抽吸管道的流导，使氦气氩气充气之前压缩管可以抽吸到更低的真空，保证了压缩管气体的纯度。而置换段设置在自由活塞激波风洞高压储气室和压缩管之间，通过法兰101与之连接。管体102内径与压缩管内径相同，保证风洞运行过程中重活塞可顺畅通过。
如图1所示，真空系统2包括波纹软管201、罗茨真空泵202、油封机械泵203等组成，罗茨真空泵202、油封机械泵203之间通过真空管路连接，组成二级真空机组，提高抽吸的极限真空度，提高了抽吸效率。波纹软管201的伸缩长度根据风洞移动的要求选取。
如图1所示，氦气充装支路3包括第一气源接口301、第一减压阀302、第一压力传感器303、第一过滤器304、第一流量控制器305、第一单向阀306、第一气动阀307组成，所述氩气充装支路4包括第二气源接口401、第二减压阀402、第二压力传感器403、第二过滤器404、第二流量控制器405、第二单向阀406、第二气动阀407组成，汇总气路5由第二高压气动阀501、高压软管502及相应的管件等组成。汇总气路5的高压软管通过法兰或螺纹与转接装置1的充气口106连接。氦气充装支路3第一流量控制器305和氩气充装支路4第二流量控制器405分别与PLC连接，通过PLC对风洞不同运行状态需要充装的氦气和氩气的比例进行设定和调节。
第一高压气动阀105和第二高压气动阀501保障了真空系统、氦气氩气充气管路与风洞的隔离，使风洞运行过程中的高压气体不会造成装置的破坏。
使用工况：压缩管(体积20m3)充装氦气氩气质量比1：1，总压力20000Pa，油封真空泵203抽吸速率150L/s，罗茨真空泵202抽吸速率为600L/s，第一流量控制器305、第二流量控制器405均选用500L/min的气体质量流量控制器，精度1.5％F.S。在压缩管充气之前，开油封真空泵203，打开第一高压气动阀105通过装置对压缩管进行抽真空，当压缩管真空度到3000Pa时，开罗茨真空泵202继续抽真空至100Pa以下，然后关闭第一高压气动阀105，关闭罗茨真空泵202，关闭油封真空泵203。抽真空过程结束，时间20min左右。然后调节第一减压阀302，第二减压阀402，使第一压力传感器303，压力传感器304压力满足第一流量控制器305和第二流量控制器405入口压力要求，然后通过PLC设置第一流量控制器305流量为500L/min，第二流量控制器405流量为500L/min。然后开启第二高压气动阀501，同时开启第一气动阀307、第二气动阀407，当压缩管中压力到2000Pa时关闭第二高压气动阀501，关闭第一气动阀307、第二气动阀407。充装过程结束，整个过程25min左右。充装的氦气氩气的的比例精度误差在3％左右，能够满足压缩管充气纯度和比例精度要求，整个过程的效率也能够满足试验的需求。
本发明具有以下优点及突出性效果：本发明提供了一种适应自由活塞激波风洞多种运行状态的压缩管充气装置，其中在自由活塞激波风洞的高压储气室和压缩管之间增设了置换段，通过了置换段上开设真空抽吸口和充气口，降低了抽吸口对风洞运行过程中的影响，同时提高了真空系统抽吸的效果；真空系统采用罗茨真空泵和油封机械泵二级真空泵的模式，提高了抽吸效率。采用流量控制器的方式可以方便的调节压缩管中氦气氩气的配比，提高了配比精度，从而适应风洞多种运行状态的需求。

Claims (1)

1.一种用于自由活塞激波风洞压缩管的充气装置，其特征在于：该装置包括抽真空系统(2)、氦气充装支路(3)、氩气充装支路(4)和汇总气路(5)，还包括用于自由活塞激波风洞压缩管的转接装置，所述的转接装置包括两个法兰(101)、管体(102)、若干抽吸柱(103)、抽吸环(104)和第一高压气动阀(105)；
所述的管体(102)的一端固定连接一个法兰(101)，所述的管体(102)的另一端固定连接另一个法兰(101)；
所述的管体(102)在周向上有若干个通孔，该若干个通孔与抽吸环(104)通过若干抽吸柱(103)连接；
所述的第一高压气动阀(105)与抽吸环(104)固定连接；
所述的管体(102)为空心圆柱；
所述的抽吸柱(103)为空心圆柱；
所述的抽吸环(104)为空心圆环，空心圆环上开有与抽吸柱(103)连通的通孔；
所述的转接装置中的一个法兰(101)与自由活塞激波风洞上的压缩管连接，转接装置中的另一个法兰(101)与高压储气室连接；
所述的抽真空系统(2)与转接装置中的第一高压气动阀(105)连接，用于对压缩管进行抽真空；
所述的氦气充装支路(3)和氩气充装支路(4)通过汇总气路(5)汇总后与转接装置中的管体(102)上的充气口(106)连接，用于对压缩管中充入氦气和氩气；
所述的抽真空系统包括波纹软管(201)、罗茨真空泵(202)和油封真空泵(203)；所述的波纹软管(201)的一端与转接装置的第一高压气动阀(105)连接；波纹软管(201)的另一端与罗茨真空泵(202)的抽气口连接，罗茨真空泵(202)的排气口与油封真空泵(203)的抽气口连接；
所述的氦气充装支路(3)包括第一气源接口(301)、第一减压阀(302)、第一压力传感器(303)、第一过滤器(304)、第一流量控制器(305)、第一单向阀(306)和第一气动阀(307)；
第一减压阀(302)进口通过第一气源接口(301)与氦气气源连接，第一减压阀(302)出口通过管路与第一过滤器(304)一端连接，第一压力传感器(303)通过三通连接在第一减压阀(302)和第一过滤器(304)之间，用于测量第一减压阀(302)出口压力，第一过滤器(304)另一端与第一流量控制器(305)入口连接，第一流量控制器(305)通过管路与第一单向阀(306)入口连接，第一单向阀(306)出口通过管路与第一气动阀(307)连接；
所述的氩气充装支路(4)包括第二气源接口(401)、第二减压阀(402)、第二压力传感器(403)、第二过滤器(404)、第二流量控制器(405)、第二单向阀(406)和第二气动阀(407)；
第二减压阀(402)进口通过第二气源接口(401)与氦气气源连接，第二减压阀(402)出口通过管路与第二过滤器(404)一端连接，第二压力传感器(403)通过三通连接在第二减压阀(402)和第二过滤器(404)之间，用于测量第二减压阀(402)出口压力，第二过滤器(404)另一端与第二流量控制器(405)入口连接，第二流量控制器(405)通过管路与第二单向阀(406)入口连接，第二单向阀(406)出口通过管路与第二气动阀(407)连接；
所述的汇总气路包括第二高压气动阀(501)和高压软管(502)；
第二高压气动阀(501)通过管路同时与第一气动阀(307)和第二气动阀(407)连接，第二高压气动阀(501)通过高压软管(502)与转接装置的充气口(106)连接。
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