CN108593245A - 一种电弧风洞试验设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电弧风洞试验设备，包括：依次连通的真空机组、油浴过滤器、热交换器和真空室，其中，所述真空机组，用于将空气压缩为真空；所述油浴过滤器，用于过滤所述真空中的灰尘和杂质，得到纯净的真空；热交换器，用于加热所述纯净的真空，得到纯净的热真空气流以输送给所述真空室；所述真空室内设有等离子炬和三维工件移动平台，所述等离子炬用于通过电弧产生高温气体；所述三维工件移动平台用于夹持待试验工件在XYZ三轴方向上水平移动并绕Y轴在预设角度范围内转动，以改变待试验工件与所述等离子炬的相对位置。本发明提供的技术方案，能够简化现有技术中小型等离子体风洞结构，降低试验成本。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器材料高温试验设备技术领域，具体涉及一种电弧风洞试验设备。
背景技术
大功率电弧风洞，是导弹、卫星和宇宙飞船等高超声速飞行器研制的核心试验设备。电弧风洞试验被称为“驾驭闪电的艺术”，就是人工制造出一段能够稳定运行的闪电，在高气压条件下将气流瞬间加热，模拟飞行器面临的高温环境。
高超声速飞行器需承受极为苛刻的飞行服役环境，其高温结构材料及其防/隔热涂层不仅要经受负压环境下的外流冲刷和烧蚀，依据功能和部件需求，还可能面临正压条件下高能流密度、高化学活性来流的冲刷。研究热防护材料在该类气流冲刷条件下的烧蚀、抗氧化行为对于高超声速飞行器选材及结构设计优化具有重要意义。风洞测试是研究材料在近真实飞行环境下力学特性的重要手段。
然而大型风洞运行成本高，并不适宜于大量开展材料特性相关研究。而采用小型等离子体风洞，可长时间稳定获得高能流密度的等离子体射流，适宜于模拟材料壁面处的高焓流动。小型的等离子体风洞虽不能完全模拟高超声速飞行器及其发动机受热部件的特征环境、进行整体部件或结构检测，但对于在小试样上模拟材料表面的局部特征热环境，开展材料烧蚀特性研究则具有独特的优势：它操作相对简便、运行成本较低、可控性好，可有针对性地进行批量材料高温烧蚀特性检验，为材料的大规模筛选提供依据，适宜于开展材料高温性能演化机理研究；其改造和维护成本低，便于根据任务需求及时调整模拟环境，用于探索新的材料测试条件，并可为完善或建设新型大型风洞提供参考。
国际上一些著名研究机构专门建设了小型等离子体风洞用于防热材料的性能检验和机理研究。德国斯图加特大学使用最大功率约50kW的电弧等离子体风洞在氮-氧气氛下获得了比焓为6MJ/kg～11MJ/kg的等离子体射流，用于研究材料的驻点烧蚀特性。日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)为以较低成本实现大批量的材料性能检测，专门建成了功率为110kW的高频感应加热等离子体风洞，拟对再入条件下飞行器热防护材料进行高温催化、烧蚀、氧化等性能研究。比利时冯卡门流体力学研究院(VonKarman Institute for FluidDynamics)在已有1.2MW等离子体风洞基础上，建成了功率为15kW的感应加热小型等离子体风洞，用于在相对较低热流条件下进行材料表面催化特性研究。
现有技术中的小型等离子体风洞结构复杂，造价高，无法普及使用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电弧风洞试验设备，以简化现有技术中小型等离子体风洞结构，降低试验成本。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种电弧风洞试验设备，包括：依次连通的真空机组、油浴过滤器、热交换器和真空室，其中，
所述真空机组，用于将空气压缩为真空；所述油浴过滤器，用于过滤试验过程中产生的灰尘和杂质，保护真空机组；热交换器，用于加热真空，并将加热后的真空输送给所述真空室；所述真空室内设有等离子炬和三维工件移动平台，所述等离子炬用于通过电弧产生高温气体；所述三维工件移动平台用于夹持待试验工件在XYZ三轴方向上水平移动并绕Y轴在预设角度范围内转动，以改变待试验工件与所述等离子炬的相对位置。
优选地，所述三维工件移动平台包括：工件固定装置、两根Y轴导轨、X轴导轨和Z轴导轨，
其中，所述Y轴导轨、X轴导轨和Z轴导轨上各设有一个滑块；两根Y轴导轨平行设置在水平面上，所述X轴导轨的两端分别固定在两根Y轴导轨的滑块上；所述Z轴导轨的一端固定在X轴导轨的滑块上，所述工件固定装置固定在Z轴导轨的滑块上；所述Y轴导轨、X轴导轨和Z轴导轨相互垂直。
优选地，所述工件固定装置包括：中间设有通孔的控制盒、转轴、用于夹持待试验工件的夹持件，
其中，所述控制盒固定在Z轴导轨的滑块上，所述控制盒内设有控制板及与所述控制板连接的旋转电机；所述转轴的一端与所述夹持件连接，另一端穿过所述控制盒中间的通孔，固定在所述旋转电机的输出轴上，与所述旋转电机联动。
优选地，所述电弧风洞试验设备，还包括：与所述真空室连通的水排柜，所述水排柜用于为真空室提供冷却水进行降温。
优选地，所述真空室的外壁上设有与所述水排柜连通的水循环管路，所述水循环管路用于将水排柜提供的冷却水导入到管路内循环后再导出，以为所述真空室降温。
优选地，所述真空室外壁上设有真空室内部冷却水出入口，所述真空室内部冷却水出入口与所述水排柜连通。
优选地，所述的电弧风洞试验设备，还包括：与所述等离子炬电连接的电源柜和控制柜，所述电源柜用于为所述离子炬供电，所述控制柜用于为所述离子炬供气。
优选地，所述真空室的一端与所述热交换器连通，另一端上开设有等离子炬安装孔，所述等离子炬安装孔用于固定所述等离子炬。
优选地，所述真空室上还设有透明玻璃视窗，所述透明玻璃视窗外搁置有摄像头，所述摄像头用于监测真空室内的试验情况。
优选地，所述真空室的侧壁上开设有一个或多个目视口，所述目视口由透明材料制成。
本发明采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：
由上述技术方案可知，本发明提供的这种电弧风洞试验设备，真空室内设有等离子炬和三维工件移动平台，等离子炬能够通过电弧产生高温气体，三维工件移动平台能够夹持待试验工件在XYZ三轴方向上水平移动并绕Y轴在预设角度范围内转动，以改变待试验工件与等离子炬的相对位置，待试验工件在本发明提供的这种电弧风洞试验设备可以完成高温催化、烧蚀、氧化等性能研究，相比现有技术，结构简单，部署实施方便，用户体验度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种电弧风洞试验设备的整体结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的真空室的内部结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的三维工件移动平台的结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的真空室的外部结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
参见图1和图2，本发明一实施例提供的一种电弧风洞试验设备，包括：依次连通的真空机组1、油浴过滤器2、热交换器3和真空室4，其中，
所述真空机组1，用于将空气压缩为真空；所述油浴过滤器2，用于过滤试验过程中产生的灰尘和杂质，保护真空机组1；热交换器3，用于加热真空，并将加热后的真空输送给所述真空室4；所述真空室4内设有等离子炬41和三维工件移动平台42，所述等离子炬41用于通过电弧产生高温气体；所述三维工件移动平台42用于夹持待试验工件在XYZ三轴方向上水平移动并绕Y轴在预设角度范围内转动，以改变待试验工件与所述等离子炬41的相对位置。
需要说明的是，所述预设角度范围可以根据用户需要进行设置，例如：0～90°，0～180°。
由上述技术方案可知，本发明提供的这种电弧风洞试验设备，真空室内设有等离子炬和三维工件移动平台，等离子炬能够通过电弧产生高温气体，三维工件移动平台能够夹持待试验工件在XYZ三轴方向上水平移动并绕Y轴在预设角度范围内转动，以改变待试验工件与等离子炬的相对位置，待试验工件在本发明提供的这种电弧风洞试验设备可以完成高温催化、烧蚀、氧化等性能研究，相比现有技术，本发明提供的这种电弧风洞试验设备，结构简单，部署实施方便，用户体验度高。
参见图3，优选地，所述三维工件移动平台42包括：工件固定装置421、两根Y轴导轨422、X轴导轨423和Z轴导轨424，
其中，所述Y轴导轨422、X轴导轨423和Z轴导轨424上各设有一个滑块；两根Y轴导轨422平行设置在水平面上，所述X轴导轨423的两端分别固定在两根Y轴导轨422的滑块上；所述Z轴导轨424的一端固定在X轴导轨423的滑块上，所述工件固定装置421固定在Z轴导轨424的滑块上；所述Y轴导轨422、X轴导轨423和Z轴导轨424相互垂直。
优选地，所述工件固定装置421包括：中间设有通孔的控制盒4211、转轴4212、用于夹持待试验工件的夹持件4213，
其中，所述控制盒4211固定在Z轴导轨424的滑块上，所述控制盒4211内设有控制板及与所述控制板连接的旋转电机；所述转轴4212的一端与所述夹持件4213连接，另一端穿过所述控制盒4211中间的通孔，固定在所述旋转电机的输出轴上，与所述旋转电机联动。
可以理解的是，本发明提供的这种电弧风洞试验设备，由于旋转电机和转轴联动，旋转电机可以带动转轴沿Y轴方向在预设角度范围内转动，从而带动转轴一端的夹持件上固定的待试验工件也能够沿Y轴方向在预设角度范围内转动。本发明提供的这种电弧风洞试验设备，结构简单，可以满足多方位的试验要求。
需要说明的是，本发明提供的这种电弧风洞试验设备，待试验工件固定在三维工件移动平台上，安全可靠、拆卸方便，并能够满足烧蚀角度和运动轨迹的运动要求，具备X、Y、Z三个方向移动功能，移动距离X方向不小于1000mm，Y、Z方向移动距离不小于500mm，移动速度0～0.5m/s可调，定位精度0.5mm；绕Y轴具有转动功能，转动角度0～90°，转动速度不小于180°/s。
参见图1和图4，优选地，所述电弧风洞试验设备，还包括：与所述真空室4连通的水排柜5，所述水排柜5用于为真空室4提供冷却水进行降温。
优选地，所述真空室4的外壁上设有与所述水排柜5连通的水循环管路，所述水循环管路用于将水排柜5提供的冷却水导入到管路内循环后再导出，以为所述真空室4降温。图4中，43为真空室外壁的冷却水入口，44为真空室外壁的冷却水出口。
优选地，所述真空室4外壁上设有真空室内部冷却水出入口45，所述真空室内部冷却水出入口45与所述水排柜5连通。
可以理解的是，本发明提供的这种电弧风洞试验设备，不仅可以通过真空室的外壁上设置的水循环管路进行降温冷却，还可以将冷却水直接导入到真空室内进行循环冷却，冷却效果好。冷却后导出的水再循环回水排柜中冷却后再进行二次利用，绿色环保，利用率高。
优选地，所述的电弧风洞试验设备，还包括：与所述等离子炬41电连接的电源柜6和控制柜7，所述电源柜6用于为所述离子炬41供电，所述控制柜7用于为所述离子炬41供气。
优选地，所述真空室4的一端与所述热交换器3连通，另一端上开设有等离子炬安装孔，所述等离子炬安装孔用于固定所述等离子炬41。
优选地，所述真空室4上还设有透明玻璃视窗46，所述透明玻璃视窗46外搁置有摄像头，所述摄像头用于监测真空室4内的试验情况。
可以理解的是，本发明提供的这种电弧风洞试验设备，视频监控口放置视频监控设备后，试验过程可以全程录像，录像可存储，能够提高用户体验，为用户后续进行试验过程跟踪、图像分析及故障定位提供数据支撑。
优选地，所述真空室4的侧壁上开设有一个或多个目视口47，所述目视口47由透明材料制成。
可以理解的是，用户通过目视口，可以观察真空室内的试验情况，全程跟踪，易于故障定位，用户体验度高。
需要说明的是，经实践，本发明提供的这种电弧风洞试验设备，各种功能参数如下：
等离子焰总焓值范围：0～20MJ/kg。
试件表面热流密度范围：0～22MW/m2。
试件表面气体压力范围：0～1MPa。
等离子炬的电源额定功率200kW，以空气为设计依据。
等离子炬工作气体：氮气、空气。
等离子炬单次运行时间不小于60min，最小工作时间间隔20min。
真空测试室内真空度：≤200Pa，试验过程中，压力稳定，压力波动不大于10％。
流场重复性要求不大于5％(热流、压力等测试值)。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
Claims (10)
1.一种电弧风洞试验设备，其特征在于，包括：依次连通的真空机组、油浴过滤器、热交换器和真空室，其中，
所述真空机组，用于将空气压缩为真空；所述油浴过滤器，用于过滤试验过程中产生的灰尘和杂质，保护真空机组；热交换器，用于加热真空，并将加热后的真空输送给所述真空室；所述真空室内设有等离子炬和三维工件移动平台，所述等离子炬用于通过电弧产生高温气体；所述三维工件移动平台用于夹持待试验工件在XYZ三轴方向上水平移动并绕Y轴在预设角度范围内转动，以改变待试验工件与所述等离子炬的相对位置。
2.根据权利要求1所述的电弧风洞试验设备，其特征在于，所述三维工件移动平台包括：工件固定装置、两根Y轴导轨、X轴导轨和Z轴导轨，
其中，所述Y轴导轨、X轴导轨和Z轴导轨上各设有一个滑块；两根Y轴导轨平行设置在水平面上，所述X轴导轨的两端分别固定在两根Y轴导轨的滑块上；所述Z轴导轨的一端固定在X轴导轨的滑块上，所述工件固定装置固定在Z轴导轨的滑块上；所述Y轴导轨、X轴导轨和Z轴导轨相互垂直。
3.根据权利要求2所述的电弧风洞试验设备，其特征在于，所述工件固定装置包括：中间设有通孔的控制盒、转轴、用于夹持待试验工件的夹持件，
其中，所述控制盒固定在Z轴导轨的滑块上，所述控制盒内设有控制板及与所述控制板连接的旋转电机；所述转轴的一端与所述夹持件连接，另一端穿过所述控制盒中间的通孔，固定在所述旋转电机的输出轴上，与所述旋转电机联动。
4.根据权利要求1所述的电弧风洞试验设备，其特征在于，还包括：与所述真空室连通的水排柜，所述水排柜用于为真空室提供冷却水进行降温。
5.根据权利要求4所述的电弧风洞试验设备，其特征在于，所述真空室的外壁上设有与所述水排柜连通的水循环管路，所述水循环管路用于将水排柜提供的冷却水导入到管路内循环后再导出，以为所述真空室降温。
6.根据权利要求5所述的电弧风洞试验设备，其特征在于，所述真空室外壁上设有真空室内部冷却水出入口，所述真空室内部冷却水出入口与所述水排柜连通。
7.根据权利要求1所述的电弧风洞试验设备，其特征在于，还包括：与所述等离子炬电连接的电源柜和控制柜，所述电源柜用于为所述离子炬供电，所述控制柜用于为所述离子炬供气。
8.根据权利要求1所述的电弧风洞试验设备，其特征在于，所述真空室的一端与所述热交换器连通，另一端上开设有等离子炬安装孔，所述等离子炬安装孔用于固定所述等离子炬。
9.根据权利要求8所述的电弧风洞试验设备，其特征在于，所述真空室上还设有透明玻璃视窗，所述透明玻璃视窗外搁置有摄像头，所述摄像头用于监测真空室内的试验情况。
10.根据权利要求8所述的电弧风洞试验设备，其特征在于，所述真空室的侧壁上开设有一个或多个目视口，所述目视口由透明材料制成。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180928 |