CN109357835B - 一种用于高温流场观测的视窗结构及导管装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于高温流场观测的视窗结构及导管装置。所述视窗结构包括孔基座、安装环、连接环、耐高温视窗玻璃和测试探头；所述孔基座包括基座本体和开设在基座本体内的安装孔，安装孔沿基座本体的轴向设置，耐高温视窗玻璃通过安装环安装在安装孔内，测试探头通过连接环设置在基座本体的一端；基座本体内开设有沿耐高温视窗玻璃的周向设置的冷却水通道，冷却水通道用于供冷却水流通。所述导管装置包括导管和所述视窗结构，所述导管内为高温流场，所述视窗结构设置在所述导管的一端。本发明中的所述视窗结构能够长时间耐受高温环境，使得可以长时间观测高温流场以及试验参数。
Description
技术领域
本发明属于航天飞行器气动防热地面试验设备技术领域，尤其涉及一种用于高温流场观测的视窗结构及导管装置。
背景技术
电弧加热设备(电弧加热器)是利用电弧加热试验气体，产生能模拟高超声速飞行时的热环境的设备。电弧加热设备是重要的防热与热结构试验装置。电弧加热设备主要用于模拟滞止压力和温度或热流密度，评定再入飞行器的防热材料和防热系统的性能，是解决防热设计的最重要的试验工具，也可用于高温气体动力学的研究。
目前，在电弧加热器地面防热试验中运用导管试验技术时，考核流场(高温流场)被导管装置所包围，使试验参数的测量变得非常困难，视窗结构对于高温流场的观测就变得非常重要。但是，目前的视窗结构不能长时间耐受高温环境，因此，需要提供一种适用于高温流场观测的视窗结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够长时间耐受高温环境的用于高温流场观测的视窗结构，以解决现有技术中存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明在第一方面提供了一种用于高温流场观测的视窗结构，包括孔基座、安装环、连接环、耐高温视窗玻璃和测试探头；所述孔基座包括基座本体和开设在所述基座本体内的安装孔，所述安装孔沿所述基座本体的轴向设置，所述耐高温视窗玻璃通过所述安装环安装在所述安装孔内，所述测试探头通过所述连接环设置在所述基座本体的一端；所述基座本体内开设有沿所述耐高温视窗玻璃的周向设置的冷却水通道，所述冷却水通道用于供冷却水流通。
优选地，所述连接环套设在所述测试探头上，所述连接环内开设有沿所述测试探头的周向设置的冷却气孔道，所述冷却气孔道用于供冷却气流通；所述连接环与所述安装环之间形成了冷却气腔，所述冷却气孔道与所述冷却气腔连通。
优选地，所述安装孔包括连通的第一孔段和第二孔段；所述耐高温视窗玻璃的一端通过所述安装环安装在所述第一孔段内，所述耐高温视窗玻璃的另一端穿过所述第二孔段与所述基座本体远离所述测试探头的一端相平齐。
优选地，所述连接环的一端套设在所述测试探头上，另一端伸入所述第一孔段内与所述安装环连接。
优选地，所述基座本体内开设有进水通道和出水通道，所述进水通道和所述出水通道均与所述冷却水通道连通，使冷却水从所述进水通道进入所述冷却水通道后，并经所述出水通道流出。
优选地，所述连接环内开设有进气通道和出气通道，所述进气通道和所述出气通道均与所述冷却气孔道连通，使冷却气从所述进气通道依次进入所述冷却气孔道和所述冷却气腔后，并经所述出气通道流出。
优选地，所述安装环为压环。
优选地，所述视窗结构还包括第一密封圈，所述安装环和所述耐高温视窗玻璃之间通过所述第一密封圈密封。
优选地，所述视窗结构还包括第二密封圈，所述连接环和所述测试探头之间通过所述第二密封圈密封。
本发明在第二方面提供了一种导管装置，包括导管和本发明在第一方面所述的视窗结构，所述导管内为高温流场，所述视窗结构设置在所述导管的一端。
本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明中的所述视窗结构的结构简单、结构设置合理，便于安装所述耐高温视窗玻璃(耐高温玻璃)，并且通过冷却水通道能对贴近高温流场的安装孔进行有效冷却，从而可以有效保护耐高温视窗玻璃，使得所述视窗结构可以长时间用于高温流场(例如电弧加热器地面防热试验中的高温流场)的观测，使得可以长时间观测导管内的流场及试验参数，并能保证所述视窗结构的安全可靠性。
(2)本发明的一些优选实施方案中，所述连接环内开设有沿所述测试探头的周向设置的冷却气孔道，所述连接环与所述安装环之间形成了冷却气腔，所述冷却气孔道的设置和所述冷却气腔的形成使得冷却气可以沿耐高温视窗玻璃的装配缝隙渗入受热端形成气膜进行保护，如此，能进一步对耐高温视窗玻璃进行冷却，能进一步保证耐高温视窗玻璃在高温流场中的使用性能，使得所述视窗结构能够更长时间地用于高温流场的观测。
附图说明
本发明附图仅仅为说明目的提供，图中各部件的比例与数量不一定与实际产品一致。
图1是本发明一个具体实施方式中的所述视窗结构的结构示意图。
图2是本发明另一个具体实施方式中的所述视窗结构的结构示意图。
图3是图1沿A-A的横向剖视图。
图4是图1中孔基座的结构示意图。
图5是本发明一个具体实施方式中的所述导管装置的结构示意图。
图中：1：孔基座；1-1：基座本体；1-2：安装孔；1-3：进水通道；1-4：出水通道；1-5：进水管接头；1-6：出水管接头；2：安装环；3：连接环；3-1：进气通道；3-2：出气通道；3-3：进气管接嘴；3-4：出气管接嘴；4：测试探头；5：耐高温视窗玻璃；6：冷却水通道；7：冷却气孔道；8：冷却气腔；9：第一密封圈；10：第二密封圈；11：导管。
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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明在第一方面提供了一种用于高温流场观测的视窗结构，图1是本发明一个具体实施方式中的所述视窗结构的结构示意图；图2是本发明另一个具体实施方式中的所述视窗结构的结构示意图；图3是图1沿A-A的横向(水平)剖视图；图4是图1中孔基座的结构示意图。
在本发明中，如图1、图2和图3所示，所述视窗结构包括孔基座1、安装环2、连接环3、耐高温视窗玻璃5和测试探头4；所述孔基座1包括基座本体1-1和开设在所述基座本体1-1内的安装孔1-2，所述安装孔1-2沿所述基座本体1-1的轴向(如图1、图2和图3所示的左右方向)设置，所述耐高温视窗玻璃5通过所述安装环2安装在所述安装孔1-2内，所述测试探头4通过所述连接环3设置在所述基座本体1-1的一端；所述基座本体1-1内开设有沿所述耐高温视窗玻璃5的周向设置的冷却水通道6，所述冷却水通道6用于供冷却水流通。在本发明中，优选为所述耐高温视窗玻璃5远离所述测试探头4的一端与所述基座本体1-1远离所述测试探头4的一端相平齐；本发明对所述测试探头4没有特别的限制，例如，所述测试探头4可以为温度测试探头(例如光学温度传感器)、压力测试探头(形变测量传感器)、热流测试探头、具有多种参数测试功能的多功能测试探头或摄像头等。
在本发明中，当将所述视窗结构用于高温流场观测时，使得所述孔基座和所述耐高温视窗玻璃远离所述测试探头的一端位于高温流场中，从而使得所述视窗结构能够通过耐高温视窗玻璃的透视来实现所述测试探头4对高温流场的观察和测试。
在本发明中，所述孔基座1用于装配和保护所述耐高温视窗玻璃5，所述耐高温视窗玻璃5通过所述安装环2安装固定在所述安装孔1-2内，所述孔基座1内靠近热壁侧设置有冷却水通道6(水冷结构)，所述冷却水通道6位于所述安装孔1-2的外侧，通过该冷却水通道6能对贴近高温流场的安装孔1-2进行有效冷却，有效降低耐高温视窗玻璃5附近的气流温度，从而可以有效保护耐高温视窗玻璃5，使得所述视窗结构可以长时间用于高温流场(例如电弧加热器地面防热试验中的高温流场)的观测，使得可以长时间观测导管内的流场及试验参数，并能保证所述视窗结构的安全可靠性。
根据一些优选的实施方式，所述安装孔1-2的内表面设置有内螺纹，所述安装环2的外表面设置有外螺纹，所述安装环2螺纹连接在所述安装孔1-2，如此，可以极大地方便装卸所述耐高温视窗玻璃5以及便于调节所述耐高温视窗玻璃5在所述安装孔内1-2的位置，例如可以很方便地使其与所述基座本体1-1的端部齐平。
根据一些优选的实施方式，所述安装环2为压环。
根据一些优选的实施方式，所述基座本体1-1远离所述测试探头4的一端连接(例如焊接或螺纹连接)在内部为高温流场的装置上，例如连接在内部为高温流场的装置的一端的内侧壁上。在本发明中，优选为所述基座本体1-1与内部为高温流场的装置通过螺纹连接的方式可拆卸连接。
根据一些优选的实施方式，所述连接环3套设在所述测试探头4上，所述连接环3例如可以通过焊接或螺纹连接的方式套设在所述测试探头4上，所述连接环3内开设有沿所述测试探头4的周向设置的冷却气孔道7，所述冷却气孔道7用于供冷却气流通，所述冷却气例如可以高压空气；所述连接环3与所述安装环2之间形成了冷却气腔8，所述冷却气孔道7与所述冷却气腔8连通，例如，如图1、图2和图3所示。在本发明中，所述冷却气孔道7的设置和所述冷却气腔8的形成，使得冷却气可以沿耐高温视窗玻璃5的装配缝隙渗入受热端形成气膜进行保护，如此，能进一步对耐高温视窗玻璃5进行冷却，能进一步保证耐高温视窗玻璃5在高温流场中的使用性能，使得所述视窗结构能够更长时间地用于高温流场的观测；此外，所述冷却气孔道7的设置还可以对所述测试探头4的周向进行冷却，有利于保护所述测试探头4，所述冷却气腔8的形成了增大了冷却气与所述耐高温视窗玻璃5的接触面积，提高了冷却气的利用率，对耐高温视窗玻璃5进行有效的保护。
根据一些优选的实施方式，所述安装孔1-2包括连通的第一孔段和第二孔段，例如，如图4所示，所述第一孔段和所述第二孔段的内部贯通；所述耐高温视窗玻璃5的一端通过所述安装环2安装在所述第一孔段内，所述耐高温视窗玻璃5的另一端穿过所述第二孔段与所述基座本体1-1远离所述测试探头4的一端相平齐，例如，如图1、图2和图3所示。在本发明中，所述耐高温视窗玻璃5例如可以与所述第二孔段之间间隙配合，在保证所述耐高温视窗玻璃5的安装稳固性的同时更有利于冷却气沿着耐高温视窗玻璃5的装配缝隙渗入受热端对所述耐高温视窗玻璃5进行气膜保护。
根据一些优选的实施方式，所述连接环3的一端套设在所述测试探头4上，所述连接环3套设在所述测试探头4的一端位于所述安装孔1-2外，另一端伸入所述第一孔段内与所述安装环2连接；例如，如图1、图2和图3所示，所述连接环3的一端与所述安装环2的一端(例如焊接或螺纹连接或接触连接)，所述连接环3和所述安装环2之间形成了所述冷却气腔8。在本发明中，所述连接环3例如可以通过螺纹连接的方式固定在所述第一孔段内。
根据一些优选的实施方式，所述安装环2的一端套设在所述耐高温视窗玻璃5的一端。
根据一些优选的实施方式，所述连接环3的内部与所述安装环2的内部连通；所述连接环3伸入所述第一孔段内的一端具有圆筒状的容纳空间；所述安装环2套设有所述耐高温视窗玻璃的一端的内部为圆筒状的容纳空间，所述安装环2远离所述耐高温视窗玻璃的一端的内部为内径渐变的锥筒状的容纳空间，所述连接环3和所述安装环2的端部连接，所述连接环3的容纳空间和所述安装环2的容纳空间一起构成了所述冷却气腔8，例如，如图1、图2和图3所示。
根据一些优选的实施方式，所述基座本体1-1内开设有进水通道1-3和出水通道1-4，所述进水通道1-3和所述出水通道1-4均与所述冷却水通道6连通，使冷却水从所述进水通道1-3进入所述冷却水通道6后，并经所述出水通道1-4流出。在本发明中，所述进水通道1-3用以与冷却水源连通，所述出水通道1-4用于将冷却水排出。
根据一些优选的实施方式，所述进水通道1-3和所述出水通道1-4沿所述基座本体1-1的轴向方向相对称设置，例如，当所述视窗结构如图1和图2所示的方向放置时，所述进水通道1-3例如可以开设在所述基座本体1-1的下侧，所述出水通道1-4例如可以开设在所述基座本体1-1的上侧，使得冷却水从所述基座本体1-1的下侧流入，并流经所述冷却水通道6后，从所述基座本体1-1的上侧流出。
根据一些优选的实施方式，所述基座本体1-1用于与内部为高温流场的装置的一端连接，所述装置与所述基座本体1-1连接的一端开设有用于穿设进水管接头1-5和出水管接头1-6的穿孔，所述进水管接头1-5和所述出水管接头1-6分别穿过所述穿孔与所述进水通道1-3和所述出水通道1-4连接。
根据一些优选的实施方式，所述连接环3内开设有进气通道3-1和出气通道3-2，所述进气通道3-1和所述出气通道3-2均与所述冷却气孔道7连通，使冷却气从所述进气通道3-1依次进入所述冷却气孔道7和所述冷却气腔8后，并经所述出气通道3-2流出。在本发明中，所述进气通道3-1用以与冷却气源连通，所述出气通道3-2用于将冷却气排出。
根据一些优选的实施方式，所述进气通道3-1和所述出气通道3-2沿所述连接环3的轴向方向相对称设置，例如，当所述视窗结构如图1和图2所示的方向放置时，所述进气通道3-1例如可以开设在所述连接环3的下侧，所述出气通道3-2例如可以开设在所述连接环3的上侧，使得冷却气从所述连接环3的下侧流入，并流经所述冷却气孔道7和所述冷却气腔8后，从所述连接环3的上侧流出。
根据一些优选的实施方式，所述进气通道3-1上连接有进气管接嘴3-3，所述出气通道3-2上连接有出气管接嘴3-4，例如，如图2所示；在本发明中，优选为所述进气通道3-1过所述进气管接嘴3-3与冷却气源连通，所述出气通道3-2通过所述出气管接嘴3-4将所述冷却气排出。
根据一些优选的实施方式，所述视窗结构还包括第一密封圈9，所述安装环2和所述耐高温视窗玻璃5之间通过所述第一密封圈9密封。
根据一些优选的实施方式，所述视窗结构还包括第二密封圈10，所述连接环3和所述测试探头4之间通过所述第二密封圈10密封。
本发明在第二方面提供了一种导管装置，图5是本发明一个具体实施方式中的所述导管装置的结构示意图。
在本发明中，所述导管装置包括导管11和本发明在第一方面所述的视窗结构，所述导管11内为高温流场，所述视窗结构设置在所述导管11的一端。
根据一些优选的实施方式，所述基座本体1-1的一端与所述导管11的一端连接(例如螺纹连接或焊接)，例如，如图5所示；优选为所述基座本体1-1的一端与所述导管11的一端螺纹连接；所述导管11与所述基座本体1-1连接的一端开设有用于穿设进水管接头1-5和出水管接头1-6的穿孔，所述进水管接头1-5和所述出水管接头1-6分别穿过所述穿孔与所述进水通道1-3和所述出水通道1-4连接；例如，如图5所示；在本发明中，优选为所述进水通道1-3通过所述进水管接头1-5与冷却水源连通，所述出水通道1-4通过所述出水管接头1-6将所述冷却水排出。本发明中的所述导管11为应用于电弧加热器地面防热试验中的导管，所述导管11内的高温流场由连接在电弧加热器和导管之间的喷管(例如超音速喷管)产生。
根据一些优选的实施方式，所述基座本体1-1与所述导管11之间通过第三密封圈连接(图5中未示出)。
特别说明的是，在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种用于高温流场观测的视窗结构，其特征在于：
包括孔基座(1)、安装环(2)、连接环(3)、耐高温视窗玻璃(5)和测试探头(4)；
所述孔基座(1)包括基座本体(1-1)和开设在所述基座本体(1-1)内的安装孔(1-2)，所述安装孔(1-2)沿所述基座本体(1-1)的轴向设置，所述耐高温视窗玻璃(5)通过所述安装环(2)安装在所述安装孔(1-2)内，所述测试探头(4)通过所述连接环(3)设置在所述基座本体(1-1)的一端；所述安装孔(1-2)的内表面设置有内螺纹，所述安装环(2)的外表面设置有外螺纹，所述安装环(2)螺纹连接在所述安装孔(1-2)；
所述基座本体(1-1)内开设有沿所述耐高温视窗玻璃(5)的周向设置的冷却水通道(6)，所述冷却水通道(6)用于供冷却水流通；
所述连接环(3)套设在所述测试探头(4)上，所述连接环(3)内开设有沿所述测试探头(4)的周向设置的冷却气孔道(7)，所述冷却气孔道(7)用于供冷却气流通；
所述连接环(3)与所述安装环(2)之间形成了冷却气腔(8)，所述冷却气孔道(7)与所述冷却气腔(8)连通；
所述安装孔(1-2)包括连通的第一孔段和第二孔段，所述第一孔段和所述第二孔段的内部贯通；
所述耐高温视窗玻璃(5)的一端通过所述安装环(2)安装在所述第一孔段内，所述耐高温视窗玻璃(5)的另一端穿过所述第二孔段与所述基座本体(1-1)远离所述测试探头(4)的一端相平齐；
所述耐高温视窗玻璃(5)与所述第二孔段之间间隙配合，在保证所述耐高温视窗玻璃(5)的安装稳固性的同时有利于冷却气沿着耐高温视窗玻璃(5)的装配缝隙渗入受热端对所述耐高温视窗玻璃(5)进行气膜保护；
所述连接环(3)的内部与所述安装环(2)的内部连通；所述连接环(3)伸入所述第一孔段内的一端具有圆筒状的容纳空间；所述安装环(2)套设有所述耐高温视窗玻璃的一端的内部为圆筒状的容纳空间，所述安装环(2)远离所述耐高温视窗玻璃的一端的内部为内径渐变的锥筒状的容纳空间，所述连接环(3)和所述安装环(2)的端部连接，所述连接环(3)的容纳空间和所述安装环(2)的容纳空间一起构成了所述冷却气腔(8)。
2.根据权利要求1所述的视窗结构，其特征在于：
所述连接环(3)的一端套设在所述测试探头(4)上，另一端伸入所述第一孔段内与所述安装环(2)连接。
3.根据权利要求1所述的视窗结构，其特征在于：
所述基座本体(1-1)内开设有进水通道(1-3)和出水通道(1-4)，所述进水通道(1-3)和所述出水通道(1-4)均与所述冷却水通道(6)连通，使冷却水从所述进水通道(1-3)进入所述冷却水通道(6)后，并经所述出水通道(1-4)流出。
4.根据权利要求1所述的视窗结构，其特征在于：
所述连接环(3)内开设有进气通道(3-1)和出气通道(3-2)，所述进气通道(3-1)和所述出气通道(3-2)均与所述冷却气孔道(7)连通，使冷却气从所述进气通道(3-1)依次进入所述冷却气孔道(7)和所述冷却气腔(8)后，并经所述出气通道(3-2)流出。
5.根据权利要求1至4任一项所述的视窗结构，其特征在于：
所述安装环(2)为压环。
6.根据权利要求1至4任一项所述的视窗结构，其特征在于：
所述视窗结构还包括第一密封圈(9)，所述安装环(2)和所述耐高温视窗玻璃(5)之间通过所述第一密封圈(9)密封。
7.根据权利要求1至4任一项所述的视窗结构，其特征在于：
所述视窗结构还包括第二密封圈(10)，所述连接环(3)和所述测试探头(4)之间通过所述第二密封圈(10)密封。
8.一种导管装置，其特征在于：
包括导管(11)和权利要求1至7任一项所述的视窗结构，所述导管(11)内为高温流场，所述视窗结构设置在所述导管(11)的一端。
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