CN109718679A - 一种混合稳压室装置 - Google Patents

Abstract

一种混合稳压室装置，包括进气转接段、混合稳压段、测压转接段；加热器产生的高温气流流入混合稳压室的进气转接段，在进气转接段径向喷入常温气体，与加热器产生的高温气流在混合稳压段进行掺混和稳流，调节了气流温度和减小了气流脉动后的高温气流流入测压转接段，测量气流压力后的气流进入下游的试验喷管等试验装置。本发明的混合稳压室装置实现了进气转接段的进气和密封连接功能，又解决了混合稳压室入口部位易受热收缩导致局部漏水的热防护和热应变问题。

Description

一种混合稳压室装置

技术领域

本发明涉及一种稳压室装置。

背景技术

以电弧放电为加热源对气体(一般为空气)进行加热，模拟高超声速飞行器在飞行过程中的局部气动加热环境，对飞行器的热防护材料或结构进行气动热地面模拟试验研究，是高超声速飞行器的热防护研究及设计的重要技术手段。要求试验设备具有宽广的温度、热流和压力模拟能力和较长的时间运行能力。

一般情况，同一类型的加热设备产生的气流温度范围基本一致，不同工作参数下得到的气流温度变化范围相对较窄，不能满足气动热试验对温度模拟范围的要求。此时，混合稳压室成为了一件拓宽气动热试验设备模拟范围的重要装置。

将加热设备产生的高温气流先流入混合稳压室，在混合稳压室内加入一定量的常温气体与其掺混，得到试验所需的气流温度后再流入下游的试验喷管和相应的试验装置内，开展相应的气动热模拟试验。

由于气动热试验属于特种试验，不同试验的试验目的和需求差异导致需要采用的加热器设备以及下游的试验喷管等装置将会明显不同，因此，与混合稳压室的上游和下游的连接尺寸也千差万别，需要配套的混合稳压室连接形式繁多，但是实际功能却是基本一致的。同时，高温气体的气动加热问题，特别是在混合稳压室的入口处，容易受热收缩导致混合稳压室的进出口处漏水而影响试验的正常进行。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有装置设计加工周期长、费用高且进出口段易受热收缩导致局部渗漏冷却介质的不足，依据混合稳压室的各项功能，采用模块化的设计思路和整体打孔冷却的结构形式，提供了一种混合稳压室装置。

本发明所采用的技术方案是：一种混合稳压室装置，包括进气转接段、混合稳压段、测压转接段；

进气转接段、混合稳压段、测压转接段沿轴向均设置有气流通道；混合稳压段两端分别与进气转接段、测压转接段密封连接；

在进气转接段中部的纵截面上设置若干径向进气孔，径向进气孔沿进气转接段的周向均匀分布，径向进气孔连通进气转接段的内壁和外壁；在设置有径向进气孔截面两侧各布置一圈第一冷却水孔，第一冷却水孔靠近进气转接段的气流通道，用于冷却，对角线处的两个第一冷却水孔作为进出水口，其余第一冷却水孔入口处堵死，各第一冷却水孔末端与邻近的第一冷却水孔连通；

在测压转接段中部的纵截面上设置若干测压孔，测压孔沿测压转接段的周向均匀分布，测压孔连通测压转接段的内壁和外壁；在设置有测压孔截面两侧各布置一圈第二冷却水孔，第二冷却水孔靠近测压转接段的气流通道，用于冷却，对角线处的两个第二冷却水孔作为进出水口，其余第二冷却水孔入口处堵死，各第二冷却水孔末端与邻近的第二冷却水孔连通。

所述混合稳压段的气流通道为等直通道或者小角度扩张或收缩的锥形通道，扩张或收缩的角度不大于15°，气流通道的截面为圆形或方形，气流通道的出口面积至少是喷管的喉道面积的4倍。

所述混合稳压段为内外夹层冷却或打孔冷却结构。

所述进气转接段的气流通道两端分别与加热器出口处、混合稳压段的气流通道入口采用无逆气流台阶的过渡连接；进气转接段的气流通道从入口处到出口处采用锥角线性扩张。

所述径向进气孔的直径大于与其连接的进气管路最小截面等效直径的1.2倍。

所述各第一冷却水孔在所处的截面内环绕进气转接段的气流通道孔，分别与气流通道孔的切向平行，各第一冷却水孔的边缘距气流通道孔壁面的距离为3mm～5mm，第一冷却水孔的直径为Φ5mm～8mm。

所述测压转接段内部的气流通道与混合稳压段出口处、试验喷管的内通道入口采用无逆气流台阶的过渡连接；测压转接段的气流通道从入口处到出口处采用锥角线性缩小。

所述测压孔沿测压转接段内壁面的法向或沿测压转接段的径向，直径为Φ1mm～1.5mm。

所述各第二冷却水孔在所处的截面内环绕测压转接段的气流通道孔，分别与气流通道孔的切向平行，各第二冷却水孔的边缘距气流通道孔壁面的距离为3mm～5mm，第二冷却水孔的直径为Φ5mm～8mm。

所述进气转接段、测压转接段的材料为紫铜。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明的混合稳压室是高温气体与常温气体相互掺混的部件。由加热器产生的高温气体首先进入混合稳压室，与径向喷入的常温气体相互掺混，来调变气流的温度并减小气流压力波动，充分掺混后的气体进入下游的喷管设备。它可以有效地向低温方向扩大加热器设备的温度模拟范围，是提高气动热试验设备模拟能力的重要部件。

(2)本发明尽可能的利用现有的一些通道类结构的部件，设计加工入口处的进气转接段和出口处的测压转接段，实现了混合稳压室的各项功能，同时设计加工周期和费用至少减少一半。

(3)本发明的进气转接段装置是在一件金属零件上环形、分截面均布的冷却水孔和进气孔，既实现了进气转接段的进气和密封连接功能，又解决了混合稳压室入口部位易受热收缩导致局部漏水的热防护和热应变问题。

(4)本发明的测压转接段装置是在一件金属零件上环形、分截面均布的冷却水孔和测压孔，既实现了测压转接段的测压和密封连接功能，又解决了混合稳压室出口部位易受热收缩导致局部漏水的热防护和热应变问题。

附图说明

图1为本发明试验装置示意图；

图2为本发明进气转接段打孔冷却结构和进气结构布置示意图；

图3为本发明测压转接段打孔冷却结构和测压结构布置示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明进行进一步说明。

一种混合稳压室装置如图1所示，包括进气转接段1、混合稳压段2、测压转接段3；进气转接段1、混合稳压段2、测压转接段3沿轴向均设置有气流通道；混合稳压段2两端分别与进气转接段1、测压转接段3密封连接；

加热器产生的高温气流流入混合稳压室的进气转接段1，在进气转接段1径向喷入常温气体，与加热器产生的高温气流在混合稳压段2进行掺混和稳流，调节了气流温度和减小了气流脉动后的高温气流进入测压转接段3，测量气流压力后的气流进入下游的试验喷管。

进气转接段1打孔冷却结构和进气结构如图2所示。冷却结构与进气结构分布在不同截面，实现了两种功能互不干涉的独立设计。六边形结构均匀布置的第一冷却水孔21，包裹了内壁面的受热表面，满足了进气转接段1自身冷却的热防护要求。六个均布的径向进气孔22，实现了混合稳压室入口处的快速进气掺混。

测压转接段3打孔冷却结构和测压结构如图3所示。冷却结构与测压结构分布在不同截面，实现了两种功能互不干涉的独立设计。六边形结构均匀布置的第二冷却水孔31，包裹了内壁面的受热表面，满足了测压转接段3自身冷却的热防护要求。径向测压小孔32，实现了混合稳压室出口处的压力测量。

混合稳压室装置满足如下要求：

混合稳压段2的选用或设计。

混合稳压段2一般选用现有的部件，这是实现混合稳压室快速设计加工组成以及设计加工周期和费用大幅降低的关键。具体选取原则如下：

1)混合稳压段2应该满足自身的热防护要求。一般情况，混合稳压段2为金属材料，热防护结构可以是内外套夹层水冷结构，或者是整体打孔冷却结构。

2)混合稳压段2的内通道可以是等直通道，也可以是小角度扩张或收缩的锥形通道，角度一般不大于15°，甚至可以选用锥形喷管的某一段作为混合稳压段2。内通道截面面积大的一端作为混合稳压段2的出口。

3)内通道的截面可以是圆形的，也可以是方形的。

4)混合稳压段2的长度一般在200mm至450mm之间。

5)相对于喷管的喉道面积，混合稳压段2内通道的出口面积应较大。一般情况，混合稳压段2内通道的出口面积至少是喷管的喉道面积的4倍。

根据高温气流在喷管喉道处达到声速的流动特点，依据空气动力学的一维等熵流动关系式：

式中，A^*为喷管喉道面积，A为混合稳压段2不同部位处的内通道截面积，γ为高温气体的比热比。

因此，在整个混合稳压段2内不同部位处的气流马赫数是可以不同的。只有当A^*/A较小时，混合稳压段2内通道当地截面的气流马赫数Ma才较小。依据空气动力学的一维等熵流动关系式：

式中，P₀和P分别为混合稳压段2不同截面处的气流总压和静压。

只有当混合稳压段2出口处的气流马赫数Ma较小时，出口处的P₀与P才能近似相等。

一般情况，当A^*/A＝0.25，即混合稳压段2内通道的出口面积是喷管的喉道面积的4倍时，混合稳压段2出口处的气流马赫数Ma＝0.15，此时P/P₀＝0.985，即混合稳压段2出口处的静压比总压低了1.5％。径向布置的测压孔32测量的静压才能近似等于气流的总压。

进气转接段1的设计。

进气转接段1一般需要满足以下功能的设计要求：

1)内部气流通道与加热器出口、混合稳压段2入口的内通道实现无逆气流台阶的过渡连接。

2)上游端面与加热器的出口密封连接，下游端面与混合稳压段2的入口密封连接。

3)径向进气。在该段进气，将给掺混气体提供更多的掺混时间，得到掺混更加均匀的混合气体。

4)自身的热防护。

设计步骤如下：

1)选用外径与加热器出口、混合稳压段2入口二者的连接外径最大者相当的金属材料。一般选用紫铜T2，在气流温度低于2000℃时选用不锈钢或碳钢亦可。进气转接段1的厚度一般在50mm至80mm之间。

2)设计内通道尺寸。入口处与加热器出口处内通道实现无逆气流台阶的过渡连接，出口处与混合稳压段2入口处内通道实现无逆气流台阶的过渡连接。入口处与出口处一般采用一定锥角线性扩张，特殊情况也可采用型面扩张。如果入口处与出口处的截面不相似，比如一侧为圆形，一侧为方形等，那么需要采用复杂型面过渡连接。

3)设计布置与加热器出口、混合稳压段2入口的外部密封连接，一般采用O形密封圈密封和螺杆的螺纹连接。

4)在厚度方向的中截面布置进气结构。径向进气孔22，进气入口接口与进气连接装置配合设计。进气孔22的大小与需要的进气量有关，进气孔22的直径一般大于该处进气管路最小截面等效直径的1.2倍。

5)在进气孔22截面两侧各布置一圈打孔的冷却水通道。对于圆形的内通道截面，采用六边形的均匀布置方式布置第一冷却水孔21；对于方形或多边形的内通道截面，采用方形或多边形的均匀布置方式布置第一冷却水孔21。所有第一冷却水孔21的边缘距内通道壁面的最小距离为3～5mm，第一冷却水孔21的直径为Φ5mm～8mm。取对角线处的两个第一冷却水孔21作为进出水口，其余第一冷却水孔21入口处堵死。进出水口入口接口与水管连接装置配合设计。

测压转接段3的设计。

测压转接段3一般需要满足以下功能的设计要求：

1)内部气流通道与混合稳压段2出口、喷管入口的内通道实现无逆气流台阶的过渡连接。

2)入口处与混合稳压段2出口密封连接，出口处与喷管的入口密封连接。

3)内通道的法向或径向测压。

4)自身的热防护。

设计步骤如下：

1)选用外径与混合稳压段2出口、喷管入口二者的连接外径最大者相当的金属材料。一般选用紫铜T2，在气流温度低于2000℃时选用不锈钢或碳钢亦可。测压转接段3的厚度一般在50mm至80mm之间。

2)设计内通道尺寸。入口处与混合稳压段2出口处的内通道实现无逆气流台阶的过渡连接，出口处与下游喷管入口处的内通道实现无逆气流台阶的过渡连接。入口处与出口处一般采用一定锥角线性缩小，特殊情况也可采用型面扩张。如果入口处与出口处的截面不相似，比如一侧为圆形，一侧为方形等，那么需要采用复杂型面过渡连接。

3)设计布置与混合稳压段2出口、下游喷管入口的外部密封连接，一般采用O形密封圈密封和螺杆的螺纹连接。

4)在厚度方向的中截面布置测压结构。内通道壁面的法向或径向开测压孔32，测压孔32直径Φ1mm～1.5mm，测压孔32入口接口与测压连接装置配合设计。

5)在测压孔32截面两侧各布置一圈打孔的第二冷却水孔31。对于圆形的内通道截面，采用六边形的均匀布置方式布置第二冷却水孔31；对于方形或多边形的内通道截面，采用方形或多边形的均匀布置方式布置第二冷却水孔31。所有第二冷却水孔31的边缘距内通道壁面的最小距离为3mm～5mm，第二冷却水孔31的直径为Φ5mm～8mm。取对角线处的两个第二冷却水孔31作为进出水口，其余第二冷却水孔31入口处堵死。进出水口入口接口与水管连接装置配合设计。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种混合稳压室装置，其特征在于：包括进气转接段(1)、混合稳压段(2)、测压转接段(3)；

进气转接段(1)、混合稳压段(2)、测压转接段(3)沿轴向均设置有气流通道；混合稳压段(2)两端分别与进气转接段(1)、测压转接段(3)密封连接；

在进气转接段(1)中部的纵截面上设置若干径向进气孔(22)，径向进气孔(22)沿进气转接段(1)的周向均匀分布，径向进气孔(22)连通进气转接段(1)的内壁和外壁；在设置有径向进气孔(22)截面两侧各布置一圈第一冷却水孔(21)，第一冷却水孔(21)靠近进气转接段(1)的气流通道，用于冷却，对角线处的两个第一冷却水孔(21)作为进出水口，其余第一冷却水孔(21)入口处堵死，各第一冷却水孔(21)末端与邻近的第一冷却水孔(21)连通；

在测压转接段(3)中部的纵截面上设置若干测压孔(32)，测压孔(32)沿测压转接段(3)的周向均匀分布，测压孔(32)连通测压转接段(3)的内壁和外壁；在设置有测压孔(32)截面两侧各布置一圈第二冷却水孔(31)，第二冷却水孔(31)靠近测压转接段(3)的气流通道，用于冷却，对角线处的两个第二冷却水孔(31)作为进出水口，其余第二冷却水孔(31)入口处堵死，各第二冷却水孔(31)末端与邻近的第二冷却水孔(31)连通。

2.根据权利要求1所述的一种混合稳压室装置，其特征在于：所述混合稳压段(2)的气流通道为等直通道或者小角度扩张或收缩的锥形通道，扩张或收缩的角度不大于15°，气流通道的截面为圆形或方形，气流通道的出口面积至少是喷管的喉道面积的4倍。

3.根据权利要求1或2所述的一种混合稳压室装置，其特征在于：所述混合稳压段(2)为内外夹层冷却或打孔冷却结构。

4.根据权利要求3所述的一种混合稳压室装置，其特征在于：所述进气转接段(1)的气流通道两端分别与加热器出口处、混合稳压段(2)的气流通道入口采用无逆气流台阶的过渡连接；进气转接段(1)的气流通道从入口处到出口处采用锥角线性扩张。

5.根据权利要求4所述的一种混合稳压室装置，其特征在于：所述径向进气孔(22)的直径大于与其连接的进气管路最小截面等效直径的1.2倍。

6.根据权利要求4或5所述的一种混合稳压室装置，其特征在于：所述各第一冷却水孔(21)在所处的截面内环绕进气转接段(1)的气流通道孔，分别与气流通道孔的切向平行，各第一冷却水孔(21)的边缘距气流通道孔壁面的距离为3mm～5mm，第一冷却水孔(21)的直径为Φ5mm～8mm。

7.根据权利要求1所述的一种混合稳压室装置，其特征在于：所述测压转接段(3)内部的气流通道与混合稳压段(2)出口处、试验喷管的内通道入口采用无逆气流台阶的过渡连接；测压转接段(3)的气流通道从入口处到出口处采用锥角线性缩小。

8.根据权利要求7所述的一种混合稳压室装置，其特征在于：所述测压孔(32)沿测压转接段(3)内壁面的法向或沿测压转接段(3)的径向，直径为Φ1mm～1.5mm。

9.根据权利要求8所述的一种混合稳压室装置，其特征在于：所述各第二冷却水孔(31)在所处的截面内环绕测压转接段(3)的气流通道孔，分别与气流通道孔的切向平行，各第二冷却水孔(31)的边缘距气流通道孔壁面的距离为3mm～5mm，第二冷却水孔(31)的直径为Φ5mm～8mm。

10.根据权利要求4或7所述的一种混合稳压室装置，其特征在于：所述进气转接段(1)、测压转接段(3)的材料为紫铜。