CN111122103B - 一种风洞加热段壳体及其内壳自由端的端面冷却结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高超声速低密度地面试验设备技术领域，尤其涉及一种风洞加热段壳体及其内壳自由端的冷却结构。该冷却结构，其冷却水(液)由进水通道流入U形通道的一端，然后流过U形通道后从U形通道的另一端流出至出水通道，之后从出水通道流出，在兼顾结构尺寸和加工工艺的情况下，冷却水(液)能够距离内壳自由端的端面更近的位置流过，能够有效的改善内壳自由端的端面的冷却状态，提高内壳的使用寿命。风洞内壳自由端的冷却结构设计，能够有效的改善内壳自由端的端面的冷却状态，提高内壳的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及高超声速低密度地面试验设备技术领域，尤其涉及一种风洞加热段壳体及其内壳自由端的冷却结构。
背景技术
超声速低密度风洞可以模拟距离地面60km-100km高度的试验环境，用于研究稀薄气体动力学的地面试验装置。
为满足该种试验要求，风洞前室(加热段)总温最高3000K，总压最高会达到10MPa，为满足该试验状态要求，外壳采用结构强度较好的不锈钢材料，而内壳采用传热效果较好的紫铜材料，试验时由于内壳需要高压冷却，内壳水槽流道最多需要平均流量1kg/s、水压4MPa的高压冷却水。内壳的自由端与外壳紧密结合并密封，由于内壳的水流道受其结构尺寸和普通加工工艺的限制，内壳自由端的水槽离内壳端面距离会较远，端面冷却效果难以达到要求，内壳的自由端会由于高温而发生损坏现象。
另外，在使用过程中，一般按照通水-通气-加热气体-停止加热气体-停气-停水的顺序进行，由于内壳和外壳的不同材料属性，内壳在腔内高温、高压气体和内壳水流道高压水的共同作用下，内壳的自由端周向位置容易发生径向收缩变形，会导致内壳自由端与外壳之间的配合间隙变大，从而造成该部位密封圈由于密封压缩量不够而发生密封失效。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的一个目的是提供一种风洞加热段内壳自由端的端面冷却结构，提高风洞内壳自由端的端面冷却效果，至少解决现有风洞内壳自由端的端面冷却效果难以达到要求，易造成风洞内壳自由端因高温而损坏的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种风洞加热段内壳自由端的端面冷却结构，在其第一种实现方式中，内壳自由端的径向具有环形凸起，在环形凸起靠近夹水套的一侧设有一环绕内壳的环形槽，在环形槽内设置有与环形槽形状相匹配的金属环；
金属环的一个端面与夹水套贴紧连接，另一个端面与环形槽的槽底紧密配合，金属环的外侧面和内侧面分别与环形槽的两个侧壁紧密配合；
在金属环的外侧面的周向上设有多个外侧轴向通道，在金属环的内侧面的周向上设有多个内侧轴向通道，在与槽底相接触的金属环的端面上设有多个径向通道，每个径向通道连通一外侧轴向通道和一内侧轴向通道，形成一绕金属环的U形通道，每个U形通道的一端与一进水通道连通，另一端与一出水通道连通。该冷却结构，在兼顾结构尺寸和加工工艺的情况下，冷却水(液)能够距离内壳自由端的端面更近的位置流过，能够有效的改善内壳自由端的端面的冷却状态，提高内壳的使用寿命。
结合本发明第一方面的第一种实现方式，本发明第一方面的第二种实现方式中，外侧轴向通道与径向通道的交接处，以及内侧轴向通道与径向通道的交接处均为圆滑过渡连接。
结合本发明第一方面的第一种或第二种实现方式，本发明第一方面的第三种实现方式中，环形槽的槽底与两侧槽壁的交接处均为圆滑过渡连接；
与槽底接触的金属环的端面与金属环的外侧面和内侧面的交接处均为圆滑过渡连接。
结合本发明第一方面的第一至第三种实现方式中的任一种实现方式，本发明第一方面的第四种实现方式中，金属环的热膨胀系数小于风洞加热段内壳的热膨胀系数。该实施方式中的冷却结构，能够避免内壳的自由端在高温下发生径向收缩，从而避免因径向收缩而发生的密封失效，并且能够有效增加内壳自由端的结构强度。
结合本发明第一方面的第四种实现方式，本发明第一方面的第五种实现方式中，本发明第一方面的第五种实现方式中，风洞的内壳采用紫铜材料制成，金属环采用0Cr17Ni12Mo2N材料制成。
结合本发明第一方面的第一至第五种实现方式中的任一种实现方式，本发明第一方面的第六种实现方式中，金属环与夹水套的连接处设有密封环。
结合本发明第一方面的第一至第六种实现方式中的任一种实现方式，本发明第一方面的第七种实现方式中，环形槽的两侧槽壁均倾斜设置，使环形槽形成扩口环形槽。
结合本发明第一方面的第七种实现方式，本发明第一方面的第八种实现方式中，环形槽的每侧槽壁的倾斜角度为1°。
结合本发明第一方面的第一至第八种实现方式中的任一种实现方式，本发明第一方面的第九种实现方式中，金属环由对称的两个半环结构组成。
本发明的第二方面提供了一种风洞加热段壳体，包括外壳、内壳和夹水套所述夹水套套设在所述内壳的外侧，所述外壳套设在所述夹水套和所述内壳的外侧，且所述内壳具有本发明第一方面第一种实现方式至第八种实现方式中任一种内壳自由端的端面冷却结构。该加热段壳体在使用时能够有效的改善内壳自由端的端面的冷却状态，提高内壳的使用寿命。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
1、本发明提供的内壳自由端的端面冷却结构，其冷却水(液)由进水通道流入U形通道的一端，然后流过U形通道后从U形通道的另一端流出至出水通道，之后从出水通道流出，在兼顾结构尺寸和加工工艺的情况下，冷却水(液)能够距离内壳自由端的端面更近的位置流过，能够有效的改善内壳自由端的端面的冷却状态，提高内壳的使用寿命。
2、金属环的热膨胀系数小于风洞加热段内壳的热膨胀系数。在该实施方式中的冷却结构，能够避免内壳的自由端在高温下发生径向收缩，从而避免因径向收缩而发生的密封失效，并且能够有效增加内壳自由端的结构强度。
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是本发明实施例一中一种风洞加热段内壳的部分结构的半剖示意图；
图2是图1中内壳的部分结构的A-A截面示意图；
图3是本发明实施例一中一种金属环的结构示意图；
图4是图3中金属环的另一角度的结构示意图；
图5是图4中的B-B剖面示意图；
图6是本发明实施例一中一种金属环的部分结构的半剖示意图。
图中：1：外壳；2：内壳；21：环形凸起；3：夹水套；4：金属环；41：U形通道；5：进水通道；6：出水通道。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、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，对本发明实施例中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。
实施例一
本发明实施例一提供的风洞加热段内壳自由端的端面冷却结构，参见图1所示，其示出了风洞加热段的部分结构，其中，内壳2的自由端在径向上具有环形凸起21，环形凸起21的外侧面与外壳1紧密配合，使不具有环形凸起21的内壳2的其它部分与外壳1之间形成间隔，在该间隙处具有一夹水套3，即夹水套3套设在内壳2外侧，其内侧面紧贴内壳2，外侧面紧贴外壳1的内侧面，并且，夹水套3与内壳1之间具有多个轴向设置的进水通道5，在夹水套3与外壳1之间具有多个轴向设置的出水通道6。
在一个优选地实施方式中，进水通道5设置在内壳的外侧面，出水通道6设置在夹水套3的外侧面。在环形凸起21靠近夹水套3的一侧设有一个环绕内壳2的环形槽，在该环形槽内设置一个与环形槽的形状相匹配的金属环4。
参见图1和图2所示，金属环4的其中一个端面与夹水套3连接，另一个端面与环形槽的槽底紧密配合，金属环4的外侧面和内侧面分别与环形槽的两个侧壁紧密配合。
参见图1-图5所示，在金属环4的外侧面的周向上设有多个外侧轴向通道，在金属环4的内侧面的周向上设有多个内侧轴向通道，在与槽底相接触的金属环4的端面上设有多个径向通道，每个径向通道连通一个外侧轴向通道和一个内侧轴向通道，形成一个绕金属环4(在金属环4的三个相连接的侧面)的U形通道41，每个U形通道41的一端与一个进水通道5连通，另一端与一个出水通道6连通。
参见图1-图5所示，使用时，冷却水(液)由进水通道5流入U形通道41的一端，然后流过U形通道41后从U形通道41的另一端流出至出水通道6，之后从出水通道6流出(图中空心箭头指示的为冷却水(液)的流动方向，实心箭头指示的为内壳承受高压气体受力方向)，在兼顾结构尺寸和加工工艺的情况下，冷却水(液)能够距离内壳自由端的端面更近的位置流过，能够有效的改善内壳自由端的端面的冷却状态，提高内壳的使用寿命。
为了进一步的提高冷却水(液)循环流动效果，参见图1、图3和图5所示，在一些优选地实施方式中，金属环4上的外侧轴向通道与径向通道的交接处，以及内侧轴向通道与径向通道的交接处均为圆滑过渡连接，例如，进行倒圆角处理。
更进一步地，环形槽的槽底与两侧槽壁的交接处均为圆滑过渡连接，与所述槽底接触的金属环4的端面，其与金属环4的外侧面和内侧面的交接处均为圆滑过渡连接，在一个具体地实施方式中上述的圆滑过渡连接，可以通过倒圆角处理来实现。
为了避免高温下内壳自由端易发生径向收缩而导致密封失效，在一个优选地实施方式中，金属环的热膨胀系数小于风洞加热段内壳的热膨胀系数，并且能够有效增加内壳自由端的结构强度。
更优选地，风洞加热段内壳2采用紫铜材料制成，金属环4采用0Cr17Ni12Mo2N材料制成。
在一个具体地实施方式中，外壳1和夹水套3采用1Cr18Ni9Ti材料制成，内壳2采用紫铜材料制成，金属环4采用0Cr17Ni12Mo2N材料制成，其结构强度大于紫铜制成的内壳，且不易变形能够有效提高内壳的结构强度。
在一个优选地实施方式中，参见图1所示，金属环4与夹水套3的连接处设有密封圈，在一个具体地实施方式中，金属环4与夹水套3的连接的端面上设有环形密封槽，密封圈设置在环形密封槽内。当然在其它一些实施方式中，也可以根据需要，在夹水套3相应的位置或者在金属环4和夹水套3上同时设置环形密封槽，以容纳密封圈。
在一个优选地实施方式中，金属环4为两个对称的半环组成，在先安装夹水套的装配方式下，更便于安装，尤其是在后期维护和更换时更容易操作。
需要说明的是，图1和图2中的虚线为示意图中所保留的风洞加热段结构部分的边界线，并非表示结构的轮廓线。
还需要说明的是，U形通道41的数量及尺寸可根据换热需要进行限定或调整，在此不作限定。
实施例二
本实施例二与实施例一基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：参见图6所示，环形槽的两侧槽壁均倾斜设置，且从环形槽的槽底到槽口，两侧槽壁的距离越来越远，使环形槽形成扩口环形槽，即环形槽的槽口处两侧槽壁距离大于槽底处两侧槽壁的距离。
由于金属环4与环形槽4的形状匹配，因此在本实施例中，金属环4的外侧面和内侧面也倾斜设置，以实现与环形槽的紧配。
在一个优选地实施方式中，环形槽的每侧槽壁的倾斜角度为1°。
需要说明的是，在图6中用于辅助标注倾斜角度的虚线为辅助线，并非为表示结构的线条。
实施例三
本实施例三提供了一种风洞加热段壳体，参见图1和图2所示，风洞加热段壳体包括外壳1、内壳2和夹水套3，夹水套3套设在内壳2的外侧，外壳1套设在夹水套3和内壳2的外侧，其中内壳包括实施例一或实施例二中任一种内壳自由端的端面冷却结构。该加热段壳体在使用时能够有效的改善内壳自由端的端面的冷却状态，提高内壳的使用寿命
需要说明的是，在本实施例中外壳、内壳和夹水套的结构及配合关系非本发明的改进之处，其使用现有技术即可，在此不再赘述，在本申请中未提到风洞加热段的其他部分采用现有技术即可，因此，在此不再赘述。
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：并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，不存在方案冲突的情况下，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
此外，在不脱离本发明的范围的情况下，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，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 (10)
1.一种风洞加热段内壳自由端的端面冷却结构，内壳自由端的径向具有环形凸起，其特征在于：在所述环形凸起靠近夹水套的一侧设有一环绕所述内壳的环形槽，在所述环形槽内设置有与所述环形槽形状相匹配的金属环；
所述金属环的一个端面与所述夹水套贴紧连接，另一个端面与所述环形槽的槽底紧密配合，所述金属环的外侧面和内侧面分别与所述环形槽的两个侧壁紧密配合；
在所述金属环的外侧面的周向上设有多个外侧轴向通道，在所述金属环的内侧面的周向上设有多个内侧轴向通道，在与所述槽底相接触的所述金属环的端面上设有多个径向通道，每个所述径向通道连通一所述外侧轴向通道和一所述内侧轴向通道，形成一绕所述金属环的U形通道，每个所述U形通道的一端与一进水通道连通，另一端与一出水通道连通。
2.根据权利要求1所述的端面冷却结构，其特征在于：所述外侧轴向通道与所述径向通道的交接处，以及所述内侧轴向通道与所述径向通道的交接处均为圆滑过渡连接。
3.根据权利要求2所述的端面冷却结构，其特征在于：所述环形槽的槽底与两侧槽壁的交接处均为圆滑过渡连接；
与所述槽底接触的所述金属环的端面与所述金属环的外侧面和内侧面的交接处均为圆滑过渡连接。
4.根据权利要求1-3任一项所述的端面冷却结构，其特征在于：所述金属环的热膨胀系数小于风洞加热段内壳的热膨胀系数。
5.根据权利要求4所述的端面冷却结构，其特征在于：所述风洞加热段内壳采用紫铜材料制成，所述金属环采用0Cr17Ni12Mo2N材料制成。
6.根据权利要求1所述的端面冷却结构，其特征在于：所述金属环与所述夹水套的连接处设有密封环。
7.根据权利要求1-3任一项所述的端面冷却结构，其特征在于：所述环形槽的两侧槽壁均倾斜设置，使所述环形槽形成扩口环形槽。
8.根据权利要求7所述的端面冷却结构，其特征在于：所述环形槽的每侧槽壁的倾斜角度为1°。
9.根据权利要求1所述的端面冷却结构，其特征在于：所述金属环由对称的两个半环结构组成。
10.一种风洞加热段壳体，其特征在于：包括外壳、内壳和夹水套，所述夹水套套设在所述内壳的外侧，所述外壳套设在所述夹水套和所述内壳的外侧，且所述内壳具有如权利要求1-9任一项所述的风洞加热段内壳自由端的端面冷却结构。
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