CN111220340B - 一种风洞加热段的壳体冷却结构及其制造方法 - Google Patents

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的壳体冷却结构及其制造方法，壳体冷却结构通过夹水套与内壳交错连接，在其轴向设置多个销杆，夹水套和销杆的热膨胀系数均小于内壳的热膨胀系数，在提供有效冷却的同时，还能够加强内壳的结构，有效避免在使用过程中内壳发生变形或径向收缩，从而避免因内壳变形而导致密封失效漏水的问题发生。制造方法通过先整体加工夹水套，将其切开再加工内侧半环形槽，并将夹水套与内壳装配后再加工销杆通道，不但便于各部件的加工和装配，并且能够有效保证其加工和装配精度。

Description

一种风洞加热段的壳体冷却结构及其制造方法

技术领域

本发明实施例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的壳体冷却结构及其制造方法。

背景技术

高超声速低密度风洞是研究稀薄气体动力学的一种工具，模拟距离地面60km～100km不同高空试验环境，前室(加热段)气体模拟总温最高可以达到3000K，因此该设备加热气体的内流道内壳通常采用换热效率高的材料，并通过高压冷却水来有效保护内壳不被烧蚀。

目前，为了增加内壳的水冷保护效果，通常会采取在内壳水流道一侧加工多道水槽的形式来增加高压冷却水的换热面积，而内壳壁面厚度会影响内壳整体的换热效率，同时带水槽壁面也会接降低内壳的整体结构强度。内壳长时间处于高温、高压的使用环境中，在热胀冷缩作用下，内壳会发生尺寸缩小的现象，从而会出现变形导致密封失效漏水的现象。

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的壳体冷却结构，解决其现有风洞加热段的壳体冷却结构易出现因内壳变形而导致密封失效漏水的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，在第一方面本发明实施例提供了一种风洞加热段的壳体冷却结构，其第一种实现方式中，风洞加热段的壳体冷却结构强化包括外壳、内壳和夹水套，其中，外壳的一侧设有进水口，在其相对的另一侧设有出水口。内壳的两端分别具有一环形径向凸起，在内壳外侧且位于两个环形径向凸起之间的部分设有多个外环形槽，多个外环形槽沿内壳的轴向间隔分布，内壳上设有多个内壳销孔，多个内壳销孔呈圆周分布，且每个内壳销孔均从其中一个环形径向凸起穿过多个外环形槽的槽壁至距离该环形径向凸起最远的外环形槽。夹水套包括两个结构对称的半筒部，每个半筒部的内侧面设有多个半环形槽，半环形槽沿夹水套的轴向间隔分布，每个半筒部上设有多个沿轴向贯穿半筒部的夹水套销孔。夹水套位于两个环形径向凸起之间，其中，两个半筒部同轴对称的设置在内壳的外侧，且两个半筒部在内壳的上部和下部均具有间隔，位于上部的间隔为进水通道，位于下部的间隔为出水通道。每个半环形槽内均容纳有一外环形槽的槽壁，外环形槽的槽壁与半环形槽紧配，每个外环形槽内均容纳有半环形槽的槽壁，且半环形槽的槽壁在内壳的轴向上与外环形槽紧配，在内壳的径向上与外环形槽的槽底间隔设置，形成冷却通道，多个夹水套销孔分别与多个内壳销孔同轴，形成多个销杆通道，在每个销杆通道内紧配设置一销杆。外壳套设在内壳和夹水套的外侧，进水口与进水通道连通，进水通道与冷却通道连通，冷却通道与出水通道连通，出水通道与出水口连通。销杆和夹水套的热膨胀系数均小于内壳的热膨胀系数。

该壳体冷却结构在使用时能够有效对内壳进行冷却，并且通过夹水套与内壳交错连接，在其轴向设置多个销杆，夹水套和销杆的热膨胀系数均小于内壳的热膨胀系数，能够加强内壳的结构，有效避免在使用过程中，内壳发生变形或径向收缩，从而避免因内壳变形而导致密封失效漏水的问题发生。

结合第一方面第一种实现方式，在本发明的第一方面的第二种实现方式中，内壳采用紫铜制成，销杆和夹水套均采用不锈钢制成。

结合第一方面第一种实现方式或第二种实现方式，在本发明的第一方面的第三种实现方式中，在外壳的轴向上间隔设有多个进水口，在其相对的另一侧沿轴向设有多个出水口。

结合第一方面第一种至第三种实现方式中任一种实现方式，在本发明的第一方面的第四种实现方式中，进水通道为阶梯通道，且进水通道靠近进水口的一端的宽度大于进水通道另一端的宽度。

结合第一方面第四种实现方式，在本发明的第一方面的第五种实现方式中，出水通道为阶梯通道，出水通道靠近出水口的一端的宽度大于出水通道另一端的宽度。

第二方面，本发明实施例还提供了一种制造第一方面中任一种风洞加热段壳体冷却结构的方法：

制备外壳，在其一侧加工进水口，在其相对的另一侧加工出水口；

制备内壳，在内壳的两端加工出环形径向凸起，在两个环形径向凸起之间加工多个外环形槽，多个外环形槽沿其轴向间隔分布；

制备夹水套，选用热膨胀系数小于内壳的材料，先加工出筒状夹水套，然后将筒状夹水套沿对称线切开，并在对称线的两侧切除部分材料，形成两个结构对称的半筒部，两个半筒部同轴对称安装时，两个半筒部之间具有间隔；然后分别在每个半筒部的内侧沿轴向间隔加工出多个半环形槽；

将两个半筒部同轴对称的装配在内壳的外侧，且位于两个环形径向凸起之间，每个半环形槽内均容纳有一外环形槽的槽壁，外环形槽的槽壁与半环形槽紧配，每个外环形槽内均容纳有半环形槽的槽壁，且半环形槽的槽壁在内壳的轴向上与外环形槽紧配，在内壳的径向上与外环形槽的槽底间隔设置，形成冷却通道；

然后在其中一个环形径向凸起的周向上加工多个销杆通道，使每个销杆通道穿过该环形径向凸起、多个外环形槽的槽壁、多个半形槽至另一个环形径向凸起，在每个销杆通道内装配一个销杆，且销杆的热膨胀系数小于内壳的热膨胀系数；

之后将加工装配好的内壳和夹水套装入外壳，使进水口与进水通道连通，进水通道与冷却通道连通，冷却通道与出水通道连通，出水通道与出水口连通。

该方法不但便于各部件的加工和装配，并且能够有效保证其加工和装配精度。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的风洞加热段壳体冷却结构，两个半筒部同轴对称设置形成夹水套，两者之间的间隔分别形成进水通道和出水通道，在每个半筒部的内侧设置半环形槽，在内壳的外侧设置外环形槽，半环形槽的槽壁与外环形槽的槽交错设置，使外环形槽的槽容纳于相应的半环形槽内，半环形槽的槽壁容纳于相应的外环形槽内，且与外环形槽的槽底间隔设置，形成冷却通道，冷却水从外壳的进水口经进水通道进入冷却通道，沿冷却通道流经到内壳相对的一侧后经出水通道和出水口排出，能够有效对内壳进行冷却，并且通过夹水套与内壳交错连接，在其轴向设置多个销杆，夹水套和销杆的热膨胀系数均小于内壳的热膨胀系数，能够加强内壳的结构，有效避免在使用过程中内壳发生变形或径向收缩，从而避免因内壳变形而导致密封失效漏水的问题发生。

本发明提供的制造风洞加热段壳体冷却结构的方法，通过先整体加工夹水套，将其切开再加工内侧半环形槽，并将夹水套与内壳装配后再加工销杆通道的方式，不但便于各部件的加工和装配，并且能够有效保证其加工和装配精度。

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的壳体冷却结构的截面示意图；

图2中是发明实施例一中在半环形槽处剖开的夹水套剖面示意图；

图3中是发明实施例一中在外环形槽处剖开的内壳剖面示意图；

图4是壳体冷却结构沿图1中的A-A剖开的剖面示意图；

图5是图4中B处放大示意图。

图中：1：外壳；11：进水口；12：出水口；

2：半筒部；21：半环形槽；211：半环形槽的槽壁；22：进水通道；23：出水通道；24：夹水套销孔；

3：内壳；31：环形径向凸起；32：外环形槽；321：外环形槽的槽壁；33：内壳销孔；

4：销杆；5：冷却通道。

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

参见图1-图5所示，本发明实施例提供的风洞加热段的壳体冷却结构，在一个实施方式中，其包括外壳1、内壳3和夹水套，夹水套设置在内壳3的外侧，夹水套和内壳3位于外壳1的内部。

参见图1和图4所示，在一个实施方式中，外壳1为一圆筒结构，在其一侧壁设有径向的进水口11，在其相对的另一侧壁设有径向的出水口12，在一个实施方式中，进水口11和出水口12处均设有管接头，方便与进水管(图中未示出)和出水管(图中未示出)连接。在一些实施方式中，参见图4所示，外壳1的两端设法兰盘结构方便与相邻部件连接。

参见图1、图3和图4所示，在一个实施方式中，内壳3为圆筒状结构，内壳3的两端分别具有一个环形径向凸起31，在内壳3的外侧且位于两个环形径向凸起31之间的部分设有多个外环形槽32，多个外环形槽沿内壳3的轴向间隔分布。

参见图3所示，内壳3上设有多个内壳销孔33，多个内壳销孔33呈圆周分布，且每个内壳销孔33均从其中一个环形径向凸起31的外侧依次穿过多个外环形槽的槽壁至距离该环形径向凸起31最远的外环形槽32。

参见图1、图2和图4所示。在一个实施方式中，夹水套包括两个结构对称的半筒部2，每个半筒部2的内侧面设有多个半环形槽21，多个半环形槽21沿夹水套的轴向间隔分布，每个半筒部2上设有多个沿轴向贯穿半筒部的夹水套销孔24。

参见图1和图2所示，夹水套位于两个环形径向凸起31之间，其中，两个半筒部2同轴对称的设置在内壳3的外侧，且两个所述半筒部在所述内壳的上部和下部均具有间隔，位于上部的间隔为进水通道22，位于下部的间隔为出水通道23。

参见图4和图5所示，每个半环形槽21内均容纳有一外环形槽的槽壁321，外环形槽的槽壁321与半环形槽21紧配，每个外环形槽32内均容纳有半环形槽的槽壁211，且半环形槽的槽壁211在内壳3的轴向上与外环形槽32紧配，在内壳3的径向上与外环形槽32的槽底间隔设置，形成冷却通道5，即半环形槽的槽壁211轴向上的两侧面与外环形槽32相对应的两侧面紧配，半环形槽的槽壁211的端部与外环形槽32的槽底间隔设置。夹水套与内壳3装配完成后，多个夹水套销孔24分别与多个内壳销孔33同轴，形成多个销杆通道，在每个销杆通道内紧配设置有一销杆4，且该销杆4的热膨胀系数小于内壳3的热膨胀系数，优选地，夹水套的热膨胀系数也小于内壳3的热膨胀系数。

外壳1套设在内壳3和夹水套的外侧，进水口11与进水通道22连通，进水通道22与冷却通道5连通，冷却通道5与出水通道23连通，出水通道23与出水口12连通。

使用时，参见图1所示，图中实心箭头为示意的冷却水(液)的流动方向，冷却水(液)从进水口11进入进水通道22，再从进水通道22向两侧的冷却通道5流动，冷却水(液)沿两侧的冷却通道5汇入到内壳3另一侧的出水通道23，然后再从出水口12流出，该壳体冷却结构能够有效对内壳3进行冷却，并且通过夹水套与内壳3交错连接，在其轴向设置多个销杆4，夹水套和销杆4的热膨胀系数均小于内壳3的热膨胀系数，能够加强内壳3的结构，有效避免在使用过程中，内壳发生变形或径向收缩，从而避免因内壳变形而导致密封失效漏水的问题发生。

在一些优选地实施方式中，内壳3采用紫铜制成，销杆4和夹水套(两个半筒部2)均采用不锈钢制成，例如，不锈钢材料1Cr18Ni9Ti、不锈钢材料0Cr17Ni12Mo2N等。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。

在一些优选地实施方式中，参见图4所示，在外壳3的轴向上间隔设有多个进水口11，例如两个、三个、四个等，具体数量可以根据需要(冷却水的流量等因素)进行设置，在此不做限定。在与进水口11相对的外壳1的另一侧沿轴向设有多个出水口12，例如两个、三个、四个等，具体数量可以根据需要(冷却水的流量等因素)进行设置，在此不做限定。

在一些优选地实施方式中，参见图1和图2所示，进水通道22为阶梯通道，且该进水通道22靠近进水口11的一端的宽度大于进水通道22另一端的宽度，有利于冷却水的进入。更优选地，出水通道23为阶梯通道，该出水通道23靠近出水口12的一端的宽度大于出水通道23另一端的宽度，使进水通道22与出水通道23的结构相同，有利于安装。

需要说明的是，半环形槽和外环形槽的数量和尺寸换热情况进行设定，在此不作限定。销杆的数量可以根据强度要求自进行限定或调整，在此不作限定。

还需要说明的是，在一些实施方式中夹水套的热膨胀系数和销杆的热膨胀系数可以相同，也可以不同。也就是说夹水套和销杆可以选用同一种材料，也可以选用不同材料，在本实施例中不作限定。

实施例二

本实施例二提供了一种制造实施例一中任一种风洞加热段壳体冷却结构的方法，该方法包括以下步骤：

制备外壳，选用或者经过加工后符合尺寸要求的筒状外壳，在其一侧加工进水口，在其相对的另一侧加工出水口。在一些实施方式中，需制备端部具有法兰结构的外壳时，需加工法兰结构。

制备内壳，选用或者经过加工后符合尺寸要求的筒状内壳，在内壳的两端加工出环形径向凸起，在两个环形径向凸起之间加工多个外环形槽，且多个外环形槽沿其轴向间隔分布。

制备夹水套，选用热膨胀系数小于内壳的材料，先加工出筒状夹水套，然后将筒状夹水套沿对称线切开，并在对称线的两侧切除部分材料，形成两个结构对称的半筒部，在对称线的两侧切除部分材料使两个所述半筒部同轴对称安装时，两个半筒部之间具有间隔；然后分别在每个半筒部的内侧沿轴向间隔加工出多个半环形槽；

将两个半筒部同轴对称的装配在内壳的外侧，且位于两个环形径向凸起之间，每个半环形槽内均容纳有一外环形槽的槽壁，外环形槽的槽壁与半环形槽紧配，每个外环形槽内均容纳有半环形槽的槽壁，且半环形槽的槽壁在内壳的轴向上与所述外环形槽紧配，在内壳的径向上与外环形槽的槽底间隔设置，形成冷却通道。

然后在其中一个环形径向凸起的周向上加工多个所述销杆通道，使每个销杆通道穿过该环形径向凸起、多个外环形槽的槽壁、多个半形槽至另一个环形径向凸起，在每个销杆通道内装配一个销杆，且该销杆的热膨胀系数小于内壳的热膨胀系数。

之后将加工装配好的内壳和夹水套装入外壳，使进水口与进水通道连通，进水通道与冷却通道连通，冷却通道与出水通道连通，出水通道与出水口连通。该方法不但便于加工和装配，并且能够有效保证加工和装配精度。

需要说明的是，若需要将进水通道和出水通道加工为阶梯通道，在对称线的两侧切除部分材料时，切除相应部分时使其具有尺寸差即可。例如，在加工进水通道靠近进水口的一端时，其切除材料要多于另一端。该加工方式为现有技术，在此不再赘述。

还需要说明的是，在一些实施方式中夹水套的热膨胀系数和销杆的热膨胀系数可以相同，也可以不同。也就是说夹水套和销杆可以选用同一种材料，也可以选用不同材料，在本实施例中不作限定。

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 (6)

1.一种风洞加热段的壳体冷却结构，其特征在于，包括：

外壳，所述外壳的一侧设有进水口，在其相对的另一侧设有出水口；

内壳，所述内壳的两端分别具有一环形径向凸起，在所述内壳外侧且位于两个所述环形径向凸起之间的部分设有多个外环形槽，多个所述外环形槽沿所述内壳的轴向间隔分布；所述内壳上设有多个内壳销孔，多个所述内壳销孔呈圆周分布，且每个所述内壳销孔均从其中一个环形径向凸起穿过多个外环形槽的槽壁至距离该环形径向凸起最远的外环形槽；

夹水套，所述夹水套包括两个结构对称的半筒部，每个所述半筒部的内侧面设有多个半环形槽，所述半环形槽沿所述夹水套的轴向间隔分布，每个所述半筒部上设有多个沿轴向贯穿所述半筒部的夹水套销孔；

所述夹水套位于两个所述环形径向凸起之间，其中，两个所述半筒部同轴对称的设置在所述内壳的外侧，且两个所述半筒部在所述内壳的上部和下部均具有间隔，位于上部的间隔为进水通道，位于下部的间隔为出水通道；

每个所述半环形槽内均容纳有一所述外环形槽的槽壁，所述外环形槽的槽壁与所述半环形槽紧配，每个所述外环形槽内均容纳有半环形槽的槽壁，且半环形槽的槽壁在所述内壳的轴向上与所述外环形槽紧配，在所述内壳的径向上与所述外环形槽的槽底间隔设置，形成冷却通道，多个所述夹水套销孔分别与多个所述内壳销孔同轴，形成多个销杆通道，在每个所述销杆通道内紧配设置一销杆；

所述外壳套设在所述内壳和所述夹水套的外侧，所述进水口与所述进水通道连通，所述进水通道与所述冷却通道连通，所述冷却通道与所述出水通道连通，所述出水通道与所述出水口连通；

所述销杆和所述夹水套的热膨胀系数均小于所述内壳的热膨胀系数。

2.根据权利要求1所述的壳体冷却结构，其特征在于：所述内壳采用紫铜制成，所述销杆和所述夹水套均采用不锈钢制成。

3.根据权利要求1所述的壳体冷却结构，其特征在于：在所述外壳的轴向上间隔设有多个进水口，在其相对的另一侧沿轴向设有多个出水口。

4.根据权利要求1-3任一项所述的壳体冷却结构，其特征在于：所述进水通道为阶梯通道，且所述进水通道靠近所述进水口的一端的宽度大于所述进水通道另一端的宽度。

5.根据权利要求4所述的壳体冷却结构，其特征在于：所述出水通道为阶梯通道，所述出水通道靠近所述出水口的一端的宽度大于所述出水通道另一端的宽度。

6.一种制造如权利要求1-5任一项所述的风洞加热段的壳体冷却结构的方法，其特征在于：

制备外壳，在其一侧加工进水口，在其相对的另一侧加工出水口；

制备内壳，在内壳的两端加工出环形径向凸起，在两个所述环形径向凸起之间加工多个外环形槽，多个外环形槽沿其轴向间隔分布；

制备夹水套，选用热膨胀系数小于内壳的材料，先加工出筒状夹水套，然后将筒状夹水套沿对称线切开，并在对称线的两侧切除部分材料，形成两个结构对称的半筒部，两个所述半筒部同轴对称安装时，两个半筒部之间具有间隔；然后分别在每个半筒部的内侧沿轴向间隔加工出多个半环形槽；

将两个所述半筒部同轴对称的装配在内壳的外侧，且位于两个环形径向凸起之间，每个所述半环形槽内均容纳有一所述外环形槽的槽壁，所述外环形槽的槽壁与所述半环形槽紧配，每个所述外环形槽内均容纳有半环形槽的槽壁，且半环形槽的槽壁在所述内壳的轴向上与所述外环形槽紧配，在所述内壳的径向上与所述外环形槽的槽底间隔设置，形成冷却通道；

然后在其中一个环形径向凸起的周向上加工多个所述销杆通道，使每个销杆通道穿过该环形径向凸起、多个外环形槽的槽壁、多个半形槽至另一个环形径向凸起，在每个销杆通道内装配一个销杆，且所述销杆的热膨胀系数小于内壳的热膨胀系数；

之后将加工装配好的内壳和夹水套装入外壳，使所述进水口与所述进水通道连通，所述进水通道与所述冷却通道连通，所述冷却通道与所述出水通道连通，所述出水通道与所述出水口连通。

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