CN111238760B - 一种基于电弧加热的低密度风洞总体布局结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电弧加热的低密度风洞总体布局结构，包括若干组不同等级的电弧加热器、冷气混合室、扩张整流段、稳定段、喷管和直流整流电源，冷气混合室固连在电弧加热器右端，扩张整流段固连在冷气混合室右端，稳定段固连在扩张整流段右端，喷管固连在稳定段右端，不同等级的喷管出口端外径相同，不同等级的喷管连接在相同的试验段内，本发明具有实现跨流域宽参数电弧加热的低密度风洞总体技术指标，达到预期的试验模拟能力的优点。

Description

一种基于电弧加热的低密度风洞总体布局结构

技术领域

本发明涉及飞行器气动力实验设备技术领域，尤其涉及一种基于电弧加热的低密度风洞总体布局结构。

背景技术

随着我国航天飞行器技术的迅猛发展，飞行器外形结构日益复杂、飞行空域日益扩大，高空稀薄过渡流区及近连续流区飞行时间大幅度增加，粘性、稀薄、高温等多种效应相互耦合，流动现象和机理相当复杂，导致高空高马赫数跨越连续和稀薄流区(以下简称跨流域)的气动问题日益突出。因此，需要建设高超声速低密度风洞进行试验模拟研究。高超声速低密度风洞模拟马赫数可达Ma20以上，为防止气体冷凝，必须配套3000K以上的高温气体加热装置。由于常规风洞配套的直热或蓄热式电阻加热器加热温度有限，不能达到高马赫数运行所要求的总温，需采用电弧加热方法以实现低密度风洞总温要求。

电弧加热设备与低密度风洞组成一套试验系统，其总温、气体流量、驻室压力需满足60km至100km，Ma10～Ma20高空飞行器地面模拟试验参数需求，这要求电弧加热器的功率需满足0.1MW～10MW，总温1100K～3100K，总压0.1MPa～10MPa，气体流量1.2g/s～6.2kg/s的宽运行参数范围，以及配套相应的供电、供气等附属系统，常规的风洞总体设计及布局方案将不能满足上述要求。

因此，针对以上不足，需要提供一种基于电弧加热的低密度风洞总体布局结构。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决常规的风洞布局方式不能满足宽运行参数范围的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于电弧加热的低密度风洞总体布局结构，包括若干组不同等级的电弧加热器、冷气混合室、扩张整流段、稳定段、喷管和直流整流电源，冷气混合室固连在电弧加热器右端，扩张整流段固连在冷气混合室右端，稳定段固连在扩张整流段右端，喷管固连在稳定段右端，不同等级的喷管出口端外径相同，不同等级的喷管连接在相同的试验段内。

通过采用上述技术方案，将每个等级的加热器后面连接对应等级和尺度的冷气混合室，相应等级和几何特征尺度的扩张整流段、稳定段，对应连接具有不同马赫数，但相同出口尺寸的高超声速喷管，最后连接到同一套试验段、扩压器、冷却器及真空排气系统，以实现跨度达几个量级的试验流场参数。

作为对本发明的进一步说明，优选地，电弧加热器上设有加热器多路供气支路系统，加热器多路供气支路系统包括若干组不同流量等级的管道、截止阀和调压阀，其中若干个所述管道间隔连接在电弧加热器中部，所述截止阀和调压阀均分布在管道上，不同的所述管道内气体流量和压力均不相同。

通过采用上述技术方案，设置多个等级、压力参数可调的加热器多路供气支路系统，以适配不同等级的电弧加热器，进而使不同等级的风洞整体均能输出当前所需的试验流场参数。

作为对本发明的进一步说明，优选地，所述管道位于电弧加热器中部连接有快速开关阀。

通过采用上述技术方案，可使风洞快速启动或关闭。

作为对本发明的进一步说明，优选地，所述快速开关阀一侧并联有口径小于当前快速开关阀连接的管道的管路，所述管路上安装有截止阀。

通过采用上述技术方案，以保证电弧加热器顺利启弧。

作为对本发明的进一步说明，优选地，冷气混合室的入口端处分布有混合室多路供气支路系统，混合室多路供气支路系统包括若干组不同流量等级的管道、截止阀和调压阀，其中若干个所述管道间隔连接在冷气混合室的入口端处，所述截止阀和调压阀均分布在管道上，不同的所述管道内气体流量和压力均不相同。

通过采用上述技术方案，可使不同规格的冷气混合室内的气体混合更为充分，消除气流旋转，进而使风洞输出的气流更为稳定。

作为对本发明的进一步说明，优选地，所述管道位于冷气混合室的入口端的端口处连接有快速开关阀。

通过采用上述技术方案，进一步提高风洞快速启停的效率。

作为对本发明的进一步说明，优选地，电弧加热器外架设有直流整流电源，直流整流电源包括低功率电源和高功率电源，低功率电源与高功率电源并联且与电弧加热器上的电磁线圈电性连接。

通过采用上述技术方案，将风洞配套大、小等级的直流整流配电系统，电弧加热器按照额定功率设定为多个等级，且每个等级的电弧加热器之间的参数有所搭接，使每个等级的电弧加热器均能依照额定功率输出，以保障风洞能依照不同的需求进行工作。

作为对本发明的进一步说明，优选地，低功率电源外电性连接有第一开关，高功率电源外电性连接有第二开关，第二开关和第一开关也并联。

通过采用上述技术方案，使不同功率的电源能分开工作，进而使电弧加热器能正常工作且避免能源浪费。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

1、本发明通过设置多个等级设备系统布局，易于实现跨流域宽参数风洞模拟试验参数，在同一套试验段、扩压器、冷却器及真空排气系统中降低了风洞的建设成本；

2、采用额定功率电源及电弧加热器匹配相应的流量调节供气支路的布局提高了试验参数调试的精准度，使每个试验参数都处于设备的最佳运行状态；

3、多支路供气系统布局满足了电弧加热器、混合室多种流量需求，确保电弧加热器正向旋转气流和混合室的反向消旋气流易于准确匹配，达到气流消除旋转的最佳效果；

4、在对应试验状态下，通过合理匹配电弧加热系统和配气管径及阀门，缩短了管路预充气体到额定压力的时间和电弧稳定所需时间，满足风洞流场参数快速稳定的要求。

附图说明

图1是本发明单一等级的设计布局图。

图中：1、电弧加热器；11、加热器多路供气支路系统；2、冷气混合室；21、混合室多路供气支路系统；3、扩张整流段；4、稳定段；5、喷管；6、直流整流电源；61、低功率电源；62、高功率电源；63、第一开关；64、第二开关；7、1MW风洞布局结构；8、0.1MW风洞布局结构。

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。

一种基于电弧加热的低密度风洞总体布局结构,如图1所示，包括若干组不同等级的电弧加热器1、冷气混合室2、扩张整流段3、稳定段4、喷管5、直流整流电源6，电弧加热器1上设有加热器多路供气支路系统11，冷气混合室2固连在电弧加热器1右端，冷气混合室2上设有混合室多路供气支路系统21，扩张整流段3固连在冷气混合室2右端，稳定段4固连在扩张整流段3右端，喷管5固连在稳定段4右端，不同等级的喷管5出口端外径相同，不同等级的喷管5连接在相同的试验段内；直流整流电源6与电弧加热器1相连。

如图1所示，电弧加热器1把气流加热到很高的温度，然后混合室2混入冷气，把电弧加热器1的高温降到实验所需要的温度，可以根据冷气流量大小调整温度高低，扩张整流段3和稳定段4将气流整流均匀；通过将每个等级的电弧加热器1后面连接对应等级和尺度的冷气混合室2，以及相应等级和几何特征尺度的扩张整流段3和稳定段4，对应连接具有不同马赫数，但相同出口尺寸的高超声速喷管5，最后连接到同一套试验段、扩压器、冷却器及真空排气系统，以实现跨度达几个量级的试验流场参数。

如图1所示，电弧加热器1根据额定功率分为：0.1MW、1MW、10MW三个量级，直流整流电源6包括低功率电源61和高功率电源62，低功率电源61为5MW直流电源，高功率电源62为45MW直流电源，其中低功率电源61为0.1MW，1MW量级的电弧加热器供电，高功率电源62为10MW量级的电弧加热器供电；低功率电源61与高功率电源62并联且均与电弧加热器1上的电磁线圈电性连接；低功率电源61外电性连接有第一开关63，高功率电源外62电性连接有第二开关64，第二开关64和第一开关63也并联。

如图1所示，将风洞配套大、小等级的直流整流配电系统，电弧加热器1按照额定功率设定为多个等级，图中仅提供1MW风洞布局结构7和0.1MW风洞布局结构8，且每个等级的电弧加热器1之间的参数有所搭接，使每个等级的电弧加热器1均能依照额定功率输出，以保障风洞能依照不同的需求进行工作；设置与低功率电源61和高功率电源62分别串联的开关，使不同功率的电源能分开工作，避免同时工作影响电弧加热器1的电力输入功率以及造成电源之间的相互影响。

如图1所示，加热器多路供气支路系统11包括若干组不同流量等级的管道、截止阀和调压阀，其中若干个所述管道间隔连接在电弧加热器1中部，所述管道共分为五路具体分组如下：

一路配管规格为Φ57×9mm，用于大流量状态的调节；

一路配管规格为Φ35×6mm，作为中小流量调节支管路；

一路配管规格为Φ24×4.5mm，作为小流量调节支管路；

一路配管规格为Φ14×4mm，为微量调节支路；

最后并联一路Pn220/Dn6管路作为加热器起弧用。

所述截止阀和调压阀均分布在管道上，不同的所述管道内气体流量和压力均不相同，均通过电磁阀控制各路与电弧加热器的相通关系；设置多个等级、压力参数可调的加热器多路供气支路系统11，以适配不同等级的电弧加热器1，进而使不同等级的风洞整体均能输出当前所需的试验流场参数；所述管道位于电弧加热器1口处连接有快速开关阀，可使风洞快速启动或关闭；所述快速开关阀一侧并联有口径小于当前快速开关阀连接的管道的管路，所述管路上安装有截止阀，以保证电弧加热器顺利启弧。

如图1所示，混合室多路供气支路系统21包括若干组不同流量等级的管道、截止阀和调压阀，其中若干个所述管道间隔连接在冷气混合室2的入口端处，所述管道共分为四路，具体分组如下：

一路配管规格为Φ68×10mm，用于大流量状态的调节；

一路配管规格为Φ43×7mm，作为中小流量调节支管路；

一路配管规格为Φ24×4.5mm，作为小流量调节支管路；

第四路配管规格为Φ14×4mm，为微量调节支路。

所述截止阀和调压阀均分布在管道上，不同的所述管道内气体流量和压力均不相同，可使不同规格的冷气混合室2内的气体混合更为充分，消除气流旋转，进而使风洞输出的气流更为稳定，所述管道位于冷气混合室2的入口端的端口处连接有快速开关阀，进一步提高风洞快速启停的效率。

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 (5)

1.一种基于电弧加热的低密度风洞总体布局结构，其特征在于：包括若干组不同等级的电弧加热器(1)、冷气混合室(2)、扩张整流段(3)、稳定段(4)、喷管(5)和直流整流电源(6)，冷气混合室(2)固连在电弧加热器(1)右端，扩张整流段(3)固连在冷气混合室(2)右端，稳定段(4)固连在扩张整流段(3)右端，喷管(5)固连在稳定段(4)右端，不同等级的喷管(5)出口端外径相同，不同等级的喷管(5)连接在相同的试验段内；其中加热器多路供气支路系统(11)包括若干组不同流量等级的第一管道、第一截止阀和第一调压阀，其中若干组不同流量等级的第一管道间隔连接在电弧加热器(1)中部，所述第一管道共分为五路具体分组如下：

一路配管规格为Φ57×9mm，用于大流量状态的调节；

一路配管规格为Φ35×6mm，作为中小流量调节支管路；

一路配管规格为Φ24×4.5mm，作为小流量调节支管路；

一路配管规格为Φ14×4mm，为微量调节支路；

最后并联一路Pn220/Dn6管路作为加热器起弧用；

冷气混合室(2)的入口端处分布有混合室多路供气支路系统(21)，混合室多路供气支路系统(21)包括若干组不同流量等级的第二管道、第二截止阀和第二调压阀，所述第二管道共分为四路，具体分组如下：

一路配管规格为Φ68×10mm，用于大流量状态的调节；

一路配管规格为Φ43×7mm，作为中小流量调节支管路；

一路配管规格为Φ24×4.5mm，作为小流量调节支管路；

一路配管规格为Φ14×4mm，为微量调节支路；其中若干组不同流量等级的第二管道间隔连接在冷气混合室(2)的入口端处，所述第二截止阀和第二调压阀均分布在第二管道上，不同的所述第二管道内气体流量和压力均不相同；电弧加热器(1)外架设有直流整流电源(6)，直流整流电源(6)包括低功率电源(61)和高功率电源(62)，低功率电源(61)与高功率电源(62)并联且与电弧加热器(1)上的电磁线圈电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于电弧加热的低密度风洞总体布局结构，其特征在于：所述第一管道位于电弧加热器(1)中部连接有快速开关阀。

3.根据权利要求2所述的一种基于电弧加热的低密度风洞总体布局结构，其特征在于：所述快速开关阀一侧并联有口径小于当前快速开关阀连接的第一管道的管路，所述管路上安装有第三截止阀。

4.根据权利要求1所述的一种基于电弧加热的低密度风洞总体布局结构，其特征在于：所述第二管道位于冷气混合室(2)的入口端的端口处连接有快速开关阀。

5.根据权利要求1所述的一种基于电弧加热的低密度风洞总体布局结构，其特征在于：低功率电源(61)外电性连接有第一开关(63)，高功率电源(62)外电性连接有第二开关(64)，第二开关(64)和第一开关(63)也并联。

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