CN112049993A - 能够快速更换的高压气流量测量与控制装置及更换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能够快速更换的高压气流量测量与控制装置，包括上游密封用短管、第一外套螺母、第二外套螺母、声速喷嘴、O型密封圈和下游密封用短管。上游密封用短管和声速喷嘴通过第一外套螺母连接，声速喷嘴和下游密封用短管通过第二外套螺母连接，端面采用O型密封圈密封。本发明同时公开了一种更换方法，在更换声速喷嘴时，只需要松开第一和第二外套螺母，声速喷嘴就可以直接平动拿出，更换与安装非常方便，同时声速喷嘴喉道采用收缩段、过渡段、等直段和膨胀段型线设计，流量系数高。

Description

能够快速更换的高压气流量测量与控制装置及更换方法
技术领域
本发明涉及一种能够快速更换的高压气流量测量与控制装置及更换方法，用于在气动热地面模拟试验供气系统中进行试验气流的流量测量与控制，也可以应用于其它需要进行高压气流量控制和测量的领域。
背景技术
在气动热地面模拟试验中，电弧加热器以其气流成分真实、运行参数范围广等优点而占据重要地位，电弧加热器的运行参数广得益于其进气流量和电流可调节范围较大。
在电弧加热器的运行中，进气流量是一个重要的参数，它直接关系到加热器能否正常运行：在给定的电流参数条件下，如果进气流量偏小，会导致加热器烧损加大；如果进气流量偏大，会导致电弧被吹灭，加热器不能稳定运行。在电弧加热器的运行过程中，进气流量必须稳定，才能保证加热器稳定运行，进而保证试验状态稳定。精确控制与测量进气流量能够确保电弧加热器有良好的状态重复性，这对重点型号的验收试验是至关重要的。
在气动热的地面模拟试验中，气流的总焓变化范围很大，可以从500kJ/kg左右变化到20000kJ/kg以上，这就要求电弧加热器的进气流量变化范围很大，从每秒几克到每秒几千克，相应地声速喷嘴的直径也应有较大的变化，因此，在气动热地面模拟试验中，声速喷嘴需要根据试验状态经常更换。
目前气动热地面模拟试验中采用的流量测量与控制装置结构如附图3所示，声速喷嘴插入下游密封用短管内，这种结构在更换声速喷嘴时，需要将下游密封用短管向后撤出20mm～100mm的距离才能将声速喷嘴拿出，由于高压气管路在26MPa的条件下全部用的是高压厚壁金属管路，需要拆卸较长的管路才能撤出安装距离，声速喷嘴的更换和安装非常困难。
另外，目前常用的声速喷嘴采用圆弧加锥面的方法设计内型面，在圆弧的底处，气流截面积最小形成喉道，这种内型线在喉道直径≥10mm时，会由于气流收缩过快而增加气流的压力损失，降低流量系数。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种能够快速更换的高压气流量测量与控制装置及更换方法，解决了现有高压气流量测量与控制装置更换需要较大安装空间的问题，同时声速喷嘴由收缩段、过渡段、等直段和扩张段组成，减小了气流的压力损失，提高了流量系数。
本发明的技术方案：
一种能够快速更换的高压气流量测量与控制装置，包括上游密封用短管、第一外套螺母、第二外套螺母、声速喷嘴、O型密封圈和下游密封用短管；
上游密封用短管前端与供气管路焊接，后端设计为凸台结构，第一外套螺母通过该凸台结构固定在上游密封用短管上，第一外套螺母伸出上游密封用短管的部分内壁设计有螺纹；
下游密封用短管后端与供气管路焊接，前端设计为凸台结构，第二外套螺母通过该凸台结构固定在下游密封用短管上，第二外套螺母伸出下游密封用短管的部分内壁设计有螺纹；
声速喷嘴为柱状结构，内部加工有气流通道，气流通道依次由收缩段、过渡段、等直段和扩张段组成，声速喷嘴采用高压一体化设计成型，声速喷嘴外壁面的前端通过螺纹与第一外套螺母连接，外壁面的后端通过螺纹与第二外套螺母连接，外壁面中间部分设置有正六边形结构，用于固定安装工具；
在上游密封用短管后端面上加工有密封槽，在声速喷嘴后端面上加工有密封槽，所述密封槽中均安装有O型密封圈。
声速喷嘴收缩段收缩角为60°，扩张段扩张角为12°，收缩段与等直段之间的过渡段为圆弧，等直段长度不大于3mm。
过渡段的圆弧半径为等直段直径的一半。
声速喷嘴气流通道内型面的表面粗糙度控制在1.6以内。
第一外套螺母和第二外套螺母材料相同，均为304不锈钢，声速喷嘴材料为3Cr13。
第一外套螺母、第二外套螺母、声速喷嘴的设计压力为26MPa。
上游密封用短管和下游密封用短管的管路壁厚能够满足26Mpa的承压。
高压气流量测量与控制装置的更换方法，包括如下步骤：
(1)分别反向旋转第一外套螺母和第二外套螺母，解除第一外套螺母、第二外套螺母和声速喷嘴的连接；
(2)取下声速喷嘴，更换满足尺寸要求的新声速喷嘴，将新声速喷嘴外壁面的前端通过螺纹与第一外套螺母连接，外壁面的后端通过螺纹与第二外套螺母连接，完成快速更换。
本发明与现有技术相比的优点如下：
(1)本发明的声速喷嘴采用高压一体化设计结构，同时本发明装置中上游密封用短管、声速喷嘴以及下游密封用短管采用两个外套螺母连接，在更换声速喷嘴时，只需要松开两个外套螺母，声速喷嘴就可以直接平动拿出，更换和安装非常方便，解决了现有高压气流量测量与控制装置更换需要较大安装空间的问题。
(2)本发明声速喷嘴气流通道采用收缩段、过渡段、等直段和扩张段型线设计，相较于现有设计，减小了气流的压力损失，提高了流量系数。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图2为本发明气动型线设计示意图；
图3为现有高压气流量测量和控制装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明提出的一种能够快速更换的高压气流量测量与控制装置，包括上游密封用短管1、第一外套螺母2、第二外套螺母6、声速喷嘴3、O型密封圈4和下游密封用短管5。
上游密封用短管1前端与供气管路焊接，后端设计为凸台结构，第一外套螺母2利用所述凸台结构固定在上游密封用短管1上，上游密封用短管1后端面设置有密封槽，用于安装O型密封圈4。上游密封用短管1管路壁厚依据设计压力26Mpa确定，凸台结构的直径和厚度依据第一外套螺母2的结构确定，上游密封用短管1材质与供气系统管路材质一致以便于焊接。
下游密封用短管5后端采用焊接结构，与供气管路焊接，前端采用凸台结构，第二外套螺母6利用该凸台结构固定在下游密封用短管5上。下游密封用短管5管路壁厚依据设计压力26Mpa确定，凸台结构直径和厚度依据第二外套螺母6的结构确定，材质与供气系统管路材质一致以便于焊接。
第一外套螺母2和第二外套螺母6可以采购标准产品也可以自行设计，结构设计压力26MPa，材质选用304不锈钢，外形一般设计为正六边形以便于固定安装工具，第一外套螺母2伸出上游密封用短管1部分的内壁上设计有螺纹，用于与声速喷嘴3连接。第二外套螺母6伸出下游密封用短管5部分的内壁上设计有螺纹，用于与声速喷嘴3连接。
声速喷嘴3采用一体化设计结构，前端面无密封槽，后端面设计有密封槽，用于安装O型密封圈4，设计压力26MPa。声速喷嘴3为柱状结构，内部加工有气流通道，喉道依次由收缩段、过渡段、等直段和扩张段组成，外壁面的前端与后端柱面上设置有螺纹，外壁面的前端通过螺纹与第一外套螺母连接，外壁面的后端通过螺纹与第二外套螺母连接，外壁面中间部分设置有正六边形结构，用于固定扳手等安装工具；声速喷嘴3为可更换部件，需要根据试验的流量要求变换不同的气流通道尺寸。
声速喷嘴气流通道内型面设计时，收缩段收缩角为60°，扩张段扩张角为12°，等直段长度一般不大于3mm，收缩段与等直段之间的过渡段为圆弧，圆弧半径可选择为等直段直径的一半。声速喷嘴3材质可以选择3Cr13，以防止螺纹咬死，内型面的表面粗糙度控制在1.6以内，以减小气流阻力。
O型密封圈4为标准外购件，依据GB/T3452.1-1992进行选型，材质选择硅橡胶。
声速喷嘴3的材料选择应该与前后两端的外套螺母不一致。本发明中，第一外套螺母和第二外套螺母材料相同，均为304不锈钢，声速喷嘴3材料为3Cr13。
高压气流量测量与控制装置的更换方法，包括如下步骤：
(1)分别反向旋转第一外套螺母和第二外套螺母，解除第一外套螺母、第二外套螺母和声速喷嘴的连接；
(2)取下声速喷嘴，更换满足尺寸要求的新声速喷嘴，将新声速喷嘴外壁面的前端通过螺纹与第一外套螺母连接，外壁面的后端通过螺纹与第二外套螺母连接，完成快速更换。
本发明涉及一种可快速更换的高压气流量控制和测量装置，可应用于压力≤26MPa，通径＜50mm的高压气供给管路的流量测量与控制。声速喷嘴采用高压一体化设计结构，更换和安装非常方便，测量得到的高温流场参数更为准确，能够为型号的防热设计提供较为准确的地面模拟试验数据。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种能够快速更换的高压气流量测量与控制装置，其特征在于：包括上游密封用短管(1)、第一外套螺母(2)、第二外套螺母(6)、声速喷嘴(3)、O型密封圈(4)和下游密封用短管(5)；
上游密封用短管(1)前端与供气管路焊接，后端设计为凸台结构，第一外套螺母(2)通过该凸台结构固定在上游密封用短管(1)上，第一外套螺母(2)伸出上游密封用短管(1)的部分内壁设计有螺纹；
下游密封用短管(5)后端与供气管路焊接，前端设计为凸台结构，第二外套螺母(6)通过该凸台结构固定在下游密封用短管(5)上，第二外套螺母(6)伸出下游密封用短管(5)的部分内壁设计有螺纹；
声速喷嘴(3)为柱状结构，内部加工有气流通道，气流通道依次由收缩段、过渡段、等直段和扩张段组成，声速喷嘴(3)采用高压一体化设计成型，声速喷嘴(3)外壁面的前端通过螺纹与第一外套螺母连接，外壁面的后端通过螺纹与第二外套螺母连接，外壁面中间部分设置有正六边形结构，用于固定安装工具；
在上游密封用短管(1)后端面上加工有密封槽，在声速喷嘴(3)后端面上加工有密封槽，所述密封槽中均安装有O型密封圈(4)。
2.根据权利要求1所述的一种能够快速更换的高压气流量测量与控制装置，其特征在于：声速喷嘴(3)收缩段收缩角为60°，扩张段扩张角为12°，收缩段与等直段之间的过渡段为圆弧，等直段长度不大于3mm。
3.根据权利要求2所述的一种能够快速更换的高压气流量测量与控制装置，其特征在于：过渡段的圆弧半径为等直段直径的一半。
4.根据权利要求3所述的一种能够快速更换的高压气流量测量与控制装置，其特征在于：声速喷嘴(3)气流通道内型面的表面粗糙度控制在1.6以内。
5.根据权利要求1所述的一种能够快速更换的高压气流量测量与控制装置，其特征在于：第一外套螺母(2)和第二外套螺母(6)材料相同，均为304不锈钢，声速喷嘴(3)材料为3Cr13。
6.根据权利要求1所述的一种能够快速更换的高压气流量测量与控制装置，其特征在于：第一外套螺母(2)、第二外套螺母(6)、声速喷嘴(3)的设计压力为26MPa。
7.根据权利要求6所述的一种能够快速更换的高压气流量测量与控制装置，其特征在于：上游密封用短管(1)和下游密封用短管(5)的管路壁厚能够满足26Mpa的承压。
8.权利要求1-7任一项所述高压气流量测量与控制装置的更换方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)分别反向旋转第一外套螺母和第二外套螺母，解除第一外套螺母、第二外套螺母和声速喷嘴的连接；
(2)取下声速喷嘴，更换满足尺寸要求的新声速喷嘴，将新声速喷嘴外壁面的前端通过螺纹与第一外套螺母连接，外壁面的后端通过螺纹与第二外套螺母连接，完成快速更换。
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