CN112229598A - 一种水冷支杆及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水冷支杆及其加工方法，连接后的水冷套和支杆沿着轴向分别具有设置在水冷套与支杆表面之间，且互不连通的第一水路和第六水路，设置在水冷套内相互平行的第二水路、第三水路、第四水路和第五水路，所述所有的水路为相互独立的结构，依次连接为完整的水路结构；本发明利用传统加工方法和3D打印技术组合加工方法设计加工全水冷支杆，提高水冷效率、减少支杆温度梯度，抑制支杆在风洞试验中因温度变化引起的变形，提高高超声速风洞测力试验精准度。

Description

一种水冷支杆及其加工方法

技术领域

本发明属于航空航天测力试验气动力测量技术领域，具体涉及到针对高超声速风洞试验过程中由于流场温度急剧升高造成的支杆变形问题，而提出的一种水冷支杆及其加工方法。

背景技术

在高超声速风洞测力试验过程中，风洞启动后几分钟内流场温度急剧升高至800K 左右（Ma=8 时），试验模型、天平、支杆、风洞支撑机构等都受到流场温度影响产生不同的温度变化，试验证明，由于支杆直接暴露在流场中，其温度变化远比在模型内部的天平剧烈，且支杆上下表面存在明显的温度梯度，直接影响到模型姿态，使得风洞试验数据可信度降低。目前对支杆进行隔热防护的方法以水冷为主，主要有两种：一种是在支杆外增加一层独立的水冷层，水冷层后端固定在支杆扩张段上，前端深入到模型内部悬空，将整个支杆覆盖住，与支杆等直段保持一定的间隙。该方法能够有效降低支杆温度，具有一定通用性，但为了保证水冷层和支杆之间间隙以及水冷层自身的结构，增加水冷层后总直径比原支杆增大至少16mm，对模型底部形面破坏更大，对气动力的干扰也更大。

另一种方法是直接在支杆表面加工水槽，通过在支杆外表面焊接环形盖板形成密封水路。该方法增加水冷结构的同时没有过多的增加支杆直径，存在一定优势，但由于支杆仍然直接暴露在流场中，支杆中没有水流覆盖的地方仍然会传递一定热量形成温度梯度，对水冷效果有一定影响。采用传统加工方法和3D 打印技术组合加工的方法可以摆脱传统加工方法对支杆水冷结构设计的制约，能够实现一些结构更为复杂但效果更好的水冷结构，可在支杆外表面直接加工不同种材料的水冷结构，使得设计人员拥有更多的设计自由。

发明内容

本发明的目的是针对目前的支杆结构，提出一种结合传统加工工艺和3D打印工艺的制造工艺，设计一种全新的具有独特的水路结构的水冷支杆，解决目前支杆存在的因受热不均匀引起的模型姿态变化的缺陷。

为了满足上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种水冷支杆，该支杆用于风洞试验中支撑天平，包括支杆和覆盖设置在支杆表面的水冷套，其特征在于：

所述支杆轴向为中空结构，支杆外壳体沿着轴向设置有凸出部，所述凸出部沿着支杆圆周直径外凸，所述水冷套的内壳体沿着轴向设置有内凹的凹槽，所述凹槽与支杆的凸出部相互契合；

连接后的水冷套和支杆沿着轴向分别具有：

设置在水冷套与支杆表面之间，且互不连通的第一水路和第六水路，

设置在水冷套内相互平行的第二水路、第三水路、第四水路和第五水路，所述所有的水路为相互独立的结构，水路之间的连通顺序为：

第一水路的一端为进水口、第一水路的另一端分别与相邻的第二水路与第三水路连通，第二水路的另一端与第四水路的一端连通、第三水路的另一端与第五水路的一端连通，第四水路与第五水路的另一端与相邻的第六水路的一端连通，第六水路的另一端为出水口。

在上述技术方案中，所述支杆表面设置有两个凸出部，两个凸出部沿着支杆中心对称分布在支杆表面两侧，水冷套内与凸出部相对应位置设置有凹槽。

在上述技术方案中，第一水路与第六水路各自分布在两个凸出部的两侧，第二水路、第三水路与第四水路、第五水路各自分布在两个凸出部的两侧。

在上述技术方案中，所述第一水路与第六水路在支杆的圆周方向上呈中心对称分布，第二水路、第三水路、第四水路和第五水路在支杆的圆周方向上呈轴对称分布。

在上述技术方案中，所述水冷套包括内壳体和外壳体以及连接内壳体和外壳体的若干连接梁，第二水路、第三水路、第四水路和第五水路分别由外壳体、内壳体、两个连接梁之间的空腔体组成。

在上述技术方案中，所述第二水路、第三水路、第四水路和第五水路均是从一个连接梁到另一连接梁之间为渐变结构。

在上述技术方案中，第一水路与第六水路分别由支杆的外表面、水冷套的内壳体以及支杆外表面与水冷套内壳体之间的空腔组成。

在上述技术方案中，所述水冷套的内壳体为椭圆结构，外壳体是正圆结构，外壳体、内壳体、支杆均同心。

一种水冷支杆的加工方法，所述水冷支杆包括支杆的杆体和设置在杆体表面的水冷套，包括以下步骤：

S1：采用常规的机加工工艺，加工支杆的杆体，并在杆体的对称两侧沿着轴向加工外凸的凸出部；

S2:利用3D打印技术，沿着杆体凸出部打印水冷套的连接梁，所述连接梁形成凹槽状包裹凸出部；

S3:从连接梁的内侧开始围绕支杆的杆体打印水冷套椭圆形的内壳体，在任一二分之一圆周内，内壳体在长轴方向与圆形的杆体外表面之间形成空腔体；

S4: 从连接梁的外侧开始，围绕杆体打印与杆体同心的圆形外壳体，在任一四分之一圆周内，内壳体在长轴方向的圆边与外壳体的圆边汇合连接为一体，从连接梁到汇合点之间内壳体与外壳体之间的空腔为独立的空腔体；

S5:利用3D打印技术封闭连接各自与杆体之间形成的腔体，使得所有腔体依次连接成一个完整的闭环水路；

S6:打印完成的水冷套与杆体为完整的一体结构。

在上述技术方案中，所述采用3D打印的水冷套，不限定其采用的材料，所述材料具有低热传导率和低拉伸强度的特性。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

采用传统加工方法和 3D 打印技术组合加工的方法可以摆脱传统加工方法对支杆水冷结构设计的制约，能够实现一些结构更为复杂但效果更好的水冷结构，可在支杆外表面直接加工不同种材料的水冷结构，使得设计人员拥有更多的设计自由。

本发明突破传统加工方法局限，使得支杆水冷装置设计更加灵活多样；改变了支杆在试验过程中的温度分布，减少了因支杆上下表面温度梯度引起的模型姿态角变化；本发明优化了水冷结构水路，水流覆盖面积更大、进水水压可调范围更宽，水冷效果更好。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是水冷支杆横截面的结构示意图；

图2是水路的流通顺序示意图；

其中：1是支杆杆体，2是水冷套，2-1是外壳体，2-2是内壳体，2-3是连接梁，3是凸出部，4是第一水路，5是第六水路，6是第二水路，7是第三水路，8是第四水路，9是第五水路。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，是本实施例的结构示意图，在本实施例中水冷支杆包括杆体1和包裹在杆体1表面的水冷套2，水冷结构由水冷套的形状结构与支杆表面之间构成，具体为：

本实施例中，支杆1上沿着对称轴的两侧分别设置有凸出部3，凸出部3沿着杆体的轴向设置，且沿着杆体1截面的直径方向外凸。凸出部3起到支撑水冷套2的作用，并同时起到分解支杆表面温度梯度变化时引起的模型姿态角变化。

本实施例中的水冷套2包括外壳体2-1、内壳体2-2和连接梁2-3，其中两个连接梁2-3和外壳体2-1形成一个凹槽，该凹槽正好将杆体1上的凸出部3包裹住，使得凸出部3起到水冷套的定位连接的作用。

在本实施例中，内壳体2-2是一个椭圆，椭圆的中心原点与杆体1的圆心重合。在内壳体2-2的长轴方向，内壳体2-2与杆体1之间为空腔结构，该空腔结构构成两个水路，及第一水路4和第六水路5，第一水路4和第六水路5相互不连通。

如图1所示，以两个凸出部3的连线为基准，将整个支杆分为对称的两部分，第一水路4和第六水路5各自在一个半圆范围内，且两者呈中心对称分布。外壳体2-1以两个凸出部3的外沿连线为直径与支杆1为同心圆结构。在四分之一半径范围内，从椭圆形内壳体2-2的短轴方向到长轴方向之间，外壳体2-1与内壳体2-2之间形成空腔结构，构成一个水路结构。整个圆周共有四个这样的水路结构分布在外壳体2-1和内壳体2-2之间。

在本实施例中，因为外壳体2-1是正圆结构，内壳体2-2是椭圆结构，受到两种壳体的几何结构的特性，因此在椭圆的短轴方向到长轴方向内壳体2-2与外壳体2-1之间的腔体为渐变结构，知道椭圆长轴的两端与正圆完全重合。

因此，在本实施例中，因为外壳体2-1、杆体1为同心圆结构，且与椭圆的内壳体2-2的原点中心重合，使得在四分之一半径内的腔体相互之间为轴对称分布。使得内壳体2-2与外壳体2-1之间构成了四个独立的水路，分别为第二水路6、第三水路7、第四水路8、第五水路9。

在本实施例中为了构成一个完整的水路结构，如图2所示，冷却水沿着ABCD的方向流动，即第一水路4沿着杆体1的轴向其一端为进水口，在杆体1的另一端与第二水路6和第三水路7相互连通；在靠近进水口的一端，第二水路6与第四数量8连通、第三水路7与第五水路9连接；第四数量8、第五水路9的另一端分别与第六水路5连通，第六水路5靠近进水口的一端为出水口。

因为本实施例的结构独特，采用传统的加工工艺无法进行加工，因此需要采用一种新的加工工艺：

首先对于杆体而言，可以采用常规的机加工工艺进行，因为在本实施例中杆体本身并不进行水路的卡槽结构，只需要在杆体的对插两侧分别加工一个凸出部3即可。因为不破坏杆体表面，因此对于杆体结构整体而言具有非常好的刚性和支撑性，能满足高水压和水流的条件。

在对杆体加工好后，接触采用3D打印技术，在杆体的基础上直接打印水冷套，沿着杆体凸出部打印水冷套的连接梁，所述连接梁形成凹槽状包裹凸出部；从连接梁的内侧开始围绕支杆的杆体打印水冷套椭圆形的内壳体，在任一二分之一圆周内，内壳体在长轴方向与圆形的杆体外表面之间形成空腔体；从连接梁的外侧开始，围绕杆体打印与杆体同心的圆形外壳体，在任一四分之一圆周内，内壳体在长轴方向的圆边与外壳体的圆边汇合连接为一体，从连接梁到汇合点之间内壳体与外壳体之间的空腔为独立的空腔体；利用3D打印技术封闭连接各自与杆体之间形成的腔体，使得所有腔体依次连接成一个完整的闭环水路；打印完成的水冷套与杆体为完整的一体结构。

水冷结构的加工材料可以不与支杆杆体材料相同，也不限定为金属材料，只要能够满足水压需求和 3D 打印技术相关的限制，可以选用热传导率更低的材料减少自身的温度变化，在满足基本的强度、刚度需求的同时，可以选用拉伸强度更小的材料，在一定程度上，水冷结构受热后自身变形但不会将力传导至支杆主体造成支杆变形。

在风洞试验中，当本实施例的结构直接暴露在流场中，水冷套2的上下表面会形成温度梯度，但是因为本实施例结构的特殊性，使得水冷套2上的热传导的路线限定在外壳体2-2和连接梁2-3上，最终热量在支杆杆体左右两侧的凸出部3处进行汇集融合，使得支杆杆体1的上下表面不会形成较大的温度梯度。而因为水冷套2上的内壳体2-2和外壳体2-1以及两者之间的连接梁2-3，使得相比传统的水路结构具有较大的接触面积，且接触面的壁面更薄，散热更快，更利于提高水冷效果。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种水冷支杆，该支杆用于风洞试验中支撑天平，包括支杆和覆盖设置在支杆表面的水冷套，其特征在于：

所述支杆轴向为中空结构，支杆外壳体沿着轴向设置有凸出部，所述凸出部沿着支杆圆周直径外凸，所述水冷套的内壳体沿着轴向设置有内凹的凹槽，所述凹槽与支杆的凸出部相互契合；

连接后的水冷套和支杆沿着轴向分别具有：

设置在水冷套与支杆表面之间，且互不连通的第一水路和第六水路，

设置在水冷套内相互平行的第二水路、第三水路、第四水路和第五水路，所述所有的水路为相互独立的结构，水路之间的连通顺序为：

第一水路的一端为进水口、第一水路的另一端分别与相邻的第二水路与第三水路连通，第二水路的另一端与第四水路的一端连通、第三水路的另一端与第五水路的一端连通，第四水路与第五水路的另一端与相邻的第六水路的一端连通，第六水路的另一端为出水口。

2.根据权利要求1所述的一种水冷支杆，其特征在于所述支杆表面设置有两个凸出部，两个凸出部沿着支杆中心对称分布在支杆表面两侧，水冷套内与凸出部相对应位置设置有凹槽。

3.根据权利要求2所述的一种水冷支杆，其特征在于第一水路与第六水路各自分布在两个凸出部的两侧，第二水路、第三水路与第四水路、第五水路各自分布在两个凸出部的两侧。

4.根据权利要求3所述的一种水冷支杆，其特征在于所述第一水路与第六水路在支杆的圆周方向上呈中心对称分布，第二水路、第三水路、第四水路和第五水路在支杆的圆周方向上呈轴对称分布。

5.根据权利要求1、3、4任一所述的一种水冷支杆，其特征在于所述水冷套包括内壳体和外壳体以及连接内壳体和外壳体的若干连接梁，第二水路、第三水路、第四水路和第五水路分别由外壳体、内壳体、两个连接梁之间的空腔体组成。

6.根据权利要求5所述的一种水冷支杆，其特征在于所述第二水路、第三水路、第四水路和第五水路均是从一个连接梁到另一连接梁之间为渐变结构。

7.根据权利要求5所述的一种水冷支杆，其特征在于第一水路与第六水路分别由支杆的外表面、水冷套的内壳体以及支杆外表面与水冷套内壳体之间的空腔组成。

8.根据权利要求5所述的一种水冷支杆，其特征在于所述水冷套的内壳体为椭圆结构，外壳体是正圆结构，外壳体、内壳体、支杆均同心。

9.一种水冷支杆的加工方法，所述水冷支杆包括支杆的杆体和设置在杆体表面的水冷套，其特征在于包括以下步骤：

S1：采用常规的机加工工艺，加工支杆的杆体，并在杆体的对称两侧沿着轴向加工外凸的凸出部；

S2:利用3D打印技术，沿着杆体凸出部打印水冷套的连接梁，所述连接梁形成凹槽状包裹凸出部；

S3:从连接梁的内侧开始围绕支杆的杆体打印水冷套椭圆形的内壳体，在任一二分之一圆周内，内壳体在长轴方向与圆形的杆体外表面之间形成空腔体；

S4: 从连接梁的外侧开始，围绕杆体打印与杆体同心的圆形外壳体，在任一四分之一圆周内，内壳体在长轴方向的圆边与外壳体的圆边汇合连接为一体，从连接梁到汇合点之间内壳体与外壳体之间的空腔为独立的空腔体；

S5:利用3D打印技术封闭连接各自与杆体之间形成的腔体，使得所有腔体依次连接成一个完整的闭环水路；

S6:打印完成的水冷套与杆体为完整的一体结构。

10.根据权利要求9所述的一种水冷支杆的加工方法，其特征在于所述采用3D打印的水冷套，不限定其采用的材料，所述材料具有低热传导率和低拉伸强度的特性。

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