CN112689349B - 一种高压高热流使用条件下矩形喷管的冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高超声速飞行器等飞行系统的地面试验技术领域，尤其涉及一种高压高热流使用条件下矩形喷管的冷却方法。该冷却方法在气流流入所述内腔前，通过所述矩形喷管的冷却结构在所述内壳的壁体内提供多条环绕所述内腔且垂直所述气流流动方向的流动冷却液，并持续至所述气流停止流入所述内腔且所述内腔温度降至安全温度，具有较强结构强度并能够对矩形喷管进行有效的冷却，保证矩形喷管在高温高压使用条件下长期的安全稳定，相对沿内轴向提供冷却液的方式，调节方便，冷却效果好。

Description

一种高压高热流使用条件下矩形喷管的冷却方法

技术领域

本发明涉及高超声速飞行器等飞行系统的地面试验技术领域，尤其涉及一种高压高热流使用条件下矩形喷管的冷却方法。

背景技术

电弧加热设备是一种通过电能将空气加热到高温、高压、高热流状态来模拟航天飞行器在大气中高速飞行现象的地面试验设备，能提供长时间的高焓来流，主要用于高超声速飞行器热防护系统材料与结构、超燃冲压发动机等飞行系统的地面试验研究和评估考核。其中，喷管是电弧加热设备中的核心组成部件之一。

目前，电弧加热设备已经发展到了50兆瓦量级的水平，加热后空气温度最高可到8000K，最高压力可到15MPa。为了利用这些高温高压的连续气流开展再入飞行器的试验研究，通常需要使用一种流场截面为矩形的喷管将气流加速膨胀到超声速后作用在模型上。在实现这一功能中，矩形喷管自身也会受到非常严酷的热、温、力载荷，特别是在声速临界位置即喷管的喉道部位处，热流值最高，如果喷管的冷却结构、承力结构设计不当，将导致喷管烧毁、力破坏或固壁变形过度而失去设计功能。

因此亟需一种设计较为合理的高压高热流使用条件下矩形喷管的冷却方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种具有较好冷却效果的高压高热流使用条件下矩形喷管的冷却方法。

(二)技术方案

为了实现上述目的，本发明提供了一种高压高热流使用条件下矩形喷管的冷却方法，矩形喷管包括外壳和内壳，所述外壳同轴紧配的套设于所述内壳的外侧，所述内壳具有一内腔，所述内腔垂直于气流流动方向上的截面为矩形；

在气流流入所述内腔前，通过所述矩形喷管的冷却结构在所述内壳的壁体内提供多条环绕所述内腔且垂直所述气流流动方向的流动冷却液，并持续至所述气流停止流入所述内腔且所述内腔温度降至安全温度。

优选地，所述内壳在轴向分为三段，分别为中间段和位于所述中间段两侧的第一密封段和第二密封段；

所述冷却结构包括进水槽、出水槽、第一进水盲孔、第一出水盲孔、第二进水盲孔、第二出水盲孔和多条冷却通道，所述进水槽和出水槽分别设置在所述中间段的外侧上与其中两个非相邻的内侧棱相对应的位置，所述第一进水盲孔和第一出水盲孔设置在所述第一密封段的壁体内，所述第一进水盲孔与所述进水槽的一端连通，且沿所述进水槽的长度方向向所述第一密封段延伸，所述第一出水盲孔与所述出水槽的一端连通，且沿所述出水槽的长度方向向所述第一密封段延伸，所述第二进水盲孔和第二出水盲孔设置在所述第二密封段的壁体内，所述第二进水盲孔与所述进水槽的另一端连通，且沿所述进水槽的长度方向向所述第二密封段延伸，所述第二出水盲孔与所述出水槽的另一端连通，且沿所述出水槽的长度方向向所述第二密封段延伸；

多条所述冷却通道设置在所述第一密封段、中间段和第二密封段的壁体内，且环绕所述内腔且垂直气流流动方向设置，位于所述第一密封段壁体内的所述冷却通道在周向上被所述第一进水盲孔和所述第一出水盲孔分隔为两段，位于所述中间段壁体内的所述冷却通道在周向上被所述进水槽和所述出水槽分隔为两段，位于所述第二密封段壁体内的冷却通道在周向上被所述第二进水盲孔和所述第二出水盲孔分隔为两段；

所述外壳的外侧设有至少一个上进水口和至少一个出水口，所述外壳与所述内壳完成装配后，所述进水口与所述进水槽相对应，用于向所述进水槽内供水，所述出水口与所述出水槽相对应，用于将所述出水槽内的水排出。

优选地，所述冷却结构的加工步骤为：

在所述内壳的外侧面分别加工出连通所述内壳两端的两个L型槽，所述L型槽具的两个相互垂直的侧壁，分别在四个所述侧壁上打孔，位于同一平面上的四个孔形成一个冷却通道；

然后在两个L型槽对应所述第一密封段和第二密封段的位置进行堆焊，并在所述堆焊位置保留一盲孔通道，从而形成进水槽、出水槽、第一进水盲孔、第一出水盲孔、第二进水盲孔和第二出水盲孔；

之后在所述内壳外侧所述第一密封段和所述第一密封段的位置加工等径光滑的环形密封面，用于套设密封圈。

优选地，各个所述冷却通道中心轴线与所述内腔的壁面的距离相同。

优选地，所述冷却通道的横截面为圆形，直径为3～12mm。

优选地，所述冷却通道中心轴线与所述内腔壁面的距离为4～15mm。

优选地，所述安全温度为常温。

优选地，所述冷却液为水。

优选地，所述冷却液进入所述冷却结构前为常温，流出所述冷却结构时温度低于30度。

优选地，所述内壳采用紫铜材料；

所述外壳采用不锈钢材料。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的高压高热流使用条件下矩形喷管的冷却方法，在气流流入所述内腔前，通过所述矩形喷管的冷却结构在所述内壳的壁体内提供多条环绕所述内腔且垂直所述气流流动方向的流动冷却液，并持续至所述气流停止流入所述内腔且所述内腔温度降至安全温度，具有较强结构强度并能够对矩形喷管进行有效的冷却，保证矩形喷管在高温高压使用条件下长期的安全稳定，相对沿内轴向提供冷却液的方式，调节方便，冷却效果好。

附图说明

本发明附图仅为说明目的提供，图中各部件的比例与数量不一定与实际产品一致。

图1是本发明实施例中一种矩形喷管的结构示意图；

图2是图1中矩形喷管的另一角度结构示意图；

图3是本发明实施例中一种矩形喷管的正视结构示意图；

图4是图3的A-A剖面示意图；

图5是图3的BB剖面示意图；

图6是本发明实施例中一种内壳的结构示意图；

图7是图6中内壳的另一角度的结构示意图；

图8是图7的C-C剖面示意图；

图9是图7的D-D剖面示意图。

图中：1：外壳；11：进水口；12：出水口；13：连接法兰；14：定位槽；

2：内壳；21：第一密封段；211：第一进水盲孔；22：中间段；221：进水槽；222：出水槽；23：第二密封段；231：第二进水盲孔；232：第二出水盲孔；24：环形密封面；25：定位块；26：定位孔；201：内腔；202：冷却通道；

3：密封圈。

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。

在高超声速飞行器热防护系统材料与结构、超燃冲压发动机等飞行系统的地面风洞试验中，矩形喷管的主要功能将气流加速膨胀到超声速后作用在模型上，以进行研究和评估考核。当前，加热后气流温度最高可到8000K，最高压力可到15MPa。这些高压高热气流从内腔流动，内腔垂直于气流流动方向上的截面为矩形，内腔具有四个壁面，相邻的两个所述壁面的相交处为内侧棱。

本发明实施例提供的高压高热流使用条件下矩形喷管的冷却方法，在气流流入所述内腔前，通过所述矩形喷管的冷却结构在所述内壳的壁体内提供多条环绕所述内腔且垂直所述气流流动方向的流动冷却液，并持续至所述气流停止流入所述内腔且所述内腔温度降至安全温度。具有较强结构强度并能够对矩形喷管进行有效的冷却，保证矩形喷管在高温高压使用条件下长期的安全稳定。相对沿内轴向提供冷却液的方式，调节方便，冷却效果好，例如在热量比较集中的区域，可以通过增加此处冷却通道的孔径或者减小冷却液道的间隔来提高该区域的换热效果。

在一个优选地实施方式中，所述安全温度为常温(一般20～30℃，例如25℃)，能够较好的延长内壳2的使用寿命。优选地，冷却液为水。

在一个优选地实施方式中，所述冷却液进入所述冷却结构前的温度为常温(一般20～30℃，例如25℃)，流出所述冷却结构时温度低于30℃。

在一个实现上述冷却方法的实施方式中，参见图1和图2所示，矩形喷管包括外壳1和内壳2。其中，外壳1上设有至少一个进水口11和至少一个出水口12，根据矩形喷管的长度或者冷却液的流量设计可以设置两个、三个、四个等数量的进水口11，优选地，出水口12的数量与进水口11的数量相同。优选地，进水口11和出水口12相对应的设有进水管接头(图中未示出)和出水管接头(图为未示出)，方便与进水管和出水管连接。

参见图6和图7所示，内壳2在轴向分为三段，分别为中间段22和位于中间段两侧的第一密封段21和第二密封段23。冷却结构包括进水槽221、出水槽222、第一进水盲孔211、第一出水盲孔、第二进水盲孔231、第二出水盲孔232和多条冷却通道202。具体地，进水槽221和出水槽222分别设置在中间段22的外侧上与其中两个非相邻的内侧棱相对应的位置，且进水槽221和出水槽222均一端连接至第一密封段21另一端连接到第二密封段23。第一进水盲孔211和第一出水盲孔(图中未示出，可参见第一进水盲孔的设置)设置在第一密封段21的壁体内，第一进水盲孔211与进水槽221的一端连通，且沿进水槽221的长度方向向第一密封段21延伸，第一出水盲孔与出水槽222的一端连通，且沿出水槽222的长度方向向第一密封段21延伸。第二进水盲孔231和第二出水盲孔232设置在第二密封段23的壁体内，第二进水盲孔231与进水槽221的另一端连通，且沿进水槽221的长度方向向第二密封段23延伸，第二出水盲孔232与出水槽222的另一端连通，且沿出水槽222的长度方向向第二密封段23延伸。在本实施方式中，进水槽221和出水槽222分别相对应两个非相邻的内侧棱的位置设置，即进水槽221的两个侧壁的相交线(包括直接相交或者侧壁延长的相交线)与相对应的内侧棱相对应，既方便加工又能够保证冷却通道202能够完全覆盖相对应的壁面。

参见图4、图5、图7、图8和图9所示，第一密封段21、中间段22和第二密封段23的壁体内均设有多条环绕内腔201且垂直气流流动方向的冷却通道202，多条冷却通道202在内壳2的轴向上分布设置。参见图3所示，位于第一密封段21壁体内的冷却通道202在周向上被第一进水盲孔211和第一出水盲孔分隔为两段，即位于此处的多条冷却通道202均与第一进水盲孔211和第一出水盲孔连通。参见图7所示，位于中间段22壁体内的冷却通道202在周向上被进水槽221和出水槽222分隔为两段，即位于此处的多条冷却通道202均与进水槽221和出水槽222连通。参见图8所示，位于第二密封段23壁体内的冷却通道202在周向上被第二进水盲孔231和第二出水盲孔232分隔为两段，即位于此处的多条冷却通道202均与第二进水盲孔231和第二出水盲孔232连通。

参见图4和图5所示，外壳1同轴紧配的套设于内壳2的外侧，进水口11与进水槽221相对应，用于向进水槽221内供水，出水口12与出水槽222相对应，用于将出水槽222内的水排出。

使用上述冷却结构进行冷却的过程：参见图8所示，冷却液从进水口11进入进水槽221，部分冷却液由进水槽221直接进入位于中间段22壁体内的冷却通道202，另一部分冷却液由进水槽221经过第一进水盲目孔211和第二进水盲孔231分别进入位于第一密封段21壁体内和第二密封段23壁体内的冷却通道202，冷却液在冷却通道内沿内壳2的周向环绕内腔201流动进行换热，然后第一密封段21壁体内的冷却液经第一出水盲孔汇集到出水槽222，第二密封段23壁体内的冷却液经第二出水盲孔232汇集到出水槽222，中间段22壁体内的冷却液直接汇集到出水槽222，然后经出水口12排出。该冷却方法在内壳2的壁体内环绕内腔201且垂直气流流动方向设置多条冷却通道202，冷却通道202设置合理，冷却效果好，能够保证壁面不烧损、超声速射流流场均匀，结构强度高，可以尽量的减少冷却液与壁面的距离，冷却液的压力可以高达6MPa，水流速度快，换热效率高，内腔201的变形量小，内壳2的使用寿命长，并且无需设置夹水套，结构简单，方便加工。

需要说明的是，在具体地实施方式中内壳2一般为一体结构，在本申请中将其分为第一密封段、中间段和第二密封段仅是为了方便描述，并非是特指其为分体结构。

在一个实施方式中，冷却结构的加工步骤为：

在所述内壳2的外侧面分别加工出沿其轴向贯穿的两个L型槽，所述L型槽具的两个相互垂直的侧壁，分别在四个所述侧壁上打孔，位于同一平面上的四个孔形成一个冷却通道。

然后在两个L型槽对应所述第一密封段21和第二密封段23的位置进行堆焊，并在所述堆焊位置保留一盲孔通道(该孔道连通相对应的的冷却通道，例如，第一进水盲孔211和第一出水盲孔均与第一密封段区域的冷却通道连通，第二进水盲孔231和第二出水盲孔232均与第二密封段区域的冷却通道连通)，从而形成进水槽221、出水槽222、第一进水盲孔211、第一出水盲孔、第二进水盲孔231和第二出水盲孔232。

参见图6和图7所示，之后在所述内壳2的外侧所述第一密封段21和所述第二密封段23的位置加工等径光滑的环形密封面24，用于套设密封圈3。在一些实施方式中，参见图4和图5所示，每个环形密封面处至少设置有一个密封圈3，且优选为O型密封圈。

在一些实施方式中，内壳2和外壳1的端部通过焊接密封，即进行装配完成后进行焊接，实现两者之间的密封。

当然在其它一些实施方式中，进水槽221和出水槽222其侧壁之间的角度也可以小于90°，例如，85°、86°、87°、88°、89°等，并且越接近90°冷却通道加工的限制越少。当然也可以大于90°，例如，92°、96°、97°、100°、110°等，优选地，进水槽221和出水槽222其侧壁之间的角度等于或大于90°。

为了方便矩形喷管与相邻结构的准确装配，在一些优选地实施方式中，参见图1和图5所示，内壳2的进气段21的端面设有至少一个定位孔26，例如，一个、两个、三个等，优选地，设置两个定位孔26，通过定位销或者相邻的结构上的定位凸起实现与相邻结构的对接。在一些实施方式中，外壳1端部设有连接法兰13，用于实现与相邻结构连接。

在一些优选地实施方式中，内壳2整体采用高热导率的紫铜材料，外壳1整体采用强度较高的不锈钢材料，例如，304不锈钢材料。

在一些实施方式中，参见图6和图7所示，第一密封段21的外径小于中间段22的外径，中间段22的外径小于第二密封段23的外径，例如，内壳2外型面具有一定的锥度，从第一密封段21至第二密封段23外径逐渐增大。又例如，内壳2的外型面为阶梯面。为了更好的实现密封，优选地，参见图5-图8所示，在内壳2的外侧设定位块25，且定位块25低于第二密封段23的外侧面，避免影响与外壳1的配合。外壳1的内侧设有与定位块相对应的定位槽14，定位槽14与定位块25相配合用于限定内壳2与外壳1的相对位置，辅助两者实现准确装配。

在一些实施方式中，各个所述冷却通道202的中心轴线与所述内腔201的壁面的距离相同。优选地，所述冷却通道202的中心轴线与所述内腔壁面的距离为4～15mm。

在本实施例中，冷却通道202的横截面为封闭截面，即冷却通道202要设置在壁体内，而不能贯穿壁体的壁面(避免形成横截面为开放工的槽形通道)，使其具有较好的结构强度，避免在高温高压下发生变形。

在一些实施方式中，冷却通道202为的横截面可以为圆形、矩形、椭圆等，优选地，所述冷却通道202为的横截面为圆形，结构强度好，抗压性能强，并且方便加工。进一步优选地，直径为3～12mm，例如，4mm、5mm、8mm、10mm等。

在一个具体地实施方式中，内腔201尺寸依次为：进口100mm×70mm，喉道100mm×20mm，出口100mm×40mm。在内腔201的轴向上间隔分布10个直径为6mm的圆孔形冷却通道202，冷却通道202中心轴线与内壁面的距离为7mm。在气流总温为6200K，最高总压2.7MPa，冷却水压力4MPa，单次工作时间为50s，累计500次，喷管无损坏，内腔201的壁面无允许外变形，良好地实现了预期功能。

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 (9)

1.一种高压高热流使用条件下矩形喷管的冷却方法，其特征在于：所述矩形喷管包括外壳和内壳，所述外壳同轴紧配的套设于所述内壳的外侧，所述内壳具有一内腔，所述内腔垂直于气流流动方向上的截面为矩形；

在气流流入所述内腔前，通过所述矩形喷管的冷却结构在所述内壳的壁体内提供多条环绕所述内腔且垂直所述气流流动方向的流动冷却液，并持续至所述气流停止流入所述内腔且所述内腔温度降至安全温度；

所述内壳在轴向分为三段，分别为中间段和位于所述中间段两侧的第一密封段和第二密封段；

所述冷却结构包括进水槽、出水槽、第一进水盲孔、第一出水盲孔、第二进水盲孔、第二出水盲孔和多条冷却通道，所述进水槽和出水槽分别设置在所述中间段的外侧上与其中两个非相邻的内侧棱相对应的位置，所述第一进水盲孔和第一出水盲孔设置在所述第一密封段的壁体内，所述第一进水盲孔与所述进水槽的一端连通，且沿所述进水槽的长度方向向所述第一密封段延伸，所述第一出水盲孔与所述出水槽的一端连通，且沿所述出水槽的长度方向向所述第一密封段延伸，所述第二进水盲孔和第二出水盲孔设置在所述第二密封段的壁体内，所述第二进水盲孔与所述进水槽的另一端连通，且沿所述进水槽的长度方向向所述第二密封段延伸，所述第二出水盲孔与所述出水槽的另一端连通，且沿所述出水槽的长度方向向所述第二密封段延伸；

多条所述冷却通道设置在所述第一密封段、中间段和第二密封段的壁体内，且环绕所述内腔且垂直气流流动方向设置，位于所述第一密封段壁体内的所述冷却通道在周向上被所述第一进水盲孔和所述第一出水盲孔分隔为两段，位于所述中间段壁体内的所述冷却通道在周向上被所述进水槽和所述出水槽分隔为两段，位于所述第二密封段壁体内的冷却通道在周向上被所述第二进水盲孔和所述第二出水盲孔分隔为两段；

所述外壳的外侧设有至少一个上进水口和至少一个出水口，所述外壳与所述内壳完成装配后，所述进水口与所述进水槽相对应，用于向所述进水槽内供水，所述出水口与所述出水槽相对应，用于将所述出水槽内的水排出。

2.根据权利要求1所述的冷却方法，其特征在于：所述冷却结构的加工步骤为：

在所述内壳的外侧面分别加工出连通所述内壳两端的两个L型槽，所述L型槽具的两个相互垂直的侧壁，分别在四个所述侧壁上打孔，位于同一平面上的四个孔形成一个冷却通道；

然后在两个L型槽对应所述第一密封段和第二密封段的位置进行堆焊，并在所述堆焊位置保留一盲孔通道，从而形成进水槽、出水槽、第一进水盲孔、第一出水盲孔、第二进水盲孔和第二出水盲孔；

之后在所述内壳外侧所述第一密封段和所述第一密封段的位置加工等径光滑的环形密封面，用于套设密封圈。

3.根据权利要求1所述的冷却方法，其特征在于：各个所述冷却通道中心轴线与所述内腔的壁面的距离相同。

4.根据权利要求1所述的冷却方法，其特征在于：所述冷却通道的横截面为圆形，直径为3～12mm。

5.根据权利要求1所述的冷却方法，其特征在于：所述冷却通道中心轴线与所述内腔壁面的距离为4～15mm。

6.根据权利要求1所述的冷却方法，其特征在于：所述安全温度为常温。

7.根据权利要求1所述的冷却方法，其特征在于：所述冷却液为水。

8.根据权利要求7所述的冷却方法，其特征在于：所述冷却液进入所述冷却结构前为常温，流出所述冷却结构时温度低于30度。

9.根据权利要求1所述的冷却方法，其特征在于：

所述内壳采用紫铜材料；

所述外壳采用不锈钢材料。

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