CN112798305B - 一种水冷式矩形喷管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航天飞行器等飞行系统的地面试验技术领域，尤其涉及一种水冷式矩形喷管。该喷管包括外壳和内壳，内壳的壁体内设有多条环绕内腔且垂直气流流动方向的冷却通道，在内壳的中间段的外侧上与其中两个非相邻的所述内侧棱相对应的位置分别设有进水槽和出水槽，冷却水通过进水槽分流到各冷却通道内，环绕内腔流动至出水槽后再排出到喷管外侧，该水冷式矩形喷管，其冷却通道设置合理，冷却效果好，能够保证壁面不烧损、不变形，超声速射流流场均匀，结构强度高，可以尽量的减少冷却水与壁面的距离，并且无需设置夹水套，结构简单。

Description

一种水冷式矩形喷管

技术领域

本发明涉及航天飞行器等飞行系统的地面试验技术领域，尤其涉及一种水冷式矩形喷管。

背景技术

在航天飞行器防热材料和结构的地面试验研究工作中，采用电弧放电的方式产生的高温气体的温度可高达8000K，最高总压可以达到 15MPa，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。

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，例如，若喷管的内壳壁过厚，则冷却效果不佳，若喷管的内壳壁厚过薄，则内壳型面极易变形，使喷管型面改变，导致流场变化。

目前，常用的结构是在内壳的外侧面加工多条轴向的水槽，然后在内壳和外壳之间设置夹水套形成轴向的冷却通道，开完水槽后内壳的结构强度变差，通上高压冷却水后内壳就会变形，气流通道的型面很难保持，需要采取内壳与夹水套连成一体的加强措施，这使喷管的结构更为复杂，而且增加了加工难度和密封难度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种结构简单的水冷式矩形喷管，同时具有较好的冷却效果和结构强度，至少解决现有技术中的部分问题。

(二)技术方案

为了实现上述目的，本发明提供了一种水冷式矩形喷管，包括外壳和内壳；

外壳上设有至少一个进水口和至少一个出水口；

内壳的内腔具有四个壁面，相邻的两个壁面的相交处为内侧棱，内壳在轴向分为三段，分别为中间段和位于中间段两侧的进气段和出气段；

在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分别设有进水槽和出水槽，进气段的壁体内设有第一进水盲孔和第一出水盲孔，第一进水盲孔与进水槽的一端连通，且沿进水槽的长度方向向进气段延伸，第一出水盲孔与出水槽的一端连通，且沿出水槽的长度方向向进气段延伸，出气段的壁体内设有第二进水盲孔和第二出水盲孔，第二进水盲孔与进水槽的另一端连通，且沿进水槽的长度方向向出气段延伸，第二出水盲孔与出水槽的另一端连通，且沿出水槽的长度方向向出气段延伸；

进气段、中间段和出气段的壁体内均设有多条环绕内腔且垂直气流流动方向的冷却通道，位于进气段壁体内的冷却通道在周向上被第一进水盲孔和第一出水盲孔分隔为两段，位于中间段壁体内的冷却通道在周向上被进水槽和出水槽分隔为两段，位于出气段壁体内的冷却通道在周向上被第二进水盲孔和第二出水盲孔分隔为两段；

外壳同轴紧配的套设于内壳的外侧，进水口与进水槽相对应，用于向进水槽内供水，出水口与出水槽相对应，用于将出水槽内的水排出。

优选地，进水槽的两个侧壁垂直设置；

出水槽的两个侧壁垂直设置。

优选地，进气段的外径大于中间段的外径，中间段的外径大于出气段的外径；

进气段和出气段的外侧均设有一环形密封面，环形密封面为等径面段，用于套设密封条。

进一步地，内壳的外侧设定位块，且定位块低于进气段的外侧面；

外壳的内侧设有与定位块相对应的定位槽，定位槽与定位块相配合，用于限定内壳与外壳的相对位置。

优选地，进气段的端面设有至少一个定位孔。

优选地，内壳和外壳的端部通过焊接密封。

优选地，沿气流方向，内腔的高度方向上的两个相对壁面的厚度先逐渐增加再逐渐减小。

优选地，每条冷却通道与壁面的距离相同。

优选地，外壳至少有一端设有连接法兰。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的水冷式矩形喷管包括外壳和内壳，内壳的壁体内设有多条环绕内腔且垂直气流流动方向的冷却通道，在内壳的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分别设有进水槽和出水槽，冷却水通过进水槽分流到各冷却通道内，环绕内腔流动至出水槽后排出到喷管外侧，该水冷式矩形喷管，其冷却通道设置合理，冷却效果好，能够保证壁面不烧损、不变形，超声速射流流场均匀，结构强度高，可以尽量的减少冷却水与壁面的距离，并且无需设置夹水套，结构简单。

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水冷式矩形喷管的结构示意图；

图2是图1中水冷式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内壳的结构示意图；

图4是本发明实施例中一种水冷式矩形喷管的正视结构示意图；

图5是图4的A-A剖面示意图；

图6是图4的BB剖面示意图；

图7是图5的C-C剖面示意图；

图8是图5的D-D剖面示意图；

图9是图6的E部放大示意图。

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：进气段；211：第一进水盲孔；22：中间段；221：进水槽；222：出水槽；23：出气段；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。

参见图1-图4所示，本发明实施例提供的水冷式矩形喷管，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水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。内壳2的内腔201具有四个壁面，相邻的两个壁面的相交处为内侧棱，矩形喷管的内腔具有四条内侧棱。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进气段21和出气段23。

参见图3和图7所示，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分别设有进水槽221和出水槽222，且进水槽221 和出水槽222均一端连接至进气段21另一端连接到出气段23。进气段 21的壁体内设有第一进水盲孔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)，第一进水盲孔211与进水槽221的一端连通，且沿进水槽221的长度方向向进气段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的长度方向向进气段21延伸。出气段23的壁体内设有第二进水盲孔231和第二出水盲孔232，第二进水盲孔231与进水槽221的另一端连通，且沿进水槽221的长度方向向出气段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的长度方向向出气段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，即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5-图8所示，进气段21、中间段22和出气段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，位于进气段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，位于出气段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1、图2、图4-图8所示，外壳2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21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。

冷却过程：参见图7所示，冷却水从进水口11进入进水槽221，部分冷却水由进水槽221直接进入位于中间段22壁体内的冷却通道 202，另一部分冷却水由进水槽221经过第一进水盲目孔211和第二进水盲孔231分别进入位于进气段21壁体内和出气段23壁体内的冷却通道202，冷却水在冷却通道内沿内壳2的周向环绕内腔201流动进行换热，然后进气段21壁体内的冷却水经第一出水盲孔汇集到出水槽 222，出气段23壁体内的冷却水经第二出水盲孔232汇集到出水槽222，中间段22壁体内的冷却水直接汇集到出水槽222，然后经出水口12 排出。该水冷式矩形喷管，其内壳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、不变形，超声速射流流场均匀，结构强度高，可以尽量的减少冷却水与壁面的距离，并且无需设置夹水套，结构简单。

另外该水冷式矩形喷管，冷却通道202调整设计较为方便，例如，可以在温度较高的区域，通过调整冷却通道202的间隔或者冷却通道的截面积，增加冷却水的流量等方式提高冷却效果。

需要说明的是，在具体地实施方式中内壳一般2为一体结构，在本申请中将其分为进气段、中间段和出气段仅是为了方便描述，并非是特指其为分体结构。

为了方便加工冷却通道202，在一个优选地实施方式中，参见图3、图7和图8所示，进水槽221的两个侧壁垂直设置，出水槽222的两个侧壁也垂直设置，即两个槽的截面均为L型。在侧壁上所设计的位置直接进行打孔，从内壳2的周向上而形成两个L型孔道，位于中间段22壁体内的两从L型孔道经进水槽221和出水槽222连通，形成冷却通道22。而进气段21和出气段22壁体内的冷却通道202的加工可以参见中间段22壁体内的冷却通道202的加工方式，例如，进水槽221 和出水槽222在加工出连接内壳2两端的通槽，在加工好全部的冷却通道202之后，通过堆焊将进气段21和出气段23处的通槽填补，并保留第一个进水盲孔211、第一出水盲孔、第二进水盲孔231和第二出水盲孔232的结构，完成内壳壁体内所有冷却通道202的加工。

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°。

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，进气段21的外径大于中间段22的外径，中间段22的外径大于出气段23的外径，例如，内壳2外型面具有一定的锥度，从进气段21至出气段23外径逐渐减小。又例如，内壳2的外型面为阶梯面。为了更好的实现密封，在进气段21和出气段23的外侧均设有一环形密封面24，环形密封面24为等径面段，用于套设密封条3。优选地，参见图3、图6和图9所示，在内壳2的外侧设定位块25，且定位块25低于进气段21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，参见图5和图6所示，进气段21的环形密封面处间隔设置有两个密封圈3，在出气端23的环形密封面片设置有一个密封圈3，且上述密封圈优选均为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。

为了方便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6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。具体地，相邻结构可以为转接段。在一些实施方式中，外壳1至少有一端设有连接法兰13，用于实现与相邻结构连接。

在一些实施方式中，参见图1、图3和图6所示，沿气流方向，内腔201的高度方向上的两个相对壁面的厚度先逐渐增加再逐渐减小，宽度方向不变，即流场在高度方向上先收缩再扩张。在一个具体地实施方式中，本实施例中的内腔201为超声速拉瓦尔矩形喷管的流道。而在此方式中，参见图6所示，内侧棱为一曲线。优选地，进水槽221 和出水槽222的侧壁的相交线与内侧棱的走向相同，即相对应的一个侧壁为曲面(参见图3所示)，曲面的曲率变化与内侧棱相对应，以方便在需要时能够的保证加工的各冷却通道202与内腔201的壁面的距离相同。

在一些优选地实施方式中，参见图7所示，每条冷却通道202与壁面的距离L均相同，以保证冷却效果。

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。

在较优选地实施方式中，内腔201的宽度为40～200mm，高度为 20～100mm，冷却通道202为圆形，其孔径为5～8mm(例如，6mm、 7mm、7.5mm等)，冷却通道202靠近壁面的一侧距离壁面的距离为 3～5mm(例如，3.5mm、4mm、4.5mm等)。

综上所述，本发明提供水冷式矩形喷管水冷式矩形喷管，其冷却通道设置合理，冷却效果好，能够保证壁面不烧损、不变形，超声速射流流场均匀，结构强度高，可以尽量的减少冷却水与内壁面的距离，并且无需设置夹水套，结构简单。

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 (10)

1.一种水冷式矩形喷管，其特征在于，包括外壳和内壳；

所述外壳上设有至少一个进水口和至少一个出水口；

所述内壳的内腔具有四个壁面，相邻的两个所述壁面的相交处为内侧棱，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进气段和出气段；

在所述中间段的外侧上与其中两个非相邻的所述内侧棱相对应的位置分别设有进水槽和出水槽，所述进气段的壁体内设有第一进水盲孔和第一出水盲孔，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进气段延伸，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进气段延伸，所述出气段的壁体内设有第二进水盲孔和第二出水盲孔，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出气段延伸，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出气段延伸；

所述进气段、中间段和出气段的壁体内均设有多条环绕所述内腔且垂直气流流动方向的冷却通道，位于所述进气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，位于所述出气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；

所述外壳同轴紧配的套设于所述内壳的外侧，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所述的水冷式矩形喷管，其特征在于：

所述进水槽的两个侧壁垂直设置；

所述出水槽的两个侧壁垂直设置。

3.根据权利要求1所述的水冷式矩形喷管，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。

4.根据权利要求1所述的水冷式矩形喷管，其特征在于：所述进气段的外径大于所述中间段的外径，所述中间段的外径大于所述出气段的外径；

所述进气段和所述出气段的外侧均设有一环形密封面，所述环形密封面为等径面段，用于套设密封条。

5.根据权利要求4所述的水冷式矩形喷管，其特征在于：所述内壳的外侧设定位块，且所述定位块低于所述进气段的外侧面；

所述外壳的内侧设有与所述定位块相对应的定位槽，所述定位槽与所述定位块相配合，用于限定所述内壳与所述外壳的相对位置。

6.根据权利要求1所述的水冷式矩形喷管，其特征在于：所述进气段的端面设有至少一个定位孔。

7.根据权利要求1所述的水冷式矩形喷管，其特征在于：所述内壳和所述外壳的端部通过焊接密封。

8.根据权利要求1所述的水冷式矩形喷管，其特征在于：沿气流方向，所述内腔的高度方向上的两个相对所述壁面的厚度先逐渐增加再逐渐减小。

9.根据权利要求1所述的水冷式矩形喷管，其特征在于：每条所述冷却通道与所述壁面的距离相同。

10.根据权利要求1所述的水冷式矩形喷管，其特征在于：所述外壳至少有一端设有连接法兰。

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