CN113310655B - 一种用于高超声速风洞的快速响应测温装置和测温方法 - Google Patents

一种用于高超声速风洞的快速响应测温装置和测温方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高超声速风洞的快速响应测温装置和测温方法。该测温装置和测温方法通过在靶体中安装加热元件，提前预热靶体，在高超声速风洞的高温高压快速阀换向后，将热电偶的测温探头突然暴露在高温高压气流中，能够快速准确地测得高温高压气流的温度。该测温装置结构简单、稳定可靠，该测温方法能够缩短靶体与高温高压气流热交换时间，快速、准确测量高温高压气流温度，满足了高超声速风洞高温高压快速阀快速切换后快速测量高温高压气流温度的需求。

Description

一种用于高超声速风洞的快速响应测温装置和测温方法
技术领域
本发明属于高超声速风洞试验技术领域，涉及风洞试验参数测量，具体涉及一种用于高超声速风洞的快速响应测温装置和测温方法。
背景技术
高超声速风洞的高温高压快速阀（简称高温阀）是风洞的主要部段之一，为气控二位三通截止阀，开关时间≤2s，工作介质为干燥空气，其主要功能是在高马赫数试验下把未达到试验温度的高压气流通过旁路系统排入大气，降低高马赫数试验时高温高压气流对下游喷管、试验段和测试设备的温度影响，降低温度效应，提高试验数据质量。
高超声速风洞进行高马赫数试验时气流压力可达6MPa，温度超过650℃，当达到试验温度和压力时，高温阀快速切换，通过安装于风洞稳定段的常规测温排架测量此时的高温高压气流温度。但是由于常规测温排架需被高温高压气流充分加热后才能准确测量出高温高压气流的温度，因此，测量值与实际值存在一定时间滞后。
当前，亟需发展一种用于高超声速风洞的快速响应测温装置和测温方法。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种用于高超声速风洞的快速响应测温装置，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种用于高超声速风洞的快速响应测温装置的测温方法。
本发明的用于高超声速风洞的快速响应测温装置，其特点是，所述的快速响应测温装置包括直管型的靶体，靶体的前端悬空，靶体的后端固定在法兰盘上；靶体上设置有一系列沿轴线方向分布并垂直于轴线的陶瓷垫片，靶体内设置有平行于轴线并依次穿过陶瓷垫片的热电偶和加热元件；热电偶和加热元件穿过法兰盘后固定在顶盖的内部空腔中，顶盖固定在法兰盘上；热电偶和加热元件的后端伸出顶盖的引出线与现场控制箱连接，热电偶的前端伸出靶体的前端，具有面向高超声速风洞高温高压气流的测温探头；现场控制箱内设置有与加热元件连接的温控器。
进一步地，所述的靶体的材质为GH3044。
进一步地，所述的加热元件为电加热丝，电加热丝缠绕在平行于靶体的轴线并依次穿过陶瓷垫片的陶瓷棒上。
进一步地，所述的法兰盘的材质为06Cr25Ni20。
本发明的用于高超声速风洞的快速响应测温装置的测温方法，包括以下步骤：
a.将快速响应测温装置通过法兰盘安装在高超声速风洞的稳定段上；
b.高超声速风洞试验前，现场控制箱控制加热元件加热靶体，热电偶实时测量靶体的温度并反馈至温控器，当靶体达到风洞试验所需的温度时，温控器断开线路，加热元件停止加热；
c.启动高超声速风洞，开始高超声速风洞试验，切换高超声速风洞的高温阀，热电偶的测温探头面向高超声速风洞高温高压气流，测温探头测量气流温度并反馈至现场控制箱进行显示和存储；
d.高超声速风洞试验结束，切换高超声速风洞的高温阀，现场控制箱控制快速响应测温装置断电。
本发明的用于高超声速风洞的快速响应测温装置中的靶体主要是作为高温高压气流的承压壳体，用于承受高温高压气流冲击；加热元件安装于靶体内，为缠绕在陶瓷棒上的电加热丝，用于将整个靶体加热至500℃～600℃。靶体内部安装陶瓷垫片，使加热元件、热电偶和靶体之间相互绝缘；此外，陶瓷垫片还起到支撑和稳定靶体内部加热元件和热电偶的作用。靶体内安装的热电偶，在靶体加热时测量靶体的温度，在靶体加热至预设温度、高温阀切换后，热电偶的测温探头用于测量高温高压气流温度。温控器用于控制加热元件进行加热，当靶体达到预设温度后停止工作。法兰盘主要是作为风洞稳定段与靶体的连接与密封。现场控制箱主要是用于手动、自动控制切换和温度显示等。
本发明的用于高超声速风洞的快速响应测温装置具有以下特点：
1.靶体内安装加热元件，加热元件对靶体进行预加热；
2.高超声速风洞试验时，靶体承受高温高压气流冲击；
3.靶体内部安装的陶瓷垫片，使加热元件、热电偶和靶体之间相互绝缘，并增强靶体强度；
4.温控器控制加热元件工作；
5.法兰盘确保靶体与风洞稳定段的连接和密封。
本发明的用于高超声速风洞的快速响应测温装置结构简单、稳定可靠，本发明的用于高超声速风洞的快速响应测温装置的测温方法能够缩短靶体与高温高压气流热交换时间，快速、准确测量高温高压气流温度，满足了高超声速风洞高温阀快速切换后快速测量高温高压气流温度的需求。
附图说明
图1为本发明的用于高超声速风洞的快速响应测温装置的结构示意图。
图中，1.靶体；2.热电偶；3.加热元件；4.陶瓷垫片；5.法兰盘；6.顶盖；7.引出线；8.现场控制箱；9.温控器；10.测温探头。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
如图1所示，本发明的用于高超声速风洞的快速响应测温装置包括直管型的靶体1，靶体1的前端悬空，靶体1的后端固定在法兰盘5上；靶体1上设置有一系列沿轴线方向分布并垂直于轴线的陶瓷垫片4，靶体1内设置有平行于轴线并依次穿过陶瓷垫片4的热电偶2和加热元件3；热电偶2和加热元件3穿过法兰盘5后固定在顶盖6的内部空腔中，顶盖6固定在法兰盘5上；热电偶2和加热元件3的后端伸出顶盖6的引出线7与现场控制箱8连接，热电偶2的前端伸出靶体1的前端，具有面向高超声速风洞高温高压气流的测温探头10；现场控制箱8内设置有与加热元件3连接的温控器9。
进一步地，所述的靶体1的材质为GH3044。
进一步地，所述的加热元件3为电加热丝，电加热丝缠绕在平行于靶体1的轴线并依次穿过陶瓷垫片4的陶瓷棒上。
进一步地，所述的法兰盘5的材质为06Cr25Ni20。
本发明的用于高超声速风洞的快速响应测温方法，包括以下步骤：
a.将快速响应测温装置通过法兰盘5安装在高超声速风洞的稳定段上；
b.高超声速风洞试验前，现场控制箱8控制加热元件3加热靶体1，热电偶2实时测量靶体1的温度并反馈至温控器9，当靶体1达到风洞试验所需的温度时，温控器9断开线路，加热元件3停止加热；
c.启动高超声速风洞，开始高超声速风洞试验，切换高超声速风洞的高温阀，热电偶2的测温探头10面向高超声速风洞高温高压气流，测温探头10测量气流温度并反馈至现场控制箱8进行显示和存储；
d.高超声速风洞试验结束，切换高超声速风洞的高温阀，现场控制箱8控制快速响应测温装置断电。
实施例1
本实施例的具体说明如下：
（1）靶体1，采用GH3044材质，主要是作为高温高压气流的承压壳体，需要承受高温高压气流冲击，适用于高温高压气流压力小于6MPa，高温高压气流温度超过650℃；
（2）热电偶2，K型铠装I级精度热电偶，热电偶2输出信号接入至温控器9，加热元件3加热靶体1至特定温度后停止加热，等待高温阀切换后，高温高压气流进入稳定段；高温高压气流进入稳定段后，热电偶2的测温探头10用于测量稳定段内高温高压气流的温度；
（3）加热元件3，为缠绕在陶瓷棒上的电加热丝，电加热丝为高温合金材料Cr20Ni80，可将靶体1加热至最高600℃左右；
（4）陶瓷垫片4，靶体1内上、中、下部共安装三个陶瓷垫片4，陶瓷垫片4中间开一个大孔和小孔，加热棒、热电偶2分别从陶瓷垫片4中的大孔和小孔穿过，使加热元件3、热电偶2和靶体1之间相互绝缘，此外，陶瓷垫片4还起到支撑和稳定靶体1内部加热元件3和热电偶2的作用；
（5）法兰盘5，采用06Cr25Ni20材质，将靶体1插入风洞稳定段，通过法兰与稳定段固定连接；
（6）顶盖6，可拆卸，内部安装陶瓷垫片4，加热元件3和热电偶2引出线7采用耐高温胶水密封，陶瓷垫片4上安装石棉密封垫，用顶盖6压紧，起到密封的作用；
（7）引出线7，包括加热元件3和热电偶2的引出线；
（8）现场控制箱8，用于手动、自动控制切换和温度显示；
（9）温控器9，当靶体1达到风洞试验所需的温度时，温控器9断开线路，加热元件3停止加热；
（10）测温探头10，用于测量稳定段内高温高压气流的温度。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (3)

1.一种用于高超声速风洞的快速响应测温装置，其特征在于，所述的快速响应测温装置包括直管型的靶体（1），靶体（1）的前端悬空，靶体（1）的后端固定在法兰盘（5）上；靶体（1）上设置有一系列沿轴线方向分布并垂直于轴线的陶瓷垫片（4），靶体（1）内设置有平行于轴线并依次穿过陶瓷垫片（4）的热电偶（2）和加热元件（3）；热电偶（2）和加热元件（3）穿过法兰盘（5）后固定在顶盖（6）的内部空腔中，顶盖（6）固定在法兰盘（5）上；热电偶（2）和加热元件（3）的后端伸出顶盖（6）的引出线（7）与现场控制箱（8）连接，热电偶（2）的前端伸出靶体（1）的前端，具有面向高超声速风洞高温高压气流的测温探头（10）；现场控制箱（8）内设置有与加热元件（3）连接的温控器（9）；
靶体（1），采用GH3044材质，作为高温高压气流的承压壳体，承受高温高压气流冲击，适用于高温高压气流压力小于6MPa，高温高压气流温度超过650℃；
热电偶（2），K型铠装I级精度热电偶，热电偶（2）输出信号接入至温控器（9），在靶体（1）加热时测量靶体（1）的温度，加热元件（3）加热靶体（1）至预设温度后停止加热，等待高温阀切换后，高温高压气流进入稳定段；高温高压气流进入稳定段后，热电偶（2）的测温探头（10）用于测量稳定段内高温高压气流的温度；
加热元件（3），为缠绕在陶瓷棒上的电加热丝，电加热丝为高温合金材料Cr20Ni80，将靶体（1）加热至500℃～600℃；
陶瓷垫片（4），靶体（1）内上、中、下部共安装三个陶瓷垫片（4），陶瓷垫片（4）中间开一个大孔和小孔，加热元件（3）从陶瓷垫片（4）中的大孔穿过，热电偶（2）从陶瓷垫片（4）中的小孔穿过，使加热元件（3）、热电偶（2）和靶体（1）之间相互绝缘，此外，陶瓷垫片（4）还起到支撑和稳定靶体（1）内部加热元件（3）和热电偶（2）的作用；
法兰盘（5），采用06Cr25Ni20材质，将靶体（1）插入高超声速风洞稳定段，通过法兰与稳定段固定连接；
顶盖（6），可拆卸，内部安装陶瓷垫片（4），加热元件（3）和热电偶（2）引出线（7）采用耐高温胶水密封，陶瓷垫片（4）上安装石棉密封垫，用顶盖（6）压紧，起到密封的作用；
引出线（7），包括加热元件（3）和热电偶（2）的引出线；
现场控制箱（8），用于手动、自动控制切换和温度显示；
温控器（9）用于控制加热元件（3）进行加热，当靶体（1）达到高超声速风洞试验所需的温度时，温控器（9）断开线路，加热元件（3）停止加热；
测温探头（10），用于测量稳定段内高温高压气流的温度。
2.根据权利要求1所述的用于高超声速风洞的快速响应测温装置，其特征在于，所述的加热元件（3）为电加热丝，电加热丝缠绕在平行于靶体（1）的轴线并依次穿过陶瓷垫片（4）的陶瓷棒上。
3.根据权利要求1~2所述的任意一种用于高超声速风洞的快速响应测温装置的测温方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将快速响应测温装置通过法兰盘（5）安装在高超声速风洞的稳定段上；
b.高超声速风洞试验前，现场控制箱（8）控制加热元件（3）加热靶体（1），热电偶（2）实时测量靶体（1）的温度并反馈至温控器（9），当靶体（1）达到高超声速风洞试验所需的温度时，温控器（9）断开线路，加热元件（3）停止加热；
c.启动高超声速风洞，开始高超声速风洞试验，切换高超声速风洞的高温阀，热电偶（2）的测温探头（10）面向高超声速风洞高温高压气流，测温探头（10）测量气流温度并反馈至现场控制箱（8）进行显示和存储；
d.高超声速风洞试验结束，切换高超声速风洞的高温阀，现场控制箱（8）控制快速响应测温装置断电。
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