CN113669525B - 一种风洞实验用阀连接装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于风洞实验设备技术领域，针对现有技术中存在的连接方式对连接管道形成弯曲力矩造成管道变形或法兰密封失效，导致高温高压气体泄漏的技术问题，本发明的目的在于提供一种风洞实验用阀连接装置，设置有托举装置，托举装置包括法兰卡箍、弹性支撑机构和滑动底座，所述滑动底座的下端固定在地面上，滑动底座的上端连接弹性支撑机构，弹性支撑机构的顶端设置为法兰卡箍，通过法兰卡箍套设在高温阀的连接管道上将高温阀法兰锁紧。该装置可以大大降低预热时蓄热加热器纵向延伸或阀体自重对连接管道形成弯曲力矩，避免了卡箍处法兰泄漏的可能性，大大提高了安全性。

Description

一种风洞实验用阀连接装置

技术领域

本发明属于风洞实验设备技术领域，具体涉及一种风洞实验用阀连接装置。

背景技术

风洞是地面上开展模拟飞行试验的必需设备。蓄热式纯净空气风洞是通过空气与蓄热体对流换热得到快速升温，能够提供相对洁净的高焓气体来流，较真实反映飞行器面临的来流组份、热以及化学特征，还具有加热总温高、流量大、工作时间长等优点，因此在国际上得到了广泛的认可，但是由于其技术门槛过高，国内外能够成功研制出的纯净空气风洞寥寥无几。蓄热加热器是纯净空气风洞最核心的的部件之一，为了更高的能量添加需求，必然导致其体积庞大、重量至少百吨以上；另外为了能够实现充分均匀的换热，并保证换热过程中流阻较小，蓄热加热器必须采用竖式放置。

一个典型的风洞用蓄热加热器包括蓄热体、隔热层、外壳压力容器、预烧系统、高温阀等，其下游与高温输气管道、拉瓦尔喷管和实验舱及引射系统相连，如图1所示。试验准备过程中蓄热加热器要经历长达30个小时以上的预热，由于热胀冷缩和重量的原因，蓄热加热器受热后必然会出现纵向延伸。为保证蓄热加热器与下游的刚性连接不出现偏差。蓄热加热器只能采取上端固定，下端自由悬浮的布置方式如图1所示。由此带来排烟用高温阀安装的难题。以往的安装结构是将高温阀通过刚性管道连接悬挂于蓄热加热器体外或固定在地面上，由于高温阀自重大和蓄热加热器纵向延伸，上述两种连接方式会对连接管道形成弯曲力矩，极易造成管道变形或法兰密封失效，导致高温高压气体泄漏，使得试验失败，甚至造成安全事故。

发明内容

针对现有技术中存在的高温阀门连接方式对连接管道形成弯曲力矩造成管道变形或法兰密封失效，导致高温高压气体泄漏的技术问题，本发明的目的在于提供一种风洞实验用阀连接装置，尤其是纯净空气风洞实验用阀托举装置。

本发明采取的技术方案为：

一种风洞实验用阀连接装置，设置有托举装置，托举装置包括法兰卡箍、弹性支撑机构和滑动底座，所述底座的下端固定在地面上，更为具体的是，所述滑动底座的下端通过地脚螺栓固定在地面上，滑动底座的上端通过螺栓连接弹性支撑机构，弹性支撑机构的顶端设置为法兰卡箍，通过法兰卡箍套设在高温阀的连接管道上将高温阀法兰锁紧。

进一步的，所述法兰卡箍设置为圆环形结构，其内径与高温阀的外接法兰直径一致。

进一步的，所述法兰卡箍包括由卡箍压盖和卡箍底座组成的上下两部分，二者通过可调螺栓将高温阀法兰锁紧，卡箍压盖和卡箍底座相互匹配设置有半圆环形结构的法兰托，卡箍底座的法兰托的底部依次焊接带有加强筋的支撑架和底板，底板和弹性支撑机构顶端通过螺纹连接，即底板中心设置有内螺纹，卡箍底座12的底板通过内螺纹和弹性支撑机构的刚性顶杆螺纹连接。

进一步的，所述弹性支撑机构的行程设置为蓄热加热器延伸量的2倍以上。

进一步的，所述弹性支撑机构设置有刚性支撑架及设置在其内部的弹簧组，弹簧组是由数个高碳合金钢制备的等节距螺旋压缩弹簧组成，通过弹簧组压缩变形平衡重力对连接管道形成弯曲力矩。

进一步的，弹性支撑机构包括刚性顶杆、导向压盖、上弹簧托、弹簧组、缸套、下弹簧托、固定底座。刚性顶杆采用304不锈钢制备而成，导向压盖、弹簧托、缸套、固定底座均采用碳钢材料制备而成。

更为具体的是，刚性顶杆套设在导向压盖里，刚性顶杆上端通过螺纹与法兰卡箍底座相连，刚性顶杆的下端与上弹簧托相连；所述缸套设置为中空支撑结构，缸套顶端与导向压盖固定连接，缸套底端与固定底座通过螺栓连接；所述上弹簧托、弹簧组、下弹簧托自上而下嵌设在缸套里，弹簧组的上、下两端分别抵靠在上弹簧托和下弹簧托内，通过弹簧组压缩变形平衡重力对连接管道 5形成弯曲力矩。

更进一步的，所述导向压盖设置为沿中心开孔的中空圆柱体和圆板焊接制成的一体式结构，刚性顶杆底端通过螺纹和上弹簧托相连，上弹簧托沿着下表面内嵌均布设置数个弹簧托凹槽(圆形凹槽)，下弹簧托与上弹簧托结构设置相同，反向放置在缸套内，且与固定底座抵靠，弹簧组的数组弹簧分别嵌设在上弹簧托和下弹簧托相互对应的弹簧托凹槽内，缸套沿着其一侧壁轴线方向开设观察导向槽，弹簧托和下弹簧托的一端部向外设置有导向杆，导向杆嵌设在观察导向槽内，弹簧组伸缩变形时，上弹簧托导向杆沿着观察导向槽上下滑动导向，通过观察导向槽观察导向杆的位置。

更进一步的，弹簧组由四个高碳合金钢制备的等节距螺旋压缩弹簧组成。每个弹簧外径与弹簧托凹槽内径相等。四个弹簧组成弹簧组可以使其受力更均匀，避免由于单弹簧受力不均导致的刚性导向杆外倾。更为具体的事，高温阀门自重可将弹簧组压缩至其全行程的1/3处。这样设置既能常态时，托举装置抵消阀门自重，又可以保证加热时托举装置向下压缩抵消蓄热罐受热变形时伸缩量。

更进一步的，上弹簧托导向压盖设置为沿中心开孔的中空圆主体和圆板焊接制成。其中心开孔内径略大于刚性顶杆外径。

进一步的，所述滑动底座上设置有滑动装置，所述的滑动装置位移方向平行于高温阀气流流动方向，即连接管道方向，通过滑动装置自动调整位置抵消蓄热加热器与高温阀之间的连接管道的伸缩量。

更进一步的，所述滑动装置包括上连接板、上支撑肋筋、滚动滑轮、导向滑轨、下支撑肋筋、下连接板，所述上支撑肋筋、下支撑肋筋呈垂直交错式分别依次固定设置在上连接板、下连接板上，两条导向滑轨沿着垂直于下支撑肋筋的方向相互平行安装在下支撑肋筋的内侧，上支撑肋筋外侧设置滚动滑轮，上支撑肋筋内侧设置定位套，定位套相互匹配套设在导向滑轨上，上连接板通过支撑肋筋的定位套导向，通过滚动滑轮控制上连接板沿着导向滑轨相对于下连接板移动。下连接板起到上连接板滑动限位作用，进而限定滑动装置的有效行程。进一步的，作为上述方案的改进方案，底座上设置有滑动装置，所述滑动装置设置为自润滑平面滑动结构，通过自润滑平面滑动结构增加平面自由度，消除蓄热加热器受热后产生的转动扭矩。

更进一步的，所述自润滑平面滑动结构包括上连接板、滑块、下连接板，所述上连接板下面四周焊接有挡板，通过挡板限制滑块滑动位移，上连接板下表面设置为和滑块接触的光滑钢制面，所述滑块设置为铜制方形块状结构，滑块与上连接板下表面接触的上表面内嵌有4根均布的柱状石墨，滑块通过螺丝与下连接板固定。

进一步的，设置有一套或2套托举装置，即在高温阀一侧连接法兰处安装一套托举装置；或在高温阀两侧连接法兰处呈对称式各安装一套托举装置，通过对称式安装消除高温阀对连接管道的弯曲力矩。

本发明的有益效果为：

本发明将弹性阀门托举装置安装于高温阀法兰上，与以往的将高温阀刚性管道连接悬挂于蓄热加热器体外或固定在地面上的安装结构相比，这种装置可以大大降低预热时蓄热加热器纵向延伸或阀体自重对连接管道形成弯曲力矩。当蓄热加热器进行预热时，弹簧压缩来抵消蓄热加热器受热变形带来的向下延伸量；当试验结束后，弹簧伸长用于弥补蓄热加热器冷却时的收缩量。

在高温阀两侧连接法兰处各安装一套弹性阀门托举装置，与单侧安装相比，这样设计的好处在于消除了由于高温阀重心没有落在托举装置上造成的高温阀对连接管道的弯曲力矩，避免了卡箍处法兰泄漏的可能性。另外，两处安装降低了托举装置自身的结构强度，大大提高了安全性。

底座上采用滑动装置的好处在于，预热和冷却降温过程中，滑动装置可自动调整位置抵消蓄热加热器与高温阀之间的连接管道的伸缩量，避免了连接管道发生弹性变形带来密封失效，同时，更防止了其对蓄热加热器产生的轴向偏转力矩，增加了罐体的稳定性。

底座滑动装置设计为自润滑平面滑动结构。与滚动滑轮装置相比，这种带有柱状石墨自润滑的平面滑动结构的优点在于，增加了平面自由度，可以消除蓄热加热器受热后产生的转动扭矩对连接管道带来的危害。另外滑块与上连接板的接触面积远远大于四个滑轮与先连接板的接触面积，强化了结构，增加了安全性。

附图说明

图1为现有技术中蓄热加热式纯净空气风洞的结构示意图。

图2为本发明中风洞实验用阀连接装置的布置示意图。

图3为本发明中风洞实验用阀托举装置的结构示意图。

图4为本发明中风洞实验用阀托举装置的平面示意图。

图5为本发明中石墨自润滑结构示意图。

图6为本发明中激光测距及控制系统示意图。

图7为本发明中风洞试验激光测距图。

其中，1、法兰卡箍；2、弹性支撑机构；3、滑动底座；4、高温阀；5、连接管道。

11、卡箍压盖；12、卡箍底座。

21、刚性顶杆；22、导向压盖；23、上弹簧托；24、弹簧组；25、下弹簧托；26、缸套；27、固定底座。

31、上连接板；32、上支撑肋筋；33、定位套；34、滚动滑轮；35、下支撑肋筋；36、导向滑轨；37、下连接板。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

实施例1

如图2所示，一种风洞实验用阀连接装置，设置有托举装置，托举装置包括法兰卡箍1、弹性支撑机构2和滑动底座3，所述滑动底座3的下端固定在地面上，更为具体的是，所述底座3的下端通过地脚螺栓固定在地面上，底座的上端连接弹性支撑机构2，弹性支撑机构的顶端设置为法兰卡箍1，通过法兰卡箍1套设在高温阀4的连接管道5上将高温阀4法兰锁紧。

法兰卡箍1设置为圆环形结构，其内径与高温阀4的外接法兰直径一致。更为具体的是法兰卡箍1设置为内径为245mm的圆形结构，该圆形结构采用宽 20mm,厚8mm碳钢板压制而成。

在实施例1的基础上，本发明的又一实施例，如图3所示，所述法兰卡箍1包括由卡箍压盖11和卡箍底座12组成的上下两部分，卡箍压盖11和卡箍底座12相互匹配设置有半圆环形结构的法兰托，卡箍压盖11和卡箍底座 12的法兰托之间通过可调螺栓将高温阀法兰锁紧；卡箍底座12的法兰托的底部依次焊接带有加强筋的支撑架和底板，底板中心设置有内螺纹，卡箍底座 12的底板和弹性支撑机构2的刚性顶杆21通过螺纹连接。

在实施例1的基础上，本发明的又一实施例，如图3和图4所示，弹性支撑机构2的行程设置为蓄热加热器延伸量的2倍以上。

更进一步的，弹性支撑机构2设置有刚性支撑架及设置在其内部的弹簧组 24，弹簧组24是由四个高碳合金钢制备的等节距螺旋压缩弹簧组成。每个弹簧外径设置为10mm与弹簧托凹槽内径相等，弹簧截面直径设置为2.5mm，其自由长度设置为50mm。四个弹簧组成弹簧组24可以使其受力更均匀，避免由于单弹簧受力不均导致的刚性导向杆外倾。

在实施例1的基础上，本发明的又一实施例，如图3和图4所示，弹性支撑机构2包括刚性顶杆21、导向压盖22、上弹簧托23、弹簧组24、下弹簧托 25、缸套26、固定底座27。刚性顶杆21采用304不锈钢制备而成，导向压盖 22、上弹簧托23、弹簧组24、下弹簧托25、缸套26、固定底座27均采用碳钢材料制备而成。刚性顶杆21上端设置有外螺纹与法兰卡箍底座12相连。更为具体的是，刚性顶杆21套设在导向压盖22里，刚性顶杆21设置为圆柱体结构，导向压盖22设置为中空圆柱筒体结构，刚性顶杆21的外径设置为20mm，略小于导向压盖22中心孔内径21mm。刚性顶杆21的下端与上弹簧托23相连，弹簧组24上端抵靠在上弹簧托23内，弹簧组24下端抵靠在下弹簧托25内。导向压盖22和缸套26焊接相连，缸套26底端与固定底座27通过周边均布的 8条螺栓连接。上弹簧托23、弹簧组24、下弹簧托25嵌设在缸套26里，通过弹簧组24压缩变形平衡蓄热加热器纵向延伸或阀体自重对连接管道5形成弯曲力矩。

在实施例1的基础上，本发明的又一实施例，如图3和图4所示，导向压盖22设置为沿中心开孔的中空圆柱体和圆板焊接制成的一体式结构，导向压盖22的中心开孔内径设置为21mm略大于刚性顶杆21外径20mm。刚性顶杆21 底端设置外螺纹，刚性顶杆21通过外螺纹旋入上弹簧托23上表面中心开设的螺纹孔。上弹簧托23沿着下表面内嵌设置四个弹簧托凹槽(圆形凹槽)，弹簧托凹槽两两平行分布，弹簧托凹槽的内径与弹簧外径相同均设置为10mm，深度为弹簧横截面直径2.5mm。下弹簧托25与上弹簧托23结构设置相同，下弹簧托25反向放置在缸套26内，与固定底座27抵靠，弹簧组24的四组弹簧分别嵌设在上弹簧托23和下弹簧托25相互对应的弹簧托凹槽内，缸套26设置为中空圆筒状结构，一侧设置有观察导向槽，其长度为50mm，观察导向槽沿着缸套26一侧壁轴线方向开设，上弹簧托23和下弹簧托25的一端部向外设置有导向杆，导向杆嵌设在观察导向槽内，弹簧组24发生弹性形变带动上弹簧托23的导向杆沿着缸套26相对移动，弹簧组24伸缩变形时，观察上弹簧托23的导向杆沿缸套26上下滑动导向，通过观察导向槽便于观察其位置。

更进一步的，高温阀门4自重可将弹簧组24压缩至其全行程的1/3处。这样设置既能保证常态时，托举装置抵消阀门自重，又可以保证加热时托举装置向下压缩抵消蓄热罐受热变形时伸缩量。

在实施例1的基础上，本发明的又一实施例，如图3和图4所示，滑动底座3上设置有滑动装置，所述的滑动装置位移方向平行于高温阀4气流流动方向，即连接管道方向，通过滑动装置自动调整位置抵消蓄热加热器与高温阀4 之间的连接管道5的伸缩量。滑动装置有效滑动位移设置为30mm。

更进一步的，所述滑动装置包括上连接板31、上支撑肋筋32、定位套33 及滚动滑轮34、下支撑肋筋35、导向滑轨36、下连接板37。弹性支撑机构3 的固定底座27与滑动装置的上连接板31通过螺栓连接。所述上支撑肋筋32 设置为四块，两两平行均布焊接在上连接板31靠近外侧的位置，每块支撑肋筋32外侧设置滚动滑轮34，上支撑肋筋32内侧设置定位套33，定位套33 设置为中空圆环状结构，定位套33相互匹配套设在导向滑轨36上。所述下支撑肋筋35焊接在下连接板37上，通过下支撑肋筋35对上连接板31进行滑动限位，进而限定滑动装置的有效行程。导向滑轨36相互平行且与下支撑肋筋 35垂直，通过螺纹安装在下支撑肋筋35的内侧。四个滚动滑轮34的移动方向与导向滑轨36平行，上连接板31通过支撑肋筋32的定位套33导向，通过滚动滑轮34控制上连接板31沿着导向滑轨36相对于下连接板37移动。滑动底座3上采用滑动装置的好处在于，预热和冷却降温过程中，滑动装置可自动调整位置抵消蓄热加热器与高温阀4之间的连接管道5的伸缩量，避免了连接管道5发生弹性变形带来密封失效，同时，更防止了其对蓄热加热器产生的轴向偏转力矩，增加了罐体的稳定性。在实施例1的基础上，本发明的又一实施例，如图5所示，滑动底座3上设置有滑动装置，所述滑动装置设置为自润滑平面滑动结构，通过自润滑平面滑动结构增加平面自由度，消除蓄热加热器受热后产生的转动扭矩。

自润滑平面滑动结构包括上连接板、滑块、下连接板，所述上连接板下面四周焊接有挡板，通过挡板限制滑块滑动位移，上连接板下表面设置为和滑块接触的光滑钢制面，所述滑块设置为铜制方形块状结构，滑块与上连接板下表面接触的上表面内嵌有4根均布的柱状石墨，滑块通过螺丝与下连接板固定。与上述滚动滑轮装置相比，这种带有柱状石墨自润滑的平面滑动结构的优点在于，增加了平面自由度，可以消除蓄热加热器受热后产生的转动扭矩对连接管道带来的危害。另外滑块与上连接板的接触面积远远大于四个滑轮与先连接板的接触面积，强化了结构，增加了安全性。

在实施例1的基础上，在高温阀4两侧连接法兰处各安装一套弹性阀门托举装置。与单侧安装相比，这样设计的好处在于消除了由于高温阀4重心没有落在托举装置上造成的高温阀4对连接管道5的弯曲力矩，大大降低了了单侧卡箍1法兰泄漏的可能性。弹性支撑机构设计原则为，双侧弹簧均被压缩处于 1/3工作行程时的弹力等于阀门自重较为合理，与以往的蓄热加热器的安装结构相比，这种装置可以大大降低预热时蓄热加热器纵向延伸或阀体自重对连接管道5形成弯曲力矩。当蓄热加热器进行预热时，弹簧压缩来抵消蓄热加热器受热变形带来的向下延伸量；当试验结束后，弹簧伸长用于弥补蓄热加热器冷却时的收缩量。

在实施例1的基础上进行纯净空气风洞试验时，在高温阀4两侧安装四个激光测距传感器a/b/c/d,如图6所示。测量结果a点和b点变化量非常小， 2mm内。c点和d点位移量同步，随着加热过程进行逐步增加，最终停留在15mm 左右的位置。如图7所示，连接装置起到预期作用，成功弥补了蓄热加热器受热变形带来的向下延申量。

以上所述并非是对本发明的限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实质范围的前提下，还可以做出若干变化、改型、添加或替换，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种风洞实验用阀连接装置，其特征在于，设置有托举装置，托举装置包括法兰卡箍、弹性支撑机构和滑动底座，所述滑动底座的下端固定在地面上，滑动底座的上端连接弹性支撑机构，弹性支撑机构的顶端设置为法兰卡箍，通过法兰卡箍套设在高温阀的连接管道上将高温阀法兰锁紧；

所述弹性支撑机构设置有刚性支撑架及设置在其内部的弹簧组，弹簧组是由数个高碳合金钢制备的等节距螺旋压缩弹簧组成，通过弹簧组压缩变形平衡重力对连接管道形成弯曲力矩；

所述滑动底座上设置有滑动装置，所述的滑动装置位移方向平行于高温阀气流流动方向，即连接管道方向，通过滑动装置自动调整位置抵消蓄热加热器与高温阀之间的连接管道的伸缩量；

所述滑动装置包括上连接板、上支撑肋筋、滚动滑轮、导向滑轨、下支撑肋筋、下连接板，所述上支撑肋筋、下支撑肋筋呈垂直交错式分别依次固定设置在上连接板、下连接板上，两条导向滑轨沿着垂直于下支撑肋筋的方向相互平行安装在下支撑肋筋的内侧，上支撑肋筋外侧设置滚动滑轮，上支撑肋筋内侧设置定位套，定位套相互匹配套设在导向滑轨上，上连接板通过支撑肋筋的定位套导向，通过滚动滑轮控制上连接板沿着导向滑轨相对于下连接板移动；

或所述滑动装置设置为自润滑平面滑动结构，所述自润滑平面滑动结构包括上连接板、滑块、下连接板，所述上连接板下面四周焊接有挡板，通过挡板限制滑块滑动位移，上连接板下表面设置为和滑块接触的光滑钢制面，所述滑块设置为铜制方形块状结构，滑块与上连接板下表面接触的上表面内嵌有4根均布的柱状石墨，滑块通过螺丝与下连接板固定。

2.根据权利要求1所述一种风洞实验用阀连接装置，其特征在于，所述法兰卡箍包括由卡箍压盖和卡箍底座组成的上下两部分，二者通过可调螺栓将高温阀法兰锁紧，卡箍压盖和卡箍底座相互匹配设置有半圆环形结构的法兰托，卡箍底座的法兰托的底部依次焊接带有加强筋的支撑架和底板，底板和弹性支撑机构顶端通过螺纹连接。

3.根据权利要求1所述一种风洞实验用阀连接装置，其特征在于，所述弹性支撑机构的行程设置为蓄热加热器延伸量的2倍以上。

4.根据权利要求1所述一种风洞实验用阀连接装置，其特征在于，所述弹性支撑机构包括刚性顶杆、导向压盖、上弹簧托、弹簧组、下弹簧托、缸套、固定底座，刚性顶杆套设在导向压盖里，刚性顶杆上端通过螺纹与法兰卡箍相连，刚性顶杆的下端与上弹簧托相连；所述缸套设置为中空支撑结构，缸套顶端与导向压盖固定连接，缸套底端与固定底座通过螺栓连接；所述上弹簧托、弹簧组、下弹簧托自上而下嵌设在缸套里，弹簧组的上、下两端分别抵靠在上弹簧托和下弹簧托内。

5.根据权利要求4所述一种风洞实验用阀连接装置，其特征在于，所述导向压盖设置为沿中心开孔的中空圆柱体和圆板焊接制成的一体式结构，刚性顶杆底端通过螺纹和上弹簧托相连，上弹簧托沿着下表面内嵌均布设置数个弹簧托凹槽，下弹簧托与上弹簧托结构设置相同，反向放置在缸套内，且与固定底座抵靠，弹簧组的数组弹簧分别嵌设在上弹簧托和下弹簧托相互对应的弹簧托凹槽内，缸套沿着其一侧壁轴线方向开设观察导向槽，弹簧托和下弹簧托的一端部向外设置有导向杆，导向杆嵌设在观察导向槽内，通过观察导向槽观察弹簧组伸缩变形时导向杆的位置。

6.根据权利要求1-5任意一项所述一种风洞实验用阀连接装置，其特征在于，设置有一套或2套托举装置，即在高温阀一侧连接法兰处安装一套托举装置；或在高温阀两侧连接法兰处呈对称式各安装一套托举装置，通过对称式安装消除高温阀对连接管道的弯曲力矩。

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