CN113701987B - 一种风洞试验用高压气体流量控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于高超声速地面试验技术领域，针对现有技术中存在的测量精度较低的技术问题，本发明的目的在于提供一种风洞试验用高压气体流量控制装置，依次包括后过渡段、喷嘴转接段、稳流腔体、前过渡段，所述后过渡段的前端与下游压力管道连接，所述喷嘴转接段安装音速喷嘴，音速喷嘴的前后两端分别设置密封垫，通过螺母压帽将音速喷嘴与后过渡段卡紧，所述喷嘴转接段、稳流腔体和前过渡段依次连接。提高了测量精度和准确性，适用范围更换广；避免了安装时音速喷嘴与稳流腔体不同心所造成不必要的误差数据。提高了流量计安装精度；其结构简单、重复性好、流动压力损失小，易于更换，扩宽了测量范围。

Description

一种风洞试验用高压气体流量控制装置

技术领域

本发明属于高超声速地面试验技术领域，具体涉及一种风洞试验用高压气体流量控制装置。

背景技术

高超声速燃烧风洞是高超声速飞行器/发动机研制过程中最重要的大型设备之一，而加热器供气系统又是为高超声速风洞进行吹风试验提供高压气体的重要保障系统。燃烧加热器采用可燃气体(如氢气)、氧气和空气的三组元燃烧加热方式，获得需要的气流总温和总压，并使得混合气体中氧气摩尔组分为21％。显然，如何保证每一种介质流量的精确控制，直接影响风洞流场品质，是保障风洞试验结果可靠性和准确性的一个重要因素。加热器供气系统属于高压输送，通常采用音速喷嘴的方法进行流量控制。传统的做法是将音速喷嘴直接固定内置在高压气体输送管道上，通过采集其上下游压力并结合工况条件来换算流量大小。该方法，结构简单、成本低廉、易于制造。但是，由于受管道内介质流动状态影响较大，测量精度较低；音速喷嘴不易更换，导致测量范围较窄，已难以满足高超声速风洞对于加热器供气系统介质供给能力高精度宽范围的需求。

发明内容

针对现有技术中存在的测量精度较低、测量范围窄等的技术问题，本发明的目的在于提供一种风洞试验用高压气体流量控制装置。

本发明采取的技术方案为：

一种风洞试验用高压气体流量控制装置，依次包括后过渡段、喷嘴转接段、稳流腔体、前过渡段，均采用304不锈钢材质制备。所述后过渡段的前端与下游压力管道连接，所述喷嘴转接段安装音速喷嘴，音速喷嘴的前后两端分别设置密封垫，通过螺母压帽将音速喷嘴与后过渡段卡紧，所述喷嘴转接段、稳流腔体和前过渡段依次连接，所述稳流腔体设置为前后带有扩张和收缩结构的中空圆筒结构，所述测压连接器和测温连接器焊接在稳流腔体上。

进一步的，所述后过渡段的端部与下游压力管道焊接，后过渡段与下游压力管道均采用304不锈钢材质制备；所述后过渡段与音速喷嘴出口连接，后过渡段的接口尺寸d1＝4d0，d0为最大音速喷嘴喉道尺寸，后过渡段的接口尺寸d1要大于音速喷嘴内流道出口尺寸，后过渡段和音速喷嘴连接的卡槽内径d2与音速喷嘴外径相当。

进一步的，所述音速喷嘴设置为直径为d2的圆柱体结构，音速喷嘴沿其中心轴线方向设置有喷腔，喷腔的内径沿着来流方向自前向后设置为渐缩式结构，喷腔的自由端部设置为喉道，喉道向外呈圆弧形过渡延伸，圆弧形过渡段对应的圆心角为90°，喉道内径设置为d0，喷腔的长度设置为d3，d3大于等于3倍d0。

进一步的，所述音速喷嘴通过密封垫分别与后过渡段、喷嘴转接段密封处，音速喷嘴增设有密封卡笋，后过渡段与喷嘴转接段相应位置设置密封卡槽，将密封垫卡紧在密封卡笋和密封卡槽之间。

更进一步的，所述密封卡笋的基部设置为圆柱体凸出结构，且其自由端部向外凸出设置锥形体凸起；所述密封卡槽的与密封卡笋相互对应设置为中空圆筒体的内凹结构，且其中部继续向内凹陷设置为中空锥形体凹槽度。

进一步的，所述音速喷嘴和螺母压帽均采用H68黄铜材质机加工制备而成，音速喷嘴两端加装聚四氟乙烯密封垫，密封垫厚度设置为1.5mm。

进一步的，所述音速喷嘴外壁设置有定位导轨，喷嘴转接段与定位导轨相互对应设置有定位槽，音速喷嘴通过定位导轨安装在喷嘴转接段的定位槽里。

定位导轨沿着音速喷嘴的外侧壁呈对称式向外凸出延伸设置为横截面呈三角形的凸棱，定位槽沿着喷嘴转接段的内侧壁呈对称式向内凹陷延伸设置为横截面呈三角形的凹槽。

进一步的，所述喷嘴转接段进口管道与上游压力管道通过成α角收缩段与稳流腔体焊接，所述的喷嘴转接段与音速喷嘴连接端内径设置为d4，d4大于4倍的音速喷嘴喉道内径d0。

进一步的，稳流腔体的内径设置为d5、长度设置为d6，，稳流腔体与上游压力管道通过成β角扩张段与前过渡段焊接，d5的长度大于5倍的音速喷嘴喉道内径d0，d6的长度大于5.5倍的音速喷嘴喉道内径d0。

进一步的，所述前过渡段进口管道内径设置为d7，前过渡段与上游压力管道设置相同，前过渡段通过成β角扩张段与稳流腔体焊接。

进一步的，所述测压连接器和测温连接器相互平行，采用球头密封方式垂直焊接在稳流腔体上，根据节流装置的气体流量关系式：

C为流出系数，D为音速喷嘴的喉道直径尺寸，P0为音速喷嘴的总压、T0为音速喷嘴的总温，根据上述公式，通过测量音速喷嘴总温和总压进而测量流量。

本发明的有益效果为：

(1)设置稳流腔体，前后带有扩张和收缩结构，降低了气流速度，使气流流场更加均匀，流动压力损失小，提高了气流总温和总压的测量精度；

(2)设计了密封卡笋和和定性导轨结构，提高了流量计安装精度，避免了因气流泄露导致的测量精度降低；

(3)设计了音速喷嘴可更换的流量控制装置，扩宽了测量范围；

(4)响应迅速，相比科式等质量流量计更适合于动态过程测量。

(5)本发明结构简单、加工方便，制造成本很低，易于实现。

附图说明

图1为本发明中一种风洞试验用高压气体流量控制装置示意图；

图2为本发明中音速喷嘴的示意图；

图3为本发明中带密封卡笋的音速喷嘴的结构示意图；

图4为本发明中密封卡笋和密封卡槽结构示意图；

图5为本发明中带定位导轨的音速喷嘴的结构示意图；

图6为本发明中用于流量控制装置标定的标定装置示意图；

其中，1、后过渡段；2、螺母压帽；3、密封垫；4、音速喷嘴；5、喷嘴转接段；6、测温连接器；7、测压连接器；8、稳流腔体；9、前过渡段；10、喷腔；11、密封卡笋；12、密封卡槽；13、定位导轨；14、压力罐；15、热电偶；16、压力传感器；17、真空泵；18、流量控制装置；19、控制系统。

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1所示，本实施例以连接管道为φ30，可安装最大喷嘴喉道φ6.5的风洞试验用高压气体流量控制装置为例，包括后过渡段1、螺母压帽2、音速喷嘴4、喷嘴转接段5、稳流腔体8、前过渡段9、密封垫3以及测压连接器7和测温连接器6，所述后过渡段1的前端与下游压力管道连接，所述喷嘴转接段5安装音速喷嘴4，音速喷嘴4的前后两端分别设置密封垫3，通过螺母压帽2将音速喷嘴4与后过渡段1卡紧，更为具体的是，所述螺母压帽2与喷嘴转接段5通过螺纹连接，将前过渡段9与音速喷嘴4卡紧；所述喷嘴转接段5、稳流腔体8和前过渡段9依次连接，所述测压连接器7和测温连接器6相互平行，垂直焊接在稳流腔体8上。

根据音速喷嘴4的气体压力、温度和流量关系式：

其中，C为流出系数，D为音速喷嘴4的喉道直径尺寸，P₀为音速喷嘴4的总压、T₀为音速喷嘴4的总温。可知，通过测量音速喷嘴4前的总温和总压进而计算得到流量，其为精确测量气体流量提供了思路，通过提高总温、总压的测量精度，进而得到准确的流量值。

在实施例1的基础上，本发明又一实施例，如图1所示，后过渡段1的端部与下游压力管道焊接，后过渡段1与下游压力管道均采用304不锈钢材质制备；所述后过渡段1与音速喷嘴4出口连接，后过渡段1的接口尺寸d1＝4d0，d0为最大音速喷嘴4喉道尺寸，后过渡段1的接口尺寸d1要大于音速喷嘴4内流道出口尺寸。具体的是，后过渡段1的接口尺寸d1为26mm要大于音速喷嘴4内流道出口尺寸10mm。该结构在不影响流场的情况下可以给卡笋设计留出足够的空间。

在实施例1的基础上，本发明又一实施例，如图1所示，后过渡段1和音速喷嘴4连接的卡槽内径d2与音速喷嘴4外径相当，更为具体的是，前过渡段9和音速喷嘴4连接的卡槽内径d2为30mm与音速喷嘴4外径一致，该结构可以将音速喷嘴4卡紧在喷嘴转接段5里，提高了密封性和测量精度。

在实施例1的基础上，本发明又一实施例，如图2所示，音速喷嘴4设置为直径为d2的圆柱体结构，音速喷嘴4沿其中心轴线方向设置有喷腔10，喷腔10的内径沿着来流方向自前向后设置为渐缩式结构，喷腔10的自由端部设置为喉道，喉道向外呈圆弧形过渡延伸，圆弧形过渡段对应的圆心角为90°，喉道内径最大设置为d0，喷腔10的长度设置为d3，d3大于等于3倍d0为20mm。这样设置的目的在于，可保证喉道处气流速度达到音速的形成。

更为具体的是，所述的音速喷嘴4直径d2设置为30mm的圆柱形，如图2所示。喉道d0最大可设置为6.5mm，长度d3设置为20mm大于等于3倍d0，为H68黄铜材质，易于加工，方便更换；硬度适中，不易磨损。

在实施例1的基础上，本发明又一实施例，如图2所示，音速喷嘴4通过密封垫3分别与后过渡段1、喷嘴转接段5密封处，音速喷嘴4增设有密封卡笋11，后过渡段1与喷嘴转接段5相应位置设置密封卡槽12，将密封垫3卡紧在密封卡笋11和密封卡槽12之间。该特殊结构可以将密封垫3卡紧在密封卡笋11结构处，加强了密封性，避免了高压气体泄露，提高了测量精度。

在实施例1的基础上，本发明又一实施例，如图3,4所示，本实施例在原卡笋结构上做了优化，所述密封卡笋11的基部设置为圆柱体凸出结构，且其自由端部向外凸出设置锥形体凸起(在音速喷嘴4原卡笋位置设置宽和长均为2mm的凸出结构+卡笋结构)；所述密封卡槽12的与密封卡笋11相互对应设置为中空圆筒体的内凹结构，且其中部继续向内凹陷设置为中空锥形体凹槽度。(同时后过渡段1、喷嘴转接段5相同位置设置宽和深均为2mm内凹结构+卡笋槽)；密封垫3设置为2mm宽，1.5mm厚的聚四氟乙烯密封圈，放入卡笋槽内，该特殊结构可以将密封圈压紧在卡笋槽里，避免了密封圈挤压变形导致高压气体泄露，提高了测量精度。

本发明又一实施例，如图1所示，所述螺母压帽2与喷嘴转接段5通过螺纹连接，将前过渡段9与音速喷嘴4压紧，所述音速喷嘴4和螺母压帽2采用H62黄铜材质制备而成。该结构设计可以防止与304不锈钢材质的喷嘴转接段5锁紧时出现螺纹粘连的情况，方便了更换音速喷嘴4时的拆装工作。

音速喷嘴4两端加装聚四氟乙烯密封垫3，密封垫3厚度设置为2mm。选取2mm的目的是有一定的压缩量便于密封，又不至于密封垫3过厚压不紧。

在实施例1的基础上，本发明又一实施例，如图5所示，音速喷嘴4外壁设置有定位导轨13，喷嘴转接段5与定位导轨13相互对应设置有定位槽，音速喷嘴4通过定位导轨13安装在喷嘴转接段5的定位槽里。

定位导轨13沿着音速喷嘴4的外侧壁呈对称式向外凸出延伸设置为横截面呈三角形的凸棱，定位槽沿着喷嘴转接段5的内侧壁呈对称式向内凹陷延伸设置为横截面呈三角形的凹槽。二者相互配合安装，避免了安装时音速喷嘴4与稳流腔体8不同心所造成不必要的误差数据。

在实施例1的基础上，本发明又一实施例，如图1所示，喷嘴转接段5进口管道与上游压力管道通过成α角收缩段与稳流腔体8焊接，更为具体的是，所述的喷嘴转接段5进口管道与上游压力管道通过成α角为45°的收缩段与稳流腔体8焊接，所述的喷嘴转接段5与音速喷嘴4连接端内径设置为d4，d4和为26mm，d4大于4倍的音速喷嘴4喉道内径d0，该结构可以使气体流场进一步均匀稳定。

在实施例1的基础上，本发明又一实施例，如图1所示，稳流腔体8设置为不锈钢中空圆筒结构，稳流腔体8的内径设置为d5、长度设置为d6，(更为具体的是，内径d5为66mm、长度d6为100mm)稳流腔体8与上游压力管道通过成β角扩张段与前过渡段9焊接，β角为38°，d5的长度大于5倍的音速喷嘴4喉道内径d0，d6的长度大于5.5倍的音速喷嘴4喉道内径d0。该结构设计可以使高压气体的流速迅速降低，并通过较长的稳流腔体8进行整流，测量温度与滞止温度、静压与总压之间的误差可以忽略不计，该结构设计在于简化了测量过程，但不影响测量精度。

在实施例1的基础上，本发明又一实施例，如图1所示，前过渡段9进口管道内径设置为d7，后过渡段1进口管道内径d7为30mm，前过渡段9与上游压力管道设置相同，前过渡段9通过成β角扩张段与稳流腔体8焊接。

如图6所示，压力罐14上设置有热电偶15和压力传感器16，压力罐14一端通过电磁阀和真空泵17连接；压力罐14另一端通过电磁阀和流量控制装置18连接，真空泵17和流量控制装置18分别和控制系统19连接，通过控制系统19分别控制真空泵17和流量控制装置18的启闭，通过热电偶15和压力传感器16分别检测压力罐14的温度和压力，下面是本发明确定度计算和标定结果。计算质量流量的不确定度，不确定的分解形式如下关系式：

其中，关系式C为定值；D为喉道直径，目前数控机床加工精度一般可达0.01mm；压力传感器16最大量程选取10MPa,准确度为±0.2％；T型热电偶15一般允许误差为±0.5℃。计算可得不确定度为0.57％。精度非常高，完全满足使用要求。另外，如图6所示，依据理想气体状态方程(即克拉珀龙状态方程)，试验人员制作标定设备对流量控制装置18进行标定：：

式中m和M分别为气体的质量和摩尔质量；p、V和T分别为气体的压力体积和热力学温度；R为普适气体常数。设置压力罐14容积1.5m³,压传量程10MPa、精度0.2％，T型热电偶15允许误差±0.5℃；流量控制装置18用压传量程10MPa、精度0.2％，T型热电偶15允许误差±0.5℃；分别对喷嘴喉道为1mm,5mm两种规格流量计进行充气600.0s各三组标定，结果如下：

两组数据误差分别为0.40％和0.47％，误差满足使用要求。

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 (10)

1.一种风洞试验用高压气体流量控制装置，其特征在于，依次包括后过渡段、喷嘴转接段、稳流腔体、前过渡段、测压连接器和测温连接器，所述后过渡段的前端与下游压力管道连接，所述喷嘴转接段安装音速喷嘴，音速喷嘴的前后两端分别设置密封垫，通过螺母压帽将音速喷嘴与后过渡段卡紧，所述喷嘴转接段、稳流腔体和前过渡段依次连接，所述稳流腔体设置为前后带有扩张和收缩结构的中空圆筒结构，所述测压连接器和测温连接器焊接在稳流腔体上。

2.根据权利要求1所述一种风洞试验用高压气体流量控制装置，其特征在于，所述后过渡段的端部与下游压力管道焊接；所述后过渡段与音速喷嘴出口连接，后过渡段的接口尺寸d1略大于音速喷嘴内流道出口尺寸，后过渡段和音速喷嘴连接的卡槽内径d2与音速喷嘴外径相当。

3.根据权利要求1所述一种风洞试验用高压气体流量控制装置，其特征在于，所述音速喷嘴设置为直径为d2的圆柱体结构，音速喷嘴沿其中心轴线方向设置有喷腔，喷腔的内径沿着来流方向自前向后设置为渐缩式结构，喷腔的自由端部设置为喉道，喉道向外呈圆弧形过渡延伸，喉道内径设置为d0，喷腔的长度设置为d3，d3大于3倍d0。

4.根据权利要求1-3任意一项所述一种风洞试验用高压气体流量控制装置，其特征在于，所述音速喷嘴通过密封垫分别与后过渡段、喷嘴转接段密封处，音速喷嘴增设有密封卡笋，后过渡段与喷嘴转接段相应位置设置密封卡槽，将密封垫卡紧在密封卡笋和密封卡槽之间。

5.根据权利要求4所述一种风洞试验用高压气体流量控制装置，其特征在于，所述音速喷嘴和螺母压帽均采用黄铜材质制备而成，音速喷嘴两端加装聚四氟乙烯密封垫，所述密封卡笋的基部设置为圆柱体凸出结构，且其自由端部向外凸出设置锥形体凸起；所述密封卡槽的与密封卡笋相互对应设置为中空圆筒体的内凹结构，且其中部继续向内凹陷设置为中空锥形体凹槽度。

6.根据权利要求1-3任意一项所述一种风洞试验用高压气体流量控制装置，其特征在于，所述音速喷嘴外壁设置有定位导轨，喷嘴转接段与定位导轨相互对应设置有定位槽，音速喷嘴通过定位导轨安装在喷嘴转接段的定位槽里。

7.根据权利要求1所述一种风洞试验用高压气体流量控制装置，其特征在于，所述喷嘴转接段进口管道与上游压力管道通过成α角收缩段与稳流腔体焊接，所述的喷嘴转接段与音速喷嘴连接端内径设置为d4，d4大于4倍的音速喷嘴喉道内径d0。

8.根据权利要求1所述一种风洞试验用高压气体流量控制装置，其特征在于，所述稳流腔体的内径设置为d5、长度设置为d6，稳流腔体与上游压力管道通过成β角扩张段与前过渡段焊接，d5的长度大于5倍的音速喷嘴喉道内径d0，d6的长度大于5.5倍的音速喷嘴喉道内径d0。

9.根据权利要求1所述一种风洞试验用高压气体流量控制装置，其特征在于，所述前过渡段进口管道内径设置为d7，前过渡段与上游压力管道设置相同，前过渡段通过成β角扩张段与稳流腔体焊接。

10.根据权利要求1所述一种风洞试验用高压气体流量控制装置，其特征在于，所述测压连接器和测温连接器相互平行，采用球头密封方式垂直焊接在稳流腔体上，根据节流装置的气体流量关系式：

C为流出系数，D为音速喷嘴的喉道直径尺寸，P₀为音速喷嘴的总压、T₀为音速喷嘴的总温，根据上述公式，通过测量音速喷嘴总温和总压进而测量流量。

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