CN114282326B - 一种用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高超声速风洞设备设计技术领域，公开了一种用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法。该结构设计方法包括以下步骤：气动分段设计，结构分段设计，加工分段设计，各段力学分析，各段材料选择，各段加工精度、同轴度、阶差、粗糙度和缝隙精度指标、各段冷却方式和喷管与试验段密封连接。该结构设计方法是一种能够确保高超声速风洞轴对称喷管达到国军标中高超声速风洞喷管速度场品质要求的结构设计方法；能够减少设计、加工过程的风险。该结构设计方法已经在Ф0.5m量级、Ф1m量级和Ф2m量级的高超声速风洞轴对称喷管设计中得到应用，获得的喷管速度场均匀区内的最大马赫数偏差均小于1%，满足国军标的要求。

Description

一种用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法

技术领域

本发明属于高超声速风洞设备设计技术领域，具体涉及一种用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法。

背景技术

高超声速风洞马赫数范围一般为马赫数3~马赫数10。高超声速风洞是高超声速飞行器研制和空气动力学研究的地面模拟试验设备，轴对称型面喷管是高超声速风洞的一个核心部件，是保证获得一定马赫数，一定均匀度气流的重要部件。高超声速风洞来流经过稳定段整流稳定后，进入收缩段，气流由亚声速逐渐加速到声速，而后从喉道开始，气流通过膨胀加速，在喷管出口达到给定的马赫数。给定一定的面积比，喷管出口只能得到相应的马赫数气流，而喷管的型线形状则是保证在喷管出口获得合乎试验要求的平行气流。

喷管设计的好坏对高超声速风洞气流品质起决定性作用。喷管气动设计的总体技术要求包括喷管出口气流是否达到设计马赫数、喷管出口气流马赫数是否分布均匀、喷管出口气流方向是否与风洞轴线平行。喷管速度场品质性能直接决定了风洞的流场性能，直接关系到飞行器试验数据的精度和准度，从而关系到飞行器的飞行性能和飞行安全。高超声速风洞轴对称喷管速度场品质要达到国军标GJB1179和GJB4399对喷管速度场指标要求，即在均匀区内最大马赫数偏差小于等于1%。

一套高超声速风洞轴对称型面喷管一般长度很长，无法进行整体加工，需要对喷管进行分段设计和加工，然后组装成一整套喷管。型面喷管的设计主要包括型面喷管的气动设计和型面喷管的结构设计。型面喷管的气动设计将喷管划分为收缩段、初始膨胀段、平行流段三部分。型面喷管的结构设计通常将喷管划分为两大部分，一部分称为喷管喉道段，另一部分称为喷管扩散段。

型面喷管的结构设计主要是解决气动性能、加工工艺性、经济性和使用性四者之间的矛盾。型面喷管的结构设计首先要保证轴对称喷管气动设计的型面通过制造得以实现，其次结构设计要满足工艺能够实现，同时降低制造成本和制造难度，再者还要满足喷管长期频繁使用不变形。因此，型面喷管的结构设计的总体技术要求包括喷管满足长寿命频繁使用、喷管强度和刚度可靠、喷管各段连接处接缝缝隙小于0.1mm、喷管各段连接处无逆向台阶并且顺向台阶小于0.05mm、喷管密封性能良好、喷管加工的型面坐标精度高、粗糙度接近镜面等。型面喷管的结构设计质量对喷管速度场性能有很大的影响。

高超声速风洞喷管加工难度大，造价成本高，加工周期较长，因此需要发展一种用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法，以确保喷管速度场性能指标得以实现，为后续制定喷管制造工艺提供依据，通过合理的制造工艺路线与控制策略达到喷管结构设计与制造技术的指标要求，同时通过结构优化设计降低喷管制造成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法，目的是通过该结构设计方法，使得高超声速风洞轴对称型面喷管具有良好的速度场品质性能，减少设计、加工过程的风险，降低高超声速风洞轴对称喷管制造成本。

如图7所示，本发明的用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法，包括以下步骤：

S10.气动分段设计

气动上将喷管分为亚音速收缩段、初始膨胀段、平行流段；亚音速收缩段的位置区域为OA段即喷管入口O至最小直径即喷管喉道A处，作用是均匀加速气流，气流沿收缩段壁面曲线流动时，流速单调增加，沿壁面不分离，在喷管喉道A处达到音速，同时改善气流的脉动程度，实现喷管喉道A处气流均匀且稳定；初始膨胀段的位置区域为AB段，作用是使喷管喉道A处的音速气流加速到设计马赫数，并将气流矫直成平行流；平行流段的位置区域为BC段，气流与喷管轴线平行，保持设计马赫数，且每个截面马赫数分布均匀。

S20.结构分段设计

结构上将喷管分为喷管喉道段与喷管扩散段，喷管喉道段包括气动分段上划分的亚音速收缩段以及初始膨胀段，喷管扩散段包含气动分段上划分的平行流段；令喷管入口直径为Dr、喷管出口直径为Dc、喷管总长度为L，从喷管入口O起算，喷管喉道段长度为Dr+0.5Dc；喷管扩散段长度为L-(Dr+0.5Dc)。

S30.加工分段设计

加工上将喷管喉道段分为两段，喷管喉道段中的亚音速收缩段不分段，在初始膨胀段上进行分段，即亚音速收缩段以及部分初始膨胀段作为喷管喉道段的第一段，剩余的初始膨胀段作为喷管喉道段的第二段；

加工上将喷管扩散段分为4段~8段，每段的长度范围为用于加工喷管扩散段的数控立式机床有效行程的75%~85%。

S40.各段力学分析

喷管喉道段强度设计参考正压容器，按照GB150压力容器设计规范进行；喷管扩散段强度设计参考负压容器，按照GB150压力容器设计规范进行；

考虑刚度和喷管型面加工精度需求，喷管喉道段采用锻件制作，不进行刚度设计校核；

考虑刚度、加工难度和经济性需求，喷管扩散段的锥筒采用板材巻制方法，利用卷焊结构件制作，喷管扩散段两端的法兰采用带径锻件毛胚加工，两端的法兰与锥筒组焊后沿喷管扩散段的轴向设置加强环，加强环之间的间隔不大于500mm，在加强环与法兰之间、加强环之间沿锥筒母线上均布加强筋，加强筋数量为偶数；喷管扩散段进行刚度设计校核；

采用有限元分析方法，进行喷管整体的结构强度与刚度分析，要求喷管最大径向变形量小于0.06mm，如果不满足要求，重复迭代进行力学分析设计，通过增加喷管喉道段和喷管扩散段的壁厚，或者加密喷管扩散段的加强筋和加强环的方式降低变形量。

S50.各段材料选择

喷管马赫数范围为马赫数3~马赫数6时，喷管喉道段采用马氏体不锈钢12Cr13或奥氏体不锈钢锻件，喷管扩散段的锥筒采用马氏体不锈钢12Cr13或奥氏体不锈钢板材巻制；

喷管马赫数为马赫数7、马赫数8时，喷管喉道段选用马氏体不锈钢12Cr13或者性能和价格相近的奥氏体不锈钢；喷管扩散段的锥筒采用马氏体不锈钢12Cr13或奥氏体不锈钢板材巻制；

喷管马赫数为马赫数9、马赫数10时，喷管喉道段需要进行强制水冷，喷管喉道段由内壳和外壳两层嵌套而成，内壳采用铬锆铜、316L或者Cr25Ni20锻件加工而成，外层为不锈钢；喷管扩散段的锥筒采用马氏体不锈钢12Cr13或者奥氏体不锈钢板材巻制；

当喷管扩散段的锥筒的小头入口尺寸直径小于Ф300mm时，采用马氏体或奥氏体不锈钢锻件制作。

S60.各段加工精度、同轴度、阶差、粗糙度和缝隙精度指标

S61.各段加工精度指标

喷管各段的内型面坐标加工精度要求为半径最大加工偏差在±0.03mm以内，并且每100mm之内的最大与最小偏差之和小于0.06mm；喷管各段配合面的加工精度等级为IT6级及以上；

S62.各段同轴度指标

同轴度指标为：Ф0.5m量级口径的喷管同轴度优于Ф0.1mm，Ф1m量级口径的喷管同轴度优于Ф0.25mm，Ф2m量级口径的喷管同轴度优于Ф0.5mm；

控制方法为：喷管各分段的法兰之间采用轴向端面凹凸台配合连接，凹凸台配合定位长度大于10mm，喷管各分段的法兰之间通过定位销钉定位，凹凸台和定位销钉均采用H8/k7过渡配合；

S63.各段阶差指标

消除各分段之间的逆向台阶，控制各分段无逆向台阶，顺向台阶小于0.06mm；

控制方法为控制喷管各分段的出入口尺寸：前一段喷管部段出口位置处直径在型面理论直径尺寸Dq的基础上减0.06mm，即前一段喷管部段出口位置处直径的加工尺寸取Dq-0.06mm，后一段喷管部段入口位置处直径在型面理论直径尺寸Dh的基础上加0.06mm，即后一段喷管部段入口位置处直径的加工尺寸取Dh+0.06mm；

S64.各段粗糙度指标

喷管喉道段粗糙度优于0.8μm，喷管扩散段粗糙度优于1.6μm；

S65.各段缝隙精度指标

喷管各分段的接缝缝隙小于0.1mm；

控制方法为：喷管各分段的凹凸台的配合面即接口端面设置密封槽，在喷管喉道段的凹凸台上设置两道密封槽，喷管扩散段的凹凸台上设置一道密封槽；密封槽内安装“O”型密封圈，密封槽的截面面积Ac大于“O”型密封圈的截面面积Aq，即Ac＞Aq；密封槽的深度h取“O”型密封圈直径Dm的0.7~0.75倍；“O”型密封圈材料为氟橡胶。

S70.各段冷却方式

喷管马赫数范围为马赫数3~马赫数6时，不进行喷管冷却；

喷管马赫数为马赫数7、马赫数8时，喷管喉道段外增加冷却水套，冷却水套内采用0.2MPa~0.6MPa的冷却水进行循环冷却，喷管扩散段不进行喷管冷却；

喷管马赫数为马赫数9、马赫数10时，喷管喉道段的内壳加工水道，水道内采用1.6MPa~2.5MPa的冷却水进行循环冷却，喷管扩散段外增加冷却水套，冷却水套内采用0.2MPa~0.6MPa的冷却水进行循环冷却。

S80.喷管与试验段密封连接方式选择

喷管的后端与试验段采用密封连接，通过轴向充气密封结构或波纹管，屏蔽喷管的气流振动，避免喷管的气流振动传递到试验段内，降低喷管的气流振动对试验数据精准度的影响。

本发明的用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法根据喷管内型面气动设计原理，合理划分喷管结构分段位置，尽量减少在关键部位分段；根据高超声速风洞运行时沿喷管轴线方向喷管内部压力和温度变化分布规律，合理确定喷管各段的力学分析方法，提高喷管使用过程中的变形控制；合理选择喷管制造材料，降低制造成本；喷管各段之间采取定位结构设计，提高喷管同轴度控制精度；控制喷管各段出入口尺寸，消除逆向台阶，顺向台阶满足设计要求；合理设计喷管各段密封槽位置、密封槽截面尺寸、密封材料的压缩率，确保喷管密封性能，消除对接后接缝缝隙；合理确定喷管冷却结构与冷却方式，消除热对材料、喷管变形的影响；合理确定加工等级与公差控制要求，提高同轴度和粗糙度精度，提高对接处接差与缝隙精度。

本发明的用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法具有以下优点：

1.采用本发明方法中的喷管分段方法，能够降低因分段连接位置的缝隙和阶差原因产生的激波扰动与汇聚对喷管速度场性能的影响；

2.采用本发明方法中的材料选择原则，能够降低加工难度和制造成本，更好的保证加工与装配精度满足技术要求；

3.采用本发明方法中的喷管强度与刚度计算方法，能够在满足设计要求的前提下，降低喷管重量，节约原材料；

4.采用本发明方法中的定位方法，能够保证喷管装配后的同轴度精度，确保喷管长期使用时在运行振动、冲击等影响下，不会出现接口错位，出现台阶；

5.采用本发明方法中的各段出入口尺寸控制方法，能够避免接口出现逆向台阶，造成喷管速度场性能不达标；

6.采用本发明方法中的密封槽结构设计方法，能够在保证密封的前提下，减小接口位置的内部对接缝隙；

7.采用本发明方法中的喷管加工精度指标，能够更好的实现加工后喷管内型面与理论型面的吻合度，实现喷管良好的速度场指标性能。

本发明的用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法，是一种能够确保高超声速风洞轴对称喷管达到国军标中高超声速风洞喷管速度场品质要求的结构设计方法；能够减少设计、加工过程的风险；能够实现所加工的高超声速风洞轴对称喷管的内型面与理论型面基本吻合，结构强度和刚度满足设计要求，喷管变形量小；能够实现喷管各段之间的连接缝隙、阶差达到设计要求；通过合理的材料选择，降低了制造难度和制造成本，确保内型面加工精度和粗糙度满足要求。

本发明的用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法已经在Ф0.5m量级、Ф1m量级和Ф2m量级的高超声速风洞轴对称喷管设计中得到应用，获得的喷管速度场均匀区内的最大马赫数偏差均小于1%，满足国军标的要求。

附图说明

图1为本发明的用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法中的气动分段图；

图2为本发明的用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法中的结构分段图；

图3为本发明的用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法中的凹凸台结构和密封槽位置示意图；

图4为本发明的用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法中的定位销钉位置示意图；

图5为喷管马赫数为马赫数7、马赫数8时采用的水冷结构；

图6为喷管马赫数为马赫数9、马赫数10时采用的水冷结构；

图7为本发明的用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法的流程图。

图中，1.亚音速收缩段；2.初始膨胀段；3.平行流段；4.喷管喉道段；5.喷管扩散段；6.凹凸台；7.定位销钉；8.密封槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

实施例1

本实施例的用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法根据喷管内型面气动设计原理，合理划分喷管结构分段位置，尽量减少在关键部位分段。

如图1所示，喷管在进行气动设计时一般分为亚音速收缩段1、初始膨胀段2、平行流段3三大部分。亚音速收缩段1的位置区域为OA段即喷管入口O至最小直径的喷管喉道A处，其作用是均匀加速气流，使气流沿收缩段壁面曲线流动时，流速单调增加，在壁面上避免分离，气流在出口处达到音速气流，同时改善气流的脉动程度，实现喷管喉道A处气流均匀且稳定。初始膨胀段2的位置区域为AB段，其作用是使喉道处的音速气流加速到设计马赫数，并将气流矫直成平行流；平行流段3的区域位置为BC段，在此区域内气流与喷管轴线平行，马赫数达到设计值，并且每个截面马赫数分布均匀。

一付完整的喷管一般长度很长，无法进行整体加工，需要对喷管进行分段设计与加工，最后组装为一整套喷管。如图2所示，高超声速风洞轴对称型面喷管在结构上划分为喷管喉道段4和喷管扩散段5两种部段类型。喷管喉道段4包括气动设计上划分的亚音速收缩段1以及初始膨胀段2，喷管扩散段5包含气动设计上划分的平行流段3。

轴对称型面喷管喉道段4与喷管扩散段5按照以下原则进行分界，设喷管入口直径为Dr，喷管出口直径为Dc，喷管总长度为L，从喷管入口O起算，喷管喉道段4长度为Dr+0.5Dc；喷管扩散段5长度为L-(Dr+0.5Dc)。

喷管喉道段4是喷管最重要的部分，如果在制造过程中型面数据精度得不到保证，喉道段4分段过多，对接后有台阶和缝隙，会导致速度梯度不连续，从而造成整个喷管速度场不均匀。喷管喉道段4与喷管扩散段5分段数量立足数控车床的加工能力和经济性。喷管喉道段4一般分为两段，喷管喉道段4中的亚音速收缩段1部分不分段，在初始膨胀段2适当位置分段，即将亚音速收缩段1以及部分初始膨胀段2作为喷管喉道段4的第一段，剩余初始膨胀2段作为喷管喉道段4的第二段，分段目的是便于喷管喉道最小位置处内型面加工。喷管扩散段5可分为多段，按照数控立式机床有效行程的80%左右确定分段长度来保证加工精度。

根据高超声速风洞运行时沿喷管轴线方向喷管内部压力和温度变化分布规律，合理确定喷管各段的力学分析方法，提高喷管使用过程中的变形控制。风洞压力运行范围大部分集中在0.1~12.0MPa之间，在风洞吹风过程中，沿喷管轴线方向内部压力、温度变化较大。以马赫数8喷管为例，马赫数8喷管最高运行压力为8.0MPa，在距离喷管入口约1m左右以后，内部静压力小于0.1MPa。因此喷管各分段的力学分析分两部分，喷管喉道段4部分按照正压进行强度设计，喷管扩散段5部分按照负压进行刚度设计。

喷管喉道段4强度设计按照正压容器设计，参照GB150压力容器设计规范进行。喷管扩散段5强度设计按照负压容器设计方法进行，参照GB150压力容器设计规范进行。

刚度的定义是部件在外力作用下保持原来形状的能力，喷管喉道段4部分一般采用锻件制作，材料性能较好，喷管喉道段4壁厚余量较大，使用过程中变形较小，对于喷管喉道段4部分可以不进行刚度设计校核；对于喷管扩散段5，其结构尺寸决定于刚度，喷管扩散段5一般是卷焊结构件，壁厚余量不大，容易产生变形，喷管扩散段5一般分段长度较长，要进行刚度校核。

喷管扩散段5能够通过增加圆筒的壁厚或减小分段长度均提高稳定性，增加壁厚方式会增加喷管造价，同时造成喷管扩散段5巻制的难度，因此采用在外部设置加强圈来减少相对长度的方式使最有效的方法。喷管扩散段5采用板材巻制组装焊接结构时，两端法兰采用带径锻件毛胚，锥筒采用板材巻制，两端法兰与锥筒组焊后沿轴向设置加强环，加强环之间的间隔不大于500mm，在加强环与法兰之间、加强环之间沿锥筒母线上均布加强筋，加强筋数量为2的倍数。

通过上述工程计算方法完成喷管结构设计后，采用有限元分析方法，进行喷管力学分析，包括喷管整体的结构强度与刚度分析，要求喷管最大径向变形要小于0.06mm，如果不满足要求，需要通过增加壁厚或加密加强筋和加强环的方式降低变形量。

合理选择喷管制造材料能够降低制造成本。根据喷管运行时内部压力和温度沿喷管轴线长度方向上的变化规律，合理选择喷管每段的材料类型，在确保喷管强度和刚度要求满足设计指标的情况下，降低喷管内型面加工精度和粗糙度指标实现的难度，同时降低制造成本。

喷管喉道段4根据设计温度指标确定材料类型；喷管喉道段4需要承受高压力、高温度，喷管喉道段4采用马氏体或奥氏体不锈钢锻件制作，喷管喉道段4材料选取考虑承受温度、材料屈服应力、抗氧化性能、抗腐蚀能力，加工性能良好。喷管扩散段5承载的压力和温度低，喷管扩散段5材料选取除考虑抗腐蚀能力和经济性外，还要具有良好的卷制、焊接、加工性能，一般采用马氏体或奥氏体不锈钢板材巻制制作，外加加强环与加强筋焊接组对制作方式。

喷管马赫数小于等于8时，喷管喉道段4选用12Cr13等马氏体不锈钢或性能和价格类似的奥氏体不锈钢；喷管马赫数大于8小于等于10时，喷管喉道段4需要进行强制水冷，喷管喉道段4采用两种不同材料的内壳和外层两层嵌套而成，内壳和外层通过装配结构或焊接方式组合，内壳采用高温合金锻件，材料为铬锆铜、316L或Cr25Ni20，外壳采用不锈钢作为水冷结构材料；喷管扩散段5材料可选用12Cr13等马氏体不锈钢或性能类似的奥氏体不锈钢板材巻制制作。

喷管扩散段5材料毛胚结构为大小头锥筒结构。喷管扩散段5分成多段后，当小头入口尺寸直径小于Ф300mm时，采用锻件制作；当小头入口尺寸直径大于Ф300mm时可采用板材巻制。

通过在喷管各分段之间采取定位结构，提高喷管同轴度控制精度。如图3所示，喷管定位一般采用轴向端面凹凸台6定位，采用过渡配合H8/k7，凹凸台6配合定位长度一般要大于10mm。如图4所示，在喷管每对连接法兰上设计定位销钉7定位，每个连接部位定位销钉7设置两个，采用过渡配合H8/k7。

通过控制喷管每段出入口尺寸，消除逆向台阶，顺向台阶满足设计要求。具体方法为：前一段喷管部段出口位置处直径在型面理论直径尺寸Dq的基础上减0.06mm，即前一段喷管部段出口位置处直径的加工尺寸取Dq-0.06mm，后一段喷管部段入口位置处直径在型面理论直径尺寸Dh的基础上加0.06mm，即后一段喷管部段入口位置处直径的加工尺寸取Dh+0.06mm。

通过合理设计喷管各段密封槽8位置、密封槽8截面尺寸、密封材料的压缩率，确保喷管密封性能，消除对接后接缝缝隙。沿喷管轴线方向，气流压力有很大的变化，喷管喉道段4的压力较高，向下游逐渐减小。喷管的密封是一个很重要的问题，如果漏气，前部的高压气流冲出喷管外，或外部空气进入喷管内部，这样的气流扰动相当于型面的局部下陷或突起，破坏了喷管的外形形状，影响了喷管的设计波系，因而影响了气流的均匀度。

通过选取密封材料解决密封可靠问题，喷管各段密封材料一般选用氟橡胶即可满足要求，喷管喉道段4连接处设置两道密封，喷管扩散段5连接处设置一道密封，密封位置可设在凹凸台6配合面的外侧；减小连接缝隙主要通过密封槽8结构尺寸、密封材料可压缩性能，可采用O型密封圈，密封槽8的截面面积设定为Ac要大于O型密封圈的截面面积设定为Aq，即Ac＞Aq；密封槽8的深度h取O型密封圈直径Dm的0.7~0.75倍。

通过合理确定喷管冷却结构与冷却方式，消除热对材料、喷管变形的影响。喷管马赫数范围为马赫数3~马赫数6时，喷管结构设计时可不考虑冷却。如图5所示，喷管马赫数为马赫数7、马赫数8时，仅需要在喷管喉道段4增加冷却水套，采用低压力一般压力取0.2~0.6MPa的冷却水循环冷却即可，喷管扩散段5可不冷却。如图6所示，喷管马赫数为马赫数9、马赫数10时，需要对喷管喉道段4采取强制冷却，喷管喉道段4内壳选用导热系数高的材料制作，内壳上加工水道，内壳、外壳紧密配合，冷却水压力一般大于1.6~2.5MPa之间；喷管扩散段5可采用低压力一般压力取0.2~0.6MPa的冷却水循环冷却即可，喷管扩散段5外加冷却水套。

通过合理确定加工等级与公差控制要求，提高同轴度和粗糙度精度，提高对接处接差与缝隙精度。

喷管内型面坐标加工精度半径最大加工偏差要求在±0.03mm以内，并且每100mm之内的最大与最小偏差之和小于0.06mm。

喷管组装后同轴度精度要求，Ф0.5m量级口径的喷管同轴度优于Ф0.1mm，Ф1m量级口径的喷管同轴度优于Ф0.25mm，Ф2m量级口径的喷管同轴度优于Ф0.5mm。

喷管各段的粗糙度要求为喉道段优于0.8μm，扩散段优于1.6μm。

喷管各段连接处的缝隙要求小于0.1mm。

喷管各段连接处的接差要求无逆向台阶，顺向台阶小于0.06mm。

喷管各段配合面的加工精度等级IT6级及以上。

喷管与后端试验段的连接密封方式，采用轴向充气密封结构或波纹管，屏蔽气流振动传递到试验段内，降低气流振动对试验数据精准度的影响。

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技术领域。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，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (1)

1.一种用于高超声速风洞轴对称喷管的结构设计方法，其特征在于，包括以下设计步骤：

S10.气动分段设计；

气动上将喷管分为亚音速收缩段（1）、初始膨胀段（2）、平行流段（3）；亚音速收缩段（1）的位置区域为OA段即喷管入口O至最小直径即喷管喉道A处，作用是均匀加速气流，气流沿收缩段壁面曲线流动时，流速单调增加，沿壁面不分离，在喷管喉道A处达到音速，同时改善气流的脉动程度，实现喷管喉道A处气流均匀且稳定；初始膨胀段（2）的位置区域为AB段，作用是使喷管喉道A处的音速气流加速到设计马赫数，并将气流矫直成平行流；平行流段（3）的位置区域为BC段，气流与喷管轴线平行，保持设计马赫数，且每个截面马赫数分布均匀；

S20.结构分段设计；

结构上将喷管分为喷管喉道段（4）与喷管扩散段（5），喷管喉道段（4）包括气动分段上划分的亚音速收缩段（1）以及初始膨胀段（2），喷管扩散段（5）包含气动分段上划分的平行流段（3）；令喷管入口直径为Dr、喷管出口直径为Dc、喷管总长度为L，从喷管入口O起算，喷管喉道段（4）长度为Dr+0.5Dc；喷管扩散段（5）长度为L-(Dr+0.5Dc)；

S30.加工分段设计；

加工上将喷管喉道段（4）分为两段，喷管喉道段（4）中的亚音速收缩段（1）不分段，在初始膨胀段（2）上进行分段，即亚音速收缩段（1）以及部分初始膨胀段（2）作为喷管喉道段（4）的第一段，剩余的初始膨胀段（2）作为喷管喉道段（4）的第二段；

加工上将喷管扩散段（5）分为4段~8段，每段的长度范围为用于加工喷管扩散段（5）的数控立式机床有效行程的75%~85%；

S40.各段力学分析；

喷管喉道段（4）强度设计参考正压容器，按照GB150压力容器设计规范进行；喷管扩散段（5）强度设计参考负压容器，按照GB150压力容器设计规范进行；

考虑刚度和喷管型面加工精度需求，喷管喉道段（4）采用锻件制作，不进行刚度设计校核；

考虑刚度、加工难度和经济性需求，喷管扩散段（5）的锥筒采用板材巻制方法，利用卷焊结构件制作，喷管扩散段（5）两端的法兰采用带径锻件毛胚加工，两端的法兰与锥筒组焊后沿喷管扩散段（5）的轴向设置加强环，加强环之间的间隔不大于500mm，在加强环与法兰之间、加强环之间沿锥筒母线上均布加强筋，加强筋数量为偶数；喷管扩散段（5）进行刚度设计校核；

采用有限元分析方法，进行喷管整体的结构强度与刚度分析，要求喷管最大径向变形量小于0.06mm，如果不满足要求，重复迭代进行力学分析设计，通过增加喷管喉道段（4）和喷管扩散段（5）的壁厚，或者加密喷管扩散段（5）的加强筋和加强环的方式降低变形量；

S50.各段材料选择；

喷管马赫数范围为马赫数3~马赫数6时，喷管喉道段（4）采用马氏体不锈钢12Cr13或奥氏体不锈钢锻件，喷管扩散段（5）的锥筒采用马氏体不锈钢12Cr13或奥氏体不锈钢板材巻制；

喷管马赫数为马赫数7、马赫数8时，喷管喉道段（4）选用马氏体不锈钢12Cr13或者性能和价格相近的奥氏体不锈钢；喷管扩散段（5）的锥筒采用马氏体不锈钢12Cr13或奥氏体不锈钢板材巻制；

喷管马赫数为马赫数9、马赫数10时，喷管喉道段（4）需要进行强制水冷，喷管喉道段（4）由内壳和外壳两层嵌套而成，内壳采用铬锆铜、316L或者Cr25Ni20锻件加工而成，外层为不锈钢；喷管扩散段（5）的锥筒采用马氏体不锈钢12Cr13或者奥氏体不锈钢板材巻制；

当喷管扩散段（5）的锥筒的小头入口尺寸直径小于Ф300mm时，采用马氏体或奥氏体不锈钢锻件制作；

S60.各段加工精度、同轴度、阶差、粗糙度和缝隙精度指标；

S61.各段加工精度指标

喷管各段的内型面坐标加工精度要求为半径最大加工偏差在±0.03mm以内，并且每100mm之内的最大与最小偏差之和小于0.06mm；喷管各段配合面的加工精度等级为IT6级及以上；

S62.各段同轴度指标

同轴度指标为：Ф0.5m量级口径的喷管同轴度优于Ф0.1mm，Ф1m量级口径的喷管同轴度优于Ф0.25mm，Ф2m量级口径的喷管同轴度优于Ф0.5mm；

控制方法为：喷管各分段的法兰之间采用轴向端面凹凸台（6）配合连接，凹凸台（6）配合定位长度大于10mm，喷管各分段的法兰之间通过定位销钉（7）定位，凹凸台（6）和定位销钉（7）均采用H8/k7过渡配合；

S63.各段阶差指标

消除各分段之间的逆向台阶，控制各分段无逆向台阶，顺向台阶小于0.06mm；

控制方法为控制喷管各分段的出入口尺寸：前一段喷管部段出口位置处直径在型面理论直径尺寸Dq的基础上减0.06mm，即前一段喷管部段出口位置处直径的加工尺寸取Dq-0.06mm，后一段喷管部段入口位置处直径在型面理论直径尺寸Dh的基础上加0.06mm，即后一段喷管部段入口位置处直径的加工尺寸取Dh+0.06mm；

S64.各段粗糙度指标

喷管喉道段（4）粗糙度优于0.8μm，喷管扩散段（5）粗糙度优于1.6μm；

S65.各段缝隙精度指标

喷管各分段的接缝缝隙小于0.1mm；

控制方法为：喷管各分段的凹凸台（6）的配合面即接口端面设置密封槽（8），在喷管喉道段（4）的凹凸台（6）上设置两道密封槽（8），喷管扩散段（5）的凹凸台（6）上设置一道密封槽（8）；密封槽（8）内安装“O”型密封圈，密封槽（8）的截面面积Ac大于“O”型密封圈的截面面积Aq，即Ac＞Aq；密封槽（8）的深度h取“O”型密封圈直径Dm的0.7~0.75倍；“O”型密封圈材料为氟橡胶；

S70.各段冷却方式选择；

喷管马赫数范围为马赫数3~马赫数6时，不进行喷管冷却；

喷管马赫数为马赫数7、马赫数8时，喷管喉道段（4）外增加冷却水套，冷却水套内采用0.2MPa~0.6MPa的冷却水进行循环冷却，喷管扩散段（5）不进行喷管冷却；

喷管马赫数为马赫数9、马赫数10时，喷管喉道段（4）的内壳加工水道，水道内采用1.6MPa~2.5MPa的冷却水进行循环冷却，喷管扩散段（5）外增加冷却水套，冷却水套内采用0.2MPa~0.6MPa的冷却水进行循环冷却；

S80.喷管与试验段密封连接方式选择；

喷管的后端与试验段采用密封连接，通过轴向充气密封结构或波纹管，屏蔽喷管的气流振动，避免喷管的气流振动传递到试验段内，降低喷管的气流振动对试验数据精准度的影响。

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