CN115266013B - 用于大流量高温高压高速气体环境的内衬筒及安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高超声速风洞试验设备领域，公开了一种用于大流量高温高压高速气体环境的内衬筒及安装方法。该内衬筒包括从下至上顺序安装的下锥段、支撑装置、筒体段和上锥段，各段壁厚相等、中心轴线重合；内衬筒各段连接处采用插接安装，连接处相互重叠，预留竖直方向的热膨胀空间，内衬筒内壁面均为顺向台阶，安装后没有缝隙，气流扰动小，无热应力集中处，避免隔热层中的渣滓被吸出污染试验气流，以及热应力带来的损坏。该安装方法从下至上依次安装支撑腿、下锥段、支撑环、筒体段和上锥段。该内衬筒及安装方法能够适应2米量级大型高超声速风洞试验气流加热需求，具有工程实用性。

Description

用于大流量高温高压高速气体环境的内衬筒及安装方法

技术领域

本发明属于高超声速风洞试验设备领域，具体涉及一种用于大流量高温高压高速气体环境的内衬筒及安装方法。

背景技术

在用空气作试验介质的常规高超声速风洞中，由于气流流速极高，达到马赫数5至10，气流经喷管剧烈膨胀后，气流中的水蒸汽和二氧化碳发生凝结，造成流场的不均匀性，使得试验数据不准确，这在高超声速风洞气动试验中是不允许的。因此，在以空气为介质的常规高超声速风洞中需要设置蓄热式加热器，将气流加热到所需要的防冷凝温度。

蓄热式加热器工作原理是利用金属电热元件作为发热体，以传导或者辐射方式将金属蓄热元件加热到要求的温度，之后冷气从蓄热式加热器下端进入，与金属蓄热元件间进行紊流换热，将气流加热到所需要的防冷凝温度，热气从蓄热式加热器上端流出，在风洞试验段形成超音速流场。

蓄热式加热器由压力容器、电热元件和蓄热元件组成。压力容器的结构见图1，压力容器由承压壳体、隔热层和内衬筒组成。内衬筒的作用是形成气动内流道并隔离内部气流与隔热层，内衬筒为薄壁结构，壁厚通常为5mm~10mm。由于内衬筒长期在大流量、高温、高压、真空抽吸、高压冲刷的恶劣工况下工作，为了确保内衬筒对隔热层的隔离效果，要求内衬筒内表面不能有可见缝隙，通常采用整体内衬筒结构和环向支撑方式，即在内衬筒组焊成整体内衬筒的基础上，在承压壳体不同高度位置从上至下设置串列排列的若干个环向固定支撑装置进行支撑。

为了满足2米量级大型高超声速风洞试验对气流的加热需求，蓄热式加热器总高度大于17m，内衬筒内径大于Φ2500mm，总重量超过5吨，内衬筒最高工作温度1373K，运行压力范围为10Mpa~12MPa，最大气流量大于650kg/s。如果采用整体内衬筒结构和环向支撑方式会存在以下问题：

1.在1373K工况下，内衬筒热膨胀后的伸长长度超过300mm，受到与蓄热式加热器的进气口、出气口连接的其他设备限制，内衬筒无法自由地向上向下伸展，会产生较大的热应力，对承压壳体和内衬筒造成破坏。

2.环向固定支持装置与内衬筒膨胀移动方向垂直，会限制整个内衬筒自由热胀冷缩，同时环向固定支持装置与内衬筒之间产生热应力，导致环向固定支持装置和内衬筒损坏。

3.环向固定支持装置的数量较多，会导致导热面积增加，增大内部热量损失，降低蓄热式加热器的加热效率，甚至使得承压壳体局部超温。

当前，亟需发展一种用于大流量高温高压高速气体环境的内衬筒及安装方法。

发明内容

为了解决整体内衬筒结构和环向支撑方式存在的内衬筒热膨胀量大、热应力大、环向固定支持装置限制内衬筒自由热胀冷缩、增大内部热量损失等问题，本发明提供了一种用于大流量高温高压高速气体环境的内衬筒及安装方法。

本发明的用于大流量高温高压高速气体环境的内衬筒，其特点是，所述的内衬筒包括从下至上顺序安装的下锥段、支撑装置、筒体段和上锥段，各段壁厚相等、中心轴线重合；

下锥段整体为漏斗形结构，从下至上依次为入口等直段、扩张段和下筒节；入口等直段为圆柱段Ⅰ，扩张段为具有扩开角的锥段，下筒节为圆柱段Ⅱ；入口等直段的下端通过焊接方式固定在承压壳体入口法兰内壁面上；

支撑装置包括支撑腿、支撑筒节、支撑环和环形定位凹槽；支撑腿竖直放置，沿下封头周向均匀分布，通过焊接方式固定在下封头的内壁面上；各支撑腿的上表面位于同一水平面上，支撑环固定在支撑腿的上表面，支撑环的下表面设置有支撑筒节，支撑筒节为圆柱段Ⅲ，圆柱段Ⅲ的内径等于圆柱段Ⅱ的外径，圆柱段Ⅲ套装在圆柱段Ⅱ上；圆柱段Ⅱ的上表面与支撑环的下表面的距离大于下锥段的膨胀高度Ⅰ；支撑环的上表面设置有环形定位凹槽；

筒体段为圆柱段Ⅳ，装卡在环形定位凹槽内，圆柱段Ⅳ的内径等于圆柱段Ⅲ的内径，筒体段的高度等于常温状态下内部元件总高度、工作状态下内部元件总膨胀高度和预留高度三者之和；

上锥段整体为倒置的漏斗形结构，从下至上依次为上筒节和收缩段，上筒节为圆柱段Ⅴ，圆柱段Ⅴ的内径等于圆柱段Ⅳ的外径，圆柱段Ⅴ套装在圆柱段Ⅳ上，

圆柱段Ⅳ上端面距离圆柱段Ⅴ上端面的高度大于上锥段的膨胀高度Ⅱ与筒体段的膨胀高度Ⅲ之和；收缩段为具有收缩角的锥段，收缩段的上端通过焊接方式固定在承压壳体出口法兰内壁面上。

进一步地，所述的圆柱段Ⅲ与圆柱段Ⅱ的搭接高度为5mm~10mm。

进一步地，所述的圆柱段Ⅴ与圆柱段Ⅳ的搭接高度为5mm~10mm。

进一步地，所述的预留高度为100mm~200mm。

进一步地，所述的扩张段的扩开角为35°，收缩段的收缩角为25°。

本发明的用于大流量高温高压高速气体环境的内衬筒的安装方法，包括以下步骤：

S10.焊接支撑腿

将支撑腿沿周向焊接在下封头的内壁面上；打磨支撑腿的上表面，使得支撑腿的上表面位于同一个平面；

S20.安装下锥段

安装下封头的隔热层，安装下锥段；调整下锥段的位置，确保下锥段的中心轴线与蓄热式加热器的中心轴线重合，然后将下锥段的入口等直段与蓄热式加热器入口处预置的垫环组接，搭接处满焊；

S30.安装支撑环

采用专用工装，校正下锥段的下筒节的出口圆度；安装支撑环；

S40.安装筒体段

安装筒体段的隔热层，安装筒体段，将筒体段装卡在环形定位凹槽内；

S50.安装上锥段

安装上封头的隔热层，安装上锥段，调整上锥段的位置，确保上锥段的中心轴线与蓄热式加热器的中心轴线重合，然后将上锥段的收缩段与蓄热式加热器出口处预置的垫环组接，搭接处满焊，完成安装。

本发明的用于大流量高温高压高速气体环境的内衬筒及安装方法具有以下优点：

1.内衬筒分为独立的三段，能够将总的膨胀量和重量分解为三部分，各段可以自由地向隔热层膨胀，各段膨胀量减小，重量减轻，同时减少了环向固定支持装置数量，减小了热量损失，支撑更加稳定可靠。

2.内衬筒各段连接处采用插接安装，连接处相互重叠，预留竖直方向的热膨胀空间，内衬筒内壁面均为顺向台阶，安装后没有缝隙，气流扰动小，无热应力集中处，避免隔热层中的渣滓被吸出污染试验气流，以及热应力带来的损坏。

3.筒体段采用竖直的支撑腿支撑，支撑腿的支撑方向与内衬筒上下膨胀移动方向一致，不会在支撑装置和筒体段上产生热应力，导致支撑装置和内衬筒损坏。

4.支撑环上表面设置与筒体段对应的定位槽，筒体段拆卸安装方便，不破坏支撑装置。

本发明的用于大流量高温高压高速气体环境的内衬筒及安装方法能够适应2米量级大型高超声速风洞试验气流加热需求，具有工程实用性。

附图说明

图1为整体内衬筒结构和环向支撑方式示意图；

图2为本发明的用于大流量高温高压高速气体环境的内衬筒结构示意图（总体图）；

图3为本发明的用于大流量高温高压高速气体环境的内衬筒结构示意图（下锥段局部放大图）；

图4为本发明的用于大流量高温高压高速气体环境的内衬筒结构示意图（上锥段局部放大图）。

图中，1.下锥段；2.支撑装置；3.筒体段；4.上锥段；5.入口等直段；6.扩张段；7.下筒节；8.支撑腿；9.支撑筒节；10.支撑环；11.定位凹槽；12.上筒节；13.收缩段。

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

如图2所示，本实施例的内衬筒由下锥段1、支撑装置2、筒体段3和上锥段4组成。整个内衬筒分为下锥段1、筒体段3、上锥段4三个独立的部分，筒体段3放置在支撑装置2上的环形定位凹槽11内，下锥段1、筒体段3、上锥段4之间不相互连接，仅在下锥段1进口、上锥段4出口和下封头各设置一个固定支撑装置，分别支撑下锥段1、上锥段4、筒体段3，减小了固定支撑数量。各段可自由的热胀冷缩，内衬筒总的热膨胀量分解为三部分，无热应力集中处；内衬筒总重量也同步分解为三部分，进出口固定支撑装置的载荷较小，更稳定牢固。

如图3所示，下锥段1由入口等直段5、扩张段6和下筒节7组成，下锥段1的下端通过焊接方式固定在承压壳体入口法兰内壁面上，上端为自由端，可自由地向上移动；扩张段6的出口设置一个等直段的下筒节7，下筒节7的外径等于支撑筒节9内径，下筒节7上端到支撑环10下表面的高度大于下锥段1的热膨胀量，确保下锥段1具有足够的热膨胀空间。

支撑装置2由支撑腿8、支撑筒节9、支撑环10和环形定位凹槽11组成。支撑腿8的数量为3个，竖直焊接在下封头上，周向均布，支撑腿8上面设置一个支撑环10，用于支撑筒体段3。支撑腿8焊接完成后对支撑腿8的上表面进行打磨，确保三个支撑腿8的上表面在同一水平面上，进而确保筒体段3的垂直度。

支撑环10的下表面焊接一个支撑筒节9，支撑筒节9的内径等于下筒节7的外径，支撑筒节9的高度确保能够与下筒节7搭接5mm~10mm，通过套装插接方式安装；支撑环10的上表面设置一个环形定位凹槽11，环形定位凹槽11的位置和尺寸与筒体段3相匹配，筒体段3通过插接安装方式放置在支撑环10上；支撑环10的外径小于蓄热式加热器的承压壳体内径，确保支撑环10和承压壳体不直接接触，减小热损失。支撑腿8的支撑方向与筒体段3的膨胀方向一致，筒体段3可以自由向上移动，不会在支撑装置2和筒体段3上产生热应力，不会导致支撑装置2和内衬筒损坏；下锥段1的内壁面为顺向台阶，套装插接后没有缝隙，避免隔热层中的渣滓被吸出污染试验气流。

筒体段3的高度预留内部元件热膨胀高度，筒体段3的高度等于常温状态下内部元件总高度、工作状态下内部元件总膨胀高度和预留高度三者之和；预留高度为100mm~200mm。

如图4所示，上锥段4由上筒节12和收缩段13组成。上锥段4的上端通过焊接方式固定在承压壳体出口法兰内壁面上，下端为自由端，可自由地向下移动；上筒节12的内径等于筒体段3外径，上筒节12高度能够确保与筒体段3搭接5mm~10mm；筒体段3上端面距离上筒节12上端面高度大于筒体段3和上锥段4热膨胀量之和。筒体段3和上锥段4通过套装插接方式安装，确保筒体段3可以自由向上膨胀、上锥段4可以自由向下膨胀；内壁面为顺向台阶，套装插接后没有缝隙，避免隔热层中的渣滓被吸出污染试验气流。

本实施例的安装顺序如下：

首先将支撑腿8与下封头焊接，对支撑腿8上表面进行打磨，然后依次安装下封头的隔热层、下锥段1，调整下锥段1的位置，确保下锥段1的中心轴线与蓄热式加热器的中心轴线一致，然后将下锥段1的入口等直段5与蓄热式加热器入口处预置的垫环组接，搭接处满焊，确保支撑强度；

其次采用专用工装对下锥段1的下筒节7的出口圆度进行校正，安装支撑环10，然后安装筒体段3的隔热层，再安装筒体段3。

最后，依次安装上封头的隔热层和上锥段4，调整上锥段4位置，确保上锥段4的中心轴线与蓄热式加热器的中心轴线重合，然后将上锥段4的收缩段13与蓄热式加热器出口处预置的垫环组接，搭接处满焊，确保支撑强度。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不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，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种用于大流量高温高压高速气体环境的内衬筒，其特征在于，所述的内衬筒包括从下至上顺序安装的下锥段（1）、支撑装置（2）、筒体段（3）和上锥段（4），各段壁厚相等、中心轴线重合；

下锥段（1）整体为漏斗形结构，从下至上依次为入口等直段（5）、扩张段（6）和下筒节（7）；入口等直段（5）为圆柱段Ⅰ，扩张段（6）为具有扩开角的锥段，下筒节（7）为圆柱段Ⅱ；入口等直段（5）的下端通过焊接方式固定在承压壳体入口法兰内壁面上；

支撑装置（2）包括支撑腿（8）、支撑筒节（9）、支撑环（10）和环形定位凹槽（11）；支撑腿（8）竖直放置，沿下封头周向均匀分布，通过焊接方式固定在下封头的内壁面上；各支撑腿（8）的上表面位于同一水平面上，支撑环（10）固定在支撑腿（8）的上表面，支撑环（10）的下表面设置有支撑筒节（9），支撑筒节（9）为圆柱段Ⅲ，圆柱段Ⅲ的内径等于圆柱段Ⅱ的外径，圆柱段Ⅲ套装在圆柱段Ⅱ上；圆柱段Ⅱ的上表面与支撑环（10）的下表面的距离大于下锥段（1）的膨胀高度Ⅰ；支撑环（10）的上表面设置有环形定位凹槽（11）；

筒体段（3）为圆柱段Ⅳ，装卡在环形定位凹槽（11）内，圆柱段Ⅳ的内径等于圆柱段Ⅲ的内径，筒体段（3）的高度等于常温状态下内部元件总高度、工作状态下内部元件总膨胀高度和预留高度三者之和；

上锥段（4）整体为倒置的漏斗形结构，从下至上依次为上筒节（12）和收缩段（13），上筒节（12）为圆柱段Ⅴ，圆柱段Ⅴ的内径等于圆柱段Ⅳ的外径，圆柱段Ⅴ套装在圆柱段Ⅳ上，

圆柱段Ⅳ上端面距离圆柱段Ⅴ上端面的高度大于上锥段（4）的膨胀高度Ⅱ与筒体段（3）的膨胀高度Ⅲ之和；收缩段（13）为具有收缩角的锥段，收缩段（13）的上端通过焊接方式固定在承压壳体出口法兰内壁面上。

2.根据权利要求1所述的用于大流量高温高压高速气体环境的内衬筒，其特征在于，所述的圆柱段Ⅲ与圆柱段Ⅱ的搭接高度为5mm~10mm。

3.根据权利要求1所述的用于大流量高温高压高速气体环境的内衬筒，其特征在于，所述的圆柱段Ⅴ与圆柱段Ⅳ的搭接高度为5mm~10mm。

4.根据权利要求1所述的用于大流量高温高压高速气体环境的内衬筒，其特征在于，所述的预留高度为100mm~200mm。

5.根据权利要求1所述的用于大流量高温高压高速气体环境的内衬筒，其特征在于，所述的扩张段（6）的扩开角为35°，收缩段（13）的收缩角为25°。

6.一种用于大流量高温高压高速气体环境的内衬筒的安装方法，其用于安装权利要求1~5任意一种所述的用于大流量高温高压高速气体环境的内衬筒，其特征在于，包括以下步骤：

S10.焊接支撑腿（8）

将支撑腿（8）沿周向焊接在下封头的内壁面上；打磨支撑腿（8）的上表面，使得支撑腿（8）的上表面位于同一个平面；

S20.安装下锥段（1）

安装下封头的隔热层，安装下锥段（1）；调整下锥段（1）的位置，确保下锥段（1）的中心轴线与蓄热式加热器的中心轴线重合，然后将下锥段（1）的入口等直段（5）与蓄热式加热器入口处预置的垫环组接，搭接处满焊；

S30.安装支撑环（10）

采用专用工装，校正下锥段（1）的下筒节（7）的出口圆度；安装支撑环（10）；

S40.安装筒体段（3）

安装筒体段（3）的隔热层，安装筒体段（3），将筒体段（3）装卡在环形定位凹槽（11）内；

S50.安装上锥段（4）

安装上封头的隔热层，安装上锥段（4），调整上锥段（4）的位置，确保上锥段（4）的中心轴线与蓄热式加热器的中心轴线重合，然后将上锥段（4）的收缩段（13）与蓄热式加热器出口处预置的垫环组接，搭接处满焊，完成安装。

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