CN115389158A - 一种高超声速风洞试验天平隔热装置 - Google Patents
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Abstract
一种高超声速风洞试验天平隔热装置，解决了高超声速风洞试验用的天平隔热问题，属于高超声速风洞试验领域。装置包括连接件、隔热组件、隔热套、支杆；天平安装在支杆上；支杆表面喷涂有隔热涂层；隔热套包括锥段、与锥段连接的柱段，且锥段内为锥形腔体、柱段内为柱形腔体；隔热套套装在天平上，且使支杆完全暴露在隔热套外，隔热套的锥形腔体卡住天平头部的锥段，隔热套的柱形腔体表面与天平外表面之间存在缝隙；隔热套的锥段卡入模型后段的内腔，隔热套的柱段外表面与模型后段的内腔之间存在缝隙；隔热组件位于模型后段的端面，连接件穿过隔热组件后与天平头部连接。本发明更为高效、便捷的解决了天平隔热问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种高超声速风洞试验天平隔热装置，属于高超声速风洞试验领域。
背景技术
高超声速风洞测力试验一般只采用天平进行测量；常规高超声速风洞来流马赫数为5时，气流总温可达100°C，当来流马赫数为8时，气流总温可达480°C，其运行时间一般可持续一到两分钟，运行时间较长。高总温来流对实验模型及支杆的持续加热，对天平分别从其前、后锥进行传热导，从而形成实时变化的非均匀天平温度场，其中尤其以轴向的温度梯度最为剧烈，这导致天平同一测量单元的4片或8片应变计处于不同的温度环境下，会造成严重的天平温度输出，即天平温度效应。而目前天平上采用的常温应变片的工作温度都在50°C以下，再加之天平受热不均匀导致的大温度梯度，如果不采取隔热措施则无法可靠测量。
中国专利（申请号201820995354.8）一种对风洞天平进行隔热防护水冷结构，包含支杆、杆式天平、水冷套。杆式天平套有水冷套，支杆内部沿轴线布置有两条水路，杆式天平非测量元件区设置有两路水路与支杆内部两条水路对应，通过波纹管连接到水冷套上，冷水在水路循环流动。这种水冷结构对风洞天平有良好的隔热防护作用，但其结构复杂，需要占用空间大。而细长模型内腔空间狭小无法放置这种水冷结构。
中国专利（申请号202110715182.0）一种风洞模型天平隔热系统，天平头部有一隔热套，模型内壁设置有用于安装隔热套的支撑环套，环套周向空腔填充有吸热材料，支杆外设置有延伸至风洞模型内部的水冷管。这种水冷结构对风洞天平也具有良好的隔热防护作用，但其结构复杂，水冷管存在使得支杆直径变大很多，细长模型也无法应用这种天平隔热系统。
中国专利（申请号202110893862.1）应用于多级高超声速风洞试验模型的杆式天平防护装置，两个隔热罩分别安装在天平的前锥和支杆的头部，两个隔热罩形成隔离环缝，能对天平进行有效防护。但这种防护装置没有考虑气动加热产生的高温从支杆头部前传到天平尾锥，无法应用于马赫数8的高超声速风洞试验。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，解决了高超声速风洞试验用的天平隔热问题。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种高超声速风洞试验天平隔热装置，该隔热装置安装在试验模型内，用于对天平进行防护，该隔热装置，包括连接件、隔热组件、隔热套、支杆；
天平安装在支杆上；支杆表面涂覆有隔热涂层；
隔热套包括锥段、与锥段连接的柱段，且锥段内为锥形腔体、柱段内为柱形腔体；隔热套套装在天平上，且使支杆完全暴露在隔热套外，隔热套的锥形腔体卡住天平头部的锥段，隔热套的柱形腔体表面与天平外表面之间存在间隙；
隔热套的锥段卡入模型后段的内腔，隔热套的柱段外表面与模型后段的内腔之间存在间隙；
隔热组件位于模型后段的端面，连接件穿过隔热组件后与天平头部连接。
优选的，所述隔热组件包括垫片和隔热垫片，连接件依次穿过垫片和隔热垫片后与天平头部连接。
优选的，隔热垫片的厚度不大于2mm。
优选的，天平的尾部为锥段外形，插入到支杆的倒锥内腔中，使用键连接固定天平的周向位置，采用楔子将天平固定在支杆上。
优选的，所述隔热组件与隔热套、天平均不接触。
优选的，所述隔热涂层采用无机金属材料，导热率不大于2.5W/m·k。
优选的，隔热套与支杆之间的最小距离
；
其中
为天平-支杆的Mz元弹性角系数，
为天平-支杆的Y元弹性角系数，
为气动力施加在天平的最大力矩，
为气动力施加在天平的最大力，
为支杆等直段
的长度，
为圆周率。
优选的，所述隔热套的柱段外表面与模型后段的内腔的间隙不大于2mm。
优选的，所述隔热套的柱形腔体表面与天平外表面的间隙不大于2mm。
优选的，隔热套采用复合材料制成，复合材料的导热率不大于0.5W/m·k，且隔热套的锥段的厚度不大于4mm，隔热套的柱段厚度不大于1mm。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
（1）本发明结构简单，不需要额外的水循环冷却装置，能够有效解决隔热问题；
（2）本发明加工直径较小的喷涂支杆，能适用于内腔空间狭小的细长模型的高马赫数风洞试验，同时也适用于内腔空间大的常规模型的高马赫数风洞试验；
（3）考虑气流影响，且防止在大载荷下隔热套尾端面与喷涂支杆前端面相互碰撞，本发明给出了隔热套尾端面与喷涂支杆前端面之间间隙的估算方法；
（4）本发明安装过程简单，花费时间少，能有效的提高风洞试验效率；
（5）本发明可靠性高，不会引入常规水冷支杆漏水的风险。
附图说明
图1为本发明高超声速风洞试验天平隔热装置结构示意图。
图2为试验模型及模型后段结构示意图。
图3为本发明隔热套结构示意图。
图4为天平结构示意图。
图5为本发明喷涂支杆结构示意图。
图6为本发明垫片结构示意图。
图7为本发明隔热垫片结构示意图。
图8为本发明键结构示意图。
图9为本发明楔子结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
实施例1：
一种高超声速风洞试验天平隔热装置，用于高超声速风洞试验，包括圆柱头内六角螺钉1、垫片2、隔热垫片3、隔热套5、楔子7、键8、喷涂支杆9，如图1所示。天平6尾部是圆锥段外形，插入到喷涂支杆9头部的倒锥内腔中，使用键8连接固定天平6的周向位置，采用楔子7将天平6固定在喷涂支杆9上，如图4、8、9所示。隔热套5安装在天平6头部的圆锥段上，将模型后段4套在隔热套头部，试验模型及模型后段结构如图2所示。依次在模型后段4的前端面垫上隔热垫片3和垫片2，如图6、7所示，采用圆柱头内六角螺钉1插入到天平6前端面的螺纹孔中，拧紧固定。
可选的，隔热垫片3采用复合材料加工制作，复合材料导热率不大于0.5W/m·k。隔热垫片3厚度不大于2mm。
可选的，隔热套5采用复合材料加工制作，复合材料导热率不大于0.5W/m·k。隔热套5锥段的厚度不大于4mm，隔热套5圆柱段薄壳厚度不大于1mm，如图3所示。
可选的，隔热套5采用玻璃纤维增强塑料加工制作。
可选的，喷涂支杆9采用金属材料加工制作，如图5所示，从喷涂支杆9前端面起到其锥面，其表面喷涂有厚度0.5mm的一层无机金属材料，无机金属材料导热率不大于2.5W/m·k。
可选的，喷涂支杆9表面喷涂的无机金属材料选用氧化铝陶瓷粉末。
整个喷涂过程如下所示：
（1）加工好的支杆9表面粘有油污和手汗，会使氧化铝陶瓷粉末附着力变差，涂层产生龟裂和脱落。喷涂前采用除油剂对支杆9表面进行油污清理。
（2）清除支杆9表面残留的除油剂，并用纯水对支杆9表面做最后的清洗。
（3）将支杆9放置烘箱进行烘干。
（4）使用氧化铝陶瓷粉末对烘干后的支杆9表面进行喷涂。喷涂过程需要重复3道，一道喷涂后晾干20分钟再进行第二道喷涂。陶瓷粉末涂层厚度控制在0.5mm。
（5）将喷涂完成后的支杆9放置烘箱，在60°条件下烘烤1小时。
可选的，隔热套5尾端面与喷涂支杆9前端面之间留有间隙，间隙具体为：
其中
和
分别为天平-支杆的Mz元弹性角系数和Y元弹性角系数，由天平6
校准证书给出。
为气动力施加在天平6的最大力矩，
为气动力施加在天平6的最大力，
为支杆9等直段的长度，
为圆周率。
可选的，模型后段4内腔表面与隔热套5外表面之间间隙不大于2mm。
可选的，隔热套5内腔表面与天平表面6之间间隙不大于2mm。
实施例2：
一种高超声速风洞试验天平隔热装置，用于高超声速风洞试验。它包括圆柱头内六角螺钉1、垫片2、隔热垫片3、隔热套5、楔子7、键8、喷涂支杆9。将键8放置在天平6尾锥的键槽中，然后将天平6尾锥插入到喷涂支杆9头部的倒锥内腔中，安装时将天平6尾锥突出的键8对准喷涂支杆9的键槽中，天平6的周向位置固定好。然后采用楔子7穿过喷涂支杆9和天平6的楔子孔，砸紧楔子7使得天平6紧紧固定在喷涂支杆9上。把喷涂支杆9安装固定在风洞支撑机构上。将隔热套5套在天平6头上，然后将模型后段4套在隔热套5上，再依次在模型后段4的前端面垫上隔热垫片3和垫片2，采用圆柱头内六角螺钉1插入到天平6前端面的螺纹孔中，拧紧固定。最后将模型前段（即试验模型）尾段套在模型后段4上，侧边采用销钉固定。
模型在高超声速风洞流场中，高总温来流对实验模型及喷涂支杆9的持续加热，隔热垫片3和隔热套4阻止了热量从模型表面传导到天平6上，同时阻挡了热量从模型表面辐射到天平6表面，由于喷涂支杆9表面的厚度0.5mm的一层低导热率的无机金属材料，阻挡喷涂支杆9表面的热量向喷涂支杆9内部传导，喷涂支杆9的温度上升较小，喷涂支杆9和天平6没有产生明显的温度差，这样从喷涂支杆9头部前传到天平6尾锥热量较为微弱。同时天平6与隔热套5、隔热套5与喷涂支杆9前端面的缝隙较小，有效阻止气流直接冲刷天平表面。综合作用下，这样风洞天平就不会出现温度效应和其它物理损伤，保证了风洞试验数据测量的精度。
实施例3：
一种高超声速风洞试验天平隔热装置，包括连接件、隔热组件、隔热套、支杆；
天平安装在支杆上；支杆表面喷涂有隔热涂层；
隔热套包括锥段、与锥段连接的柱段，且锥段内为锥形腔体、柱段内为柱形腔体；隔热套套装在天平上，且使支杆完全暴露在隔热套外，隔热套的锥形腔体卡住天平头部的锥段，隔热套的柱形腔体表面与天平外表面之间存在缝隙；
隔热套的锥段卡入模型后段的内腔，隔热套的柱段外表面与模型后段的内腔之间存在缝隙；
隔热组件位于模型后段的端面，连接件穿过隔热组件后与天平头部连接。
可选的，所述隔热组件包括垫片和隔热垫片，连接件依次穿过垫片和隔热垫片后与天平头部连接。
可选的，所述隔热组件与隔热套、天平均不接触。
可选的，隔热套采用复合材料制成，复合材料的导热率不大于0.5W/m·k，且隔热套的锥段的厚度不大于4mm，隔热套的柱段厚度不大于1mm。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种高超声速风洞试验天平隔热装置，其特征在于，该隔热装置安装在试验模型内，用于对天平进行防护，该隔热装置包括连接件、隔热组件、隔热套、支杆；
天平安装在支杆上；支杆表面涂覆有隔热涂层；
隔热套包括锥段、与锥段连接的柱段，且锥段内为锥形腔体、柱段内为柱形腔体；隔热套套装在天平上，且使支杆完全暴露在隔热套外，隔热套的锥形腔体卡住天平头部的锥段，隔热套的柱形腔体表面与天平外表面之间存在间隙；
隔热套的锥段卡入试验模型后段的内腔，隔热套的柱段外表面与试验模型后段的内腔之间存在间隙；
隔热组件位于试验模型后段的端面，连接件穿过隔热组件后与天平头部连接。
2.根据权利要求1所述的天平隔热装置，其特征在于，所述隔热组件包括垫片和隔热垫片，连接件依次穿过垫片和隔热垫片后与天平头部连接。
3.根据权利要求2所述的天平隔热装置，其特征在于，隔热垫片的厚度不大于2mm。
4.根据权利要求1所述的天平隔热装置，其特征在于，天平的尾部为锥段外形，插入到支杆的倒锥内腔中，使用键连接固定天平的周向位置，采用楔子将天平固定在支杆上。
5.根据权利要求1所述的天平隔热装置，其特征在于，所述隔热组件与隔热套、天平均不接触。
6.根据权利要求1所述的天平隔热装置，其特征在于，所述隔热涂层采用无机金属材料，导热率不大于2.5W/m·k。
7.根据权利要求1所述的天平隔热装置，其特征在于，隔热套与支杆之间的最小距离
；
其中，
为天平-支杆的Mz元弹性角系数，
为天平-支杆的Y元弹性角系数，
为
气动力施加在天平的最大力矩，
为气动力施加在天平的最大力，
为支杆等直段的长
度，
为圆周率。
8.根据权利要求1所述的天平隔热装置，其特征在于，所述隔热套的柱段外表面与试验模型后段的内腔的间隙不大于2mm。
9.根据权利要求1所述的天平隔热装置，其特征在于，所述隔热套的柱形腔体表面与天平外表面的间隙不大于2mm。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的天平隔热装置，其特征在于，隔热套采用复合材料制成，复合材料的导热率不大于0.5W/m·k，且隔热套的锥段的厚度不大于4mm，隔热套的柱段厚度不大于1mm。
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| CN116907785A (zh) * | 2023-09-12 | 2023-10-20 | 中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所 | 一种适用于超高速高温微小载荷测力试验隔热装置 |
| CN116907785B (zh) * | 2023-09-12 | 2023-12-08 | 中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所 | 一种适用于超高速高温微小载荷测力试验隔热装置 |
| CN116916636A (zh) * | 2023-09-14 | 2023-10-20 | 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 | 一种风洞天平温度控制装置 |
| CN116916636B (zh) * | 2023-09-14 | 2023-11-17 | 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 | 一种风洞天平温度控制装置 |
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