CN115876425B - 一种管风洞温度隔离装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高马赫数风洞领域，公开了一种管风洞温度隔离装置及方法，所述隔离装置包括前连接段、浮动座、隔离芯、固定座、后连接段，所述前连接段与冷态驱动管连接，所述后连接段与热态驱动管连接，所述浮动座的一端与前连接段通过弹性件连接，所述固定座与后连接段连接，所述浮动座与固定座之间设置隔离芯，所述隔离芯的内部中空，所述隔离芯顶部与执行器连接，所述浮动座与固定座为环形支座结构，所述隔离芯、浮动座、固定座、前连接段、后连接段同轴设置。本发明解决了现有技术中高温管风洞存在尽可能再现飞行环境的总温的过程中采用的部分加热形式时间长，隔热效果差的问题。

Description

一种管风洞温度隔离装置及方法

技术领域

本发明涉及高马赫数风洞领域，更具体地涉及一种管风洞温度隔离装置及方法。

背景技术

管风洞作为一种特殊的脉冲设备，洞体包括一根长的等直径管子，一端密封、另一端装有膜片或快速阀，下游接喷管、试验段和真空罐。由于结构简单、参数调节方便、流场品质高等优点，已在高马赫数试验技术领域得到了发展和应用，体现出了极大的应用潜力。

由于脉冲型风洞独特的运行方式，对加热形式有诸多限制，为了防止影响流场均匀度和有效运行时间，要求不能干扰运行过程中管体内部的非定常波系结构。目前，高马赫数运行条件下的管风洞多采用管外加热的形式提升管内试验气体温度。

管外加热技术是将高温加热件直接与驱动段管体外表面接触，并在加热件外表面包裹保温层，先对管体升温进而加热内部气体。由于固体的热容远大于气体，加热过程中绝大部分能量是被管体所吸收。管风洞在高马赫数运行条件下多为“欠温运行”，即不要求复现飞行总温。为了防止气体的冷凝，对于马赫数6以下的运行总温一般要求不超过500K，针对此温度范围，管风洞可以采用全管加热形式。

高温管风洞要求能够尽可能再现飞行环境的总温，受到加热能力以及建设成本的限制、以及管外加热器热流密度的限制，随着管体尺寸的增加，加热时间急剧上升，通常在小时量级，存在加热用时长，热量阻隔效果差的问题。

发明内容

为解决现有技术中高温管风洞存在尽可能再现飞行环境的总温的过程中采用的部分加热形式时间长，隔热效果差的问题，本发明提供一种管风洞温度隔离装置及方法。

本发明采用的具体方案为：一种管风洞温度隔离装置，所述隔离装置包括前连接段、浮动座、隔离芯、固定座、后连接段，所述前连接段与冷态驱动管连接，所述后连接段与热态驱动管连接，所述浮动座的一端与前连接段通过弹性件连接，所述固定座与后连接段连接，所述浮动座与固定座之间设置隔离芯，所述隔离芯的内部中空，所述隔离芯顶部与执行器连接，所述浮动座与固定座为环形支座结构，所述隔离芯、浮动座、固定座、前连接段、后连接段同轴设置。

所述隔离芯为球形阀芯，所述球形阀芯顶部设置十字凹槽，所述执行器的底部设置与十字凹槽匹配的十字连接件，所述十字连接件插入十字凹槽内，所述十字连接件顶部设置连接杆，所述连接杆中部设置圆环盘，所述圆环盘设置在前连接段与后连接段的连接处。

所述隔离芯的上下端面边缘设置倒角，所述浮动座、固定座与隔离芯的连接处设置与隔离芯端面倒角配合的弧面。

所述隔离芯的芯体的孔径大小与管风洞的管体内径相同。

另一方面，本发明公开了一种管风洞温度隔离方法，包括如下步骤：

步骤一、确定密封压力；

步骤二、初始参数确认，并充压；

步骤三、管风洞的管外加热；

步骤四、开启管风洞温度隔离装置，进行试验。

所述步骤一确定密封压力，满足：

其中，为最小密封压力，为对应的最小密封压强，为密封面面积；与两侧气体压差有如下关系：

其中，系数为与气体属性和温度相关的函数，对于以高温空气为工作介质的高温管风洞，其数值为1.4；为密封面在管体轴线方向上的投影宽度，取其内外环直径差；、为与密封面材料相关的系数，对于硬密封形式，数值为3.0~3.5之间、c的数值为1.0。

所述步骤二采用浮动座与前连接段连接，固定座与后连接段连接的方式进行密封，初始参数确认，并充压：

初始状态下，关闭管风洞温度隔离装置，管风洞温度隔离装置上游冷态驱动管充压与隔离装置下游热态驱动管初始充压及试验介质状态关系如下：

其中，为管内气体压力，为管内气体温度；下标表示冷态驱动管，表示冷态驱动管，0表示初始状态，1表示加热结束状态；关闭风洞温度隔离装置，并根据上式确定的初始压力完成冷态驱动管和热态驱动管充压，此时，隔离装置两侧压差为正向压差。

所述步骤四开启高低温隔离装置，进行试验，随着加热进行，热态驱动管压力会逐渐上升，隔离装置两侧压差不断减小，所需承受的密封压力也不断下降，极限状态下，即，此时，完全由弹性件预紧力提供密封，满足：

其中，下标t表示弹性件预紧力，下标min表示弹性件最小预紧力要求，得到：

其中，表示弹性件安装条件下的压缩变形量，下标min表示最小变形量要求，K为弹性件的弹性系数。

所述步骤四管风洞温度隔离装置开启前，上游冷态驱动管与下游热态驱动管内部压差为0，执行器的扭矩需要克服球形隔离芯的滑动摩擦力，滑动摩擦力有以下计算式：

上述摩擦力的方向与硬密封面垂直，其中，为密封面面积，为环状；下标t表示弹性件预紧力。

本发明相对于现有技术具有如下有益效果：

本发明公开了一种管风洞温度隔离装置，包括前连接段、浮动座、隔离芯、固定座、后连接段，前连接段与冷态驱动管连接，后连接段与热态驱动管连接，浮动座的一端与前连接段通过弹性件连接，固定座与后连接段连接，浮动座与固定座之间设置隔离芯，隔离芯的内部中空，隔离芯顶部与执行器连接，浮动座与固定座为环形支座结构，隔离芯、浮动座、固定座、前连接段、后连接段同轴设置，本发明结构简单，解决了现有高温管风洞存在尽可能再现飞行环境的总温的过程中采用的部分加热形式时间长，隔热效果差的问题。

另一方面，本发明中的方法包括确定密封压力；初始参数确认，并充压；管风洞的管外加热；开启管风洞温度隔离装置，进行试验，先通过在管风洞的管外加热开始前，关闭隔离芯，即隔离芯将前连接段与后连接段分隔为2个独立的部分，初始条件下冷态驱动管压力要高于热态驱动管压力，在弹性件预紧力和冷热态驱动管两侧压差作用下，球形隔离芯与下游固定座形成挤压接触，为主要密封面。管外加热过程中，热态驱动管压力会逐渐上升，隔离装置两侧压差不断减小，所需承受的密封压力也不断下降。此时，球形隔离芯与下游的固定座之间主要靠弹簧预紧力压紧。管外加热结束、试验开始前，热态驱动管压力与冷态驱动管压力保持一致，球形隔离芯开启过程中仅需要克服弹性件预紧力形成的摩擦阻力，因此所需驱动力较小，完全开启后，隔离系统内通道可与前后管路形成密闭通道，且不影响流道内部形状。

附图说明

图1为本发明管风洞温度隔离装置结构示意图；

图2为本发明管风洞温度隔离装置的剖面图。

其中，附图标记分别为：

1、前连接段，2、浮动座，3、隔离芯，4、执行器，5、固定座，6、后连接段，7、圆环盘，8、弹性件，9、十字连接件。

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明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

结合附图1-2，本发明提供一种管风洞温度隔离装置，所述隔离装置包括前连接段1、浮动座2、隔离芯3、固定座5、后连接段6，所述前连接段1与冷态驱动管连接，所述后连接段6与热态驱动管连接，所述浮动座2的一端与前连接段1通过弹性件8连接，所述固定座5与后连接段6连接，所述固定座5通过螺纹连接的方式与后连接段6连接。所述浮动座2与固定座5之间设置隔离芯3，所述隔离芯3的内部中空，所述隔离芯3顶部与执行器4连接，所述浮动座2与固定座5为环形支座结构，在一种实施方式中，浮动座2与固定座5为法兰盘，所述隔离芯3、浮动座2、固定座5、前连接段1、后连接段6同轴设置。

所述隔离芯3为内部中空，外壁为圆形的球形阀芯，所述球形阀芯顶部设置十字凹槽，所述执行器4的底部设置与十字凹槽匹配的十字连接件9，所述十字连接件9插入十字凹槽内，使得隔离芯3与执行器4紧密连接，所述十字连接件9顶部设置连接杆，所述连接杆中部设置圆环盘7，所述圆环盘7设置在前连接段1与后连接段6的连接处。执行器4转动带动隔离芯3转动，实现管风洞的连通与隔断；所述隔离芯3的芯体的孔径大小与管风洞的管体内径相同。

所述隔离芯3的上下端面设置倒角，所述浮动座2、固定座5与隔离芯3的连接处设置与隔离芯3端面倒角配合的弧面，保证密封的效果。

本发明为了避免内流道受隔离装置结构的影响，隔离芯3采用球形结构形式，球形隔离芯3与执行器4直接相连，通过执行器4旋转实现隔离装置的关闭。根据驱动力大小的需要，可采用电驱动、液压驱动或空气驱动，驱动力作用于执行器4端部。

隔离芯3采用浮动式运行方式，避免下游高温加热过程中出现密封面卡滞等问题：隔离芯3上游通过浮动座2与前连接段1相连，前连接段1可以通过法兰形式与冷态驱动管连接；球形隔离芯3下游通过下游的固定座5与后连接段6相连，后连接段6通过法兰形式与热态驱动管连接。其中，隔离芯3、浮动座2以及前连接段1之间采用直接接触的硬密封形式。

上游的浮动座2与前连接段1之间设有弹性件8，弹性件8的上下游端面分别与浮动座2和前连接段1的端面连接，可采用端面固连形式，也可采用直接压紧连接方式，以达到上游浮动座2可调节的目的，同时，弹性件8可以提供额外的预紧作用力。

本发明公开了一种管风洞温度隔离方法，包括如下步骤：步骤一、确定密封压力；步骤二、初始参数确认，并充压；步骤三、管风洞的管外加热；步骤四、开启管壁管风洞温度隔离装置，进行试验，以实现在高温管风洞管外加热过程中，将驱动段加热部分与未加热段隔离开，防止加热过程中出现热量交换，同时起到密封作用。

所述步骤一确定密封压力，满足：

其中，为最小密封压力，为对应的最小密封压强，为密封面面积；与两侧气体压差有如下关系：

其中，系数为与气体属性和温度相关的函数，对于以高温空气为工作介质的高温管风洞，其数值为1.4；为密封面在管体轴线方向上的投影宽度，取其内外环直径差；、为与密封面材料相关的系数，对于硬密封形式，数值为3.0~3.5之间、c的数值为1.0。

所述步骤二采用浮动座2与前连接段1连接，固定座5与后连接段6连接方式密封，初始参数确认，并充压：初始状态下关闭管风洞温度隔离装置，管风洞温度隔离装置上游冷态驱动管充压与隔离装置下游热态驱动管初始充压及试验介质状态关系如下：

其中，为管内气体压力，为管内气体温度；下标表示冷态驱动管，表示冷态驱动管，0表示初始状态，1表示加热结束状态；关闭风洞温度隔离装置，并根据上式确定的初始压力完成冷态驱动管和热态驱动管充压，此时，隔离装置两侧压差为正向压差。

所述步骤三随着加热进行，热态驱动管压力会逐渐上升，隔离装置两侧压差不断减小，所需承受的密封压力也不断下降，极限状态下，即，此时，完全由弹性件8预紧力提供密封，满足：

其中，下标t表示弹性件预紧力，下标min表示弹性件最小预紧力要求，得到：

其中，表示弹性件安装条件下的压缩变形量，下标min表示最小变形量要求，K为弹性件的弹性系数。

所述步骤四管风洞温度隔离装置开启前，上游冷态驱动管与下游热态驱动管内部压差为0，执行器4的扭矩需要克服隔离芯3的滑动摩擦力，滑动摩擦力有以下计算式：

上述摩擦力方向沿密封面的切向，其中，为为滑动摩擦系数、为密封面面积，为环状；下标t表示弹性件预紧力。

本发明中的管风洞的管外加热开始前，关闭隔离芯3，初始条件下冷态驱动管压力要高于热态驱动管压力，在弹性件8预紧力和冷热态驱动管两侧压差作用下，隔离芯与下游固定座形成挤压接触，为主要密封面。管外加热过程中，热态驱动管压力会逐渐上升，隔离装置两侧压差不断减小，所需承受的密封压力也不断下降。此时，球形隔离芯与下游的固定座之间主要靠弹簧预紧力压紧。同时，由于采用下游密封，球形隔离芯下游封闭面侧做高温处理，在一种实施方式中喷涂高温涂层，可实现阻隔温度传递作用。

管外加热结束、试验开始前，热态驱动管压力与冷态驱动管压力基本保持一致，球形隔离芯开启过程中仅需要克服弹性件8预紧力形成的摩擦阻力，因此所需驱动力较小。完全开启后，隔离系统内通道可与前后管路形成密闭通道，且不影响流道内部形状。

管风洞受到加热能力等限制，采用本发明中的管风洞温度隔离装置只对有效运行时间内用于试验的介质进行加热。驱动管可分为冷态驱动管和热态驱动管两部分。冷态驱动管处于常温环境，仅需承受高压，通常选用高强度不锈钢材料；热态驱动管处于高温环境，需同时承受高温高压，常用的技术方案是采用电阻式外加热，即通过管外加热的形式将部分用于试验的驱动气体加热。根据试验所需总温不同，管体选材有较大差异，一般选用高温合金无缝管。大口径驱动管连接方式通常采用更便捷的卡箍形式，在中小口径、中等压力下，可考虑螺纹法兰，以降低造价，特别是与冷态驱动管的连接，法兰形式更为合适。本发明所提出的结构简单，没有复杂的作动控制机构，在工程实际应用中具有可操作性。

以上附图及解释说明仅为本发明的一种具体实施方式，但本发明的具体保护范围不仅限以上解释说明，任何在本发明揭露的技术思路范围内，及根据本发明的技术方案加以简单地替换或改变，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种管风洞温度隔离装置，其特征在于，所述隔离装置包括前连接段(1)、浮动座(2)、隔离芯(3)、固定座(5)、后连接段(6)，所述前连接段(1)与冷态驱动管连接，所述后连接段(6)与热态驱动管连接，所述浮动座(2)的一端与前连接段(1)通过弹性件(8)连接，所述固定座(5)与后连接段(6)连接，所述浮动座(2)与固定座(5)之间设置隔离芯(3)，所述隔离芯(3)的内部中空，所述隔离芯(3)顶部与执行器(4)连接，所述浮动座(2)与固定座(5)为环形支座结构，所述隔离芯(3)、浮动座(2)、固定座(5)、前连接段(1)、后连接段(6)同轴设置。

2.根据权利要求1所述的管风洞温度隔离装置，其特征在于，所述隔离芯(3)为球形阀芯，所述球形阀芯顶部设置十字凹槽，所述执行器(4)的底部设置与十字凹槽匹配的十字连接件(9)，所述十字连接件(9)插入十字凹槽内，所述十字连接件(9)顶部设置连接杆，所述连接杆中部设置圆环盘(7)，所述圆环盘(7)设置在前连接段(1)与后连接段(6)的连接处。

3.根据权利要求2所述的管风洞温度隔离装置，其特征在于，所述隔离芯(3)的上下端面的边缘设置倒角，所述浮动座(2)、固定座(5)与隔离芯(3)的连接处设置与隔离芯(3)端面倒角配合的弧面。

4.根据权利要求3所述的管风洞温度隔离装置，其特征在于，所述隔离芯(3)的芯体的孔径大小与管风洞的管体内径相同。

5.一种管风洞温度隔离方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1-4任一项所述的管风洞温度隔离装置实现，包括如下步骤：

步骤一、确定密封压力；

步骤二、初始参数确认，并充压；

步骤三、管风洞的管外加热；

步骤四、开启管风洞温度隔离装置，进行试验；所述步骤一确定密封压力，满足：F＝P·A

其中，F为最小密封压力，P为对应的最小密封压强，P_Δ为压强差，A为密封面面积；P与两侧气体压差有如下关系：

其中，系数m为与气体属性和温度相关的函数，对于以高温空气为工作介质的高温管风洞，其数值为1.4；b为密封面在管体轴线方向上的投影宽度，取其内外环直径差；a、c为与密封面材料相关的系数，对于硬密封形式，a数值为3.0～3.5之间、c的数值为1.0；所述步骤二采用浮动座(2)与前连接段(1)连接，固定座(5)与后连接段(6)连接的方式进行密封，初始参数确认，并充压：

初始状态下关闭管风洞温度隔离装置，管风洞温度隔离装置上游冷态驱动管充压与隔离装置下游热态驱动管初始充压及试验介质状态关系如下：

其中，p为管内气体压力，T为管内气体温度；下标c表示冷态驱动管，h表示冷态驱动管，0表示初始状态，1表示加热结束状态；关闭风洞温度隔离装置，并根据上式确定的初始压力完成冷态驱动管和热态驱动管充压，此时，隔离装置两侧压差为正向压差；所述步骤四开启高低温隔离装置，进行试验，随着加热进行，热态驱动管压力会逐渐上升，隔离装置两侧压差不断减小，所需承受的密封压力也不断下降，极限状态下p_c＝p_h1，即P_Δ＝0，此时，完全由弹性件预紧力提供密封，满足：

其中，下标t表示弹性件预紧力，下标min表示弹性件最小预紧力要求，得到：

其中，Δx表示弹性件安装条件下的压缩变形量，下标min表示最小变形量要求，K为弹性件的弹性系数；所述步骤四管风洞温度隔离装置开启前，上游冷态驱动管与下游热态驱动管内部压差为0，执行器(4)的扭矩需要克服球形隔离芯(3)的滑动摩擦力，滑动摩擦力有以下计算式：

上述摩擦力方向沿密封面的切向，其中，μ为滑动摩擦系数、A为密封面面积为环状；下标t表示弹性件预紧力。

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