CN116086761A - 一种高超声速高温风洞用喷淋冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于高超声速高温风洞试验设备技术领域，公开了一种高超声速高温风洞用喷淋冷却装置。喷淋冷却装置包括汇流环管、喷淋管、长筋板、转接管等部件，采用焊接方式与风洞扩压器出口扩张段相连接。喷淋管上加工有喷雾孔，通过内部多个喷淋截面、不同方向排布的喷雾孔实现均匀雾化喷淋，同时喷淋管背风面连接有不同尺寸的结构支撑筋板，以抵御超音速气流冲击载荷，在对高温高压燃气来流冷却降温的同时保证了流场中喷淋结构的稳定性。有效降低了下游排气泵的进气温度，确保了高超声速高温风洞的高总温热态试验的长时间运行。

Description

一种高超声速高温风洞用喷淋冷却装置

技术领域

本发明属于高超声速高温风洞试验设备技术领域，具体涉及一种高超声速高温风洞用喷淋冷却装置。

背景技术

高超声速高温风洞试验中，采用化学燃烧加热器对试验气体进行加热。化学燃烧加热器与液体火箭发动机的工作原理基本一致，均是将燃烧剂和氧化剂经喷注器喷入燃烧室，完成掺混和燃烧等过程，产生的高温高压燃气（最高总温2350K）经过喷管、模型试验仓后到达扩压器减速升压，最后经真空容器、冷凝器、排气泵后排出系统。

随着高超声速高温风洞试验能力不断进步和探索，正在发展的飞行器热结构考核、组合发动机试验等高总温热态试验均需要长时间的试验运行环境，扩压器及前端设备依靠夹层水冷结构保护自身结构稳定性，大量高温气流从扩压器出口流入下游组合排气系统。

为了保护下游组合排气系统的真空容器、冷凝器、排气泵以及相关管路，降低进气温度，避免排气泵超温停泵，确保高超声速高温风洞各类高总温热态试验的长时间运行，当前，亟需发展一种安装在扩压器出口段的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高超声速高温风洞用喷淋冷却装置，降低下游排气泵的进气温度。

本发明的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置，其特点是，所述的喷淋冷却装置采用焊接方式与风洞扩压器出口扩张段相连接，包括汇流环管、垂直气流方向喷淋管、平行气流方向喷淋管、长筋板、三角筋板、转接管、加强圈和喷雾孔；

风洞扩压器出口扩张段为夹层水冷部段，在风洞扩压器出口扩张段的内腔，沿轴线方向顺序设置有若干个喷淋截面，各喷淋截面由相互平行的若干个垂直气流方向喷淋管组成，相邻的喷淋截面的垂直气流方向喷淋管相互垂直；各喷淋截面通过若干个平行气流方向喷淋管串联连接；在风洞扩压器出口扩张段的外部，沿轴线方向，依次套装与喷淋截面一一对应的平行的汇流环管，各汇流环管分别通过各自的冷却水管道连接外部的冷却系统，各汇流环管还通过沿汇流环管周向分布的转接管贯穿风洞扩压器出口扩张段并深入到风洞扩压器出口扩张段的内腔，与对应的喷淋截面上垂直气流方向喷淋管的两端封闭连接；

在各垂直气流方向喷淋管的背风面，沿垂直气流方向喷淋管的长度方向加工有若干组喷雾孔；在各平行气流方向喷淋管的上方和下方，沿平行气流方向喷淋管的长度方向，也加工有若干组喷雾孔；

在各垂直气流方向喷淋管的背风面，焊接长筋板，长筋板的一端焊接在风洞扩压器出口扩张段的内壁上，长筋板的另一端焊接在垂直气流方向喷淋管的中段并避开平行气流方向喷淋管；在各垂直气流方向喷淋管与平行气流方向喷淋管交点两侧，焊接三角筋板，三角筋板的两个直角边分别焊接在对应的垂直气流方向喷淋管的背风面和平行气流方向喷淋管的背风面；

长筋板贴在垂直气流方向喷淋管的背风面和平行气流方向喷淋管的背风面的边缘为锯齿状结构，让出喷雾孔，不阻碍喷雾孔喷雾；

外部的冷却系统通过若干冷却水管道进入对应的汇流环管，再通过转接管依次进入垂直气流方向喷淋管和平行气流方向喷淋管，从喷雾孔中喷出，形成风洞扩压器出口扩张段内的降温喷雾。

进一步地，所述的若干个喷淋截面分为若干组，每组喷淋截面中的相邻喷淋截面的间距相同，各组喷淋截面通过本组的平行气流方向喷淋管焊接连通，各组喷淋截面的平行气流方向喷淋管断开。

进一步地，所述的转接管穿过风洞扩压器出口扩张段的入口处和出口处采用焊接密封。

进一步地，所述的转接管在风洞扩压器出口扩张段外壁面的入口处穿过加强圈进入风洞扩压器出口扩张段。

本发明的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置中的转接管确保了风洞扩压器出口扩张段内外壳体之间的密封性，避免出现焊缝应力集中处断裂，同时，风洞扩压器出口扩张段外壁面焊接的加强圈增加了强度。

本发明的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置中的多截面喷淋结构的奇数截面与偶数截面采用垂直交叉排列方式，通过此种特定的排列方式可组成均匀的大流量喷淋雾化区域。

本发明的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置通过在喷淋管的背风面加装长筋板、三角筋板两种支撑筋板，大幅度提高了喷淋管抵御超音速气流冲击载荷的能力，同时平行气流方向喷淋管也作为结构支撑管联结各截面，在对前端来流冷却降温的同时也能保证流场中喷淋结构的稳定性。

本发明的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置有效降低了来流的高温高压燃气温度，从而降低了下游的排气泵进气温度，避免了超温停泵，确保了高超声速高温风洞的高总温热态试验的长时间运行。

本发明的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置能够推广应用到各种大尺寸高马赫数燃烧型风洞。

附图说明

图1a为本发明的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置的结构示意图（立体图）；

图1b为本发明的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置的结构示意图（主视图）；

图1c为本发明的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置的结构示意图（右视图）；

图2为本发明的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置中的喷淋管路及支撑结构示意图（立体图）；

图3a为本发明的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置的A-A剖面图；

图3b为本发明的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置的第Ⅱ截面90°旋转示意图；

图3c为本发明的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置的第Ⅳ截面90°旋转示意图；

图3d为本发明的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置的第Ⅵ截面90°旋转示意图；

图3e为本发明的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置的第Ⅰ截面示意图；

图3f为本发明的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置的第Ⅱ截面示意图；

图3g为本发明的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置的第Ⅲ截面示意图；

图3h为本发明的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置的第Ⅳ截面示意图；

图3i为本发明的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置的第Ⅴ截面示意图；

图3j为本发明的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置的第Ⅵ截面示意图；

图4a为本发明的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置的垂直气流方向喷淋管截面示意图；

图4b为本发明的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置的平行气流方向喷淋管截面示意图；

图5为本发明的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置的①局部放大图。

图中，1.扩压器出口扩张段；2.汇流环管；3.垂直气流方向喷淋管；4.平行气流方向喷淋管；5.长筋板；6.三角筋板；7.转接管；8.加强圈；9.喷雾孔。

实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

如图1a~图1c、图2、图3a~图3j、图4a、图4b、图5所示，本发明的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置采用焊接方式与风洞扩压器出口扩张段1相连接，包括汇流环管2、垂直气流方向喷淋管3、平行气流方向喷淋管4、长筋板5、三角筋板6、转接管7、加强圈8和喷雾孔9；

风洞扩压器出口扩张段1为夹层水冷部段，在风洞扩压器出口扩张段1的内腔，沿轴线方向顺序设置有若干个喷淋截面，各喷淋截面由相互平行的若干个垂直气流方向喷淋管3组成，相邻的喷淋截面的垂直气流方向喷淋管3相互垂直；各喷淋截面通过若干个平行气流方向喷淋管4串联连接；在风洞扩压器出口扩张段1的外部，沿轴线方向，依次套装与喷淋截面一一对应的平行的汇流环管2，各汇流环管2分别通过各自的冷却水管道连接外部的冷却系统，各汇流环管2还通过沿汇流环管2周向分布的转接管7贯穿风洞扩压器出口扩张段1并深入到风洞扩压器出口扩张段1的内腔，与对应的喷淋截面上垂直气流方向喷淋管3的两端封闭连接；

在各垂直气流方向喷淋管3的背风面，沿垂直气流方向喷淋管3的长度方向加工有若干组喷雾孔9；在各平行气流方向喷淋管4的上方和下方，沿平行气流方向喷淋管4的长度方向，也加工有若干组喷雾孔9；

在各垂直气流方向喷淋管3的背风面，焊接长筋板5，长筋板5的一端焊接在风洞扩压器出口扩张段1的内壁上，长筋板5的另一端焊接在垂直气流方向喷淋管3的中段并避开平行气流方向喷淋管4；在各垂直气流方向喷淋管3与平行气流方向喷淋管4交点两侧，焊接三角筋板6，三角筋板6的两个直角边分别焊接在对应的垂直气流方向喷淋管3的背风面和平行气流方向喷淋管4的背风面；

长筋板5贴在垂直气流方向喷淋管3的背风面和平行气流方向喷淋管4的背风面的边缘为锯齿状结构，让出喷雾孔9，不阻碍喷雾孔9喷雾；

外部的冷却系统通过若干冷却水管道进入对应的汇流环管2，再通过转接管7依次进入垂直气流方向喷淋管3和平行气流方向喷淋管4，从喷雾孔9中喷出，形成风洞扩压器出口扩张段1内的降温喷雾。

进一步地，所述的若干个喷淋截面分为若干组，每组喷淋截面中的相邻喷淋截面的间距相同，各组喷淋截面通过本组的平行气流方向喷淋管4焊接连通，各组喷淋截面的平行气流方向喷淋管4断开。

进一步地，所述的转接管7穿过风洞扩压器出口扩张段1的入口处和出口处采用焊接密封。

进一步地，所述的转接管7在风洞扩压器出口扩张段1外壁面的入口处穿过加强圈8进入风洞扩压器出口扩张段1。

实施例1

本实施例设置有6个喷淋截面，分为两组，第一组由第Ⅰ截面~第Ⅲ截面组成，第二组由第Ⅳ截面~第Ⅵ截面组成，第一组的第Ⅰ截面~第Ⅲ截面等间距错开，第二组的第Ⅳ截面~第Ⅵ截面也等间距错开，第一组的间距和第二组的间距不等。

第一组的第Ⅰ截面~第Ⅲ截面分别由4根等距排布的垂直气流方向喷淋管3组成，其中，第Ⅰ截面的4根垂直气流方向喷淋管3为竖直Y方向，第Ⅱ截面的4根垂直气流方向喷淋管3为左右Z方向，第Ⅲ截面的4根垂直气流方向喷淋管3也为竖直Y方向；12根平行气流方向喷淋管4焊接连通第Ⅰ截面~第Ⅲ截面；

第二组的第Ⅳ截面~第Ⅵ截面分别由5根等距排布的垂直气流方向喷淋管3组成，其中，第Ⅳ截面的5根垂直气流方向喷淋管3为左右Z方向，第Ⅴ截面的5根垂直气流方向喷淋管3为竖直Y方向，第Ⅵ截面的5根垂直气流方向喷淋管3也为左右Z方向；21根平行气流方向喷淋管4焊接连通第Ⅳ截面~第Ⅵ截面；

垂直气流方向喷淋管3背风面的每组3个喷雾孔9分别在45°、90°、135°方向；平行气流方向喷淋管4的每组2个喷雾孔9分别在0°、180°方向上，平行气流方向喷淋管4既起到辅助喷淋作用，同时也作为结构支撑管联结各截面。

本实施例的垂直气流方向喷淋管3的背风面共焊接54个长筋板5；垂直气流方向喷淋管3与平行气流方向喷淋管4交点两侧共焊接64个三角筋板6。

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，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，本发明公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.一种高超声速高温风洞用喷淋冷却装置，其特征在于，所述的喷淋冷却装置采用焊接方式与风洞扩压器出口扩张段（1）相连接，包括汇流环管（2）、垂直气流方向喷淋管（3）、平行气流方向喷淋管（4）、长筋板（5）、三角筋板（6）、转接管（7）、加强圈（8）和喷雾孔（9）；

风洞扩压器出口扩张段（1）为夹层水冷部段，在风洞扩压器出口扩张段（1）的内腔，沿轴线方向顺序设置有若干个喷淋截面，各喷淋截面由相互平行的若干个垂直气流方向喷淋管（3）组成，相邻的喷淋截面的垂直气流方向喷淋管（3）相互垂直；各喷淋截面通过若干个平行气流方向喷淋管（4）串联连接；在风洞扩压器出口扩张段（1）的外部，沿轴线方向，依次套装与喷淋截面一一对应的平行的汇流环管（2），各汇流环管（2）分别通过各自的冷却水管道连接外部的冷却系统，各汇流环管（2）还通过沿汇流环管（2）周向分布的转接管（7）贯穿风洞扩压器出口扩张段（1）并深入到风洞扩压器出口扩张段（1）的内腔，与对应的喷淋截面上垂直气流方向喷淋管（3）的两端封闭连接；

在各垂直气流方向喷淋管（3）的背风面，沿垂直气流方向喷淋管（3）的长度方向加工有若干组喷雾孔（9）；在各平行气流方向喷淋管（4）的上方和下方，沿平行气流方向喷淋管（4）的长度方向，也加工有若干组喷雾孔（9）；

在各垂直气流方向喷淋管（3）的背风面，焊接长筋板（5），长筋板（5）的一端焊接在风洞扩压器出口扩张段（1）的内壁上，长筋板（5）的另一端焊接在垂直气流方向喷淋管（3）的中段并避开平行气流方向喷淋管（4）；在各垂直气流方向喷淋管（3）与平行气流方向喷淋管（4）交点两侧，焊接三角筋板（6），三角筋板（6）的两个直角边分别焊接在对应的垂直气流方向喷淋管（3）的背风面和平行气流方向喷淋管（4）的背风面；

长筋板（5）贴在垂直气流方向喷淋管（3）的背风面和平行气流方向喷淋管（4）的背风面的边缘为锯齿状结构，让出喷雾孔（9），不阻碍喷雾孔（9）喷雾；

外部的冷却系统通过若干冷却水管道进入对应的汇流环管（2），再通过转接管（7）依次进入垂直气流方向喷淋管（3）和平行气流方向喷淋管（4），从喷雾孔（9）中喷出，形成风洞扩压器出口扩张段（1）内的降温喷雾。

2.根据权利要求1所述的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置，其特征在于，所述的若干个喷淋截面分为若干组，每组喷淋截面中的相邻喷淋截面的间距相同，各组喷淋截面通过本组的平行气流方向喷淋管（4）焊接连通，各组喷淋截面的平行气流方向喷淋管（4）断开。

3.根据权利要求1所述的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置，其特征在于，所述的转接管（7）穿过风洞扩压器出口扩张段（1）的入口处和出口处采用焊接密封。

4.根据权利要求1所述的高超声速高温风洞用喷淋冷却装置，其特征在于，所述的转接管（7）在风洞扩压器出口扩张段（1）外壁面的入口处穿过加强圈（8）进入风洞扩压器出口扩张段（1）。

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