CN117606741B - 应用于风洞天平校准的非接触气密封装置及应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于风洞天平校准的非接触气密封装置及应用方法，涉及风洞天平校准领域，包括内设有天平的低温试验箱，所述低温试验箱的外壳侧壁上设置有进气接头、抽吸接头Ⅰ和抽吸接头Ⅱ；连接天平和加载头的绝热套上布置有多个用于非接触气密封的迷宫结构；所述低温试验箱与迷宫结构相配合的位置被配置为采用双层结构，以得到吹扫通道；所述吹扫通道在与相邻迷宫结构之间对应的圆周上布局有多个吹扫孔。本发明提供一种应用于风洞天平校准的非接触气密封装置及应用方法，通过控制过孔气流流动路径、温度和低温试验箱内压力，在保证低温试验箱内温度环境的基础上，对过孔间隙进行非接触气密封，避免过孔结冰结露和校准加载头温度变化。
Description
技术领域
本发明涉及风洞天平校准领域。更具体地说，本发明涉及一种应用于风洞天平校准的非接触气密封装置及应用方法。
背景技术
风洞天平校准时，天平固定端安装在校准架的支撑复位装置上，自由端连接加载头，通过加载头向天平施加标准载荷，拟合天平吹风公式。某些特种天平校准时还需使用低温试验箱对天平体温进行准确控制，低温试验箱通过柔性连接安装在天平固定端，与安装在天平自由端的加载头绝热套过孔间隙大于2.5mm，天平主体安置在低温试验箱（这里的低温试验箱温度范围是指常温～-180℃内）。由于天平试验温度低范围大（50℃～-163℃），低温试验箱过孔极易结冰结露，低温气体通过过孔间隙外泄会导致加载头冷却变形进而影响天平校准数据质量，还易造成箱内流场混乱难以精确控温，因此须对过孔间隙进行非接触动密封。
限制流体泄露的非接触动密封常采用迷宫密封，一般的迷宫密封，只有当过孔间隙很小（≤0.5mm）时才能具备密封的效果，而天平校准时，加载头绝热套穿过低温试验箱的过孔间隙要求大于2.5mm，如此大的过孔间隙，非常容易造成低温气体通过过孔间隙泄漏到外界环境，将导致三个后果：1）过孔结冰结露，低温试验箱和天平固定端形成实体接触，严重影响天平校准数据；2）低温气体直接掠过加载头表面进行对流换热，导致加载头温度大幅下降，引起加载头部分尺寸收缩，标准载荷加载点位置发生改变；3）低温试验箱内的流场混乱，试验箱内的温度均匀度和波动度小于±0.5K的要求难以保证。即因现有的低温试验箱过孔间隙大于2.5mm，故仅采用迷宫密封不能实现低温试验箱内的低温气体与外部的严密隔绝。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种应用于风洞天平校准的非接触气密封装置，包括内设有天平的低温试验箱，以及与其相配合的加载头，所述天平与加载头之间设置有绝热套，另一侧通过支撑复位机构与外部设备连接，所述低温试验箱的外壳侧壁上设置有分别与外部供气设备、负压抽吸设备相配合的进气接头、抽吸接头Ⅰ和抽吸接头Ⅱ；
其中，所述绝热套上布置有多个用于非接触气密封的迷宫结构；
所述低温试验箱与迷宫结构相配合的位置被配置为采用双层结构，以得到吹扫通道；
所述吹扫通道在相邻迷宫结构之间对应的位置上圆周布局有多个吹扫孔，所述低温试验箱上设置有与吹扫通道连通，并与进气接头相配合的进气接口Ⅰ，所述低温试验箱上还设置有与迷宫结构所在的过孔间隙处连通，并与抽吸接头Ⅰ相配合的抽吸接口Ⅰ及抽吸孔。
优选的是，所述抽吸接口Ⅰ外部设置有相配合的加热机构。
优选的是，所述外壳侧壁上还设置有与负压抽吸设备相配合的抽吸接头Ⅱ，所述低温试验箱的中仓上设置有与内仓内部连通的抽吸接口Ⅱ；
所述中仓上还设置有与进气接头相配合的进气接口Ⅱ，所述内仓侧壁上设置有多个过气通孔。
优选的是，所述低温试验箱上还设置有对箱内传感器线路引出的传感器管路。
优选的是，所述负压抽吸设备被配置为包括相配合的负压风机、蝶阀。
一种应用于风洞天平校准的非接触气密封装置应用方法，通过两相邻迷宫结构之间的吹扫孔吹出的干燥气体，在低温试验箱靠近加载头的过孔间隙处构建隔绝气帘；
在进行干燥气体吹扫时，通过设置在抽吸接口Ⅰ外部的加热机构加热干气；
在进行干燥气体吹扫时，负压抽吸设备通过箱内和过孔间隙处设置抽吸孔，对低温试验箱内的压力进行实时控制，以保持箱内压力相对大气为正压。
本发明至少包括以下有益效果：本发明的低温试验箱通过在迷宫结构的位置处设置相配合的吹扫孔，对迷宫结构处进行干气吹扫形成隔绝气帘，完成低温试验箱内的低温气体与外部的非接触气密封。
本发明的应用方法中，通过控制过孔气流流动路径、温度和低温试验箱内压力，在保证低温试验箱内温度环境的基础上，对过孔间隙进行非接触气密封，避免过孔结冰结露和校准加载头温度变化。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的天平校准状态示意图；
图2为本发明加载头绝热套的结构示意图；
图3为本发明低温试验箱的外部结构示意图；
图4为本发明低温试验箱的局部结构示意图；
图5为本发明低温试验箱加载头的吹扫结构示意图；
其中，1-天平，2-低温试验箱，20-外壳，201-进气接头，202-抽吸接头Ⅰ，203-抽吸接头Ⅱ，21-吹扫通道，22-吹扫孔，23-进气接口Ⅰ，24-抽吸接口Ⅰ，25-加热机构，26-中仓，27-内仓，270-过气通孔，28-传感器管路，29-安装装置，3-加载头，4-绝热套，40-迷宫结构，5-支撑复位机构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“Ⅰ”、“Ⅱ”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1-图5示出了根据本发明的一种应用于风洞天平校准的非接触气密封装置的实现形式，其中包括内设有天平1的低温试验箱2，以及与其相配合的加载头3，所述天平与加载头之间设置有绝热套4，另一侧通过支撑复位机构5与外部设备连接，所述低温试验箱的外壳20侧壁上设置有分别与外部供气设备（未示出）、负压抽吸设备（未示出）相配合的进气接头201、抽吸接头Ⅰ202；外部供气设备、进气接头、进气接口Ⅰ以及相配合的气体管路构成设置在低温试验箱前部的干气（干气也称为干燥气体）吹扫装置，干气吹扫装置用于在过孔间隙处实现非接触气密封，其中，进气接头主要用于吹扫用常温干燥气体和低温气体通过相配合的管路引入至低温试验箱内部；
低温试验箱后部设置有安装装置29，用于柔性连接安装在天平固定端上。在实际的应用中，由于低温试验箱加载头一侧的过孔间隙比较大，低温气体能够通过过孔间隙流出箱外，造成过孔结霜结露和加载头冷却变形，再加上负压风机对箱内和过孔间隙处的负压抽吸，也有可能导致外界环境大气经过孔间隙进入到箱内，对低温试验箱内的流场造成影响。通过在加载头绝热套上布置迷宫结构，两相邻迷宫结构处布置干气吹扫小孔，阻隔低温试验箱的低温气体和外界大气通过过孔间隙的流通。
其中，所述绝热套上布置有多个用于非接触气密封的迷宫结构40；
所述低温试验箱与迷宫结构相配合的位置被配置为采用双层结构，以得到吹扫通道21；
所述吹扫通道在与相邻迷宫结构之间对应的圆周上布局有多个吹扫孔22，所述低温试验箱上设置有与吹扫通道连通，并与进气接头相配合的进气接口Ⅰ23，所述低温试验箱上还设置有与迷宫结构所在的过孔间隙处连通，并与抽吸接头Ⅰ相配合的抽吸接口Ⅰ24。具体来说，吹扫小孔圆周均布在过孔内。常温干气（也称为干燥气体）通过管路经吹扫小孔吹到相邻迷宫结构上，阻隔低温试验箱的低温气体和外界大气通过过孔间隙的流通；前端的负压抽吸装置将过孔中气体吸走，负压风机、蝶阀和压力传感器构成闭环控制，精确控制抽吸量，以保证过孔和箱内压力处于设定值，即本方案中箱内的负压抽吸用于吸走输送进来的冷气，校准时实时控制箱内压力，保持箱内压力略大于大气，为正压，防止外部气体进入箱内，而加热机构实时控制干气吹扫装置的温度，防止过孔结冰结露。
进一步地，所述抽吸接口Ⅰ外部设置有相配合的加热机构25，加热机构用于对过孔气流进行温度控制。在实际的应用中，因为低温试验箱内温度低范围大（50℃～-163℃），且为略大于大气的正压，如果此处不加热处理，大气中的水汽会冷凝结冰结露，低温试验箱和天平固定端形成实体接触，严重影响校准结果。通过设置在加载头绝热套和低温试验箱内的温度传感器和加热机构，采用加热机构实时控制干气吹扫装置的温度，防止过孔结冰结露。
进一步地，所述外壳侧壁上还设置有与负压抽吸设备相配合的抽吸接头Ⅱ203，所述低温试验箱的中仓上设置有与内仓内部连通的抽吸接口Ⅱ（未示出）；
所述中仓26上还设置有与进气接头相配合的进气接口Ⅱ（未示出），所述内仓27侧壁上设置有多个过气通孔270，本发明的低温试验箱在结构上分外壳、中仓和内仓，天平布置在内仓内；所述低温试验箱上还设置有对箱内传感器线路引出的传感器管路28，传感器管路主要用于箱内温度、压力等传感器的线路引出；
所述负压抽吸设备被配置为包括相配合的负压风机（未示出）、蝶阀（未示出）；负压抽吸管路连接低温试验箱与负压风机、蝶阀，其中负压风机用于箱内气体抽吸，蝶阀用于控制抽吸压力。在实际的应用中，低温试验箱的温度控制由低温气体热交换实现，为了保持低温试验箱内的压力，本方案采用负压风机+蝶阀控压的方式，在箱内和过孔间隙处设置抽吸孔，能够有效地控制低温试验箱内的压力。故在实际操作中，通过该结构可有效地控制箱内压力稳定在±0.02KPa范围内，并且保证低温试验箱的温度性能。
本发明基于低温试验箱的技术特点，以及天平校准过程中的实际使用情况，研发了一套适用于低温下可控温非接触气密封技术，该技术采用了“迷宫结构+干气吹扫”、“过孔气流温度控制”和“舱室精确控压+局部负压抽吸”的复合精密结构，能够解决该天平校准的过孔密封难题，具体来说是通过一种应用于风洞天平校准的非接触气密封装置应用方法来实现，即通过两相邻迷宫结构之间吹扫孔吹出的干燥气体，在低温试验箱靠近加载头的过孔间隙处构建隔绝气帘；
在进行干燥气体吹扫时，通过设置在抽吸接口Ⅰ外部的加热机构加热干气，防止过孔结冰结露；
在进行干燥气体吹扫时，负压抽吸设备通过箱内和过孔间隙处设置抽吸孔，对低温试验箱内的压力进行实时控制，以保持箱内压力相对大气为正压，防止外部气体进入低温试验箱。
本方案该采用了“迷宫结构+干气吹扫”、“过孔气流温度控制”和“舱室精确控压+局部负压抽吸”的复合精密结构，在过孔间隙大于2.5mm的情况下，实现了非接触气密封的效果。一是防止过孔结冰结露，导致低温试验箱和天平自由端形成实体接触，影响天平校准数据；二是防止低温气体直接掠过加载头表面进行对流换热，导致加载头温度大幅下降，引起加载头部分尺寸收缩，标准载荷加载点位置发生改变；三是防止低温试验箱内的流场混乱，保证低温试验箱内的温度均匀度和波动度小于±0.5K；四是装置结构简单，无需复杂装配，对天平校准影响较小；五是可适应不同过孔直径，满足不同尺寸天平的校准需求。
以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
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领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (5)
1.一种应用于风洞天平校准的非接触气密封装置，包括内设有天平的低温试验箱，以及与其相配合的加载头，所述天平与加载头之间设置有绝热套，另一侧通过支撑复位机构与外部设备连接，其特征在于，所述低温试验箱的外壳侧壁上设置有分别与外部供气设备、负压抽吸设备相配合的进气接头、抽吸接头Ⅰ和抽吸接头Ⅱ；
其中，所述绝热套上布置有多个用于非接触气密封的迷宫结构；
所述低温试验箱与迷宫结构相配合的位置被配置为采用双层结构，以得到吹扫通道；
所述吹扫通道在与相邻迷宫结构之间对应的圆周上布局有多个吹扫孔，所述低温试验箱上设置有与吹扫通道连通，并与进气接头相配合的进气接口Ⅰ，所述低温试验箱上还设置有与迷宫结构所在的过孔间隙处连通，并与抽吸接头Ⅰ相配合的抽吸接口Ⅰ及抽吸孔；
所述抽吸接口Ⅰ外部设置有相配合的加热机构。
2.如权利要求1所述的应用于风洞天平校准的非接触气密封装置，其特征在于，所述外壳侧壁上还设置有与负压抽吸设备相配合的抽吸接头Ⅱ，所述低温试验箱的中仓上设置有与内仓内部连通的抽吸接口Ⅱ；
所述中仓上还设置有与进气接头相配合的进气接口Ⅱ，所述内仓侧壁上设置有多个过气通孔。
3.如权利要求1所述的应用于风洞天平校准的非接触气密封装置，其特征在于，所述低温试验箱上还设置有对箱内传感器线路引出的传感器管路。
4.如权利要求1所述的应用于风洞天平校准的非接触气密封装置，其特征在于，所述负压抽吸设备被配置为包括相配合的负压风机、蝶阀。
5.一种如权利要求1-4任一项所述应用于风洞天平校准的非接触气密封装置应用方法，其特征在于，通过两相邻迷宫结构之间的吹扫孔吹出的干燥气体，在低温试验箱靠近加载头的过孔间隙处构建隔绝气帘；
在进行干燥气体吹扫时，通过设置在抽吸接口Ⅰ外部的加热机构加热干气；
在进行干燥气体吹扫时，负压抽吸设备通过箱内和过孔间隙处设置抽吸孔，对低温试验箱内的压力进行实时控制，以保持箱内压力相对大气为正压。
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