CN117782507A - 一种用于高超声速风洞的多孔均压防抽丝热防护结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高超声速风洞的多孔均压防抽丝热防护结构，属于高温风洞热防护技术领域。解决了现有技术中传统的高超声速风洞热防护结构存在的隔热材料抽丝损耗和流场污染问题问题；本发明承压外壳和承温内壳均为圆筒状结构，承温内壳侧壁上开设有均压孔；金属筛网缠绕固定在承温内壳外壁，隔热层缠绕包覆在金属筛网外侧；固定钉平头端与承温内壳外壁连接，固定钉尖头端刺穿隔热层；捆扎金属丝沿圆周方向在隔热层外壁捆扎若干圈，使隔热层、固定钉和承温内壳形成筒状嵌入结构；筒状嵌入结构设置于承压外壳内部，承温内壳两端均通过法兰与承压外壳连接。本发明有效避免了隔热材料抽丝损耗和流场污染情况，可以应用于高超声速风洞试验。
Description
技术领域
本发明涉及热防护结构，尤其涉及一种用于高超声速风洞的多孔均压防抽丝热防护结构，属于高温风洞热防护技术领域。
背景技术
高超声速风洞作为地面飞行环境模拟与先进空气动力学设计验证的重要试验设施，用于模拟高超声速飞行器在飞行过程中经受极其复杂且恶劣的飞行环境；由于激波强烈压缩，使飞行器周围的空气产生高温。
常规高超声速风洞采用高压压缩空气作为试验介质，气体经加热器升温后通向下游洞体，下游洞体承受高温高压气流流动造成的恶劣环境；为保证设备安全的运行，该部分洞体必须采取有效的热防护措施。现有的常规高超声速风洞高温高压洞体一般采用的热防护结构方案多为外壳承受气流压力，内壳承温且为避免受压变形会设置压力平衡孔，中间缠绕隔热材料的形式；现有技术方案的缺点在于隔热材料安装在气流冲击下易松散从压力平衡孔中吸至风洞流道内，造成隔热材料抽丝损耗和流场污染，影响热防护效果甚至失效，同时高温会使得外壳承压结构力学性能产生明显的下降，进而降低了设备运行的安全性和可靠性。
因此，亟待提出一种可以避免隔热材料抽丝损耗和流场污染情况、安全性能高的高超声速风洞热防护结构。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，为解决现有技术中传统的高超声速风洞热防护结构存在的隔热材料抽丝损耗和流场污染问题，本发明提供一种用于高超声速风洞的多孔均压防抽丝热防护结构。
技术方案如下：一种用于高超声速风洞的多孔均压防抽丝热防护结构包括承压外壳、隔热层、承温内壳、金属筛网、固定钉和捆扎金属丝；
所述承压外壳和承温内壳均为圆筒状结构，承压外壳两端为法兰形式，承温内壳一端为焊接法兰，另一端为套头滑动法兰，承温内壳侧壁上开设有均压孔；
所述金属筛网缠绕固定在承温内壳外壁，隔热层缠绕包覆在金属筛网外侧；
所述固定钉平头端与承温内壳外壁连接，固定钉尖头端刺穿隔热层，固定钉竖直方向沿承温内壳的法线方向；
所述捆扎金属丝沿圆周方向在隔热层外壁捆扎若干圈，使隔热层、固定钉和承温内壳形成筒状嵌入结构；
所述筒状嵌入结构从轴向一侧整体安装于承压外壳内部，承温内壳两端均通过法兰结构和螺钉与承压外壳连接，固定钉尖头端与承压外壳的内壁构成接触支撑。
进一步地，所述隔热层为硅酸铝纤维毡隔热层，隔热层包覆金属筛网的厚度为40mm-50mm。
进一步地，所述捆扎金属丝为不锈钢材质捆扎金属丝，丝径为1mm。
进一步地，所述金属筛网为不锈钢或高温合金编织金属筛网，通气率为90%-95%，网格间距小于或等于2mm，采用通气率公式确定金属筛网的通气率；
通气率公式表示为：
；
其中，d为金属丝直径，单位为mm，D为网格间距，单位为mm。
进一步地，所述承温内壳为不锈钢或高温合金材质承温内壳，承温内壳上设置的均压孔呈轴向和周向阵列形式均匀布置，均压孔的孔径为5mm，承温内壳流道的开孔面积占承温内壳流道面积的0.35%-0.5%，承温内壳流道的开孔面积满足所需均压效果，采用均压效果公式确定均压效果；
均压效果公式表示为：
；
其中，W为气体均压量，单位为kg/h，C为气体特征系数，K为均压系数，P为承温内壳流道内气体压力，单位为MPa，T为承温内壳流道内气体温度，单位为K，M为气体摩尔质量，单位为kg/kmol。
本发明的有益效果如下：本发明采用缠绕金属筛网的抗冲击防抽丝结构，不仅结构和功能更加简洁可靠，同时保证了热防护结构的均压功能；本发明兼顾了高温高压工况下热防护结构隔热和结构强度，特别适用于常规高超声速风洞洞体的热防护，在相关设备设计和安装中具有很高的应用价值；本发明的热防护结构采用多层结构形式，承压外壳为筒状承压结构，承温内壳为带均压孔的金属薄板成型，起到抗冲刷和整流作用，中间空隙填充隔热材料；本发明解决了目前常规高超声速风洞热防护结构均压设计带来的隔热材料抽丝损耗和流场污染的问题，兼顾了均压性能及抗冲击能力，从根本上解决了气流冲击下导致的热防护结构效果降低甚至失效的问题，高温下外壳承压结构力学性能稳定，提高了设备运行的安全性和可靠性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为一种用于高超声速风洞的多孔均压防抽丝热防护结构示意图；
图2为承温内壳和固定钉结构示意图；
图3为金属筛网结构示意图。
附图标记：1.承压外壳；2.隔热层；3.承温内壳；4.金属筛网；5.固定钉；6.捆扎金属丝。
具体实施方式
为了使本发明实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参考图1-3详细说明本实施例，一种用于高超声速风洞的多孔均压防抽丝热防护结构包括承压外壳1、隔热层2、承温内壳3、金属筛网4、固定钉5和捆扎金属丝6；
所述承压外壳1和承温内壳3均为圆筒状结构，承压外壳1两端为法兰形式，承温内壳3一端为焊接法兰，另一端为套头滑动法兰，承温内壳3侧壁上开设有均压孔；
所述金属筛网4缠绕固定在承温内壳3外壁，隔热层2缠绕包覆在金属筛网4外侧；
所述固定钉5平头端与承温内壳3外壁连接，固定钉5尖头端刺穿隔热层2，固定钉5竖直方向沿承温内壳3的法线方向；
所述捆扎金属丝6沿圆周方向在隔热层2外壁捆扎若干圈，使隔热层2、固定钉5和承温内壳3形成筒状嵌入结构；
所述筒状嵌入结构从轴向一侧整体安装于承压外壳1内部，承温内壳3两端均通过法兰结构和螺钉与承压外壳1连接，固定钉5尖头端与承压外壳1的内壁构成接触支撑；
具体的，承温内壳3由带均压孔的不锈钢或高温合金材质的4-5mm厚度金属薄板卷制而成；均压孔包括但不限于圆形孔、腰形孔、六边形孔和方孔等常规孔形式，未明确限定具体均压孔形式时，默认为总能在现有均压孔形式中找到至少一种均压孔形式能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择，本实施例中，承温内壳3选择圆形均压孔形式。
进一步地，所述隔热层2为硅酸铝纤维毡隔热层，隔热层2包覆金属筛网4的厚度为40mm-50mm；
具体的，隔热层2包覆金属筛网4的厚度为40mm。
进一步地，所述捆扎金属丝6为不锈钢材质捆扎金属丝，丝径为1mm。
进一步地，所述金属筛网4为不锈钢或高温合金编织金属筛网，通气率为90%-95%，网格间距小于或等于2mm，采用通气率公式确定金属筛网4的通气率；
通气率公式表示为：
；
其中，d为金属丝直径，单位为mm，D为网格间距，单位为mm；
具体的，金属筛网4通气率为95%。
进一步地，所述承温内壳3为不锈钢或高温合金材质承温内壳，承温内壳3上设置的均压孔呈轴向和周向阵列形式均匀布置，均压孔的孔径为5mm，承温内壳3流道的开孔面积占承温内壳3流道面积的0.35%-0.5%，承温内壳3流道的开孔面积满足所需均压效果，采用均压效果公式确定均压效果；
均压效果公式表示为：
；
其中，W为气体均压量，单位为kg/h，C为气体特征系数，K为均压系数，P为承温内壳流道内气体压力，单位为MPa，T为承温内壳流道内气体温度，单位为K，M为气体摩尔质量，单位为kg/kmol；
具体的，均压孔呈轴向和周向阵列形式均匀布置，但不仅限于圆周和直线阵列形式，还可以为旋转错位、螺旋等常规布置形式，未明确限定具体开孔布置时，默认为总能在现有开孔布置中找到至少一种开孔布置能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择，本实施例中，均压孔选择轴向和轴向阵列均匀布置，均压孔的孔径为5mm。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
Claims (5)
1.一种用于高超声速风洞的多孔均压防抽丝热防护结构，其特征在于，包括承压外壳（1）、隔热层（2）、承温内壳（3）、金属筛网（4）、固定钉（5）和捆扎金属丝（6）；
所述承压外壳（1）和承温内壳（3）均为圆筒状结构，承压外壳（1）两端为法兰形式，承温内壳（3）一端为焊接法兰，另一端为套头滑动法兰，承温内壳（3）侧壁上开设有均压孔；
所述金属筛网（4）缠绕固定在承温内壳（3）外壁，隔热层（2）缠绕包覆在金属筛网（4）外侧；
所述固定钉（5）平头端与承温内壳（3）外壁连接，固定钉（5）尖头端刺穿隔热层（2），固定钉（5）竖直方向沿承温内壳（3）的法线方向；
所述捆扎金属丝（6）沿圆周方向在隔热层（2）外壁捆扎若干圈，使隔热层（2）、固定钉（5）和承温内壳（3）形成筒状嵌入结构；
所述筒状嵌入结构从轴向一侧整体安装于承压外壳（1）内部，承温内壳（3）两端均通过法兰结构和螺钉与承压外壳（1）连接，固定钉（5）尖头端与承压外壳（1）的内壁构成接触支撑。
2.根据权利要求1所述的一种用于高超声速风洞的多孔均压防抽丝热防护结构，其特征在于，所述隔热层（2）为硅酸铝纤维毡隔热层，隔热层（2）包覆金属筛网（4）的厚度为40mm-50mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于高超声速风洞的多孔均压防抽丝热防护结构，其特征在于，所述捆扎金属丝（6）为不锈钢材质捆扎金属丝，丝径为1mm。
4.根据权利要求2所述的一种用于高超声速风洞的多孔均压防抽丝热防护结构，其特征在于，所述金属筛网（4）为不锈钢或高温合金编织金属筛网，通气率为90%-95%，网格间距小于或等于2mm，采用通气率公式确定金属筛网（4）的通气率；
通气率公式表示为：
；
其中，d为金属丝直径，单位为mm，D为网格间距，单位为mm。
5.根据权利要求4所述的一种用于高超声速风洞的多孔均压防抽丝热防护结构，其特征在于，所述承温内壳（3）为不锈钢或高温合金材质承温内壳，承温内壳（3）上设置的均压孔呈轴向和周向阵列形式均匀布置，均压孔的孔径为5mm，承温内壳（3）流道的开孔面积占承温内壳（3）流道面积的0.35%-0.5%，承温内壳（3）流道的开孔面积满足所需均压效果，采用均压效果公式确定均压效果；
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