CN204403589U - 高温高压管道 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种带电预热功能的高超声速风洞主气流高温高压管道。其包括耐压筒体、滑移筒体、隔热层、加热元件和蓄热筒体，所述耐压筒体的两端分别带有法兰，所述滑移筒体的一端固定在所述耐压筒体的一个法兰上，其另一端为自由端，所述蓄热筒体的一端固定在所述耐压筒体的另一个法兰上，所述蓄热筒体的另一端插入所述滑移筒体中，与所述滑移筒体摩擦接触，所述蓄热筒体的外周上间隔地焊接有多个隔板，各所述隔板的顶端与所述耐压筒体的内表面抵接，所述隔热层通过所述隔板固定在所述耐压筒体与所述蓄热筒体之间，所述加热元件均匀平铺或缠绕在所述蓄热筒体上。根据本实用新型的高温高压管道，能够缩短风洞启动时间，提高试验效率，便于制造加工。

Description

高温高压管道

技术领域

本实用新型涉及空气动力学领域，具体而言，涉及一种常规高超声速风洞设备连接部件，一种带电预热的风洞主气流高温高压管道。

背景技术

常规高超声速风洞运行时，风洞主气流经过管道、阀门和加热器等设备，进入稳定段前获得符合温度和压力参数要求的空气流量。风洞设计时，按照风洞主气流温度的高低，管道的长短，会采用不同的管道结构形式。

通常情况下，风洞对于常温、低温气流进行输送的管道，以及加热器出口温度不超过400℃，快速阀的前后较短的管道，一般采用厚壁不锈钢管道，直接承受气流的温度和压力，钢材的强度能够保证安全性。高超声速风洞的主气流是属于高温高压状态下的流动，管道要承受高温和较大的压力，例如CAAA的FD-07风洞，试验调试参数Ma＝8运行时，气流温度480℃条件下，压力为8.0MPa。Ma＝10调试运行时，气流温度800℃条件下，压力达到10.0MPa，管道设计压力需要达到14.0MPa甚至更高，强度安全和气密性是及其重要的，管道安装一般为双层，内部结构必须耐热、抗冲击，连接可靠，外部必须耐压，气密性好。

针对高超声速风洞对气流加热的特点，风洞高温高压管道从冷状态短时间进入热状态，一般为数秒钟，管道内壁是被动吸热的，在风洞运行时需要主气流预热管道内壁，管道越长，预热越慢，风洞等待稳定段气流温度达到符合要求的启动时间，有时甚至比正常的试验时间还要长；运行温度越高，启动时间越长。

对于压力-引射式风洞运行，例如CAAA的FD-07高超声速风洞，依靠热的主气流预热管道，大流量下，稳定段温度达到480℃时，一般30s左右，如果Ma数高，主气流的流量小时，预热的时间更长，风洞启动时间长，浪费大量的能源，为了达到快速升温的条件，需要提高加热器出口的温度， 给加热器系统提出更高的要求，基于加热器的能力限制，高Ma数试验时，一般难以满足快速升温的目的。对于CARDC的FL-31高超声速风洞，目前，采取喷管前引出旁路，用热的主气流进行管道预热，来提高管壁的温度，缩短风洞的启动时间，但带来设备运行的复杂程度提高和程序繁琐。

对于压力-真空风洞运行，真空系统一般维持风洞运行时间约几十秒，稳定段还没有达到要求的温度，真空罐的压力已经不能满足需要的压比条件，无法进行试验。例如，日本NAL-50常规高超声速风洞，增加预热排气系统，实验前，需要预热管道，在稳定段的末端设置三通，实验前依靠加热器的热气流，预先加热管道，余热气体通过旁路排出，能够达到缩短启动时间的目的，但风洞运行程序繁琐。

北京大学的和高超声速风洞，为满足快速启动，高温高压管道基本都要提前预热，来增加管壁温度。采用的方法是，在管道外壁面缠绕电热带，但是，此方式管道加热温度必须受到限制。考虑管道的耐压要求，加热温度一般限定在200℃以下，以防出现管壁加热不均，出现局部受热降低管道的耐压强度，由于主气流的管壁较厚，吸热量大，温度上升慢，消耗的电能较大，造成浪费。对于Ma大于7的风洞，应用此方式存在一定风险，如果风洞在更高Ma数-下工作，主气流工作压力一般大于5.0MPa，使用壳体壁面加热是存在风险的，实际工程中一般不采用。

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，提供一种缩短高超声速风洞启动时间，便于加工制造的风洞高温高压管道。

本发明的高温高压管道包括耐压筒体、滑移筒体、隔热层、加热元件和蓄热筒体，所述耐压筒体的两端分别带有法兰，所述滑移筒体的一端固定在所述耐压筒体的一个法兰上，其另一端为自由端，所述蓄热筒体的一端固定在所述耐压筒体的另一个法兰上，所述蓄热筒体的另一端插入所述滑移筒体中，与所述滑移筒体摩擦接触，所述蓄热筒体的外周上间隔地焊接有多个隔板，各所述隔板的顶端与所述耐压筒体的内表面抵接，所述隔热层通过所述隔板固定在所述耐压筒体与所述蓄热筒体之间，所述加热元件均匀平铺或缠绕在所述蓄热筒体上。

优选所述耐压筒体两个法兰中的一个法兰的端面上带有凹槽，另一个法兰的端面上带有与所述凹槽相配的凸槽，能够以凹槽与凸槽相配合的方式将两段所述高温高压管道连接起来，并通过在凹槽与凸槽之间安装紫铜密封垫片能够进行密封。

优选所述耐压筒体的材料为1Cr18Ni9Ti。

优选所述滑移筒体的材料为Cr25Ni20的耐热钢。

优选所述蓄热筒体，是壁厚较薄的无缝钢管，其材料为Cr25Ni20的耐热钢。

优选所述加热元件为管道电加热带或者电加热棒，能够设定温度，以实现不同用途的管壁温度的恒温控制。

优选所述电加热带均匀缠绕在蓄热筒上，其外部覆盖有保温层。

优选所述电加热棒根据筒体形状布局，使用刚玉绝缘件支撑固定。

优选还包括用于所述加热元件电连接的电接头，其安装在所述耐压筒体的靠近其一个端部的下面。

本发明与现有技术相比，优点体现在：

(1)加热后和蓄热筒体与主气流温差小，主气流通过热管道的蓄热筒体，热量损失小，主气流快速达到要求的温度，能够缩短风洞启动时间，减少风洞气源消耗。

(2)采用加热管道内部蓄热筒体的办法，蓄热体质量小，温度上升快，耗电量低，根据主气流在稳定段内的温度要求，实现自动恒温控制，降低风洞运行风险。

(3)易于加工制造，便于调整更换。

附图说明

图1(1)为表示高温高压管道结构的剖切图，(2)为表示高温高压管道结构的横向视图。

图2为高温高压管道的轴向结构图。

图3为电接头位置的高温高压管道截面图。

图4为电极接头密封结构图。

图5(1)表示蓄热筒与滑移筒布局的横向视图，(2)为表示蓄热筒与 滑移筒布局的剖切视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行详细说明。

在常规高超声速风洞稳定段的前部，需要高温高压管道和高温高压快速阀，把加热器出来的高温高压气流通过控制，输入稳定段。依设备布局的需要，风洞的高温高压管道都有一定长度，高温高压热管道总体设计成可以几段串联的形式，如图1的(1)、(2)所示，为表示高温高压热管道结构的示意图，气流在蓄热筒体5内流通，串联管道之间可以通过端面法兰连接，加热元件4的电极接头2布局在耐压筒体1的下部，壳体外部大气的对流有利于电接头降温。

如图2为高温高压管道的轴向结构图；高温高压管道包括耐压筒体1、电极接头2、隔热层3、加热元件4、蓄热筒体5、滑移筒体6和密封垫7。耐压筒体1的两端分别带有法兰，耐压筒体1两个法兰中的一个法兰的端面上带有凹槽，另一个法兰的端面上带有与所述凹槽相配的凸槽，能够以凹槽与凸槽相配合的方式将两段高超声速风洞高温高压管道连接起来，并通过在凹槽与凸槽之间安装紫铜密封垫片能够进行密封，在高温高压管道内，在耐压筒体1一端的法兰上焊接有一段滑移筒体6，滑移筒体6的另一端为自由端，蓄热筒体5的一端固定在耐压筒体1的另一个法兰上，蓄热筒体5的另一端插入滑移筒体6中，与所述滑移筒体6摩擦接触，即，蓄热筒体5后部与滑移筒体6前部通过插接而相连，能够在受热时膨胀移动，顺向台阶确保内壁面光滑。蓄热筒体5的外周上间隔地焊接有多个隔板，每个隔板的顶端都与耐压筒体1的内表面抵接，隔板不能妨碍滑移筒体6的安装和膨胀位移。隔热层3通过隔板固定在耐压筒体1与蓄热筒体5之间，隔热层3是铸造成型的隔热层，耐气流冲刷，不产生粉尘，本实施例为多晶莫来石刚玉耐材，通过组装固定在蓄热筒体和蓄热筒体外周焊接的隔板上。加热元件4为软带状发热体，由耐热纤维套管封装，成熟的市场产品。加热元件均匀缠绕在蓄热筒体5上，根据需要可以在蓄热筒体5的壁面安装测温热电偶，探测蓄热筒体5的温度。加热元件4的电源连接导线与电接头2相连。加热元件4也可以为管道电加热带或者电加热棒，可 以设定温度，实现不同用途的管壁温度的恒温控制。电加热带均匀缠绕在蓄热筒上，外部由保温层覆盖。加热棒可以根据筒体形状布局，使用刚玉绝缘件支撑固定。加热带是目前管道加热应用比较成熟的方式。

如图3为电极接头位置的高温高压管道截面图，电极接头2通过螺纹固定在耐压壳体1上，共有3件，分别接电源的A、B、C相，加热元件4的电源为380Vac供电。本实施例，电极接头2安装在高温高压管道的下部，考虑外部耐压壳体1的空气对流换热，下部的温度较低，有利于电极接头2的降温。电极接头2之间的角度为15°。

图4为电极接头密封结构图，导电杆2-1通过螺母2-2固定刚玉绝缘件2-2，起到绝缘和热隔离作用，外壳2-4通过螺纹固定在耐压管1上，密封垫2-5安装在耐压壳体1上，通过旋紧螺纹压紧紫铜垫起到密封作用。通过螺母2-7锁紧导电杆端部螺纹，压紧密封绝缘件2-6。本实施例，电接头与耐压管壳体之间采用紫铜密封，导电杆与法兰之间的密封绝缘件2-6使用云母垫片绝缘兼具密封作用。

如图5的(1)、(2)所示，其为蓄热筒体5与滑移筒体6布局图，蓄热筒体5包括蓄热筒法兰5-1和平直筒段5-2。滑移筒体6包括滑移筒段6-1和滑移筒法兰6-2。蓄热筒体5与滑移筒体6的内壁均光滑；平直筒段5-2的壁外侧焊接隔板5-3，蓄热筒法兰5-1焊接在耐压筒体1的一个法兰上，滑移筒法兰6-2焊接在耐压筒体1的另一个法兰上，滑移筒段6-1的另一端为自由端，滑移筒段6-1套在蓄热筒的平直筒段5-2上，两者摩擦接触，组装后，保持蓄热筒体在中心位置，隔板之间缠绕发热元件，两种缠绕方式，轴向平行铺设，或者圆周螺旋缠绕。根据本发明的实施例，发热元件为壁面圆周螺旋缠绕铺设，蓄热筒体5为薄壁耐热钢焊接筒体，材料为Cr25Ni20，吸热量小，温度上升快，壁面温度均匀。根据使用要求，可以在加热元件的安装位置，同时铺设测温点，通过控制系统可以根据试验要求，设定不同的温度，实现温度测量显示和恒温控制。本实施例，控制温度设定为80℃、220℃、330℃、480℃、650℃、800℃，共6个目标值。满足不同Ma数喷管主气流的加热温度要求。

以上对本实用新型的优选实施方式进行了说明，但本实用新型并不限定于上述实施例。对本领域的技术人员来说，在权利要求书所记载的范畴 内，显而易见地能够想到各种变更例或者修正例，当然也属于本实用新型的技术范畴。

Claims (9)

1.一种高温高压管道，其特征在于：包括耐压筒体、滑移筒体、隔热层、加热元件和蓄热筒体，所述耐压筒体的两端分别带有法兰，所述滑移筒体的一端固定在所述耐压筒体的一个法兰上，其另一端为自由端，所述蓄热筒体的一端固定在所述耐压筒体的另一个法兰上，所述蓄热筒体的另一端插入所述滑移筒体中，与所述滑移筒体摩擦接触，所述蓄热筒体的外周上间隔地焊接有多个隔板，各所述隔板的顶端与所述耐压筒体的内表面抵接，所述隔热层通过所述隔板固定在所述耐压筒体与所述蓄热筒体之间，所述加热元件均匀平铺或缠绕在所述蓄热筒体上。

2.根据权利要求1所述的高温高压管道，其特征在于：所述耐压筒体两个法兰中的一个法兰的端面上带有凹槽，另一个法兰的端面上带有与所述凹槽相配的凸槽，能够以凹槽与凸槽相配合的方式将两段所述高温高压管道连接起来，并通过在凹槽与凸槽之间安装紫铜密封垫片能够进行密封。

3.根据权利要求1所述的高温高压管道，其特征在于：所述耐压筒体的材料为1Cr18Ni9Ti。

4.根据权利要求1所述的高温高压管道，其特征在于：所述滑移筒体的材料为Cr25Ni20的耐热钢。

5.根据权利要求1所述的高温高压管道，其特征在于：所述蓄热筒体，是壁厚较薄的无缝钢管，其材料为Cr25Ni20的耐热钢。

6.根据权利要求1所述的高温高压管道，其特征在于：所述加热元件为管道电加热带或者电加热棒，能够设定温度，以实现不同用途的管壁温度的恒温控制。

7.根据权利要求6所述的高温高压管道，其特征在于：所述电加热带 均匀缠绕在蓄热筒上，其外部覆盖有保温层。

8.根据权利要求6所述的高温高压管道，其特征在于：所述电加热棒根据筒体形状布局，使用刚玉绝缘件支撑固定。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的高温高压管道，其特征在于：还包括用于所述加热元件电连接的电接头，其安装在所述耐压筒体的靠近其一个端部的下面。