一種高超聲速風洞噴管出口段水冷裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高超聲速風洞噴管出口段水冷裝置，該裝置包括通水接頭、外殼體、內殼體以及堵塊、分水筋。該裝置的冷卻水從風洞試驗段外的通水接頭直接流入噴管出口段的外殼體和內殼體之間的夾層，在噴管出口段的末端折返，再從通水接頭流出，冷卻水在噴管出口段內部形成循環(huán)。該裝置無須在風洞噴管段的末端和風洞試驗段之間連接通水管構成回水管，不與風洞試驗段產生關聯。更換風洞噴管時，只需將風洞噴管直接脫離試驗段，無須拆裝回水管，具有很高的更換操作效率，而且避免了更換風洞噴管時冷卻水泄露到試驗段中。同時，在夾層中設置了易于加工的約束冷卻水流動的冷卻單元，使冷卻水在夾層中的流動更均勻，對噴管出口段起到良好的冷卻效果。
【專利說明】
一種高超聲速風洞噴管出口段水冷裝置
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于常規(guī)高超聲速風洞試驗技術領域，具體涉及一種高超聲速風洞噴管出口段水冷裝置。
【背景技術】
[0002]常規(guī)高超聲速風洞噴管是拉瓦爾噴管，從形式上分為收縮段、喉道段、擴張段，從結構上通常分為入口段、喉道、中間擴張段、出口段四部分。噴管出口段需插入高超聲速風洞試驗段中，試驗時，風洞來流經噴管流入試驗段，風洞來流總溫較高，有時會超過800°C，試驗時間通常在60s以上，某些試驗可達240s，高溫氣流對噴管加熱效應明顯，在缺乏冷卻的情況下會引起噴管變形甚至破壞，并影響風洞流場質量，所以需要對噴管進行持續(xù)冷卻降溫。同時，由于高超聲速風洞噴管是固定噴管，每個噴管對應一個來流馬赫數，試驗中經常需要更換噴管以改變來流馬赫數，從而改變試驗狀態(tài)，因此，要求噴管更換的效率不能太低。也就是說，噴管冷卻裝置要同時滿足高效實時降溫和不影響風洞噴管更換兩個要求。當前，有些高超聲速風洞噴管出口段沒有設置冷卻裝置;有些高超聲速風洞噴管在噴管出口段和試驗段內壁焊接管嘴，并用管道連接起來，制成了回水管，使冷卻水形成回路，實現了高效冷卻，但是，在更換噴管時必須拆裝連接試驗段的回水管，更換效率較低，而且冷卻水也容易泄漏到試驗段中，造成試驗段內部設備的腐蝕和電器設備安全隱患。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術問題是提供了一種高超聲速風洞噴管出口段水冷裝置。
[0004]本發(fā)明的高超聲速風洞噴管出口段水冷裝置，其特點是，所述的裝置包括通水接頭、外殼體、內殼體、分水筋、堵塊；
所述的外殼體包裹在內殼體上，與內殼體兩端的外緣環(huán)縫滿焊，外殼體和內殼體之間為供冷卻水流通的夾層，夾層通過焊接在內殼體上的分水筋和堵塊均勻分割成Λ個冷卻單元，分水筋的數量為2/2，堵塊的數量為/2;冷卻單元之間以焊接封閉的的分水筋和堵塊作為分割界線，冷卻單元內部焊接I條左端封閉、右端開口的分水筋，形成順向子流道和逆向子流道;所述的法蘭I的徑向設有2n個通水孔，通水孔的外側焊接通水接頭，通水接頭連接外部通水管道，通水孔分為η個入水孔和η個出水孔，每個冷卻單元分布有I個入水孔和I個出水孔，冷卻水從入水孔進入冷卻單元，沿順向子流道流經經右凹槽處折返，再沿逆向子流道經出水孔流出冷卻單元；
為噴管出口內徑(單位為m)，/3=12認/3為非整數時進位取整數;通水孔的孔徑為c/冷卻水流量為認通水孔內冷卻水流速為流速范圍為3?10m/s，d=[AQ/{nn κ)]0'5；分水筋和堵塊的寬度相同，取5 mm?1mm0
[0005]所述的外殼體上設置有定位和密封端面，與風洞的試驗段入口側壁對接定位并密封;所述的內殼體左側有法蘭Π，法蘭Π的右側面為軸向定位平面，法蘭I的左側平面與法蘭Π的右側面貼合定位，定位面粗糙度小于等于Ral.6μπι。
[0006]所述的外殼體和內殼體的材料均采用馬氏體不銹鋼或奧氏體不銹鋼。若內殼體對材料的導熱能力要求較高，可采用馬氏體不銹鋼，如I Cr 13、2Cr 13，若對焊接性能要求較高，則采用奧氏體不銹鋼，如0Crl8Ni9、lCrl8Ni9Ti等。
[0007]所述的內殼體的外輪廓從左至右依次是法蘭Π、左柱面、左凹槽、左凸臺、流道、右凸臺、右凹槽、右柱面，左柱面和右柱面是內殼體與外殼體內圓配合的柱段，內殼體的外側表面焊接分水筋和堵塊。左柱面和右柱面是內殼體與外殼體內圓配合的柱段，左柱面與外殼體的內圓、右柱面與外殼體的內圓的裝配公差為H8/h7，配合表面表面粗糙度小于等于Ra3.2μπι。除法蘭Π、左柱面和右柱面外，其余外輪廓表面粗糙度范圍為Ra6.3μπι?12.5μπι。
[0008]所述的左凹槽與左凸臺、左凸臺與流道、流道與右凸臺、右凸臺與右凹槽之間采用相同半錐角的錐面連接，半錐角為4范圍為25°?30°。左凹槽或右凹槽的深度為Α，凹槽沿軸線方向的長度為^，^^^/^^^，凹槽的截面積等于通水孔的面積貨^^一?！籢?、^ αΜ大的面積減小了冷卻水在凹槽中沿環(huán)向流動的阻力，使冷卻水更容易充滿整個凹槽，凹槽下方的最小壁厚為5杉Ρ/200且侖2mm。左凸臺或右凸臺頂部與左柱面之間的半徑差為狹縫高度A’，左柱面外周長為C,單個狹縫面積為&，h' =2nS2/C，且1.1彡5/5?彡1.5，狹縫高度A'的下限取外殼體和內殼體配合公差理論偏差的3倍?6倍。
[0009]流道處內殼體的外輪廓為圓柱面，與外殼體之間的距離為流道的高度，范圍為3_?5_。內殼體的厚度要滿足右凹槽深度和下方最小壁厚以及內壁溫控制的要求。若不能滿足要求，應減小狹縫高度P，同時減小凹槽深度A，當狹縫高度P低于下限也不能滿足要求時，應增加通水孔的數量。
[0010]本發(fā)明的高超聲速風洞噴管出口段水冷裝置在加工時要注意以下2點:
1.確保分水筋、堵塊與內殼體對應位置的外輪廓互補，上表面與左柱面平齊，并預留加工余量，焊接后與左柱面、右柱面作為一個整體，繼續(xù)精加工外表面。
[0011]2.先加工內殼體的外輪廓面，再在外輪廓上焊接分水筋和堵塊，最后精加工外輪廓，此加工方式與整體數控銑相比，加工效率更高，加工成本低，并且達到了相同的效果，構造出復雜的流道，使分水筋、堵塊與外殼體內圓貼合緊密，防止相鄰流道串水。
[0012]本發(fā)明的高超聲速風洞噴管出口段水冷裝置采用了折返式流動，會不可避免地產生低速流動區(qū)域，但是，左凹槽、右凹槽和左凸臺、右凸臺的組合使得流道內的流動更均勻，較小的狹縫面積增大冷卻水穿過狹縫的平均流速，增大了穿越狹縫所需的壓力差，較高的壓力差促使更多冷卻水從壓力低的位置穿過狹縫，減小穿越狹縫不同部位的流速差值，擴大了快速流動區(qū)域的范圍，減小了低速流動區(qū)域的面積，避免了采用夾層內折返式流動結構帶來的內殼體局部干燒問題。
[0013]本發(fā)明的高超聲速風洞噴管出口段水冷裝置的結構使冷卻水能夠在噴管夾層內部實現往復流動，不需要在出口段末端和試驗段之間連接通水管構成回水管，更換風洞噴管時，只需將風洞噴管直接脫離試驗段，無須拆裝回水管。而且，在夾層中設置了易于加工的約束冷卻水流動的冷卻單元，使冷卻水在夾層中的流動更均勻，對噴管出口段起到良好的冷卻效果。本發(fā)明的高超聲速風洞噴管出口段水冷裝置具有操作效率高、無漏水問題、加工工藝簡單、更換噴管快捷的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的高超聲速風洞噴管出口段水冷裝置的結構圖；
圖2為出口段左視剖視圖；
圖3為沿堵塊、分水筋中面的局部剖視圖；
圖4為凹槽、流道局部放大圖；
圖5為內殼體內冷卻水的流動路線示意圖(平面圖)；
圖6為左凸臺的局部放大圖；
圖7為冷卻單元內的冷卻水流動路線示意圖；
圖8為內殼體內冷卻水的流動路線示意圖(立體圖)；
圖中，1.通水接頭2.通水孔3.試驗段入口側壁板4.外殼體5.內殼體
6.分水筋7.堵塊8.左柱面9.右柱面10.左凹槽11.左凸臺12.右凸臺13.右凹槽14.流道15.快速流動區(qū)域16.低流速區(qū)域17.法蘭I 18.法蘭Π ;
圖2、圖5、圖8中，箭頭方向為冷卻水流動方向；圖7中，@符號表示水流向凹槽，為入水孔，?符號表示水流出凹槽，為出水孔。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖具體說明本發(fā)明。
[0016]如圖1所示，外殼體4外部設有定位和密封端面，與風洞的試驗段入口側壁板3對接定位并密封。外殼體4包裹在內殼體5上，與內殼體5兩側的環(huán)縫采用滿焊方式密封和連接。外殼體4和內殼體5之間為供冷卻水流通的夾層，夾層被焊接在內殼體5上的分水筋6和堵塊7分割成/3個冷卻單元。外殼體4上有法蘭117，沿法蘭I的徑向有通水孔2，通水孔2的外側焊接通水接頭I，通水接頭I連接外部通水管道。如圖2、圖7所示，通水孔2分為入水孔和出水孔，冷卻水從入水孔進入冷卻單元，從出水孔流出冷卻單元。
[0017]如圖7所示，每個冷卻單元與相鄰冷卻單元之間均以一組焊接的分水筋6和堵塊7作為分割界線，每個冷卻單元內部焊接一條一端封閉的分水筋6，形成順向子流道和逆向子流道，冷卻水從入水孔進入順向子流道，經右凹槽13處折返，從逆向子流道流出。這種結構使冷卻水在噴管夾層內部實現往復流動，不需要在出口段末端和試驗段之間連接通水管構成回水管，更換噴管更快捷。
[0018]外殼體4和內殼體5裝配后，通水孔2的左側輪廓線與左凹槽10的左側壁對齊，外殼體4與試驗段固定后，法蘭117上的通水接頭I與試驗段外壁面之間要有足夠距離，使連接通水接頭I和外部通水管道之間的連接螺母能夠自由旋轉。法蘭117上的法蘭通孔的數量與通水孔2數量相同，法蘭通孔的位置處于兩個鄰近的通水孔2的中間，如圖2所示，法蘭通孔與通水孔2交錯排列，避免通水孔2被打穿漏水。
[0019]通水孔2數量為2/3，/?為噴管出口內徑(單位為m)，/3=12認/3非整數時進位取整數。通水孔2的孔徑為c/，出口段冷卻水流量為隊通水孔內冷卻水流速為PV流速范圍為3 m/s?1m/s，c/=[4?/{m κ) ]0'5o
[0020]如圖4、圖5所示，內殼體5為回轉體，外輪廓從左至右依次是法蘭Π18，左柱面8，左凹槽10，左凸臺11，流道14，右凸臺12，右凹槽13，右柱面9。法蘭Π 18的右側面為軸向定位平面，法蘭117的左側平面與法蘭Π 18的右側面貼合定位。除法蘭Π 18、左柱面8和右柱面9外，其余外輪廓表面粗糙度范圍為Ra6.3μπι?12.5μπι。左柱面8和右柱面9是內殼體5與外殼體4內圓配合的柱段，裝配公差為H8/h7，配合表面粗糙度小于等于Ra3.2μπι。
[0021]如圖6所示，左凹槽10與左凸臺11、左凸臺11與流道14、流道14與右凸臺12、右凸臺12與右凹槽13之間采用相同半錐角的錐面連接，半錐角為4范圍為25°?30°，較小的半錐角使流動更平順。
[0022]如圖4所示，左凹槽10或右凹槽13包括的區(qū)域從該凹槽豎側壁到鄰近凸臺頂部的中央，截面積等于通水孔2的面積S。凹槽深度為Α，凹槽沿軸線方向的長度為Ζ，1.5<Ζ/?/<2，凹槽面積5.=ΑΖ — 0.5A2cot 4較大的面積減小了冷卻水在凹槽中沿環(huán)向流動的阻力，使冷卻水更容易充滿整個凹槽朋槽下方的最小壁厚為5滿足杉Ρ/200且杉2mm，凹槽底部棱邊均倒圓，圓角半徑大于等于c//2，較大的圓角能避免產生較大熱應力。
[0023]左凸臺11、右凸臺12的頂部與左柱面8之間的半徑差為狹縫高度P，左柱面8外周長為C，單個狹縫面積為&，滿足力^2/35?/ C，且1.1 < 5/&彡1.5，狹縫高度AI勺下限取外殼體4和內殼體5配合公差理論上偏差的3倍?6倍。
[0024]左凸臺11、右凸臺12的頂部為等直段，長度取2倍?4倍狹縫高度V，凸臺頂部的兩棱邊倒圓，圓角不小于cZ/5，凸臺與靠流道14一側的底部棱角倒圓，圓角半徑大于等于C//2。
[0025]流道14處的外輪廓為圓柱面，與外殼體4之間的距離為流道14的高度，范圍為3mm?5mm。流道14下方殼體的厚度上限，通過噴管殼體換熱計算及壁面溫度、熱應力控制目標獲取，殼體的厚度要滿足右凹槽13深度和下方最小壁厚的要求。若不能滿足要求，應減小狹縫高度V，同時減小凹槽深度A，當狹縫高度V低于下限也不能滿足要求時，應增加通水孔2的數量。
[0026]如圖3、圖5所示，內殼體5的外表面沿縱向均勻焊接分水筋6和堵塊7，分水筋6的數量為2/3，堵塊7的數量為/3，分水筋6和堵塊7寬度相同，取5mm?10mm。分水筋6從左柱面8右側壁延伸至右凸臺12的頂部中央，堵塊7從右凸臺12的頂部中央延伸至右柱面9的左側壁。分水筋6和堵塊7下輪廓與內殼體5對應位置的外輪廓互補，分水筋6和堵塊7的下輪廓與內殼體5之間采用滿焊，去應力退火后與左柱面8、右柱面9作為一個整體，精加工分水筋6和堵塊7的頂部外表面，加工后上表面與左柱面8平齊，使分水筋6、堵塊7與外殼體4之間的配合間隙盡量小。分水筋6和堵塊7沿縱向均勾布置在內殼體5上，每一個堵塊7與其中一根分水筋6對齊，如圖5、圖8所示。
[0027]加工內殼體5的外輪廓面后，再焊接分水筋6和堵塊7，最后精加工外輪廓，此加工方式與整體數控銑成型相比，加工效率更高，加工成本低，并且能達到相同的效果，構造出復雜的流道14，使分水筋6、堵塊7與外殼體4的內圓貼合緊密，防止相鄰流道之間串水。
[0028]如圖7所示，折返式流動不可避免產生低速流動區(qū)域，左凹槽10、右凹槽13和左凸臺11、右凸臺12的組合使得流道14內的流動更均勻，較小的狹縫面積增大冷卻水穿過狹縫的平均流速，增大了穿越狹縫所需的壓力差，較高的壓力差促使更多冷卻水從壓力低的位置穿過狹縫，減小穿越狹縫不同部位的流速差值，擴大了快速流動區(qū)域15的范圍，減小了低速流動區(qū)域16的面積，避免了采用夾層內折返式流動結構帶來的內殼體5局部干燒問題。
[0029]外殼體4和內殼體5選擇相同材料，采用不銹鋼，如馬氏體不銹鋼或奧氏體不銹鋼，若內殼體5對材料的導熱能力要求較高，可采用馬氏體不銹鋼，如I Cr 13、2Cr 13，若對焊接性能要求較高，則采用奧氏體不銹鋼，如0Crl8Ni9、lCrl8Ni9Ti等。
[0030]外殼體4和內殼體5與各自附屬部件完成焊接、加工后，按照通水孔2與單個左凹槽10中央對正的方式組裝，并采用周向定位方式避免外殼體4和內殼體5相互旋轉。各冷卻單元對應的兩個通水接頭I分別與一根進水管和一根出水管連接，見圖2、圖8所示。
[0031]本發(fā)明不局限于上述【具體實施方式】，所屬技術領域的技術人員從上述構思出發(fā)，不經過創(chuàng)造性的勞動，所作出的種種變換，均落在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種高超聲速風洞噴管出口段水冷裝置，其特征在于，所述的裝置包括通水接頭(I)、外殼體(4)、內殼體(5)、分水筋(6)、堵塊(7); 所述的外殼體(4)包裹在內殼體(5 )上，與內殼體(5)兩端的外緣環(huán)縫滿焊，外殼體(4)和內殼體(5)之間為供冷卻水流通的夾層，夾層通過焊接在內殼體(5)上的分水筋(6)和堵塊(7)均勻分割成/3個冷卻單元，分水筋(6)的數量為2/3，堵塊(7)的數量為/3;冷卻單元之間以焊接封閉的的分水筋(6)和堵塊(7)作為分割界線，冷卻單元內部焊接I條左端封閉、右端開口的分水筋(6)，形成順向子流道和逆向子流道;所述的法蘭1(17)的徑向設有2η個通水孔(2)，通水孔(2)的外側焊接通水接頭(I)，通水接頭(I)連接外部通水管道，通水孔(2)分為η個入水孔和η個出水孔，每個冷卻單元分布有I個入水孔和I個出水孔，冷卻水從入水孔進入冷卻單元，沿順向子流道流經經右凹槽(13)處折返，再沿逆向子流道經出水孔流出冷卻單元。2.根據權利要求1所述的高超聲速風洞噴管出口段水冷裝置，其特征在于，所述的外殼體(4)上設置有用于定位和密封的端面，與風洞的試驗段入口側壁(3)對接定位并密封;所述的內殼體(5)左側有法蘭Π (18)，法蘭Π (18)的右側面為軸向定位平面，法蘭I (17)的左側平面與法蘭Π (18)的右側面貼合定位，定位面粗糙度小于等于Ral.6μπι。3.根據權利要求1所述的高超聲速風洞噴管出口段水冷裝置，其特征在于，所述的外殼體(4)和內殼體(5)的材料均采用馬氏體不銹鋼或奧氏體不銹鋼。4.根據權利要求1所述的高超聲速風洞噴管出口段水冷裝置，其特征在于，所述的內殼體(5)的外輪廓從左至右依次是法蘭Π (18)、左柱面(8)、左凹槽(10)、左凸臺(11)、流道(14)、右凸臺(12)、右凹槽(13)、右柱面(9)，左柱面(8)和右柱面(9)是內殼體(5)與外殼體(4)內圓配合的柱段，內殼體(5)的外側表面焊接分水筋(6)和堵塊(7)。5.根據權利要求4所述的高超聲速風洞噴管出口段水冷裝置，其特征在于，所述的左凹槽(10)與左凸臺(11)、左凸臺(11)與流道(14)、流道(14)與右凸臺(12)、右凸臺(12)與右凹槽(13)之間采用相同半錐角的錐面連接，半錐角為q范圍為25°?30°。6.根據權利要求4所述的高超聲速風洞噴管出口段水冷裝置，其特征在于，所述的左柱面(8)與外殼體(4)的內圓、右柱面(9)與外殼體(4)的內圓的裝配公差為H8/h7，配合表面表面粗糙度小于等于Ra3.2μπι。
【文檔編號】G01M9/02GK105890863SQ201610213682
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月8日
【發(fā)明人】葉成, 周曉剛, 白本奇, 秦天超, 胥繼斌, 楊海濱, 董賓, 尹疆, 黃昊宇
【申請人】中國空氣動力研究與發(fā)展中心高速空氣動力研究所