CN104879583B - 一种自密封低温流体可视化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自密封低温流体可视化装置，包括依次连接的进液管、透明管和出液管，所述进液管和出液管插接在透明管内与透明管间隙配合；所述透明管的热膨胀系数大于进液管和出液管的热膨胀系数，低温下所述透明管收缩并与进液管和出液管紧密配合。透明管与其他管路连接方便，而且在低温流体的作用下能够实现自密封；透明管的外围设有隔热管，透明管与隔热管之间为真空隔热层，具有漏热小，结构简单等特点，便于低温流体的汽蚀等现象的观察和研究。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天与制冷低温工程技术领域，尤其涉及一种自密封低温流体可视化装置。
背景技术
在航空航天领域，液氧和液氢被认为是火箭发射的理想燃料，但其在机械部件中流动时，在某些区域由于压力降低到接近或低于温度对应的饱和压力而发生汽化，称为汽蚀现象。
文氏管具有出口压力在一定范围内变化，流体流量几乎不变的特点，因而在大推力火箭发动机系统上，用于精确控制液氢/液氧流量。在文氏管喉部，流体由于静压低于温度对应的饱和压力而产生汽蚀现象。与水的汽蚀过程不同，低温流体的液体/蒸汽密度比相对于水的液体/蒸汽密度比小约两个数量级，使得相变潜热引起的“热效应”不能忽略。因此，低温流体的汽蚀特性具有更加复杂的机理，使得原来用于室温流体文氏管流量计算的伯努利(Bernoulli)方程在计算低温流体(如液氢/液氧)文氏管流量计算时产生较大误差。
因此，为了减少火箭发动机飞行过程中实际流量与计算流量的误差，必须了解文氏管中低温流体的汽蚀特性及其对流量的影响。另外，低温流体汽蚀现象的存在不仅与火箭发动机的运行性能和安全性相关，还伴随着如噪声、振动及表面破坏等显著的负面效应。对低温液体汽蚀的深入理解和准确预测有利于航天器推进系统的优化设计。
申请号为201110359836.7的中国专利文献公开了一种适用于水泵试验台进行水泵测试用的汽蚀罐，该装置重点在于水汽蚀的测试，没有有效的绝热措施，不适用于低温液体汽蚀测试。
申请号为201110041273.7的中国专利文献公开了一种研究涂层抗汽蚀性能的实验装置，在密闭的箱体里，具有高温高压性质的液滴与高速旋转的试样撞击，模拟叶片汽蚀现象。但该装置并不涉及低温液体汽蚀的测试。
美国查特工业集团(MVE)生产的低温插接式接头(Dissimilar metalbayonet)可在很小的漏热下进行低温液体的传输，并且可方便地进行拆解，但其只涉及低温液体的输送并不具有低温流体汽蚀的测试及观察的作用。
由于低温液体(如液氮/液氢)温度往往低于120K，其相应的汽蚀测试装置应具有良好的绝热设计，以避免漏热对汽蚀的影响，常温液体(如水)的汽蚀测试装置显然已不能满足这方面的要求；同时，汽蚀实验需要经常性地更换实验部件，尤其是汽蚀部件，在汽蚀部件附近对绝热的要求又比其他部分高，所以需要设计一种便于拆接并具有良好绝热性能的低温流体汽蚀部件，使其能高效并快捷地和其他结构集成为低温测试装置进行低温流体汽蚀现象的观察和研究。
发明内容
本发明提供了一种自密封低温流体可视化装置，其进行低温流体实验的管道与外界隔热，而且该装置与其他管道连接后可以自动密封。
本发明解决问题的技术方案为：
一种自密封低温流体可视化装置，包括依次连接的进液管、透明管和出液管，所述进液管和出液管分别插接在透明管内与透明管间隙配合；所述透明管的热膨胀系数大于进液管和出液管的热膨胀系数，低温下所述透明管收缩并与进液管和出液管紧密配合。
本发明的原理是，根据两种不同材料在同一温度下热膨胀系数的差异，将热膨胀系数高的管材套设在热膨胀系数低的管材外围，热膨胀系数高的管材收缩率大于热膨胀系数小的管材，所以在低温时两种管材之间的间隙消除，可以达到自密封的目的。本发明的自密封低温流体可视化装置解决了透明管与其他管路连接不方便、密封性不好等问题。
所述透明管与进液管和出液管的间隙与透明管、进液管和出液管的材料相关，还与实验时低温流体的温度相关。不过为了提高密封性，间隙尽量小，透明管与进液管和出液管在热膨胀系数上的差异尽量大。
作为优选，所述透明管的材料为有机玻璃，所述进液管和出液管的材料为金属。
所述透明管可以是多种低温流体可视化实验管中的一种，作为优选，所述透明管为透明汽蚀管，所述透明汽蚀管内具有能使低温流体产生汽蚀的测试介质通道。所述介质通道与进液管和出液管处于同一轴线上。
为了便于将所述可视化装置用于观察液氮或者液氢的汽蚀现场，通入液氮或者液氢时可实现自密封，作为优选，所述低温指温度为0～230K。
为了进一步增加透明管与进液管和出液管之间的密封性，优选地，所述透明管与进液管和出液管的间隙内均填充有密封脂。
为了便于控制进液管和出液管的插入深度，作为优选，所述进液管和出液管的外壁设有与透明管的端部抵接的限位环。所述限位环分别与进液管和出液管插入透明管部分形成半包围结构，进一步增强了进液管和出液管与透明管的密封性。
为了对所述透明管、进液管和出液管进行隔热，优选地，所述透明管、进液管和出液管的外围分别通过连接件固定有第一隔热管、第二隔热管和第三隔热管，各个隔热管的两端均设有法兰。该技术方案下的自密封低温流体可视化装置不仅隔热好，更重要的是拆装方便，便于更换透明管。
作为优选，所述第二隔热管为有机玻璃管，透过第二隔热管可观察透明管中的汽蚀或者其他现象，故称所述玻璃管为视窗。有机玻璃便于设置法兰。
所述进液管和第二隔热管构成了一个连接头，便于与其他管路连接和固定；同样的，所述出液管和第三隔热管也构成了一个连接头。
透明管与第一隔热管之间，进液管与第二隔热管之间，以及出液管与第三隔热管之间均为真空腔，各个真空腔之间可以彼此独立也可以相互连通。不过优选将这些真空腔连接为一个整体，便于抽真空。
所述进液管和出液管与各自的隔热管之间通过连接件固定，以保持所述进液管和出液管与各自的隔热管之间保持一定的距离。为了降低透明管、进液管和出液管与各自的隔热管之间的热传导，所述连接件的材料优选为玻璃钢，因为玻璃钢的热导率很低。
所述透明管与第二隔热管之间没有采用连接件固定，所述透明管是通过插接在其两端的进液管和出液管固定。这种固定方式有利于透明管、进液管和出液管的同轴性，降低了装置的加工难度，有利于透明管的更换。
作为优选，所述进液管和出液管均具有朝远离透明管方向直径增大的扩径段，以及连接在扩径段收口端的第一等径段和连接在扩径段扩口端的第二等径段。
所述第三隔热管的其中一段为波纹管，所述出液管的第一等径段的其中一段为波纹管。
作为优选，所述进液管和出液管远离透明管的一端均法兰连接有输液管，所述输液管的端部伸入第二等径段，所述输液管的外壁与第二等径段紧密配合。
作为优选，所述输液管为包括内管和外管的双层管，内管和外管之间为真空隔热层，所述输液管的内径与第一等径段的内径相等。所述输液管的内层和外层之间为真空腔，有利于隔热。所述输液管的内径与第一等径段的内径相等是为了避免管径变化影响透明管内汽蚀现象的观察。
本发明的有益效果在于：透明管与其他管路连接方便，而且在低温流体引导的温度变化下能够实现自密封；透明管的外围设有隔热管，透明管与隔热管之间为真空隔热层，具有漏热小，结构简单等特点，便于低温流体的汽蚀等现象的观察和研究。
附图说明
图1为本发明的自密封低温流体可视化装置的内部结构示意图。
图2为本发明的自密封低温流体可视化装置的立体图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。本发明所述的方位词“左”、“右”是以附图1为基准，“左”和“右”，以及“第一”、“第二”和“第三”的使用并不限定本发明，仅为了便于描述和区分。
本发明中所述的透明管可以是众多观察和研究低温流体的管道中的一种，下面以研究低温流体汽蚀现象的透明汽蚀管为例进行详细说明。
如图1所示，一种自密封低温流体可视化装置，包括依次连接的进液管1、透明汽蚀管2和出液管3。液氮等低温流体从进液管1流入透明汽蚀管2内并发生汽蚀现象，最后从出液管3流出。
透明汽蚀管2的中部具有测试介质通道21，低温流体流经介质通道21时发生汽蚀。透明汽蚀管2为有机玻璃管。
进液管1分为第一等径段11、扩径段12和第二等径段13。第一等径段11的直径小于第二等径段13。扩径段12的直径沿远离透明汽蚀管2的方向均匀增大。第一等径段11插接在透明汽蚀管2的左端22并且与透明汽蚀管2间隙配合。第一等径段11上还设有限位环14，限位环14与透明汽蚀管2的左端面抵接。
出液管3分为第一等径段31、扩径段32和第二等径段33。第一等径段31的直径小于第二等径段33。扩径段32的直径沿远离透明汽蚀管2的方向均匀增大。第一等径段31插接在透明汽蚀管2的右端23并且与透明汽蚀管2间隙配合。第一等径段31上还设有限位环34，限位环34与透明汽蚀管2的右端面抵接。
透明汽蚀管2的材料为有机玻璃，进液管1和出液管3的材料均为不锈钢，透明汽蚀管2的热膨胀系数大于进液管1和出液管3，降低相同的温度时，透明汽蚀管2的收缩量大于进液管1和出液管3。常温时(25℃)，透明汽蚀管2与进液管1和出液管3之间均具有一定间隙，便于拆装；低温时(例如-190℃)，透明汽蚀管2紧密地包裹在进液管1和出液管3的外壁。而当温度升高时，透明汽蚀管2又可与进液管1和出液管3分开。上面所述的温度的变化来自低温流体，也就是在进行低温流体汽蚀实验时，加入低温流体，透明汽蚀管2与进液管1和出液管3实现自密封，当实验结束后，透明汽蚀管2进液管1和出液管3实现自动松开。
另外透明汽蚀管2与进液管1和出液管3的间隙填充有密封脂，可以进一步增加密封性。限位环14和限位环34也有增加密封性的作用。
低温流体汽蚀实验的保温隔热非常重要。
进液管1的外围设有第一隔热管15，进液管1和第一隔热管15通过连接杆16连接，进液管1和第一隔热管15之间为真空腔17。同理，透明汽蚀管2的外围设有第二隔热管24。出液管3的外围设有第三隔热管35，出液管3和第三隔热管35通过连接杆36连接，出液管3和第三隔热管35之间为真空腔37。连接杆16和连接杆36的材料为玻璃钢，玻璃钢导热系数小，可减少进液管或者出液管与隔热管的热传递。
透明汽蚀管2和第二隔热管24之间有真空腔25，但是透明汽蚀管2和第二隔热管24并没有连接成一体，透明汽蚀管2依靠进液管1和出液管3固定。这样设置的目的在于，更换透明汽蚀管2时，不必将透明汽蚀管2和第二隔热管24一起更换，可以提高更换透明汽蚀管2的便捷性。
第一隔热管15、第二隔热管24和第三隔热管35的两端均设有法兰。第一隔热管15、第二隔热管24和第三隔热管35依次通过法兰连接。进液管1和第一隔热管15构成了一个连接头a，出液管3和第三隔热管35也构成了一个连接头b。第二隔热管24的材料为有机玻璃，透明汽蚀管2和第二隔热管24构成可视化部件c。当连接头a和连接头b与可视化部件c连接后，真空腔17、真空腔25和真空腔37连通为一体。如图2所示，第一隔热管15设有与真空腔17连通的抽真空接口18，第三隔热管35上设有与真空腔37连通的真空引线接头38。
当低温流体流经各个管路时，由于温度急剧降低，会造成管路的收缩，前面讨论自密封时主要考虑的是管路的径向收缩，管路同时还存在沿管路轴向的收缩，为了避免管路轴向的收缩对管路密封性造成影响，需要在管路中设置一段可以轴向伸缩的波纹管。为了避免对汽蚀实验造成负面影响，波纹管应当设置在透明汽蚀管2的出液端，本实施例中，分别在第一等径段31和第三隔热管35设置了波纹管39。
如图1所示，连接头a和连接头b远离可视化部件c的一端分别连接有输液管4和输液管5。输液管4的外壁设有法兰41，输液管4的端部伸入第二等径段13内，而且输液管4的端部具有与第二扩径段12配合的斜面42，斜面42上套设有密封圈(图中未示出)，当输液管4与连接头a通过法兰连接时，密封圈被挤压在斜面42和第二扩径段12之间达到密封的目的。为了便于拆装，输液管4的外壁与第二等径段13之间有一定间隙，但是当输液管4伸入第二等径段13的足够长时，使得通过该间隙漏热的可能性很小。输液管4为双层结构，包括内管和外管，内管和外管之间为真空隔热层，其中内管的内径与输液管1的内径相等。输液管4和输液管5具有相同结构，所以不再对输液管5的结构进行描述。
透明汽蚀管2、进液管1和出液管3处于同一水平面，而且各个管路的轴线重合。通过由有机玻璃制成的第二隔热管24可观察透明汽蚀管2中流体发生的汽蚀现象。由于透明汽蚀管2的外围为真空腔，外界的温度不会对透明汽蚀管2内的流体汽蚀产生影响。需要更换透明汽蚀管2时，只需要待装置温度恢复常温(或者上升至一定温度，如0℃)，将第二隔热管24左侧或者右侧的法兰的螺栓卸下，从第二隔热管24的左侧或者右侧将透明汽蚀管2抽出进行更换。
本发明的自密封低温流体可视化装置可与不同的供液系统(如液氮、液氧、液氦等)进行耦合，适用范围大，结构简单。同时，由于自密封低温流体可视化装置的流体管路上没有加装阀门，可避免流体流过阀门产生的汽蚀对透明汽蚀管2中流体汽蚀的影响。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种自密封低温流体可视化装置，包括依次连接的进液管、透明管和出液管，其特征在于，所述进液管和出液管插接在透明管内与透明管间隙配合；所述透明管的热膨胀系数大于进液管和出液管的热膨胀系数，低温下所述透明管收缩并与进液管和出液管紧密配合；
所述透明管、进液管和出液管的外围分别通过连接件固定有第一隔热管、第二隔热管和第三隔热管，各个隔热管的两端均设有法兰；
所述进液管和出液管均具有朝远离透明管方向直径增大的扩径段，以及连接在扩径段收口端的第一等径段和连接在扩径段扩口端的第二等径段；
所述第三隔热管的其中一段为波纹管，所述出液管的第一等径段的其中一段为波纹管；
所述进液管和出液管远离透明管的一端均法兰连接有输液管，所述输液管的端部伸入第二等径段，所述输液管的外壁与第二等径段紧密配合；
所述输液管为包括内管和外管的双层管，内管和外管之间为真空隔热层，所述输液管的内径与第一等径段的内径相等。
2.如权利要求1所述的自密封低温流体可视化装置，其特征在于，所述透明管的材料为有机玻璃，所述进液管和出液管的材料为金属。
3.如权利要求1所述的自密封低温流体可视化装置，其特征在于，所述低温指温度为0～230K。
4.如权利要求1所述的自密封低温流体可视化装置，其特征在于，所述透明管与进液管和出液管的间隙内均填充有密封脂。
5.如权利要求1所述的自密封低温流体可视化装置，其特征在于，所述进液管和出液管的外壁设有与透明管的端部抵接的限位环。
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