CN102121552A

CN102121552A - 一种高温高压喷管

Info

Publication number: CN102121552A
Application number: CN 201010593171
Authority: CN
Inventors: 袁国伍; 董永晖; 张敏莉
Original assignee: China Academy of Aerospace Aerodynamics CAAA
Current assignee: China Academy of Aerospace Aerodynamics CAAA
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2030-12-17
Also published as: CN102121552B

Abstract

一种高温高压喷管，其组成部分和连接关系为：临界段、超音速段沿气流方向密封固定。本发明的特点在于：临界段采用整体加工，采用串联“□型”打孔均匀冷却，以保证其矩形喉道在高压下不产生塑性变形，弹性变形小于0.05；超音速段采用分体结构，保证内部型面得到精确加工，其中盖板采用“#型”打孔冷却、“U型体”采用串联“Ω型”打孔冷却以保证其高温不产生塑性变形；临界段和超音速段之间采用“台阶保护软密封”方式保证高温气流不泄漏；冷却水道与连接件之间采用“角形”密封方式保证高压冷却水不泄漏。本发明为高温高压喷管的结构设计提供了切实可行的方法。

Description

一种高温高压喷管

技术领域

本发明涉及一种气动热地面模拟实验用的高温高压喷管。

背景技术

喷管是把电弧加热器加热的空气形成流场，并以此来模拟飞行热环境的关键部件。

本发明涉及到的喷管属于矩形出口型面喷管，工作状态下，当气流总压和喷管出口静压之比达到要求的比值时，高压亚音速气流在压缩段(即临界段临界面前部分)随截面积减小而被加速，到喉道(即临界面)处达到音速，越过喉道后，在扩张段(即超音速段)内随截面积扩大而继续加速到超音速，在喷管出口达到最高流速，建立实验所需的流场。

国内之前使用的同类喷管普遍采用热沉结构或水冷夹层结构。热沉结构喷管壳体较厚但冷却效果差，水冷夹层结构冷却效果好但壳体较薄。当壁面气流温度高于材料熔点时，热沉结构喷管将被热气流烧毁；当气流压力或冷却水压力高于一定范围时，水冷夹层结构喷管将产生塑性变形。之前使用的平面密封方式在高温高压气流的冲刷下容易烧毁密封圈而出现热气流泄漏。之前冷却水管和喷管连接采用锥管螺纹密封，水压达到10MPa时出现冷却水泄漏现象。之前冷却水孔入口采用塞焊方法密封，焊接过程造成喷管焊接变形且刚度下降，焊接完成后无法重新打开水道清理铜屑。本发明已成功解决以上问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服原有技术的不足，提供一种在高温、高压实验中不产生塑性变形且弹性变形小于0.05mm的喷管。

本发明进一步解决的技术问题是：本发明采用打孔冷却方式解决了高温高压变形问题，采用“台阶保护对接软密封”方式实现高温密封，采用“角形”密封方式实现高压密封。

具体实施方式

如图1所示，本发明喷管由临界段1、超音速段3组成，两段用周向均布的若干个螺栓连接(螺栓个数和大小查《机械设计手册》确定)。组装后须消除连接处内壁的台阶，用平键定位，以保证每次组装的重复性。所述的超音速段3由盖板4和“U型体”5组成，两段用均布的若干个螺栓连接，用圆锥销钉定位，以保证每次组装的重复性。

临界段1和超音速段3之间用O形密封圈密封，材料为丁腈橡胶，该材料优点为具有良好的弹性，缺点为不耐高温，本发明中临界段1和超音速段3已被充分冷却，有效降低了密封面的温度，结合台阶保护方式，使O形密封圈避开高温气流冲刷，从而实现“台阶保护软密封”。

盖板4和“U型体”5所用密封方式也是“台阶保护软密封”，密封件为丁腈橡胶密封条。

如图2所示，临界段1为整体无氧铜材料加工而成，该材料热导率λ＝398W/(m·K)，适用于高温实验，壁厚在30mm～70mm之间，根据实际实验要求选择。冷却方法为串联“□型”打孔冷却，孔径在5mm～10mm之间，根据实验要求选择。实验证明，在气流总压6Mpa，气流总温5000K时临界段1未出现塑性变形。经实验验证冷却水道距离内壁面4mm时，临界段1烧损量小于0.05mm。两条主水道将所有“□型”孔串联，方便冷却水的输入和输出，主水道直径为“□型”孔直径的1.5倍。

如图3所示，盖板4为厚壁无氧铜材料加工而成，壁厚在30mm～70mm之间，根据实际实验要求选择。所述盖板4冷却方法为“#型”打孔冷却，横向孔孔径在5mm～10mm之间，根据实验要求选择。两条主水道将所有横向孔串联，方便冷却水的输入和输出，主水道直径为横向孔孔直径的1.5倍。冷却水道距离内壁面4mm。

如图4所示，“U型体”5为开口方式，该结构便于进行数控加工，从而保证了喷管内部型面的精确加工。壁厚在30mm～70mm之间，根据实际实验要求选择。所述“U型体”5冷却方法为串联“Ω型”打孔冷却，水道距离内壁面4mm，两条主水道将所有“Ω型”孔串联，方便冷却水的输入和输出，主水道直径为“Ω型”孔直径的1.5倍。

如图4所示，“U型体”5和冷却水管2连接处保留加工中的120°工艺倒角，该工艺倒角与冷却水管2的平面形成一个“角形”密封腔，O形密封圈7在“角形”密封腔内受到冷却水挤压时顺斜面向截面积更小处移动，自行加强密封性能。实验证明，水压10MPa时“角形”密封处未见高压水泄漏。

“U型体”5和塞块6之间采用“角形”密封。水压10MPa时“角形”密封处未见高压水泄漏。且加工完成后仍可打开水道清理铜屑，便于对喷管进行保养。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明临界段结构示意图；

图3为本发明盖板冷却结构示意图；

图4为本发明“U型体”冷却结构示意图。

Claims

1.一种高温高压喷管，其特征(即创新点)在于包括临界段(1)和超音速段(3)，所述超音速段(3)由盖板(4)和“U型体”(5)组成，各部件采用厚壁壳体、打孔冷却，密封面采用台阶保护软密封、角形密封。

2.根据权利要求1所述的高温高压喷管，其特征在于：临界段(1)采用整体加工采用串联“□型”打孔冷却，孔径在5mm～10mm之间，根据实验要求选择。

3.根据权利要求1所述的高温高压喷管，其特征在于：所述的盖板(4)采用“#型”打孔冷却、“U型体”(5)采用串联“Ω型”打孔冷却，孔径在5mm～10mm之间，根据实验要求选择。

4.根据权利要求1所述的高温高压喷管，其特征在于：临界段(1)和超音速段(3)的壁厚在30mm～70mm之间，根据实验要求选择，保证壳体高压下不产生塑性变形，弹性变形小于0.05mm。

5.根据权利要求1所述的高温高压喷管，其特征在于：所述的临界段(1)、盖板(4)和“U型体”(5)之间采用“台阶保护软密封”方式，实现了高温高压气流的有效密封。

6.根据权利要求1、2、3所述的高温高压喷管，其特征在于：所述的临界段(1)和冷却水管(2)之间、“U型体”(5)和塞块(6)之间采用“角形”密封方式保证了高压冷却水不泄漏。