一种组合式大流量混合稳压室的制作方法

1.本发明涉及航天气动热试验电弧加热器技术，特别是涉及一种组合式大流量混合稳压室。


背景技术：

2.现有电弧加热试验设备无法满足10kg/s的气体流量的通入，且冷热气混合的效果不能满足试验要求。为提升现有某风洞试验能力，特别是为满足舵翼、裙摆天线罩等复杂外形结构件的热防护试验能力，满足新型高超声速飞行器低空飞行地面防热考核大尺寸试验的需求。新研制了单台大功率电弧加热器、大流量组合式进气片和混合稳压室等关键设备。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种组合式大流量混合稳压室，包括：进气片组、扩张段、稳压段、收缩段、测量片组成。进气片组包括若干个进气片，最大可通入10kg/s的气体流量，可承受最大18mw/m2的热流，10mpa的热气压。采用3.8mpa高压水冷却，允许水温升25℃。
4.本发明目的通过以下技术方案予以实现：
5.一种组合式大流量混合稳压室，包括依次连接的进气片组、扩张段、稳压段、收缩段、测量片；其中进气片组位于最上游，测量片位于最下游；
6.进气片组包括一个或多个进气片；每个进气片包括镶块、进气片主体、气延长管、接管嘴、镶环、水延长管；
7.进气片主体为环形片状结构，其上沿径向设置有四个进气孔、一个进水孔和一个出水孔，四个进气孔互相间隔90
°
，进水孔与相邻的进气孔之间呈45
°
夹角，出水孔与相邻的进气孔之间也呈45
°
夹角；进气片主体上沿圆周方向设置有四段圆弧形水槽；分布在四个进气孔之间；进水孔和出水孔分别与其中相对的两个圆弧形水槽连通，每个进气孔的两侧均设置有两个扇形侧面水槽，将进气孔两边相邻的圆弧形水槽连通，同时避开进气孔，使得四段圆弧形水槽连通为一个整体环形的水槽，且水道和气道相互隔离；镶块安装在扇形侧面水槽处，镶环安装在圆弧形水槽上使得水道封闭，且镶块和镶环分别位于进气片主体两侧；
8.气延长管连接在进气孔处，其端部通过接管嘴连接外部气源，用于将外部输入冷空气输送到进气片主体内腔中；水延长管分别连接在进水孔和出水孔处，端部也连接有接管嘴，软化、去离子的高压冷却水从进水孔通入水道，从出水孔流出，实现散热；
9.扩张段、稳压段、收缩段、测量片也分别通入软化、去离子的高压水进行冷却。
10.本发明一实施例中，进气片的进气孔直径为φ7mm～φ8m，能通入3.5～4kg/s的工作气体。
11.本发明一实施例中，进气片扇形侧面水槽的圆心与进气片主体的圆形同心。
12.本发明一实施例中，进气片主体内腔直径为φ100mm～φ150mm，环形水槽深14～18mm，沿径向宽3～4mm，内腔处壁厚3～5mm，扇形侧面水槽深2～3mm。
13.本发明一实施例中，进气片主体材质为紫铜，镶块和镶环的材质为不锈钢；镶块和镶环采用电子束焊接工艺与进气片主体组合为一体，以密封冷却水、增加强度，并能承受最大12mpa的热气压。
14.本发明一实施例中，进气片组的上游输入高温气体，冷空气通过进气片组进入，冷热气体经过扩张段的扩张，在稳压段内进行充分的混合，之后经过收缩段和测量片通入下游设备。
15.本发明一实施例中，扩张段的扩张角度为28
°
～32
°
，收缩段的收缩角度为28
°
～32
°
。
16.本发明一实施例中，测量片用于测量弧室压力、光谱。
17.本发明一实施例中，在稳压段的内部，沿圆柱形表面，设有蛇形冷却水道。
18.本发明一实施例中，在稳压段的两端分别为进水法兰和出水法兰，进水法兰和出水法兰上分别设有数量相等的多个接管嘴，进水法兰一端的接嘴管均用于进水，出水法兰一端的接嘴管均用于出水；
19.稳压段进水法兰和出水法兰内分别相应设有进水导流环、出水导流环，进水导流环和出水导流环将稳压段内的蛇形冷却水道分隔为多个独立的s型冷却水道；
20.冷却水从进水法兰的接嘴管流入稳压段内，通过进水导流环进入多个独立的s型冷却水道，然后经出水导流环流出后汇集，最终从出水法兰的接嘴管流出稳压段。
21.本发明一实施例中，进水导流环和出水导流环的使用能减少三分之二的冷却水流量，并有效提高稳压段入口段的换热冷却效果。
22.本发明一实施例中，稳压段总长约为350～400mm，其内径为290～310mm，冷却水道与内腔最薄处壁厚约为4～6mm；稳压段主体材质为紫铜，其进、出水法兰和进、出水导流环的材质均为不锈钢；进、出水法兰采用电子束焊与稳压段的主体焊接为一个整体。
23.本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
24.(1)本发明中进气片可叠加组合使用，进气流量从0.5kg/s～10kg/s，覆盖面广。
25.(2)本发明组合式大流量混合稳压室能解决大流量的冷气(10kg/s)和热气充分混合的问题，有效拓展大功率电弧加热器的运行范围。
26.(3)本发明中稳压室采用“s”形水道冷却，间隔进出水导流环，能有效提高换热效率，大量减少冷却水的使用，减少用水达60％以上。
27.(4)本发明组合式大流量混合稳压室，坚固耐用，冷却好，性能全面优于市面同类产品。
附图说明
28.图1为本发明的系统结构示意图。
29.图2为进气片的结构示意图。
30.图3为本发明的“米”字型结构示意图，(图1左视图)。
31.图4为本发明的进气孔、进出水孔的剖视图。
32.图5为本发明稳压段内的进水导流环(出水导流环与之镜像)
具体实施方式
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
34.一种组合式大流量混合稳压室，包括进气片组10、扩张段20、稳压段30、收缩段40、测量片50。进气片组10位于组合体的最上游，扩张段20和收缩段40分别位于稳压段30的上游和下游。测量片50位于组合体的最下游，如图1所示。各组成部分均通入软化、去离子的高压水。
35.所述的进气片组10通入的大量气体，经过扩张段20的扩张，在稳压段30内进行充分的混合，之后经过收缩段4和测量片5通入下游设备。
36.所述的进气片组10为可扩展式，可根据试验需要叠加多片使用。多片使用时，相邻的进气片之间通过卡槽相互限位，且相邻的进气片之间密封，通过进气片组10上游的外部加热器和扩张段20将进气片组10夹紧。
37.所述的稳压段30的内腔直径为φ290mm～φ310mm，壁厚4mm～6mm。稳压段3两端有专用间隔进出水导流环，采用“s”形水道冷却，能大量减少冷却水的使用，如图5所示。
38.所述的稳压段30的内套和进、出水法兰采用电子束焊接。本实施例进、出水各焊接有3个通径为φ25mm的接管嘴，共6个接管嘴，以保证进水口水流速为25～30m/s，从而达到大功率运行时稳压段30所能带走的热流不低于18mw/m2。
39.所述的扩张段20的扩张角度和收缩段40的收缩角度均为28
°
～32
°
。
40.所述的位于最下游的测量片50具有测量弧室压力、光谱监测等多种功能。
41.进气片的实施方式一：
42.如图2、3、4所示，本发明提出一种扇形侧面水冷大流量组合式进气片，包括：镶块1、进气片主体2、气延长管3、接管嘴4、镶环5、水延长管6；
43.进气片主体2为环形片状结构，其上沿径向设置有四个进气孔、一个进水孔和一个出水孔，四个进气孔互相间隔90
°
，进水孔与相邻的进气孔之间呈45
°
夹角，出水孔与相邻的进气孔之间也呈45
°
夹角；进气片主体2上沿圆周方向设置有四段圆弧形水槽；分布在四个进气孔之间；进水孔和出水孔分别与其中相对的两个圆弧形水槽连通，每个进气孔的两侧均设置有两个扇形侧面水槽，将进气孔两边相邻的圆弧形水槽连通，同时避开进气孔，使得四段圆弧形水槽连通为一个整体环形的水槽，且水道和气道相互隔离；镶块1安装在扇形侧面水槽处，镶环5安装在圆弧形水槽上使得水道封闭，且镶块1和镶环5分别位于进气片主体2两侧；
44.气延长管3连接在进气孔处，其端部通过接管嘴4连接外部气源，用于将外部输入冷空气输送到进气片主体2内腔中；水延长管6分别连接在进水孔和出水孔处，端部也连接有接管嘴4，软化、去离子的高压冷却水从进水孔通入水道，从出水孔流出，实现散热。
45.进一步的，所述的进气孔直径为φ7mm～φ8m，能通入3.5～4kg/s的工作气体。
46.进一步的，所述的进水孔和出水孔直径均为φ8mm～φ10mm。
47.进一步的，进水孔和出水孔之间夹角为180
°
。
48.进一步的，扇形侧面水槽的圆心与进气片主体2的圆形同心。
49.进一步的，所述的进气片主体2内腔直径为φ100mm～φ150mm，环形水槽深14～18mm，沿径向宽3～4mm，内腔处壁厚3～5mm，扇形侧面水槽深2～3mm。
50.进一步的，所述的进气片主体2材质为紫铜，镶块1和镶环5的材质为不锈钢。
51.进一步的，镶块1和镶环5采用电子束焊接工艺与进气片主体2组合为一体，以密封冷却水、增加强度，并能承受最大12mpa的热气压。
52.进一步的，该进气片单独使用或多组组合叠加使用。
53.本发明大流量组合式进气片通入3.8mpa软化、去离子水冷却，进气流量大于10kg/s，可承受最大18mw/m2的热流，12mpa的热气压，能全面满足设备运行需求。性能全面优于市面产品。
54.进气片的实施方式二：
55.本实施例一种扇形侧面水冷大流量组合式进气片，总计包括4个镶块、1个进气片主体，4个气延长管、6个接管嘴、1个镶环、2个水延长管。镶块、镶环分别组装到进气片主体的两面，气延长管、水延长管分别安装到进气片主体的相应接口。进气片主体通过水延长管通入软化、去离子的高压水冷却。
56.进气片主体有4处φ7.5mm进气孔，互相间隔90
°
，通入3.5kg/s的工作气体，冷空气，主要用于掺混。
57.进气片主体有2处φ9mm进出水孔，与进气孔呈45
°
夹角，通入去离子的高压水。进气片主体除进气孔外，于圆周方向设有四段环形水槽；在进气孔处通过扇形冷却水通道连通为一个整体环状水槽。进气片主体内腔直径为φ120mm，环形水槽深16，宽3mm，内腔处厚4mm，扇形侧面水槽深2mm。
58.所述的进气片主体材质为紫铜，镶块和镶环的材质为不锈钢。镶块和镶环采用电子束焊接工艺与进气片主体组合为一体，以密封冷却水、增加强度，并能承受最大12mpa的热气压。
59.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
60.本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。