阅读说明：本技术 一种全程水冷的喷管 (Whole water-cooled spray tube ) 是由 李震乾 毛春满 龙正义 杨彦广 石义雷 于 2019-11-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种全程水冷的喷管,包括喉道段、扩张段和连接段,喉道段固连在扩张段一端,连接段固连在扩张段另一端,若干组不同口径的扩张段相互连接,喉道段内侧中部的管口缩减,扩张段与连接段内侧管道呈喇叭口状,喉道段、扩张段和连接段外壁内分别设有独立的冷却水道,本发明具有全程水冷,最高可耐3100K的总温,同时所有水管连接在试验段外实现,拆装方便,消除由于连接渗漏造成的不良影响,最大程度避免喷管不被高温气体损伤的优点。(The invention relates to a whole-course water-cooling spray pipe, which comprises a throat section, an expansion section and a connecting section, wherein the throat section is fixedly connected with one end of the expansion section, the connecting section is fixedly connected with the other end of the expansion section, a plurality of groups of expansion sections with different calibers are mutually connected, pipe orifices in the middle of the inner side of the throat section are reduced, the expansion section and the pipeline in the inner side of the connecting section are in a horn mouth shape, and independent cooling water channels are respectively arranged in the outer walls of the throat section, the expansion section and the connecting section.)

一种全程水冷的喷管

技术领域

本发明涉及风洞喷管防护技术领域，尤其涉及一种全程水冷的喷管。

背景技术

高超声速风洞上使用的喷管，在运行过程中，由于气体总温较高，最高可达3100K，在流经喷管时会对喷管造成剧烈加热，损坏喷管的机械结构，为了避免烧蚀和变形，需要对喷管进行水冷，以避免由于高温气流通过时烧毁喷管，尤其是喷管的喉道部分。在喷管的水冷结构设计过程中，由于喷管内型面尺寸变化剧烈，要达到全程水冷的效果，难度很大。喉道部分的总体结构是中间部分小，两端大，为了达到良好的冷却效果，内壳体通常要采用导热性能良好的铜合金材料；而为了增加整体结构强度，外壳体及法兰、垫块等部件通常采用不锈钢材料，不同材料的焊接难度较大，一般采用装配结构，在使用过程中，由于内壳体反复受热冷却，往往出现铜缩现象，在装配面上会出现间隙，从而出现漏水、漏气等现象，高温高压气体泄漏会造成结构破坏，甚至导致现场发生危险。扩张段的型面特点是形状不规则，需要在内壳体外壁面加工出冷却水通道，造价较高，一般在靠近喉道段处设置1～2段进行水冷。扩张段内外壳体需要进行焊接，如果焊接应力处理不当，容易产生焊接应力，不能保证要求较高的内型面精度，也就无法保证喷管的流场品质。喷管最后一段与试验段连接，一般的设计是这一段的一部分在试验段内，一部分在试验段外，这给冷却水结构设计带来一定的困难，冷却水管的布置既要满足喷管的冷却要求，又要达到易于安装、与整体冷却水布局相适应的要求。

因此，针对以上不足，需要提供一种全程水冷的喷管。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有喷管冷却效果差、结构连接不稳定的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种全程水冷的喷管，包括喉道段、扩张段和连接段，喉道段固连在扩张段一端，连接段固连在扩张段另一端，若干组不同口径的扩张段相互连接，喉道段内侧中部的管口缩减，扩张段与连接段内侧管道呈喇叭口状，喉道段、扩张段和连接段外壁内分别设有独立的冷却水道。

通过采用上述技术方案，可以根据换热情况调节各部段的冷却水压力，在喷管各部分进行分别冷却且互不影响，以使喷管各部分冷却均匀，避免因冷却水道过长而使靠近出口处的冷却水温度较高，导致冷却水对靠近冷却水道出口端的喷管冷却效率低的问题，且实现全程水冷，可有效避免由于高温气流通过时烧毁喷管。

作为对本发明的进一步说明，优选地，喉道段包括外壳体、内壳体和垫块，垫块固连在外壳体内壁上，内壳体固连在垫块内壁上，内壳体与垫块内壁均为弧形缩口管状。

通过采用上述技术方案，将整个喉道段分成三个简单的部分进行加工，大大降低异型喉道段的生产难度，且在后期只需通过真空扩散焊的方式即可进行稳定连接，连接强度高不易形变。

作为对本发明的进一步说明，优选地，内壳体外壁与垫块内壁之间设有第一水道，喉道段两端分别固连有喉道连接法兰，第一水道两端分别延伸至喉道连接法兰侧壁外，第一水道位于喉道连接法兰的侧壁上螺纹连接有第一水管接头。

通过采用上述技术方案，在喉道连接法兰上设置第一水管接头，便于外接管道，进而可使冷却水流入第一水道内对喉道段进行冷却。

作为对本发明的进一步说明，优选地，第一水道各处水流通道的截面面积相同。

通过采用上述技术方案，以保证第一水道各处水压相同，避免因水压不均匀对喉道段造成损伤。

作为对本发明的进一步说明，优选地，扩张段包括外壳筒和内壳筒，内壳筒固连在外壳筒内壁上，外壳筒与内壳筒之间设有第二水道，扩张段两端分别固连有扩张连接法兰，第二水道两端分别延伸至扩张连接法兰侧壁外，第二水道位于扩张连接法兰的侧壁上螺纹连接有第二水管接头。

通过采用上述技术方案，不仅使扩张段结构简单，便于制造，还可以实现对扩张段的全程水冷。

作为对本发明的进一步说明，优选地，扩张段的数量为2～5段，扩张段上的型线斜率小于喉道段的型线斜率，其差值最大为12°。

通过采用上述技术方案，可使全程水冷喷管加速到试验所需的速度，在风洞试验段内形成高速、稳定的流场。

作为对本发明的进一步说明，优选地，外壳筒外间隔固连有若干个环状的水道筋条，水道筋条底端嵌入外壳筒内，水道筋条顶端伸出外壳筒外。

通过采用上述技术方案，可提高外壳筒的结构强度，使其在受到气流冲击时不易变形。

作为对本发明的进一步说明，优选地，连接段包括外壳管和内壳管，内壳管固连在外壳管内壁上，外壳管内壁与内壳管外壁之间设有第三水道，连接段与扩张段相接的一端固连有试验连接法兰，第三水道一端延伸至试验连接法兰侧壁外，第三水道另一端外的外壳管上固连有外水管，第三水道与外水管相通。

通过采用上述技术方案，既能保证对连接段进行水冷，又能保证对连接段的水冷管道不与试验连接法兰上的试验器材产生干涉。

作为对本发明的进一步说明，优选地，外壳管外固连有试验段连接法兰，试验段连接法兰内壁贯穿外壳管并与内壳管外壁抵接，试验段连接法兰底部两侧固连有弧形管，弧形管分别伸入外壳管内与第三水道相通，以使试验段连接法兰两侧的第三水道相通。

通过采用上述技术方案，既能保证试验段连接法兰的安装稳定，又能保证第三水道内的冷却水可流到外水管，且采用外加管道的方式比直接在试验段连接法兰钻孔后进行与第三水道进行孔位对准安装更为方便，且弧形管外露便于实验人员观察调节以实现孔位对准。

作为对本发明的进一步说明，优选地，喉道段、扩张段和连接段的水道距内腔的间距均为2～10mm。

通过采用上述技术方案，以保证喉道段、扩张段和连接段具有良好的冷却效果。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明将喷管的水冷结构分段加工，水冷结构既保证了在内部通高温高压气体时喷管能够进行较好的冷却，不会被烧毁及变形，又降低了加工难度和加工成本；并采用真空扩散焊、塞焊进行零件的焊接，通过去应力处理控制加工后不变形；并采用定位制口和密封结构确保各部段连接后能达到定位要求和密封要求。

附图说明

图1是本发明的总装剖面图；

图2是本发明的各零件之间连接结构剖面图；

图3是本发明的喉道段剖面图；

图4是本发明的扩张段剖面图；

图5是本发明的连接段剖面图。

图中：1、喉道段；11、外壳体；12、内壳体；13、垫块；14、第一水道；15、喉道连接法兰；16、第一水管接头；2、扩张段；21、外壳筒；22、内壳筒；23、第二水道；24、扩张连接法兰；25、第二水管接头；26、水道筋条；3、连接段；31、外壳管；32、内壳管；33、第三水道；34、试验连接法兰；35、第三水管接头；36、外壳筋条；37、外水管；38、弧形管；4、密封圈；5、连接螺栓；6、试验段连接法兰；7、测试仪器安装法兰。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种全程水冷的喷管，如图1所示，包括喉道段1、扩张段2和连接段3，喉道段1固连在扩张段2一端，连接段3固连在扩张段2另一端，喷管内壁面是不规则型线，根据喷管的气动特性要求计算得出，由离散的数据点给定。

结合图1、图3，喉道段1包括外壳体11、内壳体12和垫块13，垫块13通过真空扩散焊的方法固连在外壳体11内壁上，内壳体12通过真空扩散焊的方法固连在垫块13内壁上，内壳体12与垫块13内壁均为弧形缩口管状，即两头孔径粗，中间孔径细，喉道段1入口尺寸根据气流速度确定，一般要求在4～20m/s，喉道部分(即缩口)的尺寸根据喷管流场马赫数和喷管出口直径确定，气流速度为音速，用以增大气体流速；内壳体11外壁与垫块13内壁之间设有第一水道14，第一水道14的数量根据实际冷却水流量需求定，第一水道14各处水流通道的截面面积相同，以保证第一水道14各处水压相同，避免因水压不均匀对喉道段1造成损伤；喉道段1两端分别通过焊接固连有喉道连接法兰15，第一水道14两端分别延伸至喉道连接法兰15侧壁外，第一水道14位于喉道连接法兰15的侧壁上螺纹连接有第一水管接头16，第一水管接头16可与冷却水管相连，在喉道连接法兰15上设置第一水管接头16，便于外接管道，进而可使冷却水流入第一水道14内对喉道段1进行冷却。

结合图1、图4，扩张段2内侧管道呈喇叭口状，扩张段2包括外壳筒21和内壳筒22，内壳筒22通过真空扩散焊固连在外壳筒21内壁上，外壳筒21与内壳筒22之间设有第二水道23，扩张段2两端分别通过焊接固连有扩张连接法兰24，第二水道23两端分别延伸至扩张连接法兰24侧壁外，第二水道23位于扩张连接法兰24的侧壁上螺纹连接有第二水管接头25，通过将扩张段2进行分段生产拼接制造，不仅使扩张段2结构简单，便于制造，还可以实现对扩张段2的全程水冷。

结合图1、图4，扩张段2为多组串联分布，扩张段2的数量根据型线长度、直径及加工能力确定，一般为2～5段，扩张段2上的型线斜率小于喉道段1的型线斜率，其差值最大为12°，可使全程水冷喷管加速到试验所需的速度，在风洞试验段内形成高速、稳定的流场；外壳筒21外间隔通过焊接固连有若干个环状的水道筋条26，水道筋条26底端嵌入外壳筒21内，水道筋条26顶端伸出外壳筒21外，为了确保高压冷却水的流通截面不会有太大的变化，水道筋条26的数量、高度、宽度需根据型线进行调节，如型面尺寸变小，水道筋条26数量减少，宽度变窄，高度增加，可提高外壳筒21的结构强度，使其在受到气流冲击时不易变形。

结合图1、图5，连接段3内侧管道呈喇叭口状，连接段3包括外壳管31和内壳管32，内壳管32通过真空扩散焊固连在外壳管31内壁上，外壳管31内壁与内壳管32外壁之间设有第三水道33，连接段3与扩张段2相接的一端固连有试验连接法兰34，第三水道33一端延伸至试验连接法兰34侧壁外，第三水道33另一端外的外壳管31上固连有外水管37，第三水道33与外水管37相通；外壳管31外间隔固连有若干组外壳筋条36，外壳筋条36底端嵌入外壳管31内，外壳筋条36顶端伸出外壳管31外，为了确保高压冷却水的流通截面不会有太大的变化，外壳筋条36的数量、高度、宽度需根据型线进行调节，如型面尺寸变小，外壳筋条36数量减少，宽度变窄，高度增加，可提高外壳管31的结构强度，使其在受到气流冲击时不易变形。

结合图1、图5，外壳管31外固连有试验段连接法兰6，试验段连接法兰6内壁贯穿外壳管31并与内壳管32外壁抵接，试验段连接法兰6底部两侧固连有弧形管38，弧形管38分别伸入外壳管31内与第三水道33相通，以使试验段连接法兰6两侧的第三水道33相通，且外水管37贯穿试验段连接法兰6；连接段3远离试验连接法兰34一端固连有测试仪器安装法兰7，测试仪器安装法兰7上可安装扩压器等器件；喷管伸入连接段3的部分要与连接段3内的攻角机构、扩压器等部件相配合，不能与连接段3内的其他部件相互干涉。

结合图1、图5，试验段连接法兰6上的接口尺寸要与试验连接法兰34尺寸配合，并且，一般风洞都配置有多套喷管，所有喷管的试验段连接法兰6要保持一致；将试验段连接法兰6伸入第三水道33内并设置弧形管38既能保证试验段连接法兰6的安装稳定，又能保证第三水道33内的冷却水可流到外水管37，且采用外加管道的方式比直接在试验段连接法兰6钻孔后进行与第三水道33进行孔位对准安装更为方便，且弧形管38外露便于实验人员观察调节以实现孔位对准；设置外水管37既能保证对连接段3进行水冷，又能保证对连接段3的水冷管道不与试验段连接法兰6上的试验器材产生干涉。

结合图1、图2，喉道段1与扩张段2的连接通过喉道连接法兰15与扩张连接法兰24相抵接，其中喉道连接法兰15与扩张连接法兰24的抵接面内插接有密封圈4，以避免气体从喉道连接法兰15与扩张连接法兰24之间的间隙流出，喉道连接法兰15与扩张连接法兰24外间隔插接有若干组连接螺栓5，以起到固定位置的作用，最后可通过焊接的方式可使喉道段1与扩张段2稳定连接；扩张段2与连接段3的连接通过扩张连接法兰24和试验连接法兰34相抵接，其中扩张连接法兰24和试验连接法兰34的抵接面内插接有密封圈4，以避免气体从扩张连接法兰24和试验连接法兰34之间的间隙流出，扩张连接法兰24和试验连接法兰34外间隔插接有若干组连接螺栓5，以起到固定位置的作用，最后可通过焊接的方式可使扩张段2与连接段3稳定连接。

结合图4、图5，为了保证喉道段1、扩张段2和连接段3良好的冷却效果，内壳壁面的壁厚一般为2～10mm即可；扩张段2上的水道筋条26和连接段3上的外壳筋条36高度一般为3～5mm，宽度一般为15～20mm。扩张段2直径较大时，为了确保冷却水流通均匀，需对冷却水道进行分组设计，一般在周长方向300～400mm时分一组水道；且扩张段2和连接段3冷却结构在加工过程中进行了大量的焊接，内型面加工完成后会残留焊接应力，影响型面的加工精度，因此在焊接完成后，需进行稳定化去应力处理；为了达到更好的精加工效果，精加工前进行消除应力低温热处理。

本发明的工作过程如下：

全程水冷喷管工作时，需要先安装在风洞上，喉道段1连接稳定段，连接段3连接试验段，然后通入冷却水；试验气体在加热器内被加热到试验所需的防冷凝温度，通过全程水冷喷管加速到试验所需的速度，在风洞试验段内形成高速、稳定的流场；喷管喉道段1由于直径最小，流通截面积最小，热流最大，因此喷管喉道段1的内壳体12采用导热率较高的铜合金加工，并且采用较高的冷却水压力，一般要达到2～4MPa,强制水冷，提高冷却效果，为了避免冷却水中的水垢堵塞水冷通道，冷却水需要采用软化水；扩张段2部分的热流相对较低，但是由于附面层的存在，靠近喷管壁面的部分存在流动温度恢复情况，温度也较高，为了保证冷却结构正常工作，也需要通冷却水，一般冷却水压力0.5～1MPa，并且需要在冷却通道适当位置上安装压力表、流量计，对喷管冷却水的运行情况进行实时监控；冷却水在试验过程中都要持续流动工作，试验前给喷管通冷却水，试验过程中不能间断，试验后冷却水继续通1～2分钟，确保整个喷管的温度降到500K以下再停水。

综上所述，将整个喉道段分成三个简单的部分进行加工，大大降低异型喉道段的生产难度，且在后期只需通过真空扩散焊的方式即可进行稳定连接，连接强度高不易形变，并且可以根据换热情况调节各部段的冷却水压力，在喷管各部分进行分别冷却且互不影响，以使喷管各部分冷却均匀，避免因冷却水道过长而使靠近出口处的冷却水温度较高，导致冷却水对靠近冷却水道出口端的喷管冷却效率低的问题，且实现全程水冷，可有效避免由于高温气流通过时烧毁喷管。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。