一种电弧风洞高效水冷扩压器
阅读说明：本技术 一种电弧风洞高效水冷扩压器 (High-efficient water-cooling diffuser of electric arc wind-tunnel ) 是由 程梅莎 周凯 程奂哲 朱旭 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种电弧风洞高效水冷扩压器,属于气动热地面模拟试验设备领域；包括第一扩压器、第二扩压器和第三扩压器；第一扩压器、第二扩压器和第三扩压器为相互独立的扩压器；其中,第一扩压器包括第一超扩段、第一等直段和第一亚扩段；第二扩压器包括第二超扩段、第二等直段和第二亚扩段；第三扩压器包括第三超扩段、第三等直段和第三亚扩段；本发明实现空流场恢复系数达到0.7以上,延长风洞运行时间至3000s以上,实现了长程飞行航天飞行器气动加热地面模拟考核试验得以顺利实施。(The invention relates to an efficient water-cooling diffuser for an electric arc wind tunnel, belonging to the field of pneumatic heat ground simulation test equipment; comprises a first diffuser, a second diffuser and a third diffuser; the first diffuser, the second diffuser and the third diffuser are mutually independent diffusers; the first diffuser comprises a first super-expanding section, a first equal-straight section and a first sub-expanding section; the second diffuser comprises a second super-expanding section, a second equal-straight section and a second sub-expanding section; the third diffuser comprises a third super-expanding section, a third equal straight section and a third sub-expanding section; the invention realizes that the coefficient of restitution of the air flow field reaches more than 0.7, prolongs the operation time of the wind tunnel to more than 3000s, and realizes the smooth implementation of the ground simulation examination test of the pneumatic heating of the long-range flight space shuttle.)
技术领域
本发明属于气动热地面模拟试验设备领域，涉及一种电弧风洞高效水冷扩压器。
背景技术
在气动热地面模拟实验中，电弧风洞是一种常用的试验设备，它可以对航天飞行器的模型进行加热考核试验。风洞系统中电弧加热器产生的高温高超声速气流，温度可以达到几千度甚至上万度、马赫数可达到10以上。高温高超声速气流对模型进行加热试验后，需要先经过扩压器减速升压，然后进入冷却器降温，最后经过真空管道进入真空罐。在真空罐容积一定的情况下，进入真空系统的气流恢复压力越高，风洞运行效率就越高，运行时间就越长。所以，为了达到较高的恢复系数，扩压器的气动轮廓必须合理，而扩压器又是整个风洞系统中长度最大的一个部件，因此在扩压器设计过程中，一方面必须合理规划气动轮廓，另一方面必须保证扩压器自身的高效冷却，才能保证风洞顺利启动并长时间地运行。
国内之前使用的电弧风洞，尺度小、功率低、运行时间为百秒量级，只能对小尺度模型进行气动加热考核。随着航天事业的发展，新的试验需求不断升级，需要对特征尺寸为500mm的相当模型进行考核，这就需要建设大型的电弧风洞，电弧加热器功率达到50MW量级，运行时间达到3000s以上，相应的扩压器的尺度必须增大，空流场扩压效率应达到0.7以上，这对扩压器的设计提出了新的要求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种电弧风洞高效水冷扩压器，实现空流场恢复系数达到0.7以上，延长风洞运行时间至3000s以上，实现了长程飞行航天飞行器气动加热地面模拟考核试验得以顺利实施。
本发明解决技术的方案是：
一种电弧风洞高效水冷扩压器，包括第一扩压器、第二扩压器和第三扩压器；第一扩压器、第二扩压器和第三扩压器为相互独立的扩压器；
其中，第一扩压器包括第一超扩段、第一等直段和第一亚扩段；第一超扩段和第一亚扩段均为锥段结构；第一超扩段的小径端、第一等直段、第一亚扩段的小径端依次对接组成第一扩压器；
第二扩压器包括第二超扩段、第二等直段和第二亚扩段；第二超扩段和第二亚扩段均为锥段结构；第二超扩段的小径端、第二等直段、第二亚扩段的小径端依次对接组成第二扩压器；
第三扩压器包括第三超扩段、第三等直段和第三亚扩段；第三超扩段和第三亚扩段均为锥段结构；第三超扩段的小径端、第三等直段、第三亚扩段的小径端依次对接组成第三扩压器；
从超扩段指向亚扩段的方向为从上游至下游方向。
在上述的一种电弧风洞高效水冷扩压器，所述超扩段的半锥角均为8°，壁厚均为10mm；
第一超扩段的内径由1600mm收缩至1080mm；第一超扩段的轴向长度为1850mm；第一超扩段沿轴向分为等长的两段，从上游至下游方向依次为第一超扩段第一分段、第一超扩段第二分段；
第二超扩段的内径由1080mm收缩至864mm；轴向长度为768mm；
第三超扩段的内径由864mm收缩至648mm；轴向长度为768mm。
在上述的一种电弧风洞高效水冷扩压器，所述等直段均为直筒结构；
第一等直段内径为1080mm；轴向长度为10800mm，壁厚为12mm；第一等直段分为等长5段，从上游至下游方向依次为第一等直段第一分段、第一等直段第二分段、第一等直段第三分段、第一等直段第四分段、第一等直段第五分段；
第二等直段内径为864mm，轴向长度为8790mm，壁厚为12mm；第二等直段分为等长四段，从上游至下游方向依次为第二等直段第一分段、第二等直段第二分段、第二等直段第三分段、第二等直段第四分段；
第三等直段内径为648mm，轴向长度为6778mm，壁厚为10mm；第三等直段分为等长三段，从上游至下游方向依次为第三等直段第一分段、第三等直段第二分段、第三等直段第三分段。
在上述的一种电弧风洞高效水冷扩压器，所述亚扩段的半锥角为5°；
第一亚扩段内径由1080mm扩张至2000mm；壁厚为15mm；第一亚扩段分为不等长三段，从上游至下游方向依次为轴向长度为2000mm的第一亚扩段第一分段、轴向长度为1715mm的第一亚扩段第二分段、轴向长度为1543mm的第一亚扩段第三分段；
第二亚扩段内径由864mm扩张至1080mm，轴向长度为1242mm，壁厚为10mm；
第三亚扩段内径由648mm扩张至864mm，轴向长度为1242mm，壁厚为10mm。
在上述的一种电弧风洞高效水冷扩压器，当外部电弧风洞配备的出口直径为1000mm时，采用第一扩压器与外部电弧风洞配备的出口对接；当外部电弧风洞配备的出口尺寸为800mm时，将第一扩压器中的第一等直段替换为第二扩压器后，与外部电弧风洞配备的出口对接；当外部电弧风洞配备的出口尺寸为600mm时，将第一扩压器中的第一等直段替换为第二扩压器，再将第二扩压器中的第二等直段替换为第三扩压器后，与外部电弧风洞配备的出口对接。
在上述的一种电弧风洞高效水冷扩压器，所述每个扩压器中，超扩段的轴向2端均设置有法兰；等直段的2端均设置有法兰；亚扩段的2端均设置有法兰；超扩段与等直段、等直段与亚扩段均通过法兰实现对接。
在上述的一种电弧风洞高效水冷扩压器，每个扩压器中，超扩段、等直段、亚扩段上均设置有2个集水环，且每个集水环位于对应法兰的内侧，2个集水环之间通过导水管连通。
在上述的一种电弧风洞高效水冷扩压器，每个导水管沿扩压器轴向安装在扩压器的外壁，且超扩段、等直段、亚扩段的外壁沿周向均布导水管，实现导水管覆盖扩压器的外壁；相邻2个导水管的间距为15mm。
在上述的一种电弧风洞高效水冷扩压器，第一超扩段的第一分段外壁均布40个导水管；第一超扩段的第二分段外壁均布36个导水管；第一等直段外壁均布40个导水管；第一亚扩段的第一分段外壁均布36个导水管；第一亚扩段的第二分段、第一亚扩段的第三分段外壁均布40个导水管；第二超扩段、第二等直段、第二亚扩段外壁均布28个导水管；第三超扩段、第三等直段和第三亚扩段外壁均布21个导水管。
在上述的一种电弧风洞高效水冷扩压器，其特征在于：所述扩压器的冷却过程为：
第一扩压器：冷却水从第一超扩段上游的集水环流入，通过导水管流入第一超扩段下游的集水环；实现冷却；
冷却水从第一等直段上游的集水环流入，通过导水管流入第一等直段下游的集水环；实现冷却；
冷却水从第一亚扩段上游的集水环流入，通过导水管流入第一亚扩段下游的集水环；实现冷却；
第二扩压器：
冷却水从第二超扩段上游的集水环流入，通过导水管流入第二超扩段下游的集水环；实现冷却；
冷却水从第二等直段上游的集水环流入，通过导水管流入第二等直段下游的集水环；实现冷却；
冷却水从第二亚扩段上游的集水环流入，通过导水管流入第二亚扩段下游的集水环；实现冷却；
第三扩压器：
冷却水从第三超扩段上游的集水环流入，通过导水管流入第三超扩段下游的集水环；实现冷却；
冷却水从第三等直段上游的集水环流入，通过导水管流入第三等直段下游的集水环；实现冷却；
冷却水从第三亚扩段上游的集水环流入，通过导水管流入第三亚扩段下游的集水环；实现冷却。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明克服现有技术的不足，使空流场恢复系数达到0.7以上；
(2)本发明解决三套不同直径等直段之间的互换性；
(3)本发明确保扩压器全方位冷却均匀、冷却效果好；
(4)本发明扩压器为真空薄壳结构，确保各分段不失稳、不变形。
附图说明
图1为本发明3个水冷扩压器的结构示意图；
图2为本发明冷却水流通管道示意图；
图3为本发明导水管分布示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供一种电弧风洞高效水冷扩压器，为φ1m量级电弧风洞中的一个重要部件，能使空流场恢复系数达到0.7以上，延长风洞运行时间至3000s以上，使长程飞行航天飞行器气动加热地面模拟考核试验得以顺利实施。
水冷扩压器，如图1所示，具体包括第一扩压器1、第二扩压器2和第三扩压器3；第一扩压器1、第二扩压器2和第三扩压器3为相互独立的扩压器；
其中，第一扩压器1包括第一超扩段11、第一等直段12和第一亚扩段13；第一超扩段11和第一亚扩段13均为锥段结构；第一超扩段11的小径端、第一等直段12、第一亚扩段13的小径端依次对接组成第一扩压器1。
第二扩压器2包括第二超扩段21、第二等直段22和第二亚扩段23；第二超扩段21和第二亚扩段23均为锥段结构；第二超扩段21的小径端、第二等直段22、第二亚扩段23的小径端依次对接组成第二扩压器2。
第三扩压器3包括第三超扩段31、第三等直段32和第三亚扩段33；第三超扩段31和第三亚扩段33均为锥段结构；第三超扩段31的小径端、第三等直段32、第三亚扩段33的小径端依次对接组成第三扩压器3。
从超扩段指向亚扩段的方向为从上游至下游方向。段与段之间由螺栓连接，法兰端面设计有能相互配合的子口及密封槽，由硅橡胶密封圈进行真空密封。
其中，所述超扩段的半锥角均为8°，壁厚均为10mm；
第一超扩段11的内径由1600mm收缩至1080mm；第一超扩段11的轴向长度为1850mm；第一超扩段11沿轴向分为等长的两段，从上游至下游方向依次为第一超扩段11第一分段、第一超扩段11第二分段；
第二超扩段21的内径由1080mm收缩至864mm；轴向长度为768mm；
第三超扩段31的内径由864mm收缩至648mm；轴向长度为768mm。
等直段均为直筒结构；
第一等直段12内径为1080mm；轴向长度为10800mm，壁厚为12mm；第一等直段12分为等长5段，从上游至下游方向依次为第一等直段12第一分段、第一等直段12第二分段、第一等直段12第三分段、第一等直段12第四分段、第一等直段12第五分段；
第二等直段22内径为864mm，轴向长度为8790mm，壁厚为12mm；第二等直段22分为等长四段，从上游至下游方向依次为第二等直段22第一分段、第二等直段22第二分段、第二等直段22第三分段、第二等直段22第四分段；
第三等直段32内径为648mm，轴向长度为6778mm，壁厚为10mm；第三等直段32分为等长三段，从上游至下游方向依次为第三等直段32第一分段、第三等直段32第二分段、第三等直段32第三分段。
亚扩段的半锥角为5°；
第一亚扩段13内径由1080mm扩张至2000mm；壁厚为15mm；第一亚扩段13分为不等长三段，从上游至下游方向依次为轴向长度为2000mm的第一亚扩段13第一分段、轴向长度为1715mm的第一亚扩段13第二分段、轴向长度为1543mm的第一亚扩段13第三分段；
第二亚扩段23内径由864mm扩张至1080mm，轴向长度为1242mm，壁厚为10mm；
第三亚扩段33内径由648mm扩张至864mm，轴向长度为1242mm，壁厚为10mm。
当外部电弧风洞配备的出口直径为1000mm时，采用第一扩压器1与外部电弧风洞配备的出口对接；当外部电弧风洞配备的出口尺寸为800mm时，将第一扩压器1中的第一等直段12替换为第二扩压器2后，与外部电弧风洞配备的出口对接；当外部电弧风洞配备的出口尺寸为600mm时，将第一扩压器1中的第一等直段12替换为第二扩压器2，再将第二扩压器2中的第二等直段22替换为第三扩压器3后，与外部电弧风洞配备的出口对接。
如图2所示，每个扩压器中，超扩段的轴向2端均设置有法兰14；等直段的2端均设置有法兰14；亚扩段的2端均设置有法兰14；超扩段与等直段、等直段与亚扩段均通过法兰14实现对接。每个扩压器中，超扩段、等直段、亚扩段上均设置有2个集水环15，且每个集水环15位于对应法兰14的内侧，2个集水环15之间通过导水管16连通。扩压器各分段紧挨法兰14设计有集水环15，在上下游集水环15之间均布一定数量的弧形导水管16，弧形导水管16为瓦片结构，弧形导水管16的弧形半径为130mm，弦长80mm，壁厚5mm，导水槽长度由具体分段长度而定。
如图3所示，每个导水管16沿扩压器轴向安装在扩压器的外壁，且超扩段、等直段、亚扩段的外壁沿周向均布导水管16，实现导水管16覆盖扩压器的外壁；相邻2个导水管16的间距为15mm，能布下测压接管嘴为宜。。
具体的，第一超扩段11的第一分段外壁均布40个导水管16；第一超扩段11的第二分段外壁均布36个导水管16；第一等直段12外壁均布40个导水管16；第一亚扩段13的第一分段外壁均布36个导水管16；第一亚扩段13的第二分段、第一亚扩段13的第三分段外壁均布40个导水管16；第二超扩段21、第二等直段22、第二亚扩段23外壁均布28个导水管16；第三超扩段31、第三等直段32和第三亚扩段33外壁均布21个导水管16。
扩压器各分段上、下游集水环上沿45°方向各均布4个M72×2的接管嘴。冷却水由上游进水接管嘴进入上游集水环进行掺混，然后通过导水槽流向下游集水环，由集水环收集后经过下游4个出水接管嘴流回冷却水循环系统。扩压器的具体冷却过程为：
第一扩压器1：冷却水从第一超扩段11上游的集水环15流入，通过导水管16流入第一超扩段11下游的集水环15；实现冷却；
冷却水从第一等直段12上游的集水环15流入，通过导水管16流入第一等直段12下游的集水环15；实现冷却；
冷却水从第一亚扩段13上游的集水环15流入，通过导水管16流入第一亚扩段13下游的集水环15；实现冷却；
第二扩压器2：
冷却水从第二超扩段21上游的集水环15流入，通过导水管16流入第二超扩段21下游的集水环15；实现冷却；
冷却水从第二等直段22上游的集水环15流入，通过导水管16流入第二等直段22下游的集水环15；实现冷却；
冷却水从第二亚扩段23上游的集水环15流入，通过导水管16流入第二亚扩段23下游的集水环15；实现冷却；
第三扩压器3：
冷却水从第三超扩段31上游的集水环15流入，通过导水管16流入第三超扩段31下游的集水环15；实现冷却；
冷却水从第三等直段32上游的集水环15流入，通过导水管16流入第三等直段32下游的集水环15；实现冷却；
冷却水从第三亚扩段33上游的集水环15流入，通过导水管16流入第三亚扩段33下游的集水环15；实现冷却。
扩压器各分段两侧集水环最上方均设置一个内径的放气接管嘴。需要时也可作为进出水温度测量接口。
为了增强稳定性，在各等直段及亚扩段等长度超过1500mm的分段中心处又加设了厚度25mm、高度约80mm的加强环。
扩压器各分段两侧法兰上均设置M16吊环螺钉，以备安装设备时吊装使用。
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。
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