一种用于高超声速风洞高马赫数型面喷管水冷喉道的结构
阅读说明：本技术 一种用于高超声速风洞高马赫数型面喷管水冷喉道的结构 (Structure for high-Mach-number molded surface spray pipe water-cooling throat of hypersonic wind tunnel ) 是由 孙启志 凌岗 许晓斌 杨波 巢根明 苗增喜 李俊 于 2020-12-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于高超声速风洞高马赫数型面喷管水冷喉道的结构,包括第一水道衬块和第二水道衬块；第一水道衬块和第二水道衬块安装在喉道内壳外侧,第一水道衬块和第二水道衬块通过衬块连接螺钉固定在喉道内壳上；第一外壳和第二外壳组合形成高马赫数喷管水冷喉道段；喉道内壳为轴对称漏斗型金属圆柱体,喉道内壳的外部设置有水道和水道分隔筋,且喉道内壳的两端的圆柱台的外侧面分别设置有用于密封的凸台。该结构喉道段采用了全装配结构,无焊接工序,消除了焊接残余应力对喉道段在使用过程中产生变形的影响；可以实现喉道内壳更换,降低了使用过程中损坏后的维护成本,缩短后期加工周期,且高压高温密封可靠。(The invention discloses a structure of a high-Mach-number molded surface spray pipe water-cooling throat channel for a hypersonic wind tunnel, which comprises a first water channel filler block and a second water channel filler block; the first water channel filler block and the second water channel filler block are arranged on the outer side of the throat inner shell and are fixed on the throat inner shell through filler block connecting screws; the first shell and the second shell are combined to form a high-Mach-number nozzle water-cooling throat section; the throat inner shell is an axisymmetric funnel-shaped metal cylinder, a water channel and a water channel separation rib are arranged outside the throat inner shell, and bosses for sealing are respectively arranged on the outer side surfaces of the cylindrical platforms at the two ends of the throat inner shell. The throat section of the structure adopts a full-assembly structure, has no welding procedure, and eliminates the influence of welding residual stress on deformation of the throat section in the using process; the throat inner shell can be replaced, the maintenance cost after damage in the using process is reduced, the later processing period is shortened, and high-pressure and high-temperature sealing is reliable.)
技术领域
本发明涉及高超声速风洞试验设备领域，具体来说，涉及一种用于高超声速风洞高马赫数型面喷管水冷喉道的结构。
背景技术
型面喷管是高超声速风洞的核心部件，是保证获得一定马赫数，一定均匀度气流的风洞重要部件。风洞气流经过稳定段整流后，进入收缩段，使气流由亚声速逐渐加速到声速，而后从喷管喉道开始，气流通过膨胀加速，在喷管出口达到给定的马赫数。喷管给定一定的喉道面积与喷管出口面积之比，只能得到相应的马赫数，保持喷管内型线形状是在喷管出口获得设计要求的马赫数重要因素。
高超声速风洞高马赫数喷管一般为马赫数大于等于8，喉道段是喷管的重要组成部分，其好坏直接关系到整套喷管的性能。高马赫数喷管喉道段承受温度最达800℃，承受压力高达12MPa，因此喉道结构设计要满足强度和刚度的同时还要考虑冷却，喉道段设计要保障冷却介质与试验气体密封性能良好，要满足长期使用要求。
为满足喷管流场性能好的技术指标，型面喷管的加工精度内表面粗糙度要优于1.6μm以上；内型面坐标数据精度控制在±0.03mm以内。因此，用于制造喷管喉道段的材料首先要有较高的强度，有较好的加工性能，还要有良好导热性能，具有上述性能的材料如果不考虑冷却措施的话一般都不能在高温下长期使用。如果冷却结构方式不当，在运行过程中会出现喉道内壳材料烧蚀、变形等问题，造成喷管出口马赫数分布不均匀，流场性能指标就达不到相关国军标要求，无法投入到飞行器型号地面试验研究应用，喷管喉道段就需要报废并重新投产加工。
目前，大多数高马赫数喷管喉道段采用铜合金与不锈钢真空扩散焊的结构方式，这种结构形式存在制造过程工艺复杂，扩散焊接工装加工精度要求高，加工周期长成本高，扩散焊接过程中易出现水道被压塌降低了冷却效果，喉道内壳损坏后无法更换导致整个喉道段报废需要重新投料加工的问题。
为了降低高马赫数喷管喉道段制造周期和成本，降低制造难度，实现喉道内壳在损坏时可更换以及其它零部件可重复利用，亟需发展一种用于高超声速风洞高马赫数型面喷管水冷喉道结构。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种用于高超声速风洞高马赫数型面喷管水冷喉道的结构，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于高超声速风洞高马赫数型面喷管水冷喉道的结构，包括第一水道衬块和第二水道衬块；其中，第一水道衬块和第二水道衬块安装在喉道内壳外侧，所述第一水道衬块和第二水道衬块通过两侧的衬块连接螺钉固定在喉道内壳上；所述喉道内壳、第一水道衬块和第二水道衬块的装配体均安装在第一外壳和第二外壳内；
所述第一外壳的一端和第二外壳的一端通过外壳连接螺钉固定连接在一起，且第一外壳与第二外壳相连接的端部之间还设置有橡胶密封圈，第一外壳和第二外壳组合形成高马赫数喷管水冷喉道段；
所述喉道内壳为轴对称漏斗型金属圆柱体，所述喉道内壳的外部设置有水道和水道分隔筋，且所述喉道内壳的两端分别连接有一个圆柱台，两个圆柱台的外侧面分别设置有用于密封的凸台。
进一步地，所述喉道内壳由铜合金锻件制成，其内表面按照给定的喉道内壳内型线坐标(x，y)加工，喉道内壳内表面到水道下表面的厚度t2为5～10mm，水道分隔筋的高度h2为5～10mm，水道分隔筋的厚度t3为5～10mm，圆柱台的厚度t1为15～20mm，凸台的高度h1为2～3mm；
其中，水道的宽度满足喉道最小尺寸位置处的水流速v达到5～10m/s的要求，其具体的公式为：
Q＝v×A；
在公式中，Q为冷却水流量；v为该位置处冷却水流速；A为喉道最小尺寸位置的冷却水流道截面积；
所述喉道内壳最小尺寸位置的水道分隔筋沿轴向均匀分布并连通到喉道内壳两端的圆柱台位置，而水道分隔筋的数量根据冷却水流道的面积大小进行确定，具体为：
喉道内壳最小尺寸位置的水道分隔筋数量为n；
位于喉道内壳左端的水道分隔筋沿左端轴向均匀分布，不连通到右端，其数量为3n-4n；
位于喉道内壳右端的水道分隔筋沿右端轴向均匀分布，不连通到左端，其数量为2n。
进一步地，第一水道衬块为轴对称大小头金属圆柱体的一半，第一水道衬块由不锈钢或铜合金制成，第一水道衬块内表面在加工时根据给定的型线坐标(x+t1，y+t2+t3)进行加工；第一水道衬块的长度为喉道内壳长度l-2×t1，第一水道衬块的外圆直径与喉道内壳两端凸台的直径相同；在第一水道衬块大小头金属圆柱体两侧加工的沉台上开设有用于安装衬块连接螺钉的圆通孔。
进一步地，第二水道衬块的结构和尺寸与第一水道衬块相同；第一水道衬块的一端开设有若干个呈环形排列的进水孔，第二水道衬块的一端开设有若干个呈环形排列的出水孔。
进一步地，第一水道衬块的一端和第二水道衬块的一端均采用过盈配合的方式与喉道内壳装配，对喉道内壳起到强度加强作用。
进一步地，第一外壳为轴对称金属圆柱体，其由马氏体不锈钢或奥氏体不锈钢制成；第一外壳的两端均设置为法兰，且第一外壳左端的法兰上开有与前段设备连接的螺栓通孔以及密封槽Ⅰ，而第一外壳右端的法兰上开设有与外壳连接螺钉配合的螺纹孔以及用于安装橡胶密封圈的密封槽Ⅱ；第一外壳的一端内部设置有台阶孔，在该台阶孔台阶的侧面上开设有用于安装石墨缠绕密封垫的密封槽Ⅲ；所述第一外壳一端的台阶孔包括有台阶孔Ⅰ和台阶孔Ⅱ，所述台阶孔Ⅰ的直径与前段设备出口直径相同，所述台阶孔Ⅱ的直径与第一、第二水道衬块组合体粗径部的直径相同。
进一步地，第一外壳的左端法兰外圆上设置有进水汇总环，且第一外壳的左端法兰内部加工有进水环槽，进水环槽截面总面积大于进水汇总环入口截面面积。
进一步地，第二外壳为轴对称金属圆柱体，其由马氏体不锈钢或奥氏体不锈钢制成；第二外壳的两端均设置为法兰，且第二外壳左端的法兰上开有与第一外壳连接的螺钉通孔，螺钉通孔数量与第一外壳一端通孔数量一致；第二外壳右端的法兰上开有与后段喷管扩散段连接的螺栓孔，螺栓孔数量与尺寸与后段设备一致；第二外壳一端内部设置有台阶孔，在该台阶孔台阶的侧面上开设有用于安装石墨缠绕密封垫的密封槽Ⅳ；第二外壳一端内部的台阶孔包括有台阶孔Ⅲ和台阶孔Ⅳ，所述台阶孔Ⅲ的直径与第一、第二水道衬块组合体细径部的直径相同，所述台阶孔Ⅳ的直径与后段设备入口的直径相同。
进一步地，第二外壳的右端法兰外圆上设置有出水汇总环，所述出水汇总环内部开设有出水环槽，所述出水环槽的总面积要出水汇总环出口面积。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的一种用于高超声速风洞高马赫数型面喷管水冷喉道的结构，该结构的喉道段采用了全装配结构，无焊接工序，消除了焊接残余应力对喉道段在使用过程中产生变形的影响；
2、本发明提供的一种用于高超声速风洞高马赫数型面喷管水冷喉道的结构，该结构的喉道段制造过程工艺简单，无特殊工装要求，降低了制造成本，大幅度缩短了喉道段制造周期；
3、本发明提供的一种用于高超声速风洞高马赫数型面喷管水冷喉道的结构，该结构可以实现喉道内壳更换，降低了使用过程中损坏后的维护成本，缩短后期加工周期；
4、本发明的一种用于高超声速风洞高马赫数型面喷管水冷喉道的结构，该结构高压高温密封可靠，不需要很大的密封预紧力，在运行过程中，喉道内壳受热会产生微量的轴向伸长，喉道内壳两端的密封更牢靠；
5、本发明的一种用于高超声速风洞高马赫数型面喷管水冷喉道的结构，解决了高超声速风洞高马赫数喷管喉道段冷却和喉道内壳可更换问题，能够满足高超声速风洞使用要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的一种用于高超声速风洞高马赫数型面喷管水冷喉道的结构沿轴向剖视图；
图2是根据本发明实施例的一种用于高超声速风洞高马赫数型面喷管水冷喉道的结构的断面剖视图；
图3是根据本发明实施例的一种用于高超声速风洞高马赫数型面喷管水冷喉道的结构的内壳主视图；
图4是根据本发明实施例的一种用于高超声速风洞高马赫数型面喷管水冷喉道的结构的内壳三维视图；
图5是根据本发明实施例的一种用于高超声速风洞高马赫数型面喷管水冷喉道的结构的内壳部分尺寸示意图；
图6是根据本发明实施例的一种用于高超声速风洞高马赫数型面喷管水冷喉道的结构的的第一水道衬块的三维视图；
图7是根据本发明实施例的一种用于高超声速风洞高马赫数型面喷管水冷喉道的结构的第一水道衬块的俯视图；
图8是根据本发明实施例的一种用于高超声速风洞高马赫数型面喷管水冷喉道的结构的第二水道衬块的三维视图；
图9是根据本发明实施例的一种用于高超声速风洞高马赫数型面喷管水冷喉道的结构的第二水道衬块的俯视图；
图10是根据本发明实施例的一种用于高超声速风洞高马赫数型面喷管水冷喉道的结构的第一外壳的示意图；
图11是根据本发明实施例的一种用于高超声速风洞高马赫数型面喷管水冷喉道的结构的第二外壳的示意图。
图中：
1、进水汇总环；2、喉道内壳；3、第一水道衬块；4、第一外壳；5、第二外壳；6、出水汇总环；7、第二水道衬块；8、外壳连接螺钉；9、衬块连接螺钉；10、水道；11、水道分隔筋；12、圆柱台；13、凸台；14、沉台；15、圆通孔；16、进水孔；17、出水孔；18、螺纹孔；19、密封槽Ⅰ；20、密封槽Ⅱ；21、密封槽Ⅲ；22、台阶孔Ⅰ；23、台阶孔Ⅱ；24、进水环槽；25、密封槽Ⅳ；26、台阶孔Ⅲ；27、台阶孔Ⅳ；28、出水环槽。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
根据本发明的实施例，
请参阅图1-11，一种用于高超声速风洞高马赫数型面喷管水冷喉道的结构，包括第一水道衬块3和第二水道衬块7，其中，第一水道衬块3和第二水道衬块7安装在喉道内壳2外侧，所述第一水道衬块3和第二水道衬块7通过两侧的衬块连接螺钉9固定在喉道内壳2上；所述喉道内壳2、第一水道衬块3和第二水道衬块7的装配体均安装在第一外壳4和第二外壳5内；
所述第一外壳4的一端和第二外壳5的一端通过外壳连接螺钉8固定连接在一起，且第一外壳4与第二外壳5相连接的端部之间还设置有橡胶密封圈，第一外壳4和第二外壳5组合形成高马赫数喷管水冷喉道段；
所述喉道内壳2为轴对称漏斗型金属圆柱体，所述喉道内壳2的外部设置有水道10和水道分隔筋11，且所述喉道内壳2的两端分别连接有一个圆柱台12，两个圆柱台12的外侧面分别设置有用于密封的凸台13。
本实施例中，所述喉道内壳2由铜合金锻件制成，其内表面按照给定的喉道内壳2内型线坐标(x，y)加工，喉道内壳2内表面到水道10下表面的厚度t2为5～10mm，水道分隔筋11的高度h2为5～10mm，水道分隔筋11的厚度t3为5～10mm，圆柱台12的厚度t1为15～20mm，凸台13的高度h1为2～3mm；
其中，水道10的宽度满足喉道最小尺寸位置处的水流速v达到5～10m/s的要求，其具体的公式为：
Q＝v×A；
在公式中，Q为冷却水流量；v为该位置处冷却水流速；A为喉道最小尺寸位置的冷却水流道截面积；
所述喉道内壳2最小尺寸位置的水道分隔筋11沿轴向均匀分布并连通到喉道内壳2两端的圆柱台12位置，而水道分隔筋11的数量根据冷却水流道的面积大小进行确定，具体为：
喉道内壳2最小尺寸位置的水道分隔筋11数量为n；
位于喉道内壳2左端的水道分隔筋11沿左端轴向均匀分布，不连通到右端，其数量为3n-4n；
位于喉道内壳2右端的水道分隔筋11沿右端轴向均匀分布，不连通到左端，其数量为2n。
本实施例中，第一水道衬块3为轴对称大小头金属圆柱体的一半，第一水道衬块3由不锈钢或铜合金制成，第一水道衬块3内表面在加工时根据给定的型线坐标(x+t1，y+t2+t3)进行加工；第一水道衬块3的长度为喉道内壳2长度l-2×t1，第一水道衬块3的外圆直径与喉道内壳2两端凸台13的直径相同；在第一水道衬块3大小头金属圆柱体两侧加工的沉台14上开设有用于安装衬块连接螺钉9的圆通孔15。
本实施例中，第二水道衬块7的结构和尺寸与第一水道衬块3相同；第一水道衬块3的一端开设有若干个呈环形排列的进水孔16，第二水道衬块7的一端开设有若干个呈环形排列的出水孔17。
本实施例中，第一水道衬块3的一端和第二水道衬块7的一端均采用过盈配合的方式与喉道内壳2装配，对喉道内壳2起到强度加强作用。
本实施例中，第一外壳4为轴对称金属圆柱体，其由马氏体不锈钢或奥氏体不锈钢制成；第一外壳4的两端均设置为法兰，且第一外壳4左端的法兰上开有与前段设备连接的螺栓通孔以及密封槽Ⅰ19，而第一外壳4右端的法兰上开设有与外壳连接螺钉8配合的螺纹孔18以及用于安装橡胶密封圈的密封槽Ⅱ20；第一外壳4的一端内部设置有台阶孔，在该台阶孔台阶的侧面上开设有用于安装石墨缠绕密封垫的密封槽Ⅲ21；所述第一外壳4一端的台阶孔包括有台阶孔Ⅰ22和台阶孔Ⅱ23，所述台阶孔Ⅰ22的直径与前段设备出口直径相同，所述台阶孔Ⅱ23的直径与第一、第二水道衬块组合体粗径部的直径相同。
本实施例中，第一外壳4的左端法兰外圆上设置有进水汇总环1，且第一外壳4的左端法兰内部加工有进水环槽24，进水环槽24截面总面积大于进水汇总环1入口截面面积。
本实施例中，第二外壳5为轴对称金属圆柱体，其由马氏体不锈钢或奥氏体不锈钢制成；第二外壳5的两端均设置为法兰，且第二外壳5左端的法兰上开有与第一外壳4连接的螺钉通孔，螺钉通孔数量与第一外壳4一端通孔数量一致；第二外壳5右端的法兰上开有与后段喷管扩散段连接的螺栓孔，螺栓孔数量与尺寸与后段设备一致；第二外壳5一端内部设置有台阶孔，在该台阶孔台阶的侧面上开设有用于安装石墨缠绕密封垫的密封槽Ⅳ25；第二外壳5一端内部的台阶孔包括有台阶孔Ⅲ26和台阶孔Ⅳ27，所述台阶孔Ⅲ26的直径与第一、第二水道衬块组合体细径部的直径相同，所述台阶孔Ⅳ27的直径与后段设备入口的直径相同。
本实施例中，第二外壳5的右端法兰外圆上设置有出水汇总环6，所述出水汇总环6内部开设有出水环槽28，所述出水环槽28的总面积要出水汇总环6出口面积。
本发明的有益效果：
本发明一种用于高超声速风洞高马赫数型面喷管水冷喉道的结构，喉道段采用了全装配结构，无焊接工序，消除了焊接残余应力对喉道段在使用过程中产生变形的影响；且喉道段制造过程工艺简单，无特殊工装要求，降低了制造成本，大幅度缩短了喉道段制造周期；且可以实现喉道内壳更换，降低了使用过程中损坏后的维护成本，缩短后期加工周期；本发明结构高压高温密封可靠，不需要很大的密封预紧力，在运行过程中，喉道内壳受热会产生微量的轴向伸长，喉道内壳两端的密封更牢靠；解决了高超声速风洞高马赫数喷管喉道段冷却和喉道内壳可更换问题，能够满足高超声速风洞使用要求；且可推广应用于类似需要进行高温冷却的轴对称结构设备。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。
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