一种常规高超声速风洞高马赫数喷管冷却水的分配装置的制作方法

1.本发明属于高超声速风洞试验设备领域，具体涉及一种常规高超声速风洞高马赫数喷管冷却水的分配装置。


背景技术：

2.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，喷管流场品质性能要达到国军标相关要求才能用于高超声速飞行器地面测试试验，常规高超声速风洞喷管要满足长期使用要求。
3.常规高超声速风洞高马赫数喷管运行总温t0最高达800
°
c以上，运行压力p0最高达12mpa，运行时间在30秒以上，喷管需要冷却。如果不考虑喷管冷却措施或者冷却水流量、压力不匹配的话，在运行过程中喷管会出现材料烧蚀、变形等问题，继而造成喷管出口马赫数分布不均匀，导致试验段流场性能指标达不到相关国军标要求，喷管无法投入到飞行器型号地面试验研究应用。
4.高马赫数喷管在产生高超声速流动的运行过程中，内部气流的压力和温度随着马赫数的增加而减小，即喷管入口处气流温度为运行总温t0，在喷管喉道最小处之前，其内部温度tw接近于运行总温t0；在喷管喉道最小处之后，随着距离喉道的距离增加，内部温度tw急剧下降，喷管出口处的tw远低于运行总温t0。
5.因此，在对高马赫数喷管采取冷却时，喉道段一般采用中高压冷却水强制水冷，需要的冷却水压力高，流速快，流量大；喉道段以后的喷管扩散段一般采用低压冷却水就可以满足要求，要求的冷却水压力低，流速慢，保证有冷却水在夹层内部流动即可。
6.目前，常规高超声速风洞高马赫数喷管冷却方式通常采用两套冷却水供水系统来满足喷管喉道段高压冷却和喷管扩散段低压冷却的要求，中高压冷却水供水系统用于喷管喉道段高压冷却，低压冷却水供水系统用于喷管扩散段低压冷却。风洞运行时需要两套供水系统全部开启。
7.常规高超声速风洞高马赫数喷管的冷却水供水系统和分配方式存在以下不足之处：a.冷却水供水系统复杂，占用设备厂房的空间大。需要分别配套一套中高压水泵来满足中高压供水，配套一套低压水泵来满足低压供水，需要的水泵设备安装空间大。
8.b.设备运行与控制繁琐。需要分别配置两套不同电压等级和容量的供配电系统和两套独立的水泵运行控制系统，风洞运行时需要同时开启两套冷却水供水系统。
9.c.供水管路系统复杂，压力规格多。需要铺设中高压供水管路满足喷管喉道段冷却要求，采用中高压力规格的供水管道管件、阀门和仪器仪表；还需要铺设低压供水管路满足喷管扩散段冷却要求，采用低压力规格的供水管道管件、阀门和仪器仪表。
10.d.冷却水供水系统造价成本高，安装繁琐周期长。
11.鉴于上述不足，亟需发展一种常规高超声速风洞高马赫数喷管冷却水的分配装置。
的口径根据喷管部段冷却所需冷却水压力和流量确定；当喷管部段冷却需求发生变化或者更换不同喷管时，通过调节不同流量调节喉道的口径实现冷却需要。
18.进一步地，进水管道、出水管道以及流量调节喉道数目与需要冷却的喷管部段数目相同，不同口径的高马赫数喷管根据结构和加工制造需要，喷管喉道段分为1段、2段或者若干段，喷管扩散段分为1段、2段或者若干段，配置的进水管道、出水管道以及流量调节喉道数目做相应调整。
19.本发明的常规高超声速风洞高马赫数喷管冷却水的分配装置，采用一套高压冷却水供水系统，通过进水分水器和进水流量调节喉道，实现冷却水压力和流量的分配，既满足喉道段对中高压、流速快的冷却要求，又满足喷管扩散段对低压力、慢流速，保证有冷却水在夹层内部流动的冷却要求。
20.本发明的常规高超声速风洞高马赫数喷管冷却水的分配装置中的高压水泵的水泵扬程一般大于2.5mpa，高压水泵的流量参数根据喷管喉道段、喷管扩散段的不同位置在满足其冷却水流道内的压力和速度要求情况下所需的流量总和确定，并需要额外考虑10%的管道压力损失。
21.本发明的常规高超声速风洞高马赫数喷管冷却水的分配装置中的高压供水管路和各阀门参数的选择原则是，高压供水管路与各阀门压力的等级与高压水泵的水泵扬程一致，高压供水管路与各阀门的通径根据喷管喉道段和喷管扩散段所需要的冷却水总流量进行计算，需要配置一套截止阀用于冷却水开关，配置一台节流阀用于冷却水流量调节，配置一个压力表用于监测进水分配器内冷却水压力。
22.本发明的常规高超声速风洞高马赫数喷管冷却水的分配装置中的进水分配器连接有4根进水管道（根据需要进水管道数目可以调整），每根进水管道配置有口径不同的流量调节喉道，实现高马赫数喷管不同位置冷却水压力控制。出水汇总器，连接有对应的4根出水管道（根据需要出水管道数目可以调整，与进水管道相同），相同冷却水压力的出水管道与进水管道一一对应，并配置相同口径的流量调节喉道，实现高马赫数喷管不同位置的冷却水循环。
23.本发明的常规高超声速风洞高马赫数喷管冷却水的分配装置中的流量调节喉道，根据高马赫数喷管不同位置冷却水压力需求，确定流量调节喉道的口径，一般取流量调节喉道ⅰ的口径为进水管道口径d1，即使得流量调节喉道ⅰ的进水管道的冷却水压力与进水分配器保持一致，而后随着流量调节喉道的口径的减小（即d1》d2》d3），冷却水压力依次递减。另外，不同口径的流量调节喉道成对地安装在相同冷却水压力的进水管道和出水管道上，用于保持不同压力冷却水循环稳定。
24.本发明的常规高超声速风洞高马赫数喷管冷却水的分配装置中的冷却水夹层，用于流通喷管不同压力的冷却水，实现喷管不同位置的循环冷却。
25.本发明的常规高超声速风洞高马赫数喷管冷却水的分配装置具有以下特点：a.采用一套高压供水系统，通过进水分配器和流量调节喉道进行流量分配，即满足了高马赫数喷管喉道段中高压冷却要求，又实现了高马赫数喷管扩散段低压冷却要求；b.供水系统配套简单，仅需一套供水管路与阀门系统，即可实现高马赫数喷管不同位置的冷却要求；c.配电与控制系统配套简单，仅需一套水泵供配电系统和控制系统，运行与维护
方便；d.能够降低高马赫数喷管冷却水供水系统的投资成本，缩短系统安装周期；e.能够通过增减或者更换流量调节喉道，实现喷管不同位置冷却水压力的调节，可满足不同高马赫数喷管的冷却需要，具有较强的可拓展性和较广的适用范围。
26.本发明的常规高超声速风洞高马赫数喷管冷却水的分配装置，满足了常规高超声速风洞高马赫数喷管喉道段高压冷却和喷管扩散段低压冷却的不同要求，简化了高马赫数喷管冷却水供水系统的复杂性，提高了运行与维护的简便性，并降低了研制成本。可推广应用于类似不同位置需要进行不同压力等级冷却的设备。
附图说明
27.图1为本发明的常规高超声速风洞高马赫数喷管冷却水的分配装置中的冷却水进水管路系统示意图；图2为本发明的常规高超声速风洞高马赫数喷管冷却水的分配装置中的冷却水出水管路系统示意图；图3为本发明的常规高超声速风洞高马赫数喷管冷却水的分配装置的不同口径流量调节喉道示意图；图4为本发明的常规高超声速风洞高马赫数喷管冷却水的分配装置的冷却水夹层流道示意图。
28.图中，1.喷管喉道段ⅰ；2.喷管喉道段ⅱ；3.喷管扩散段ⅰ；4.喷管扩散段ⅱ；5.喷管扩散段ⅲ；6.冷却水池；7.高压水泵；8.高压供水管路；9.截止阀；10.节流阀；11.压力表；12.进水分配器；13.进水管道；14.流量调节喉道ⅰ；15.流量调节喉道ⅱ；16.流量调节喉道ⅲ；17.流量调节喉道ⅳ；18.冷却水夹层；19.出水管道；20.出水汇总器；21.出水管路。
具体实施方式
29.下面结合附图和实施例详细说明本发明。
30.本发明的常规高超声速风洞高马赫数喷管冷却水的分配装置安装在常规高超声速风洞的高马赫数喷管上，高马赫数喷管按照试验气流流动方向，从前至后依次分为喷管喉道段ⅰ1、喷管喉道段ⅱ2、喷管扩散段ⅰ3、喷管扩散段ⅱ4和喷管扩散段ⅲ5；在喷管喉道段ⅰ1、喷管喉道段ⅱ2、喷管扩散段ⅰ3、喷管扩散段ⅱ4的两端分别设置有进水环和出水环，中间设置有对应的冷却水夹层18，各冷却水夹层18包裹在对应的高马赫数喷管部段上；所述的分配装置包括冷却水进水管路系统和冷却水出水管路系统；如图1所示，按照冷却水进水的流动方向，冷却水进水管路系统包括依次连接的冷却水池6、高压水泵7、高压供水管路8、截止阀9、节流阀10、压力表11和进水分配器12，进水分配器12上并联4个进水管道13，各进水管道13分别对应连接喷管喉道段ⅰ1、喷管喉道段ⅱ2、喷管扩散段ⅰ3、喷管扩散段ⅱ4的进水环；喷管喉道段ⅰ1的进水管道13上安装流量调节喉道ⅰ14；喷管喉道段ⅱ2的进水管道13上安装流量调节喉道ⅱ15；喷管扩散段ⅰ3的进水管道13上安装流量调节喉道ⅲ16；喷管扩散段ⅱ4的进水管道13上安装流量调节喉道ⅳ17；如图2所示，按照冷却水出水的流动方向，冷却水出水管路系统包括出水管道19、出水汇总器20、出水管路21和冷却水池6；出水管道19有4个，并联在出水汇总器20上，各出
水管道19分别对应连接喷管喉道段ⅰ1、喷管喉道段ⅱ2、喷管扩散段ⅰ3、喷管扩散段ⅱ4的出水环；喷管喉道段ⅰ1的出水管道19上安装流量调节喉道ⅰ14；喷管喉道段ⅱ2的出水管道19上安装流量调节喉道ⅱ15；喷管扩散段ⅰ3的出水管道19上安装流量调节喉道ⅲ16；喷管扩散段ⅱ4的出水管道19上安装流量调节喉道ⅳ17；其中，如图3所示，流量调节喉道ⅰ14的口径与对应的进水管道13的口径相等，均为d1；流量调节喉道ⅱ15的口径小于对应的进水管道13的口径，均为d2；流量调节喉道ⅲ16和流量调节喉道ⅳ17的口径相等，小于流量调节喉道ⅱ15的口径，均为d3；即，d1》d2》d3；如图4所示，喷管喉道段ⅰ1的冷却过程是冷却水池6的冷却水经高压水泵7、高压供水管路8、截止阀9、节流阀10、压力表11和进水分配器12，再经喷管喉道段ⅰ1的进水管道13、进水环、冷却水夹层18、出水环、出水管道19，进入出水汇总器20、出水管路21抵达冷却水池6；进水管道13上的调节喉道ⅰ14和出水管道19上的调节喉道ⅰ14参数设置相同；喷管喉道段ⅱ2、喷管扩散段ⅰ3、喷管扩散段ⅱ4具有相同的冷却过程。
31.进一步地，所述的冷却水池6用于储存循环冷却水，为独立的冷却水池或者共用的冷却水池，冷却水池6的容积取决于高马赫数喷管冷却所需的冷却水流量；冷却水温度低于高马赫数喷管冷却所需的冷却温度；试验前按照常规高超声速风洞数据库给定的参数表设置冷却水池6内的冷却水量和冷却水温度。
32.进一步地，所述的高压水泵7的水泵扬程包括10%的管道压力损失，水泵扬程大于2.5mpa即水泵扬程大于250m。
33.进一步地，所述的喷管喉道段ⅰ1的流道内的冷却水压力范围为2.0～2.5mpa，喷管喉道段ⅱ2的流道内的冷却水压力范围为1.0～1.5mpa，喷管扩散段ⅰ3和扩散段ⅱ4的流道内的冷却水压力范围为0.4～0.6mpa。
34.进一步地，流量调节喉道ⅰ14、流量调节喉道ⅱ15、流量调节喉道ⅲ16和流量调节喉道ⅳ17的口径根据喷管部段冷却所需冷却水压力和流量确定；当喷管部段冷却需求发生变化或者更换不同喷管时，通过调节不同流量调节喉道的口径实现冷却需要。
35.进一步地，进水管道13、出水管道19以及流量调节喉道数目与需要冷却的喷管部段数目相同，不同口径的高马赫数喷管根据结构和加工制造需要，喷管喉道段分为1段、2段或者若干段，喷管扩散段分为1段、2段或者若干段，配置的进水管道13、出水管道19以及流量调节喉道数目做相应调整。
36.实施例1本实施例的喷管为某1米量级高马赫数喷管，如图1、图2、图4所示，喷管分为5段即喷管喉道段ⅰ1、喷管喉道段ⅱ2、喷管扩散段ⅰ3、喷管扩散段ⅱ4和喷管扩散段ⅲ5，需要冷却的喷管部段为4段即喷管喉道段ⅰ1、喷管喉道段ⅱ2、喷管扩散段ⅰ3和喷管扩散段ⅱ4，相应配置4条冷却循环管路。
37.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。