一种高温超声速流场环境下马赫数测量装置的制作方法

本发明属于超声速、高超声速液体动力系统地面试验领域，主要涉及超声速、高超声速液体动力系统地面试验系统模拟来流马赫数测量，具体涉及一种高温超声速流场环境下马赫数测量装置，可应用于超声速、高超声速动力系统的地面试验系统。

背景技术：

超声速、高超声速液体动力系统研制过程中，需要开展大量地面模拟试验，模拟试验有效性的前提是动力系统的入口来流与真实飞行来流一致。(高)超声速动力地面模拟试验系统或风洞的模拟来流具有高温、高压、超声速和富氧的特点，模拟来流最重要的参数是马赫数。由于模拟来流具有高温、高压、超声速的特点，且马赫数需要同时测量总温、总压和静压三个参数，因此接触式马赫数测量装置依然是评定来流的最主要和最常用方式。但马赫数测量装置置于超声速流场中会产生激波，激波前和激波后的总温、总压参数不一致，实际测量到的是激波后的参数，而不恰当的探头结构将引起紊乱的激波系，无法真实反映当地点的总温、总压等参数，导致马赫数测量结果偏离实际流场参数。

因此，目前高温、超声速流场环境下马赫数测量装置面临的关键技术和瓶颈难点在于：难以在高温、高压、高富氧工作环境下长时间工作且难以实现小型化，同时难以减弱超声速流场的激波强度，使得马赫数测量装置的测量准确度较低。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有高温超声速流场环境下马赫数测量装置难以实现小型化以及测量准确度较低的难题，提供一种高温超声速流场环境下马赫数测量装置。该装置通过冷却槽道水冷结构和高温耐氧化合金材料相组合的热防护技术实现整体结构小型化；采用符合超声速流线的楔形迎风面，同时设计不同探针之间的合理间距，从而减弱超声速流场的激波系和相邻探针之间的相互干扰，进而提高了马赫数测量装置的准确度。

为实现以上发明目的，本发明的技术方案为：

一种高温超声速流场环境下马赫数测量装置，包括测量耙体、进水管、出水管、第一压力传感器、第二压力传感器、温度传感器和多个探针组件，每个探针组件包括均为管状结构的总压探针、静压探针和总温探针；所述测量耙体采用耐氧化性、高温力学性能高的高温合金制作，其迎风面设置为楔形结构，且楔形结构的倾角为11°-25°；所述测量耙体内部设置有多条冷却槽道，所述冷却槽道的一端与设置在测量耙体底端的分流环槽连通，另一端与设置在测量耙体中部的回流环槽连通；所述进水管设置在测量耙体内，其进口与外部冷却水连通，出口与设置在测量耙体底端的分流环槽连通；所述出水管设置在测量耙体内，其进口与设置在测量耙体中部的回流环槽连通，出口位于测量耙体外；所述测量耙体的迎风面上设置有按等面积排布的多个马赫数测点，且相邻两个马赫数测点的间距大于等于4倍总压探针的直径，每个马赫数测点包括两个贯穿楔形结构的第一风孔和第二风孔；所述总温探针设置在第二风孔内，其内部设置有温度传感器；所述总压探针设置在第一风孔内，其一端伸出楔形结构，另一端与第一压力传感器连接，且其管壁上设置有静压孔；所述静压探针设置在总压探针内，其一端穿过静压孔，另一端与第二压力传感器连接。

进一步地，所述总压探针的入口为锥形喇叭口或半球形。

进一步地，所述总温探针的入口为锥形喇叭口，进口、出口的面积比为1.5～3。

进一步地，所述总压探针、静压探针和总温探针与测量耙体一体化设置。

进一步地，所述温度传感器为pt100，且总温探针的侧壁上设置有两个对称的通孔，通孔构成来流气体滞止后的出口。

进一步地，所述测量耙体的材料选用耐高温和抗氧化能力强的gh202。

进一步地，所述测量耙体通过设置在其外侧的连接法兰与风洞安装座连接。

进一步地，所述测量耙体的侧面设置有加强销钉，用于提高测量耙体的强度。

进一步地，所述总压探针、静压探针、总温探针采用高温合金材料制作。

进一步地，所述进水管的进口处设置高目过滤器。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

1.本发明高温超声速流场环境下马赫数测量装置采用冷却槽道水冷结构和高温耐氧化合金材料相组合的热防护技术，从而有效解决了马赫数宽范围模拟来流环境下的结构强度和小型化之间突出矛盾，实现了整体结构的小型化，同时使得该装置的工作温度适应范围广，可覆盖常温到2000k以上高温富氧燃气。

2.本发明高温超声速流场环境下马赫数测量装置采用符合超声速流线的楔形迎风面，同时合理布置探针之间的间距，有效解决了超声速流场复杂激波系相互重叠、干扰的难题，从而尽可能减弱超声速流场的激波系，进而提高了马赫数测量装置的准确度。

3.本发明高温超声速流场环境下马赫数测量装置可适用于亚声速到超声速ma6、温度范围可覆盖常温到2000k以上高温燃气，且满足长时间工作要求。

4.本发明高温超声速流场环境下马赫数测量装置和风洞尺寸范围为具有较高的总压恢复系数，其中的风洞直径、5组马赫数测量时，总压恢复系数最高达到97.6％。

附图说明

图1为本发明高温超声速流场环境下马赫数测量装置结构示意图；

图2为本发明高温超声速流场环境下马赫数测量装置的局部剖视图；

图3为本发明冷却槽道的结构示意图；

图4为本发明探针组件的安装示意图；

图5为本发明温度传感器的安装示意图；

图6为本发明静压探针的安装示意图；

图7为本发明按等面积设置马赫数测点的示意图。

附图标记：1-测量耙体，2-进水管，3-出水管，4-第一压力传感器，5-第二压力传感器，6-温度传感器，7-总压探针，8-静压探针，9-总温探针，10-连接法兰，11-楔形结构，12-冷却槽道，13-分流环槽，14-回流环槽，15-第一风孔，16-第二风孔，17-静压孔，18-加强销钉，19-通孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明提供一种高温超声速流场环境下马赫数测量装置，解决了高温、高压、富氧、超声速流场环境下，现有接触式马赫数测量装置容易形成复杂的激波波系，进而影响马赫数测量准确度的难题。本发明装置采用冷却槽道水冷结构和高温耐氧化合金材料相组合的热防护技术，解决了高温环境下的强度难题，实现了测量装置的小型化；同时采用符合超声速流线特点的楔形迎风面，从而尽可能减弱超声速流场的激波；此外，根据激波波系特征，合理设置测点间距，减少总温探针和总压探针之间、以及各特征点之间的流场干扰，从而显著提高了高温超声速气体流场环境下马赫数测量的准确度，满足高温、超声速流场马赫数测量的使用要求。

本发明马赫数测量装置可同时测量风洞径向多个截面的总温、总压和静压，确定高温超声速模拟来流某一点的马赫数，以及同一周向截面、不同径向位置的马赫数分布，从而评估风洞某点的模拟来流马赫数以及风洞模拟来流的径向流场均匀性。

如图1和图2所示，本发明高温超声速流场环境下马赫数测量装置包括测量耙体1、进水管2、出水管3、第一压力传感器4、第二压力传感器5、温度传感器6、固定连接法兰10和多个探针组件，每个探针组件包括均为管状结构总压探针7、静压探针8和总温探针9。测量耙体1是马赫数测量装置的主体部分，其材料选用耐氧化性能高、高温力学性能高的高温合金，如gh202，满足高温、高压、富氧工作环境下小型化的强度要求。测量耙体1采用上下两瓣结构，一瓣为带迎风面“l型”，一瓣为平板式盖板，两瓣扣住后采用钎焊焊接而成，在背风面进行氩弧焊焊接，一方面避免迎风面出现焊缝，一方面在背面增强焊接连接强度和可靠性；为进一步提高焊接强度，在侧面根据需要布置加强销钉18。同时，本发明将测量耙体1的迎风面设置为符合超声速流线的楔形结构11，根据马赫数范围，楔形结构11的倾角β选取11°-25°。

如图2和图3所示，测量耙体1上设置有热防护结构，即测量耙体上设置有多个冷却槽道12，冷却槽道12的一端与设置在测量耙体1底端的分流环槽13连通，另一端与设置在测量耙体1中部的回流环槽14连通；进水管2设置在测量耙体1内，其进口与外部冷却水连通，出口与设置在测量耙体1底端的分流环槽13连通；出水管3设置在测量耙体1内，其进口与设置在测量耙体1中部的回流环槽14连通，出口位于测量耙体1外。上述进水管2插入测量耙体1的背风面侧，将加压冷却水供应测量耙体1底端，加压冷却水通过分流环槽13折回进入各冷却槽道12，对测量耙体1进行冷却后，汇聚至回流环槽14，最后通过出水管3排出。上述冷却槽道12可通过特种铣刀在耙体铣出形成，根据测量装置使用风洞的温度，通过热力计算确定通入冷却水的压力、流量，冷却水的进口和出口可设置在测量耙体1安装法兰外同一端面。由于本发明测量耙体1上设置有直槽式冷却槽道12水冷结构，因此其温度适应范围广，可覆盖常温到2000k以上高温燃气，且满足长时间工作要求。在模拟来流温度范围为常温至650k时，允许不通入冷却水，通过高温合金的力学性能满足强度要求，在高于650k温度下，通入冷却水，并自动记录冷却水入口、出口温度，冷却水压力为1.0mpa～1.5mpa。

由于本发明装置采用了上述特殊水冷的冷却槽道12、选用高温耐氧化材料等热防护技术，从而使得其实现了小型化设计，可使得该装置的迎风面最小厚度为8mm-10mm，耙体厚度为11mm-14mm，测量耙体1的宽度根据探针数量、引压管直径等进行设计，为等宽度结构。

如图4、图5和图6所示，测量耙体1的迎风面按等面积在不同径向位置设置有多个马赫数测点，每个马赫数测点包括两个贯穿楔形结构11的第一风孔15和第二风孔16；一个马赫数测点包括一个总温探针9、一个总压探针7和一个静压探针8，总温探针9设置在第二风孔16内，其内部设置有温度传感器6，该温度传感器6可采用pt100，此时，总温探针的侧壁上设置有两个对称的通孔19，通孔构成来流气体滞止后的出口；总压探针7设置在第一风孔15内，其一端伸出楔形结构11，另一端与第一压力传感器4连接，且其管壁上设置有静压孔17；静压探针8设置在总压探针7内，其一端穿过静压孔17，另一端与第二压力传感器5连接。此时，静压探针8与总压探针7呈90°设置，可将总压探针7、静压探针8和总温探针9与测量耙体1一体化设置，避免出现焊接，进而保证了测量耙体的强度。根据流场仿真和试验验证，每个马赫数测点原则上按相等的等效面积布置，且相邻两个马赫数测点的总压探针7间距需满足不小于4倍总压探针7直径d，此时在不同马赫数(不大于ma6)条件下总压探针7间未出现或较轻微的激波相互重叠和干扰。总压探针7、总温探针9采用高温合金材料管材，如gh202，直径d一般取伸出迎风面的距离l2＝(0～3)dmm。

如图7所示，在测量耙体1的迎风面上，马赫数测点在径向位置按等面积布置，此时，a1、a2、a3、a4的面积相同，在相同面积下，温度传感器接受到的热量相同，此种设置可用于更加准确的评估风洞温度场的均匀性，进而更加准确的评估风洞马赫数的均匀性。

如图5所示，总温探针9的入口形式宜选取为锥形喇叭口形状，高温环境下总温测量根据测量温度范围选用不同的热电偶。总温探针9的进口、出口面积比选取范围为1.5～3，其中面积比为2.5时，超声速(ma≤6)流场环境下总温探针9的总温恢复系数最高，总温恢复可达98％以上。

如图6所示，总压探针7的入口形式宜选取为锥形喇叭口和半球形，且对于半球形总压探针7，当流动偏角选取α≤3°，流动偏角对总压探针7的总压值不敏感；对于锥形入口型总压探针7，当ma≤2.5时锥型入口总压探针7对流动偏角不敏感，当ma>2.5时，流动偏角对锥型总压探针7的影响较大。

基于上述结构特点，本发明马赫数测量装置具有以下特点：一是采用特殊的铣槽式冷却通道结构和环槽均流结构，冷却效果好，温度适应范围广，可覆盖常温到2000k以上；二是结合超声速流场仿真，利用流线型楔形迎风面，覆盖的马赫数范围大，马赫数从亚声速到超声速，最高达ma6以上；三是基于超声速流场仿真模型，建立了测点间距选取准则，减弱或消除了超声速流场环境下测点之间的激波波系相互作用，测量准确度提高；四是通过冷却结构设计、选取耐氧化高温合金材料等技术途径，满足高温环境下强度要求，实现了测量装置的小型化、耐氧化和长时间使用，迎风面厚度不大于10mm，单侧剩余壁厚小于1.5mm，满足高温、高压、富氧环境下的强度要求。本发明马赫数测量装置和风洞尺寸范围为时，可具有较高的总压恢复系数，其中，的风洞直径，5组马赫数测量时，总压恢复系数最高达到97.6％。

本发明测量装置验收和每次使用前，采用气密、液压试验对测量装置的结构完整性进行检测，在进水管2前设置高目过滤器，避免因水中杂质堵塞测量装置内通道。安装时，通过连接法兰11与风洞安装座连接和固定，迎风面与高温超声速气流正对，每一个马赫数需要同时测量当地点的总温、总压和静压。其中超声速流场实测得到的总压为激波后总压pten1，通过超声速流场标准风洞校准，或通过激波前和激波后的气动计算式迭代计算激波前总压p0，通过校准或迭代计算后的激波前总压p0计算马赫数。其迭代公式如下。同时，由于本发明迎风面采用薄的楔形结构11，各测点之间激波没有重叠和二次干扰，避免复杂的激波系相互作用。因此，可以有很高的准确度求得激波前总压p0。

其中：pten1为激波后总压，p0为激波前总压，k为绝热指数。

本发明高温超声速流场环境下马赫数测量装置的测试过程如下：

1)将马赫数测量装置通过连接法兰置于高温超声速流场环境，测量装置的迎风面正对来流；

2)测量同一截面的模拟来流总温、总压和静压，通过计算得到当地点的马赫数，也可以测量和得到不同截面的马赫数；通过如下计算式获得某一气流环境下超声速流场的当地马赫数：

式中，p0、ps分别为当地气流总压(激波前总压，由(1)式求得)和静压；κ为该点实际气体的比热比，根据当地的总温和气体成分的质量分数迭代求得，对于特定气体是总温t0的函数；

3)马赫数测量装置与数据采集系统相连，同时测量、采集和记录各点数值，可以获得模拟来流随时间的变化，同时，通过对比不同马赫数测点所得的马赫数数值大小、相对误差，可以评估同一截面不同径向位置气流流场的均匀性或不均匀度。