本发明专利技术提供了一种高超声速风洞喷管出口段水冷装置，该装置包括通水接头、外壳体、内壳体以及堵块、分水筋。该装置的冷却水从风洞试验段外的通水接头直接流入喷管出口段的外壳体和内壳体之间的夹层，在喷管出口段的末端折返，再从通水接头流出，冷却水在喷管出口段内部形成循环。该装置无须在风洞喷管段的末端和风洞试验段之间连接通水管构成回水管，不与风洞试验段产生关联。更换风洞喷管时，只需将风洞喷管直接脱离试验段，无须拆装回水管，具有很高的更换操作效率，而且避免了更换风洞喷管时冷却水泄露到试验段中。同时，在夹层中设置了易于加工的约束冷却水流动的冷却单元，使冷却水在夹层中的流动更均匀，对喷管出口段起到良好的冷却效果。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于常规高超声速风洞试验
，具体涉及一种高超声速风洞喷管出口段水冷装置。
技术介绍
常规高超声速风洞喷管是拉瓦尔喷管，从形式上分为收缩段、喉道段、扩张段，从结构上通常分为入口段、喉道、中间扩张段、出口段四部分。喷管出口段需插入高超声速风洞试验段中，试验时，风洞来流经喷管流入试验段，风洞来流总温较高，有时会超过800℃，试验时间通常在60s以上，某些试验可达240s，高温气流对喷管加热效应明显，在缺乏冷却的情况下会引起喷管变形甚至破坏，并影响风洞流场质量，所以需要对喷管进行持续冷却降温。同时，由于高超声速风洞喷管是固定喷管，每个喷管对应一个来流马赫数，试验中经常需要更换喷管以改变来流马赫数，从而改变试验状态，因此，要求喷管更换的效率不能太低。也就是说，喷管冷却装置要同时满足高效实时降温和不影响风洞喷管更换两个要求。当前，有些高超声速风洞喷管出口段没有设置冷却装置；有些高超声速风洞喷管在喷管出口段和试验段内壁焊接管嘴，并用管道连接起来，制成了回水管，使冷却水形成回路，实现了高效冷却，但是，在更换喷管时必须拆装连接试验段的回水管，更换效率较低，而且冷却水也容易泄漏到试验段中，造成试验段内部设备的腐蚀和电器设备安全隐患。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供了一种高超声速风洞喷管出口段水冷装置。本专利技术的高超声速风洞喷管出口段水冷装置，其特点是，所述的装置包括通水接头、外壳体、内壳体、分水筋、堵块；所述的外壳体包裹在内壳体上，与内壳体两端的外缘环缝满焊，外壳体和内壳体之间为供冷却水流通的夹层，夹层通过焊接在内壳体上的分水筋和堵块均匀分割成n个冷却单元，分水筋的数量为2n，堵块的数量为n；冷却单元之间以焊接封闭的的分水筋和堵块作为分割界线，冷却单元内部焊接1条左端封闭、右端开口的分水筋，形成顺向子流道和逆向子流道；所述的法兰Ⅰ的径向设有2n个通水孔，通水孔的外侧焊接通水接头，通水接头连接外部通水管道，通水孔分为n个入水孔和n个出水孔，每个冷却单元分布有1个入水孔和1个出水孔，冷却水从入水孔进入冷却单元，沿顺向子流道流经经右凹槽处折返，再沿逆向子流道经出水孔流出冷却单元；D为喷管出口内径（单位为m），n=12D，n为非整数时进位取整数；通水孔的孔径为d，冷却水流量为Q，通水孔内冷却水流速为v，流速范围为3～10m/s，d=[4Q/(nπv)]0.5；分水筋和堵块的宽度相同，取5 mm～10mm。所述的外壳体上设置有定位和密封端面，与风洞的试验段入口侧壁对接定位并密封；所述的内壳体左侧有法兰Ⅱ，法兰Ⅱ的右侧面为轴向定位平面，法兰Ⅰ的左侧平面与法兰Ⅱ的右侧面贴合定位，定位面粗糙度小于等于Ra1.6μm。所述的外壳体和内壳体的材料均采用马氏体不锈钢或奥氏体不锈钢。若内壳体对材料的导热能力要求较高，可采用马氏体不锈钢，如1Cr13、2Cr13，若对焊接性能要求较高，则采用奥氏体不锈钢，如0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等。所述的内壳体的外轮廓从左至右依次是法兰Ⅱ、左柱面、左凹槽、左凸台、流道、右凸台、右凹槽、右柱面，左柱面和右柱面是内壳体与外壳体内圆配合的柱段，内壳体的外侧表面焊接分水筋和堵块。左柱面和右柱面是内壳体与外壳体内圆配合的柱段，左柱面与外壳体的内圆、右柱面与外壳体的内圆的装配公差为H8/h7，配合表面表面粗糙度小于等于Ra3.2μm。除法兰Ⅱ、左柱面和右柱面外，其余外轮廓表面粗糙度范围为Ra6.3μm～12.5μm。所述的左凹槽与左凸台、左凸台与流道、流道与右凸台、右凸台与右凹槽之间采用相同半锥角的锥面连接，半锥角为α，范围为25°～30°。左凹槽或右凹槽的深度为h，凹槽沿轴线方向的长度为L，1.5≤L/d≤2，凹槽的截面积等于通水孔的面积S=hL－0.5h2cotα，较大的面积减小了冷却水在凹槽中沿环向流动的阻力，使冷却水更容易充满整个凹槽，凹槽下方的最小壁厚为δ，δ≥D/200且δ≥2mm。左凸台或右凸台顶部与左柱面之间的半径差为狭缝高度h＇，左柱面外周长为C，单个狭缝面积为S2，h＇=2nS2/C，且1.1≤S/S2≤1.5，狭缝高度h＇的下限取外壳体和内壳体配合公差理论偏差的3倍～6倍。流道处内壳体的外轮廓为圆柱面，与外壳体之间的距离为流道的高度，范围为3mm～5mm。内壳体的厚度要满足右凹槽深度和下方最小壁厚以及内壁温控制的要求。若不能满足要求，应减小狭缝高度h＇，同时减小凹槽深度h，当狭缝高度h＇低于下限也不能满足要求时，应增加通水孔的数量。本专利技术的高超声速风洞喷管出口段水冷装置在加工时要注意以下2点：1.确保分水筋、堵块与内壳体对应位置的外轮廓互补，上表面与左柱面平齐，并预留加工余量，焊接后与左柱面、右柱面作为一个整体，继续精加工外表面。2.先加工内壳体的外轮廓面，再在外轮廓上焊接分水筋和堵块，最后精加工外轮廓，此加工方式与整体数控铣相比，加工效率更高，加工成本低，并且达到了相同的效果，构造出复杂的流道，使分水筋、堵块与外壳体内圆贴合紧密，防止相邻流道串水。本专利技术的高超声速风洞喷管出口段水冷装置采用了折返式流动，会不可避免地产生低速流动区域，但是，左凹槽、右凹槽和左凸台、右凸台的组合使得流道内的流动更均匀，较小的狭缝面积增大冷却水穿过狭缝的平均流速，增大了穿越狭缝所需的压力差，较高的压力差促使更多冷却水从压力低的位置穿过狭缝，减小穿越狭缝不同部位的流速差值，扩大了快速流动区域的范围，减小了低速流动区域的面积，避免了采用夹层内折返式流动结构带来的内壳体局部干烧问题。本专利技术的高超声速风洞喷管出口段水冷装置的结构使冷却水能够在喷管夹层内部实现往复流动，不需要在出口段末端和试验段之间连接通水管构成回水管，更换风洞喷管时，只需将风洞喷管直接脱离试验段，无须拆装回水管。而且，在夹层中设置了易于加工的约束冷却水流动的冷却单元，使冷却水在夹层中的流动更均匀，对喷管出口段起到良好的冷却效果。本专利技术的高超声速风洞喷管出口段水冷装置具有操作效率高、无漏水问题、加工工艺简单、更换喷管快捷的优点。附图说明图1为本专利技术的高超声速风洞喷管出口段水冷装置的结构图；图2为出口段左视剖视图；图3为沿堵块、分水筋中面的局部剖视图；图4为凹槽、流道局部放大图；图5为内壳体内冷却水的流动路线示意图（平面图）；图6为左凸台的局部放大图；图7为冷却单元内的冷却水流动路线示意图；图8为内壳体内冷却水的流动路线示意图（立体图）；图中，1. 通水接头 2. 通水孔 3. 试验段入口侧壁板 4. 外壳体 5. 内壳体6. 分水筋 7. 堵块 8. 左柱面 9. 右柱面 10. 左凹槽 11. 左凸台 12. 右凸台13. 右凹槽 14. 流道 15. 快速流动区域 16. 低流速区域 17. 法兰Ⅰ 18. 法兰Ⅱ；图2、图5、图8中，箭头方向为冷却水流动方向；图7中，⊗符号表示水流向凹槽，为入水孔，⊙符号表示水流出凹槽，为出水孔。具体实施方式下面结合附图具体说明本专利技术。如图1所示，外壳体4外部设有定位和密封端面，与风洞的试验段入口侧壁板3对接定位并密封。外壳体4包裹在内壳体5上，与内壳体5两侧的环缝采用满焊方式密封和连接。外壳体4和内壳体5之间为供冷却水流通的夹层，夹层被焊接在内壳体5上的分水筋6和本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高超声速风洞喷管出口段水冷装置，其特征在于，所述的装置包括通水接头（1）、外壳体（4）、内壳体（5）、分水筋（6）、堵块（7）；所述的外壳体（4）包裹在内壳体（5）上，与内壳体（5）两端的外缘环缝满焊，外壳体（4）和内壳体（5）之间为供冷却水流通的夹层，夹层通过焊接在内壳体（5）上的分水筋（6）和堵块（7）均匀分割成n个冷却单元，分水筋（6）的数量为2n，堵块（7）的数量为n；冷却单元之间以焊接封闭的的分水筋（6）和堵块（7）作为分割界线，冷却单元内部焊接1条左端封闭、右端开口的分水筋（6），形成顺向子流道和逆向子流道；所述的法兰Ⅰ（17）的径向设有2n个通水孔（2），通水孔（2）的外侧焊接通水接头（1），通水接头（1）连接外部通水管道，通水孔（2）分为n个入水孔和n个出水孔，每个冷却单元分布有1个入水孔和1个出水孔，冷却水从入水孔进入冷却单元，沿顺向子流道流经经右凹槽（13）处折返，再沿逆向子流道经出水孔流出冷却单元。
【技术特征摘要】
1.一种高超声速风洞喷管出口段水冷装置，其特征在于，所述的装置包括通水接头（1）、外壳体（4）、内壳体（5）、分水筋（6）、堵块（7）；所述的外壳体（4）包裹在内壳体（5）上，与内壳体（5）两端的外缘环缝满焊，外壳体（4）和内壳体（5）之间为供冷却水流通的夹层，夹层通过焊接在内壳体（5）上的分水筋（6）和堵块（7）均匀分割成n个冷却单元，分水筋（6）的数量为2n，堵块（7）的数量为n；冷却单元之间以焊接封闭的的分水筋（6）和堵块（7）作为分割界线，冷却单元内部焊接1条左端封闭、右端开口的分水筋（6），形成顺向子流道和逆向子流道；所述的法兰Ⅰ（17）的径向设有2n个通水孔（2），通水孔（2）的外侧焊接通水接头（1），通水接头（1）连接外部通水管道，通水孔（2）分为n个入水孔和n个出水孔，每个冷却单元分布有1个入水孔和1个出水孔，冷却水从入水孔进入冷却单元，沿顺向子流道流经经右凹槽（13）处折返，再沿逆向子流道经出水孔流出冷却单元。2.根据权利要求1所述的高超声速风洞喷管出口段水冷装置，其特征在于，所述的外壳体（4）上设置有用于定位和密封的端面，与风洞的试验段入口侧壁（3）对接定位并密封；所述的内壳体（5）左侧有法兰Ⅱ（18），法兰Ⅱ（18）的右侧面为轴...
【专利技术属性】
技术研发人员：叶成，周晓刚，白本奇，秦天超，胥继斌，杨海滨，董宾，尹疆，黄昊宇，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51
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