CN105181290A - 一种用于燃气流风洞的高温喷管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃气流风洞的高温喷管，包括收扩段和扩张段；所述收扩段包括收缩段和过渡段，所述收缩段的前端与燃烧室连接，收缩段型线满足维托辛斯基曲线经验公式，收缩段的后端连接到过渡段前端；过渡段为圆弧型线，半径为R；出口马赫数不同的喷管，出口截面半径不同，但收扩段型面一致。对于不同长度的喷管，设置延伸段，喷管更换时，喷管前后端的管路和接口尺寸与位置均保持不变，无需移动燃烧室和试验舱的相对位置，降低了喷管更换的难度，提高了生产装配效率。同时不同喷管收扩段易损部位可相互替换，节约了试验设备的维护和运行成本。

Description

一种用于燃气流风洞的高温喷管

技术领域

本发明涉及一种用于燃气流风洞的高温喷管，属于喷管设计领域。

背景技术

高温燃气流风洞是模拟材料和飞行器在高温气流中热性能的重要地面试验设备，其中喷管是高温燃气流风洞主加热***的重要组件。高温燃气流风洞的主加热器喷管兼顾了加热器喉道和射流喷管两个功能，它由收缩段、喉部和扩张段组成，气流经过喷管绝热等熵加速膨胀，在收缩段将气流从亚音速加速到音速，从喷管喉部开始将气流绝热等熵加速膨胀到超音速，至喷管出口达到试验需要的马赫数、压力和温度；

高温燃气流风洞属于典型的高温高焓设备，燃烧室压力大于5MPa，温度超过3500K，喷管内部平均热流接近15MW/m²，喉道处为最大热流点，热流高达30MW/m²，必须依靠冷却水对其进行冷却降温。高温高压运行状态及冷却水的冲击对喷管结构带来极大挑战，喉道位置作为主要易损件，直接决定喷管的工作时间和品质。往往喉道损坏时，喷管其他部位仍处于可靠状态，但此时仍必须对整个喷管进行更换，为风洞运行造成巨大的经济损失。

参见附图1，为达到不同的试验流场参数，高温燃气流风洞通常会配置多个不同出口直径的喷管。由于不同出口直径的喷管，长度也不相同，风洞运行时或者通过挪动喷管前后试验设备完成对不同设备之间连接位置与尺寸的调节，达到喷管更换的目的，或者搭建不同的试验平台配备不同的喷管尺寸，对试验设备的安装对接和使用维护带来极大不便，也造成了试验成本的浪费。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种燃烧室与不同出口直径喷管相兼容的方法，解决高温燃气流风洞喷管损耗率高，更换难难度大的问题。通过兼容设计实现易损部段的互换性，延伸段的设置，保证了喷管前后端的管路和接口尺寸与位置的一致，减少了试验设备的维护和运行成本。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种用于燃气流风洞的高温喷管，包括收扩段和扩张段；

所述收扩段包括收缩段和过渡段，所述收缩段的前端与燃烧室连接，收缩段型线满足维托辛斯基曲线经验公式，收缩段的后端连接到过渡段前端；过渡段为圆弧型线，半径为R，圆心位于喷管喉道截面的纵轴，收缩段和过渡段的交界处为喷管喉道；

所述扩张段包括第一扩张段、第二扩张段；所述第一扩张段的型线分为圆弧段和直线段，圆弧段与所述收扩段的过渡段为同一圆弧，半径也为R，满足关系式R≥8R_*，R_*为所述喷管的喉道半径，直线段与圆弧段相切，直线段的斜率为喷管最大膨胀角θ的正切值，θ≤0.5ν_e，ν_e为出口马赫数对应的普朗特-迈耶角；第二扩张段的前端连接第一扩张段后端，二者尺寸相同，第二扩张段的后段连接试验舱，第二扩张段的出口即为喷管出口，喷管出口截面半径R2与喉道半径R*比值的平方为出口马赫数的函数：(R2/R*)²＝f(Ma)；

出口马赫数不同的喷管，出口截面半径不同，扩张段型面不同，但收扩段型面完全一致，收扩段和扩张段之间可拆卸地连接。

优选的，以最大口径的喷管长度L为基准，当喷管的长度L1<L时，设置延伸段，延伸段为圆柱段，截面半径与喷管出口截面半径相同，长度为L-L1。

优选的，第二扩张段分为扩张段II和扩张段III，二者通过法兰连接。

优选的，收缩段型线满足维托辛斯基曲线经验公式具体为：根据燃烧室流量Q、燃烧室总温T₀、燃烧室总压P₀，由喷管流量计算公式，确定喉道面积A*，进而确定喷管喉道半径R*，喷管流量计算公式如下：

$Q=K\frac{P_0}{\sqrt{T_0}}A*$

维托辛斯基曲线经验公式计算距离喷管入口x处曲线高度R_x：

$R_x=\frac{R_{*}}{\sqrt{1-\&lsqb;1-{\left(\frac{R_{*}}{R_0}\right)}^2\&rsqb;\frac{{(1-x^2)}^2}{{(1+\frac{x^2}{3})}^3}}}$

其中R₀为喷管入口半径。

优选的，收扩段和扩张段采用法兰连接；第一扩张段和第二扩张段采用法兰连接。

优选的，法兰之间采用缠绕式石墨垫片密封。

同时提供一种所述喷管的替换方法，如果喷管喉道发生损坏，则拆卸收扩段与燃烧室的连接法兰、收扩段和第一扩张段的连接法兰，更换收扩段；如果更换喷管，则拆卸收扩段和第一扩张段连接法兰，第一扩张段和第二扩张段的连接法兰，更换扩张段，并根据喷管长度更换延伸段。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)风洞中为满足不同的流场参数要求，往往搭建多个试验平台以匹配不同喷管的使用。本发明通过喷管型面设计技术，使得不同出口直径喷管前端收扩段型面完全相同，后端扩张段设计为不同出口直径不同的型面，喷管型面圆滑过渡，保证了燃烧室与喷管前端的一致性，实现不同口径喷管与前端燃烧室的兼容，提高了试验平台的共用性。

(2)在高温高焓风洞中，喷管暴露在严酷的高温环境中，其中喷管喉道位置处受热最为严重，急剧的热交换导致喷管喉道严重烧蚀，喉道的损坏将直接影响喷管流场的品质。实际应用中，喷管喉道作为易损件，因喉道损坏导致喷管全部更换的现象经常发生，带来了巨大的经济损失。喷管的分段式设计，将喷管易损部位与耐损部位分割开来，既保证了易损部位更换的简易性，也允许了扩张段等耐损部位的重复性使用，大大降低了因喷管更换带来的经济损失。

(3)本发明以最大口径的喷管长度为基准，其他口径喷管出口位置处加锥形延伸段，保证了所有喷管长度相同，喷管更换时，喷管前后端的管路和接口尺寸与位置均保持不变，无需移动燃烧室和试验舱的相对位置，解决了喷管更换时的设备接口反复调整的问题。降低了喷管更换的难度，提高了生产装配效率。同时不同喷管收扩段易损部位可相互替换，节约了试验设备的维护和运行成本。

附图说明

图1为本发明的燃气流试验台结构示意图；

图2为本发明不同口径喷管型面设计示意图；

图3为本发明的喷管结构示意图；

图4为本发明的喷管型线示意图。

具体实施方式

1、喷管的设计

1)用于燃气流风洞的高温喷管，包括收扩段和扩张段，选择性的加入延伸段。所述收扩段包括收缩段和过渡段，如图2所示，其中喷管收缩段采用维托辛斯基曲线经验公式设计，过渡段为圆弧型线，半径为R，圆心位于喉道截面的纵轴。

参见图3，扩张段包括第一扩张段(扩张段I)、第二扩张段(扩张段II、III)；所述第一扩张段的型线分为圆弧段和直线段，圆弧段与过渡段为同一圆弧，半径也为R，满足关系式R≥8R_*，R_*为收扩段的喉道半径，直线段与圆弧段相切，直线段的斜率为喷管最大膨胀角θ的正切值，θ≤0.5ν_e，ν_e为出口马赫数对应的普朗特-迈耶角。通过喷管型面设计保证了喷管分段处的型面曲率相同，圆滑过渡。第二扩张段的前端连接第一扩张段后端，二者连接处尺寸相同，第二扩张段的后段连接试验舱，第二扩张段的出口即为喷管出口，喷管出口截面半径与喉道半径R*比值的平方满足出口马赫数的函数。

2)喷管喉道半径R*确定

根据燃烧室流量Q、总温T₀、总压P₀，由喷管流量计算公式(公式1)，可确定喉道面积A*，进而确定喷管喉道半径R*。

$Q=K\frac{P_0}{\sqrt{T_0}}A*\mathrm{...}\left(1\right)$

3)喷管收扩段设计

喷管收扩段包含收缩段和过渡段(如图3所示)，由于喷管前端与燃烧室加热器连接，将喷管入口半径R0固定为燃烧室加热器身部尺寸，喉道半径R*由燃烧室流量、总温、总压根据喷管流量计算公式确定，喷管收缩段型面采用维托辛斯基曲线经验公式设计，参见公式2，x为喷管轴线坐标，Rx为收缩段入口截面x处曲线高度，R_*为喉道半径，R₀为喷管入口半径。

$R_x=\frac{R_{*}}{\sqrt{1-\&lsqb;1-{\left(\frac{R_{*}}{R_0}\right)}^2\&rsqb;\frac{{(1-x^2)}^2}{{(1+\frac{x^2}{3})}^3}}}\mathrm{...}\left(2\right)$

过渡段圆弧半径为R，与扩张段I为同一圆弧，保证了不同喷管收扩段型面设计完全一致，具备与同一燃烧室加热器的兼容特性。

4)喷管扩张段I、Ⅱ、Ⅲ设计

附图4所示为喷管型线示意图，喷管扩张段前段采用圆弧加直线设计方法，圆弧部分分别划分到喷管收扩段和扩张段I中。

扩张段I采用圆弧加直线设计方法，其中圆弧圆心位于喉道纵轴，圆弧半径R满足关系式R≥8R_*，直线斜率为喷管最大膨胀角θ的正切值,喷管最大膨胀角满足关系式：θ≤0.5ν_e，其中ν_e为出口气流马赫数对应的普朗特-迈耶角。不同喷管出口气流马赫数不同，圆弧与直线相切位置也随之不同。

扩张段Ⅱ、Ⅲ可以一体设置，为了便于装配可采用两段式设计。喷管扩张段Ⅱ、Ⅲ型面设计采用喷管设计的通用方法设计，利用采用Folsch解析法计算，满足不同出口马赫数及流场参数需求。喷管出口截面半径R2(或R3)与喉道半径R*比值的平方满足与出口马赫数的函数关系：(R2/R*)²＝f(Ma)。

5)喷管延伸段设计

由于不同出口直径的喷管长度不同，若不改变燃烧室各进口管路连接、以及与试验舱对接的尺寸和位置，必须采取措施使喷管长度保持一致。考虑到不同出口直径的喷管长度不同，为保证不同喷管与前端燃烧室及后端试验舱的兼容性，设计时固定燃烧室和喷管收扩段位置，以最大口径的喷管长度L为基准，在小口径喷管(喷管长度L1)出口位置处加锥形延伸段，通过调整锥形延伸段长度(L-L1)，实现不同口径喷管的长度相同。

2、喷管更换流程

如附图2所示，不同口径喷管型面设计时，不同喷管收扩段及喷管与燃烧室的连接处型面完全一致，不同口径喷管既能够与燃烧室良好兼容，还可共用同一收扩段部位。喷管更换时，仅需更换相应喷管的扩张段即可。

喷管更换时，燃烧室各进口管路连接、以及与试验舱对接的尺寸和位置固定不变，喷管收扩段可保留。通过拆卸法兰，更换喷管扩张段，调整喷管后端延长段的长度，使不同喷管的安装位置相同；紧固收扩段与前端燃烧室、喷管收扩段与扩张段处法兰，完成喷管更换。如附图1所示，喷管在高温燃气流试验台中的位置位于燃烧室加热器和试验舱之间，喷管更换时燃烧室和试验舱位置和接口均固定不变，仅对喷管进行更换或调整。

本发明中不同出口直径喷管的收扩段设计为同一型面，扩张段后段根据出口直径的不同，设计为不同的型面，能够单独更换收扩段或扩张段。参见附图2。由于喷管喉道为易烧损部位，这一型面设计即能保证试验流场参数的要求，又实现了不同喷管收扩段的相互替换，降低设备运行成本。

为拆卸和更换喷管方便，收扩段与前端燃烧室、喷管扩张段(I、II、III)与后端长度延伸段，均采用法兰结构相连；法兰之间采用国家标准的缠绕式石墨垫片密封。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种用于燃气流风洞的高温喷管，其特征在于：包括收扩段和扩张段；

所述收扩段包括收缩段和过渡段，所述收缩段的前端与燃烧室连接，收缩段型线满足维托辛斯基曲线经验公式，收缩段的后端连接到过渡段前端；过渡段为圆弧型线，半径为R，圆心位于喷管喉道截面的纵轴，收缩段和过渡段的交界处为喷管喉道；

所述扩张段包括第一扩张段、第二扩张段；所述第一扩张段的型线分为圆弧段和直线段，圆弧段与所述收扩段的过渡段为同一圆弧，半径也为R，满足关系式R≥8R_*，R_*为所述喷管的喉道半径，直线段与圆弧段相切，直线段的斜率为喷管最大膨胀角θ的正切值，θ≤0.5ν_e，ν_e为出口马赫数对应的普朗特-迈耶角；第二扩张段的前端连接第一扩张段后端，二者尺寸相同，第二扩张段的后段连接试验舱，第二扩张段的出口即为喷管出口，喷管出口截面半径R2与喉道半径R*比值的平方为出口马赫数的函数：(R2/R*)²＝f(Ma)；

出口马赫数不同的喷管，出口截面半径不同，扩张段型面不同，但收扩段型面完全一致，收扩段和扩张段之间可拆卸地连接。

2.根据权利要求1所述喷管，其特征在于，根据喷管的长度L1，选择性的在第二扩张段的后端安装延伸段；当喷管的长度L1与最大口径的喷管长度L相同时，无需安装延伸段；当喷管的长度L1<L时，安装延伸段，延伸段为圆柱段，截面半径与喷管出口截面半径相同，长度为L-L1。

3.根据权利要求1所述喷管，其特征在于，第二扩张段分为扩张段II和扩张段III，二者通过法兰连接。

4.根据权利要求1所述喷管，其特征在于，收缩段型线满足维托辛斯基曲线经验公式具体为：根据燃烧室流量Q、燃烧室总温T₀、燃烧室总压P₀，由喷管流量计算公式，确定喉道面积A*，进而确定喷管喉道半径R*，喷管流量计算公式如下：

$Q=K\frac{P_0}{\sqrt{T_0}}A*$

维托辛斯基曲线经验公式计算距离喷管入口x处曲线高度R_x：

$R_x=\frac{R_{*}}{\sqrt{1-\&lsqb;1-{\left(\frac{R_{*}}{R_0}\right)}^2\&rsqb;\frac{{(1-x^2)}^2}{{(1+\frac{x^2}{3})}^3}}}$

其中R₀为喷管入口半径。

5.根据权利要求1所述喷管，其特征在于，收扩段和扩张段采用法兰连接；第一扩张段和第二扩张段采用法兰连接。

6.根据权利要求1所述喷管，其特征在于，法兰之间采用缠绕式石墨垫片密封。

7.一种权利要求2所述喷管的替换方法，其特征在于：

如果喷管喉道发生损坏，则拆卸收扩段与燃烧室的连接法兰、收扩段和第一扩张段的连接法兰，更换收扩段；如果更换喷管，则拆卸收扩段和第一扩张段连接法兰，第一扩张段和第二扩张段的连接法兰，更换扩张段，并根据喷管长度更换延伸段。