CN112798136B - 一种用于电弧风洞湍流导管内表面温度测量的窗口装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于电弧风洞湍流导管内表面温度测量的窗口装置，包括：镶嵌在所述湍流导管内的侧板；所述侧板的内壁面与所述导管的内壁面平齐；所述侧板上安装有光学窗口和冷却窗口，沿着热气流方向，所述冷却窗口位于所述光学窗口的上游；所述光学窗口内安装用于测量的光学玻璃，所述冷却窗口用于给所述光学玻璃冷却降温。本发明提供的用于电弧风洞湍流导管内表面温度测量的窗口装置，很好的解决现有技术中光学玻璃容易被高温气流烧蚀破坏，无法解决电弧风洞湍流导管材料烧蚀试验过程中表面温度测量问题。

Description

一种用于电弧风洞湍流导管内表面温度测量的窗口装置

技术领域

本发明涉及航天气动烧热蚀试验技术领域，尤其是涉及一种用于电弧风洞湍流导管内表面温度测量的窗口装置。

背景技术

飞行器在大气层中高速飞行或从高空再入大气层时要承受严重气动加热，因此飞行器外表面通常布置防热材料，其抗烧蚀能力直接关系到飞行器设计的成败。防热材料在应用到飞行器上之前要进行底面模拟考核试验，而电弧风洞是主要的烧蚀材料地面模拟考核设备；在电弧风洞内进行防热材料的考核试验通常分成两种形式，(1)自由射流试验，即试验模型直接放入喷管出口的流场，流场自由膨胀；(2)湍流导管试验，即在型面喷管的出口将模型安装在罩体内进行热考核试验。

但是自由射流试验中，对于平板防热材料模型，该方式考核的热环境状态相对较低；湍流导管试验中，喷管出口流场被压缩在罩体流道内无法自由膨胀导致压力增加，则需要在较高的热环境条件下进行热考核试验，然而由于平板模型在罩体内无法通过非接触测量设备测量模型的表面温度，需要在电弧风洞湍流导管设置光学玻璃窗口装置进行测量，而现有的光学玻璃容易被高温气流烧蚀破坏，无法解决电弧风洞湍流导管材料烧蚀试验过程中表面温度测量问题。

发明内容

本发明提供了一种用于电弧风洞湍流导管内表面温度测量的窗口装置，旨在解决现有技术中光学玻璃容易被高温气流烧蚀破坏，无法解决电弧风洞湍流导管材料烧蚀试验过程中表面温度测量问题。

本发明提供了一种用于电弧风洞湍流导管内表面温度测量的窗口装置，包括：镶嵌在所述湍流导管内的侧板；所述侧板的内壁面与所述导管的内壁面平齐；所述侧板上安装有光学窗口和冷却窗口，沿着热气流方向，所述冷却窗口位于所述光学窗口的上游；所述光学窗口内安装用于测量的光学玻璃，所述冷却窗口用于给所述光学玻璃冷却降温。

进一步地，所述侧板内开设有安装孔；所述光学窗口还包括压板，所述光学玻璃安装在所述安装孔内；所述光学玻璃包括第一光学玻璃和第二光学玻璃，所述第一光学玻璃与热气流接触，所述压板盖住所述第二光学玻璃并与导管相固定。通过在侧板内开设安装孔，并将光学玻璃安装在所述安装孔内，由于第一光学玻璃与热气流接触，第二光学玻璃位于导管表面，通过光学玻璃就能够完成对测量模型表面温度的测量。

进一步地，所述冷却窗口包括冷却腔体和盖板；所述盖板上安装有冷气进气管，所述冷却腔体的顶面开设有冷气喷射孔；所述冷气进气管与储气装置连接以用于给冷却腔体降温；所述盖板盖住所述冷却腔体并与导管相固定。冷气进气管与储气装置连接，以用于给冷却腔体降温，冷却气充满整个腔体后从冷气喷射孔排出，由于冷却窗口位于光学窗口的上游，从冷气喷射孔排出的冷气能够对光学玻璃降温，防止光学玻璃由于高温而损坏。

进一步地，所述安装孔为阶梯状；所述安装孔包括第一安装孔和第二安装孔，所述第一安装孔内安装第一光学玻璃，所述第二安装孔内安装第二光学玻璃；所述第一光学玻璃的直径为10mm，所述第二光学玻璃的直径为16mm；所述第一光学玻璃的厚度为5mm，所述第二光学玻璃的厚度为15mm；所述安装孔的尺寸与所述光学玻璃的尺寸相等。

进一步地，所述第一安装孔与所述第二安装孔的端面开设有安装槽；所述安装槽内安装密封圈。通过在第一安装孔与第二安装孔的端面开设有安装槽，并在安装槽安装密封圈，能够保证将光学玻璃安装时的密封性，防止导管内的热气流从缝隙中流出，对光学玻璃造成损坏，甚至观测时热气流对人体灼伤。

进一步地，所述压板和所述侧板上均开设有直径为10mm的第一螺纹孔；所述压板通过第一螺纹孔与所述侧板管螺栓连接。通过螺栓将压板与侧板连接，能够保证连接的紧固性，还方便拆卸。

进一步地，所述冷却腔体的形状为阶梯状；所述冷却腔体的长度为13mm，所述冷却腔体的宽度为8mm。通过将冷却腔体的形状设计为阶梯状，其作用是改变冷气流流动方向，使其充满整个腔体，避免每个冷气喷射孔上流量不均，造成冷却降温效果变差。

进一步地，所述盖板的连接面设置有密封圈；所述盖板和所述侧板上均开设有第二螺纹孔，所述盖板通过第二螺纹孔与所述侧板螺栓连接。通过在盖板的连接面设置有密封圈，能够保证盖板压在冷却腔体时，整体的连接密封性。

进一步地，所述冷气喷射孔开设在所述冷却腔体的顶面，并距离所述侧板的外表面13mm；所述冷气喷射孔的数量为5个，所述冷气喷射孔的形状为圆弧状；所述冷气喷射孔与侧板中心线上下夹角-20°～20°，相邻冷气喷射孔之间夹角为10°。通过这样设计的冷气喷射孔，能够确保冷气喷射孔的有效冷却范围，增加对光学玻璃的有效冷却。

进一步地，所述冷气进气管焊接在所述盖板上，所述冷气进气管的直径为5mm。

本发明提供的一种用于电弧风洞湍流导管内表面温度测量的窗口装置，通过在侧板上安装有光学窗口和冷却窗口，并将冷却窗口位于光学窗口的上游，在用将光学玻璃测量时，冷却窗口可用于给光学玻璃冷却降温，避免该窗口的光学玻璃被高温气流烧蚀破坏，解决了电弧风洞湍流导管材料烧蚀试验过程中表面温度测量问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的窗口装置与导管的安装示意图；

图2为本发明实施例提供的窗口装置的主视图；

图3为本发明实施例提供的窗口装置的侧视图；

图4为本发明实施例提供的窗口装置的后视图；

图5为本发明实施例提供的窗口装置的主体加工示意图；

图6为本发明实施例提供的c-c截面图；

图7为本发明实施例提供的冷却窗口的侧视图；

图8为本发明实施例提供的冷却窗口的主视图；

图9本发明实施例提供的光学玻璃的主视图；

图10本发明实施例提供的光学玻璃的侧视图。

附图标记说明：

1为导管，11为侧板，12为安装孔，13为第一安装孔，14为第二安装孔，15为密封圈；2为光学窗口，21为光学玻璃，22为压板，23为第一光学玻璃，24为第二光学玻璃，25为第一螺纹孔；3为冷却窗口，31为冷却腔体，32为盖板，33为冷气进气管，34为冷气喷射孔，35为第二螺纹孔。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

具体而言，参阅图1-2所示，本发明提供了一种用于电弧风洞湍流导管1内表面温度测量的窗口装置，包括：镶嵌在所述湍流导管内1的侧板11；所述侧板11的内壁面与所述导管1的内壁面平齐；所述侧板11上安装有光学窗口2和冷却窗口3，沿着热气流方向，所述冷却窗口3位于所述光学窗口2的上游；沿着热气流方向，所述光学窗口布置在侧板的中下游位置；所述光学窗口2内安装用于测量的光学玻璃21，所述冷却窗口3用于给所述光学玻璃21冷却降温。

将光学窗口布置在侧板的中下游位置的效果在于，如果将光学窗口布置在侧板的上游位置，有可能会影响上流的气流总焓，而将光学窗口布置在侧板的中下游位置，对气流总焓的影响比较小。

进一步地，所述侧板11的对面为平板模型，所述平板模型设置在所述导管1内部，所述侧板11上的光学玻璃21用于对平板模型的温度测量。

进一步地，所述侧板11的内部设置有水冷通道，确保侧板11表面温度较低。

具体而言，参阅图2-3所示，所述光学窗口2安装在侧板11上，所述光学窗口2包括压板22和光学玻璃21，所述压板22压盖在所述光学玻璃21上，所述光学玻璃21用于对测量模型表面温度的测量。

进一步地，参阅图5-6所示，所述侧板11内开设有安装孔12，所述光学玻璃21安装在所述安装孔12内；所述光学玻璃21包括第一光学玻璃23和第二光学玻璃24，所述第一光学玻璃23与热气流接触，所述压板22盖住所述第二光学玻璃24并与导管1相固定。通过在侧板11内开设安装孔12，并将光学玻璃21安装在所述安装孔12内，由于第一光学玻璃23与热气流接触，第二光学玻璃24位于导管1表面，通过光学玻璃21就能够完成对测量模型表面温度的测量。

进一步地，参阅图6、图9-10所示，所述安装孔12为阶梯状；所述安装孔12包括第一安装孔13和第二安装孔14，所述第一安装孔13内安装第一光学玻璃23，所述第二安装孔14内安装第二光学玻璃24；值得注意的是，所述第一光学玻璃23和所述第二光学玻璃24的尺寸可设置为任意尺寸，只要能够见到检测的目的即可。优选地，所述第一光学玻璃23的直径为10mm，所述第二光学玻璃24的直径为16mm；所述第一光学玻璃23的厚度为5mm，所述第二光学玻璃24的厚度为15mm；所述安装孔12的尺寸与所述光学玻璃21的尺寸相等。

进一步地，参阅图6所示，所述第一安装孔13与所述第二安装孔14的端面开设有安装槽；所述安装槽内安装密封圈15。通过在第一安装孔13与第二安装孔14的端面开设有安装槽，并在安装槽安装密封圈15，能够保证将光学玻璃21安装时的密封性，防止导管1内的热气流从缝隙中流出，对光学玻璃21造成损坏，甚至观测时热气流对人体灼伤。

进一步地，参阅图2和图5所示，所述压板22和所述侧板11上均开设有直径为10mm的第一螺纹孔25；所述压板22通过第一螺纹孔25与所述侧板11管螺栓连接。通过螺栓将压板22与侧板11连接，能够保证连接的紧固性，还方便拆卸。

进一步地，所述光学玻璃21为常用的石英玻璃，其安全使用温度600～700℃。

具体而言，参阅图1所示，所述冷却窗口3安装在侧板11上，沿着热气流方向，所述冷却窗口3位于所述光学窗口2的上游，将冷却窗口3设置在光学窗口2的上游的目的在于，在用将光学玻璃21测量时，冷却窗口3可用于给光学玻璃21冷却降温，避免该窗口的光学玻璃21被高温气流烧蚀破坏，解决了电弧风洞湍流导管材料烧蚀试验过程中表面温度测量问题。

进一步地，参阅图2和图5所示，所述冷却窗口3包括冷却腔体31和盖板32；所述盖板32上安装有冷气进气管33，所述冷却腔体31的顶面开设有冷气喷射孔34；所述冷气进气管33与储气装置连接以用于给冷却腔体31降温；所述盖板32盖住所述冷却腔体31并与导管1相固定。冷气进气管33与储气装置连接，以用于给冷却腔体31降温，冷却气充满整个腔体后从冷气喷射孔34排出，由于冷却窗口3位于光学窗口2的上游，从冷气喷射孔34排出的冷气能够对光学玻璃21降温，防止光学玻璃21由于高温而损坏。

进一步地，参阅图4-5所示，所述冷却腔体31的尺寸不受限制，可以设置为任意尺寸皆可。优选地，所述冷气腔体31的尺寸为长13mm、宽8mm；所述冷却窗口3设置在所述光学窗口2上游的15～20mm位置处；所述冷气腔体31距离侧板11外表面最少距离为5mm。

进一步地，参阅图6所示，所述冷却腔体31的形状为阶梯状；冷却腔体31上的台阶距离冷气喷射孔34所在的底面长为5mm，宽为4.5mm。通过将冷却腔体31的形状设计为阶梯状，其作用是改变冷气流流动方向，使其充满整个腔体，避免每个冷气喷射孔34上流量不均，造成冷却降温效果变差。

进一步地，参阅图4和图6所示，所述冷却腔体31的顶面开设有冷气喷射孔34，所述冷气喷射孔34距离所述侧板11的外表面13mm。所述冷气喷射孔34的数量可以设置为任意数量，只要能够达到对光学玻璃21的冷却降温即可。优选地，所述冷气喷射孔34的数量为5个，所述冷气喷射孔34的形状为圆弧状；所述冷气喷射孔34与侧板11中心线上下夹角-20°～20°，相邻冷气喷射孔34之间夹角为10°。通过这样设计的冷气喷射孔34，能够确保冷气喷射孔34的有效冷却范围，增加对光学玻璃21的有效冷却。

进一步地，参阅图7-8所示，所述盖板32上焊接有冷气进气管33，所述冷气进气管33的直径为5mm。所述冷气进气管33通过螺纹与上游带有压力调节装置的储气装置连接，气管中气流直接入射到台阶上，后充满整个冷却腔体31，确保冷却腔体31内各个冷气喷射孔34喷射气体量一致。所述冷气进气管33进气压力仅仅20～50kPa，并不需要使用高压气源；通过将冷气进气管33进气压力设置为20～50kPa，保证冷气沿着侧板11的内壁面边界层内流动，避免阻碍高温来流。

进一步地，参阅图6所示，所述盖板32的连接面设置有密封圈15；所述盖板32和所述侧板11上均开设有第二螺纹孔35，所述盖板32通过第二螺纹孔35与所述侧板11螺栓连接。通过在盖板32的连接面设置有密封圈15，能够保证盖板32压在冷却腔体31时，整体的连接密封性。

电弧风洞运行时导管内进行模型热考核试验时，首先通过调节冷气进气压力(20～50kPa范围内)确保光学玻璃在安全温度条件下进行，然后通过光学玻璃对平板模型的温度测量。

在某热环境条件下，使用50kPa冷气压力条件下监测到的气膜冷却表面温度，在无气膜冷却的模型上下两边缘区域，表面温度高达900℃，中间的气膜冷却区域表面温度仅300～350℃，由此可见，本发明提出的一种用于电弧风洞湍流导管内表面温度测量的窗口装置，冷却效果较好。

因此，本发明提供的一种用于电弧风洞湍流导管内表面温度测量的窗口装置，通过在侧板上安装有光学窗口和冷却窗口，并将冷却窗口位于光学窗口的上游，在用将光学玻璃测量时，冷却窗口可用于给光学玻璃冷却降温，避免该窗口的光学玻璃被高温气流烧蚀破坏，解决了电弧风洞湍流导管材料烧蚀试验过程中表面温度测量问题。

进一步地，本发明提供的一种用于电弧风洞湍流导管内表面温度测量的窗口装置，结构合理，具有安装和拆卸简单的优点，另外，还可保证光学玻璃重复使用，减少了试验成本。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于电弧风洞湍流导管内表面温度测量的窗口装置，其特征在于，包括：镶嵌在所述湍流导管内的侧板；

所述侧板的内壁面与所述导管的内壁面平齐；

所述侧板上安装有光学窗口和冷却窗口，沿着热气流方向，所述冷却窗口位于所述光学窗口的上游；

所述光学窗口内安装用于测量的光学玻璃，所述冷却窗口用于给所述光学玻璃冷却降温；

所述冷却窗口包括冷却腔体，所述冷却腔体的顶面开设有若干冷气喷射孔，若干所述冷气喷射孔排列在所述光学玻璃的上游。

2.根据权利要求1所述的用于电弧风洞湍流导管内表面温度测量的窗口装置，其特征在于，所述侧板内开设有安装孔；

所述光学窗口还包括压板，所述光学玻璃安装在所述安装孔内；

所述光学玻璃包括第一光学玻璃和第二光学玻璃，所述第一光学玻璃与热气流接触，所述压板盖住所述第二光学玻璃并与导管相固定。

3.根据权利要求1所述的用于电弧风洞湍流导管内表面温度测量的窗口装置，其特征在于，所述冷却窗口包括盖板；

所述盖板上安装有冷气进气管；

所述冷气进气管与储气装置连接以用于给冷却腔体降温；

所述盖板盖住所述冷却腔体并与导管相固定。

4.根据权利要求2所述的用于电弧风洞湍流导管内表面温度测量的窗口装置，其特征在于，所述安装孔为阶梯状；

所述安装孔包括第一安装孔和第二安装孔，所述第一安装孔内安装第一光学玻璃，所述第二安装孔内安装第二光学玻璃；

所述第一光学玻璃的直径为10mm，所述第二光学玻璃的直径为16mm；

所述第一光学玻璃的厚度为5mm，所述第二光学玻璃的厚度为15mm；

所述安装孔的尺寸与所述光学玻璃的尺寸相等。

5.根据权利要求4所述的用于电弧风洞湍流导管内表面温度测量的窗口装置，其特征在于，所述第一安装孔与所述第二安装孔相接触的端面开设有安装槽；

所述安装槽内安装密封圈。

6.根据权利要求5所述的用于电弧风洞湍流导管内表面温度测量的窗口装置，其特征在于，所述压板和所述侧板上均开设有直径为10mm的第一螺纹孔；

所述压板通过第一螺纹孔与所述侧板螺栓连接。

7.根据权利要求3所述的用于电弧风洞湍流导管内表面温度测量的窗口装置，其特征在于，所述冷却腔体的形状为阶梯状；

所述冷却腔体的长度为13mm，所述冷却腔体的宽度为8mm。

8.根据权利要求3所述的用于电弧风洞湍流导管内表面温度测量的窗口装置，其特征在于，所述盖板的连接面设置有密封圈；

所述盖板和所述侧板上开设有第二螺纹孔，所述盖板通过第二螺纹孔与所述侧板螺栓连接。

9.根据权利要求3所述的用于电弧风洞湍流导管内表面温度测量的窗口装置，其特征在于，所述冷气喷射孔开设在所述冷却腔体的顶面，并距离所述侧板的外表面13mm；

所述冷气喷射孔的数量为5个，所述冷气喷射孔的形状为圆弧状；

所述冷气喷射孔与侧板中心线上下夹角-20°～20°，每个冷气喷射孔之间夹角为10°。

10.根据权利要求3所述的用于电弧风洞湍流导管内表面温度测量的窗口装置，其特征在于，所述冷气进气管焊接在所述盖板上，所述冷气进气管的直径为5mm。

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