CN112857732A - 一种快速关闭激波风洞喉道的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速关闭激波风洞喉道的方法，将被驱动段与喷管通过快速阀段连接起来；在弹簧的作用下，活塞块保持在快速阀段的最左端；试验开始后，被驱动段膜片破裂，并在被驱动段下游管段、快速阀段以及喷管入口形成较稳定的高温高压试验气体；左侧腔体内部压力升高，在活塞块左端面形成向右的作用力；由于向右的承压面积比向左的承压面积大，驱动阀杆和阀芯向右加速运动，阀芯与喷管的喉道距离逐渐接近，直至关闭；启动风洞放空流程，喷管的喉道重新打开。本发明可以避免有效试验气体流出的高压驱动气体冲刷位于喷管出口的试验模型和测试传感器，还可以防止可能发生的被驱动段膜片掉瓣损伤喷管喉道和试验模型。

Description

一种快速关闭激波风洞喉道的方法

技术领域

本发明涉及高超声速试验设备领域，具体来说，涉及一种快速关闭激波风洞喉道的方法。

背景技术

激波风洞是利用激波压缩试验气体，在通过定常膨胀方法产生高超声速试验气流的脉冲型风洞。激波风洞通常由依次驱动段、被驱动段、喷管、试验段等部段组成。其中驱动段与被驱动段、被驱动段与喷管之间分别用膜片隔开，驱动段充入高压驱动气体，被驱动段充入较低压力的试验气体，喷管和试验段内抽成真空模拟空中环境，试验模型位于喷管出口的试验段内。

当驱动段膜片瞬时破裂后，由于驱动段和被驱动段之间存在巨大压差，驱动段的高压驱动气体会推动被驱动段的低压试验气体，并在被驱动段内产生一道往下游传播的入射激波使初始试验气体压力、温度和速度跃升，被驱动段与喷管之间的膜片(二道膜)破裂；入射激波在喷管入口处产生反射激波，再次压缩试验气体，使试验气体的压力、温度再次跃升，而速度基本滞止。试验气体经过入射激波与反射激波两道激波压缩后，在喷管入口产生气流长度很短的高温、高压滞止试验气体。高温高压试验气体经过喷管膨胀加速，在喷管出口处获得高马赫数试验气流。

被驱动段内初始试验气体经过激波反复压缩后，一般压力会有数十倍甚至数百倍的巨大跃升，因此，在喷管入口产生高温、高压滞止试验气体的长度很短，其后都是膨胀过来的驱动气体。对激波风洞而言，只有高温、高压滞止试验气体才是试验所需的有效气体。常规激波风洞在试验气体流完后，其后更多的高压驱动气体也将通过喷管加速吹到试验模型上，且压力更高、持续时间更长，严重缩短试验模型上的测试传感器寿命。

此外，激波风洞驱动段膜片在瞬间开裂以及打开后受到往复震荡气流压力作用下，容易发生掉渣甚至掉瓣，膜片残渣将随着驱动气体一起向下游高速运动，极易造成喉道和试验模型损伤。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种快速关闭激波风洞喉道的方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种快速关闭激波风洞喉道的方法，包括以下步骤：

S1、试验前准备，首先将弹簧安装在活塞筒内，再将活塞块安装在活塞筒内，使活塞块一端的阀杆滑动贯穿于活塞筒的一端，选择一个节流喉块安装在导流块的一端，并通过导流块将活塞筒的一端进行封堵；然后将活塞筒通过支撑辐板、调整条I和调整条II安装在快速阀段的内部，最后将被驱动段与喷管通过快速阀段连接起来；完成准备后，在弹簧的作用下，阀杆一端的活塞块保持在快速阀段的最左端；

S2、试验开始后，被驱动段膜片破裂，并在被驱动段下游管段、快速阀段以及喷管入口形成较稳定的高温高压试验气体；

S3、高温高压试验气体依次通过导流块中间通孔、节流喉块进入活塞筒的左侧腔体内，左侧腔体内部压力升高，在活塞块左端面形成向右的作用力；同时，阀芯压迫阀杆产生向左的作用力；

S4、由于向右的承压面积比向左的承压面积大，随着时间的推进，阀杆上向右的作用力将逐渐克服向左的总作用力，并驱动阀杆和阀芯向右加速运动，阀芯与喷管喉道的距离逐渐接近；

S5、当有效实验气体流完后，阀芯与喷管的喉道将完全接触压紧，其后的驱动气体将被封闭在激波管内；

S6、启动风洞放空流程，激波管内需要流走的驱动气体逐步放空，激波管压力逐渐降低，在活塞筒右侧腔体内的压缩气体和弹簧的作用力下，阀杆带动阀芯向左移动，直至恢复到初始状态，喷管的喉道重新打开，激波管内残余的低压驱动气体通过喷管的喉道快速进入试验段，以上过程实现了激波风洞喉道的快速关闭和重新打开。

进一步地，所述S4中向左的总作用力包括有右侧腔体内部的气压作用力、弹簧的弹力以及阀芯的推力。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的一种快速关闭激波风洞喉道的方法，主要用于反射型激波风洞有效试验气体流完后快速关闭喉道入口，既可以避免有效试验气体流出的高压驱动气体冲刷位于喷管出口的试验模型和测试传感器，还可以防止可能发生的被驱动段膜片掉瓣损伤喷管喉道和试验模型。

2、本发明提供的一种快速关闭激波风洞喉道的方法，由于试验气体被激波管反复压缩后，该区域压力急剧升高数十倍，驱动阀杆、阀芯向右运动的力非常大，且运动部件只有阀杆、阀芯，运动部件质量轻，加速迅速，可以实现毫秒级的快速关闭。

3、本发明提供的一种快速关闭激波风洞喉道的方法，在实施时，可以通过选择不同流量系数的节流喉块控制活塞块左端压力变化历程，调节阀杆、阀芯的加速过程，以适应于不同的喉道关闭时间要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是根据本发明实施例的快速阀段的内部结构示意图；

图2是根据本发明实施例的图1中的A部放大结构示意图。

图中：

1、被驱动段；2、快速阀段；3、喷管；4、导流块；5、节流喉块；6、活塞筒；7、支撑辐板；8、阀杆；9、阀芯；10、被驱动段膜片；11、调整条I；12、调整条II；13、密封件I；14、密封件II；15、弹簧；16、活塞块；a、左侧腔体；b、右侧腔体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

根据本发明的实施例，

请参阅图1-2，一种快速关闭激波风洞喉道的方法，包括以下步骤：

S1、试验前准备，首先将弹簧15安装在活塞筒6内，再将活塞块16安装在活塞筒6内，使活塞块16一端的阀杆8滑动贯穿于活塞筒6的一端，选择一个节流喉块5安装在导流块4的一端，并通过导流块4将活塞筒6的一端进行封堵；然后将活塞筒6通过支撑辐板7、调整条I11和调整条II 12安装在快速阀段2的内部，最后将被驱动段1与喷管3通过快速阀段2连接起来；完成准备后，在弹簧15的作用下，阀杆8一端的活塞块16保持在快速阀段2的最左端；

S2、试验开始后，被驱动段膜片10破裂，并在被驱动段1下游管段、快速阀段2以及喷管3入口形成较稳定的高温高压试验气体；

S3、高温高压试验气体依次通过导流块4中间通孔、节流喉块5进入活塞筒6的左侧腔体a内，左侧腔体a内部压力升高，在活塞块16左端面形成向右的作用力；同时，阀芯9压迫阀杆8产生向左的作用力；

S4、由于向右的承压面积比向左的承压面积大，随着时间的推进，阀杆8上向右的作用力将逐渐克服向左的总作用力，并驱动阀杆8和阀芯9向右加速运动，阀芯9与喷管3喉道的距离逐渐接近；

S5、当有效实验气体流完后，阀芯9与喷管3的喉道将完全接触压紧，其后的驱动气体将被封闭在激波管内；

S6、启动风洞放空流程，激波管内需要流走的驱动气体逐步放空，激波管压力逐渐降低，在活塞筒6右侧腔体b内的压缩气体和弹簧15的作用力下，阀杆8带动阀芯9向左移动，直至恢复到初始状态，喷管3的喉道重新打开，激波管内残余的低压驱动气体通过喷管3的喉道快速进入试验段，以上过程实现了激波风洞喉道的快速关闭和重新打开。

在实施时，所述S4中向左的总作用力包括有右侧腔体b内部的气压作用力、弹簧15的弹力以及阀芯9的推力。

具体的，所述快速阀段2的内壁上开设有若干倒梯形沟槽，每一倒梯形沟槽内均滑动安装有支撑辐板7，所述活塞筒6的外壁上开设有直沟槽，所述支撑辐板7的另一侧滑动安装在直沟槽内。所述滑孔的内部安装有密封件I 13，所述活塞块16的侧面安装有密封件II14。

具体的，被驱动段1为激波管的下游管段，内部为圆柱形腔体，试验时腔体内充入初始低压试验气体，试验开始后，在下游管段形成高温高压试验气体，下游末端通过夹膜机构与快速阀段2、喷管3固定连接；快速阀段2内部为圆柱形腔体，内径与被驱动段1一致，内壁轴线方向开有沿圆周均布的贯穿沟槽，沟槽横截面为倒梯形，用于安装支撑辐板7、调整条I11、调整条II 11，沟槽数量与支撑辐板7相同；喷管3是气体定常膨胀加速的部段，为轴对称型收缩扩张喷管结构，喷管3喉道位于入口附近；导流块4为轴对称结构，与活塞筒6同轴，通过螺纹固定在活塞筒6的左端，外形为圆锥形，中间开有通孔，通孔右端设置有内螺纹，与节流喉块5外螺纹进行螺纹连接；节流喉块5为轴对称结构，内部加工收缩扩张型孔，用于调节进气流量；活塞筒6总体为圆筒形，与快速阀段2同轴，外壁轴线方向开有沿圆周均布的非贯穿沟槽，用于安装支撑辐板7，沟槽数量与支撑辐板7相同，左端加工有内螺纹，与导流块4的外螺纹进行螺纹连接；支撑辐板7为矩形平板结构，固定安装在导流块4、快速阀段2的对应沟槽内，用于支撑导流块4使其与快速阀段2同轴，数量≥3，沿圆周均布。

其他的，活塞块16上设置有密封沟槽，用于安装密封件II 14，使活塞块16与活塞筒6之间滑动密封，阀杆8***活塞筒6右端开设的滑孔内，与滑孔通过密封件I13滑动密封，阀杆8右端加工有内螺纹，与阀芯9的外螺纹进行螺纹连接；阀芯9与阀杆8同轴，为钝头短柄结构，左端的短柄加工有外螺纹，与阀芯9右端内螺纹进行螺纹连接，右端为钝球头结构，用于封堵喷管3的喉道，钝球头的钝头底部直径应大于喷管3的喉道；被驱动段膜片10为平板型***片结构，安装在快速阀段2与喷管3之间，用于试验前分割填充试验气体区域和真空区域。调整条I11为长条杆结构，杆截面为倒梯形，安装在快速阀段2沟槽右端，用于限制支撑辐板7向右移动；调整条II 12安装在快速阀段2沟槽的左端，用于限制支撑辐板7向左移动；弹簧15为圆柱压缩弹簧，安装在阀杆8与活塞筒6组成的封闭腔内(右侧腔体b)，使阀杆8初始状态始终位于活塞筒6的最左端，喉道处于打开状态。

工作原理：阀杆8和阀芯9的运动主要由阀杆8左侧压力、阀芯9周围压力、阀杆8与活塞筒6封闭腔体之间压力、阀杆8与活塞筒6之间弹簧力、摩擦力合力共同驱动。其中，阀杆8与活塞筒6封闭腔体之间压力、阀杆8与活塞筒6之间弹簧力、摩擦力相对较小，仅能抵抗初始试验压力使喉道处于打开状态；当试验气体被激波管反复压缩后，喉道前端一端区域的压力将急剧升高，由于阀杆8存在承压面积差，阀杆8及阀芯9必然向右加速运动关闭喉道。因此，关闭喉道是必然的。且由于试验气体被激波管反复压缩后，该区域压力急剧升高数十倍，驱动阀杆8、阀芯9向右运动的力非常大，且运动部件只有阀杆8、阀芯9，运动部件质量轻，加速迅速，可以实现毫秒级的快速关闭。

综上所述，本发明提供的一种快速关闭激波风洞喉道的方法，主要用于反射型激波风洞有效试验气体流完后快速关闭喉道入口，既可以避免有效试验气体流出的高压驱动气体冲刷位于喷管出口的试验模型和测试传感器，还可以防止可能发生的被驱动段膜片10掉瓣损伤喷管3喉道和试验模型。在实施时，可以通过调整弹簧15的刚度和压缩量，以适应于不同初始压力的试验气体；可以通过调整不同流量系数的节流喉块5控制活塞块左端压力变化历程，调节阀杆8、阀芯9的加速过程，以适应于不同的喉道关闭时间要求；还可以通过调整调整条I11和调整条II 12调整阀杆8、阀芯9与喉道的初始距离，使用十分方便。因此，本发明的快速关闭激波风洞喉道的方法具有快速、可靠、灵活、适应性强的优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种快速关闭激波风洞喉道的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、试验前准备，首先将弹簧(15)安装在活塞筒(6)内，再将活塞块(16)安装在活塞筒(6)内，使活塞块(16)一端的阀杆(8)滑动贯穿于活塞筒(6)的一端，选择一个节流喉块(5)安装在导流块(4)的一端，并通过导流块(4)将活塞筒(6)的一端进行封堵；然后将活塞筒(6)通过支撑辐板(7)、调整条I(11)和调整条II(12)安装在快速阀段(2)的内部，最后将被驱动段(1)与喷管(3)通过快速阀段(2)连接起来；完成准备后，在弹簧(15)的作用下，阀杆(8)一端的活塞块(16)保持在快速阀段(2)的最左端；

S2、试验开始后，被驱动段膜片(10)破裂，并在被驱动段(1)下游管段、快速阀段(2)以及喷管(3)入口形成较稳定的高温高压试验气体；

S3、高温高压试验气体依次通过导流块(4)中间通孔、节流喉块(5)进入活塞筒(6)的左侧腔体(a)内，左侧腔体(a)内部压力升高，在活塞块(16)左端面形成向右的作用力；同时，阀芯(9)压迫阀杆(8)产生向左的作用力；

S4、由于向右的承压面积比向左的承压面积大，随着时间的推进，阀杆(8)上向右的作用力将逐渐克服向左的总作用力，并驱动阀杆(8)和阀芯(9)向右加速运动，阀芯(9)与喷管(3)喉道的距离逐渐接近；

S5、当有效实验气体流完后，阀芯(9)与喷管(3)的喉道将完全接触压紧，其后的驱动气体将被封闭在激波管内；

S6、启动风洞放空流程，激波管内需要流走的驱动气体逐步放空，激波管压力逐渐降低，在活塞筒(6)右侧腔体(b)内的压缩气体和弹簧(15)的作用力下，阀杆(8)带动阀芯(9)向左移动，直至恢复到初始状态，喷管(3)的喉道重新打开，激波管内残余的低压驱动气体通过喷管(3)的喉道快速进入试验段，以上过程实现了激波风洞喉道的快速关闭和重新打开。

2.根据权利要求1所述的一种快速关闭激波风洞喉道的方法，其特征自在于，所述S4中向左的总作用力包括有右侧腔体(b)内部的气压作用力、弹簧(15)的弹力以及阀芯(9)的推力。

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