本發(fā)明涉及一種飛行器防熱地面試驗技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種低速冷卻水熱防護裝置。

背景技術(shù)：

在燃氣高溫燃氣流風(fēng)洞中，擴壓器是重要組成部分，用于對燃氣進行減速增壓，將試驗艙內(nèi)的高速低壓燃氣擴壓至抽氣系統(tǒng)需要的壓力條件，保證燃氣的順利排出。擴壓器由收斂段、第二喉道和擴張段組成，離試驗件最近的收斂段承受的最大熱流在2MW/m2左右，其長時間的熱防護是一大難關(guān)，具體有兩個方面：一是熱流密度大，這要求熱防護的換熱形式具有較高的換熱系數(shù)，同時對擴壓器的材料選擇提出了很高的要求；二是防熱時間長，這要求冷卻工質(zhì)充足。

傳統(tǒng)的冷卻方式是采用夾套水冷的方法，夾套內(nèi)高壓高速冷卻水以強制對流換熱的方式實現(xiàn)對擴壓器的熱防護。這樣的方法難以高效地解決擴壓器高熱流、長時間熱防護的難題。具體有以下兩個難點：一是結(jié)構(gòu)設(shè)計難度大，由于冷卻水高壓高流速的特點，對擴壓器的強度提出了很高的要求，因此通常選擇強度更好的不銹鋼，但是不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)較小，是碳鋼的1/3左右，這就需要將擴壓器的內(nèi)壁做得很薄，以降低導(dǎo)熱熱阻；二是冷卻水需求量大，熱防護的時間長(1000s以上)，擴壓器需要防護的面積大，水的流速快，這些特點決定了冷卻水的需求量很大，增大了試驗設(shè)備的建設(shè)成本。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種低速冷卻水熱防護裝置，解決了高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)風(fēng)洞中擴壓器長時間防熱問題，可實現(xiàn)在較低流速、較小壓力下對兆瓦級熱環(huán)境下擴壓器的防護，降低了結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度和對冷卻水量的需求，保證了燃氣流風(fēng)洞的正常運行。

本發(fā)明的上述目的是通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的：

一種低速冷卻水熱防護裝置，包括集水腔、進水口、出水口和水冷通道；其中，集水腔為中空筒狀結(jié)構(gòu)；集水腔外壁的一端固定安裝有進水口，集水腔外壁的另一端固定安裝有出水口；集水腔的外壁與內(nèi)壁之間，沿集水腔軸向設(shè)置有多條相鄰的水冷通道，水冷通道實現(xiàn)將進水口與出水口冷卻水的通道連接。

在上述的一種低速冷卻水熱防護裝置，所述水冷通道包括蓋板、連接板、隔板和內(nèi)套；其中內(nèi)套包裹在集水腔的內(nèi)壁外表面；蓋板固定安裝在集水腔的外壁內(nèi)表面；多個蓋板緊密排列覆蓋集水腔的外壁內(nèi)表面；相鄰蓋板之間設(shè)置有連接板，連接板與內(nèi)套之間集水腔徑向設(shè)置有隔板。

在上述的一種低速冷卻水熱防護裝置，所述隔板為矩形結(jié)構(gòu)，高h為10-18mm；厚度為5-7mm，材料為碳鋼。

在上述的一種低速冷卻水熱防護裝置，所述蓋板為矩形結(jié)構(gòu)，集水腔的外壁內(nèi)表面共設(shè)置有n塊蓋板，n為不小于90的正整數(shù)；蓋板厚度為9-11mm；蓋板的材料為碳鋼。

在上述的一種低速冷卻水熱防護裝置，所述蓋板長度L＝2πR/n，其中R為集水腔外壁半徑，水腔外壁半徑R為900-3000mm。

在上述的一種低速冷卻水熱防護裝置，所述水冷通道中冷卻水的流速v為2-3m/s，其中q為冷卻水流量，通過外部閥門控制。

在上述的一種低速冷卻水熱防護裝置，所述內(nèi)套沿外表面向內(nèi)部設(shè)置有多個蒸汽孔，蒸汽孔直徑為0.9-1.1mm；開口為0.2mm，相鄰蒸汽孔間距為0.1-0.35mm。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明通過控制夾套水冷通道內(nèi)冷卻水的流速和流量，使水冷通道內(nèi)壁面處的換熱方式穩(wěn)定在過冷沸騰換熱區(qū)域，在較低的供應(yīng)壓力和較小的流速下，進行較大熱流條件下的熱防護，本發(fā)明實現(xiàn)了水流速2m/s的情況下對2WM/m²熱流狀態(tài)的熱防護；

(2)本發(fā)明通過調(diào)節(jié)冷卻水壓力來控制冷卻水側(cè)壁面(冷壁)溫度，進而通過調(diào)整水冷通道的壁厚來實現(xiàn)對燃氣側(cè)壁面(熱壁)溫度的控制；

(3)本發(fā)明通過合理設(shè)計水冷通道的幾何尺寸，配合水泵調(diào)節(jié)和管路設(shè)計實現(xiàn)對冷卻水的流量和流速的控制，并有效降低沿程壓力損失。

附圖說明

圖1為本發(fā)明擴壓器防熱結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明搭接焊接示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述：

本發(fā)明采用過冷沸騰設(shè)計方法，實現(xiàn)在較低流速、較小壓力下對兆瓦級熱環(huán)境下擴壓器的長時間的熱防護，確保高溫?zé)崛細饬黠L(fēng)洞的正常運行。

兆瓦級熱流條件下擴壓器長時間熱防護方法的結(jié)構(gòu)組成包括集水腔1、進水口2、出水口3和水冷通道4；首先根據(jù)實際的熱流條件計算所需的冷卻水流量，然后計算出擴壓器不同部段夾套內(nèi)水的流速，再通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)冷卻水流速來達到需要的流量，使水冷通道內(nèi)壁面處的換熱方式穩(wěn)定在過冷沸騰換熱區(qū)域。通過水泵調(diào)節(jié)、管路設(shè)計和調(diào)節(jié)閥的配合，實現(xiàn)對擴壓器不同部段的水流量分配。在設(shè)計壓力下，計算冷卻水側(cè)壁面冷壁溫度，進而通過設(shè)計不同厚度的水冷通道壁面厚度來控制燃氣側(cè)壁面熱壁的溫度，實現(xiàn)對熱壁溫度的控制。

如圖1所示為擴壓器防熱結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可知，一種低速冷卻水熱防護裝置，包括集水腔1、進水口2、出水口3和水冷通道4；其中，集水腔1為中空筒狀結(jié)構(gòu)；集水腔1外壁的一端固定安裝有進水口2，集水腔1外壁的另一端固定安裝有出水口3；集水腔1的外壁與內(nèi)壁之間，沿集水腔1軸向設(shè)置有多條相鄰的水冷通道4，水冷通道4實現(xiàn)將進水口2與出水口3冷卻水的通道連接。

所述水冷通道4包括蓋板5、連接板6、隔板7和內(nèi)套8；其中內(nèi)套8包裹在集水腔1的內(nèi)壁外表面；蓋板5固定安裝在集水腔1的外壁內(nèi)表面；多個蓋板緊密排列覆蓋集水腔1的外壁內(nèi)表面；相鄰蓋板5之間設(shè)置有連接板6，連接板6與內(nèi)套8之間集水腔1徑向設(shè)置有隔板7。

其中，隔板為矩形結(jié)構(gòu)，高h為10-18mm；厚度為5-7mm，材料為碳鋼；蓋板5為矩形結(jié)構(gòu)，集水腔1的外壁內(nèi)表面共設(shè)置有n塊蓋板5，n為不小于90的正整數(shù)；蓋板5厚度為9-11mm；蓋板5的材料為碳鋼；蓋板5長度L＝2πR/n，其中R為集水腔1外壁半徑，水腔1外壁半徑R為900-3000mm。

如圖2所示為搭接焊接示意圖，由圖可知，內(nèi)套8沿外表面向內(nèi)部設(shè)置有多個蒸汽孔9，蒸汽孔9直徑為0.9-1.1mm；開口為0.2mm，相鄰蒸汽孔9間距為0.1-0.35mm。

水冷通道4中冷卻水的流速v為2-3m/s，其中q為冷卻水流量，通過外部閥門控制。

冷卻水通道內(nèi)的換熱類型一般包括對流換熱、過冷沸騰、核態(tài)沸騰、膜態(tài)沸騰、過熱蒸汽換熱等類型。由于擴壓器熱環(huán)境較高，達到了兆瓦量級，而同時通過冷卻水流量控制可保證水主流溫度低于飽和溫度，因此冷卻水與壁面的換熱類型一般為過冷沸騰換熱，只有在冷卻水入口很短的一段內(nèi)是對流換熱。過冷沸騰的過程為冷卻水主流尚未達到飽和溫度，管壁附近的液體被壁面加熱產(chǎn)生小氣泡，小氣泡逐漸擴大并被帶到液體的主流中去，對流換熱系數(shù)急劇增加。在擴壓器的防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通過控制水冷通道內(nèi)冷卻水的流量，使冷卻水主流溫度低于飽和溫度，在水冷通道內(nèi)壁面形成過冷沸騰換熱，提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，從而達到強化換熱的目的。

本項目關(guān)鍵技術(shù)包括：

1、過冷沸騰夾套水冷防熱技術(shù)

通過控制夾套水冷通道內(nèi)冷卻水的流速和流量，使水冷通道內(nèi)壁面處的換熱方式穩(wěn)定在過冷沸騰換熱區(qū)域，在較低的供應(yīng)壓力和較小的流速下，進行較大熱流條件下的熱防護，本發(fā)明實現(xiàn)了水流速2m/s的情況下對2MW/m2熱流狀態(tài)的熱防護。

2、熱壁溫度控制技術(shù)

通過調(diào)節(jié)冷卻水壓力來控制冷卻水側(cè)壁面(冷壁)溫度，進而通過調(diào)整水冷通道的壁厚來實現(xiàn)對燃氣側(cè)壁面(熱壁)溫度的控制。

3、流量分配技術(shù)

通過合理設(shè)計水冷通道的幾何尺寸，配合水泵調(diào)節(jié)和管路設(shè)計實現(xiàn)對冷卻水的流量和流速的控制，并有效降低沿程壓力損失。

效果

過冷沸騰夾套水冷防熱方法應(yīng)用于國家重點建設(shè)項目高溫燃氣流超聲速熱結(jié)構(gòu)風(fēng)洞擴壓器設(shè)計中，實現(xiàn)了擴壓器在兆瓦級熱流環(huán)境下長時間穩(wěn)定工作，降低了擴壓器的設(shè)計難度和對能源的需求，確保風(fēng)洞的正常運行。

高溫燃氣流超聲速熱結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗系統(tǒng)是為國家新一代戰(zhàn)略武器型號提供防熱系統(tǒng)地面熱結(jié)構(gòu)試驗保障條件的重要系統(tǒng)，主要承擔(dān)武器型號熱防護系統(tǒng)的試驗考核任務(wù)，開展部段結(jié)構(gòu)整體和局部1：1熱結(jié)構(gòu)及熱密封試驗考核，滿足新一代戰(zhàn)略武器型號防隔熱方案、熱結(jié)構(gòu)和熱密封研究需求，為未來武器型號的研制提供重要支撐和保障。

本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。