一种用于大口径高超声速风洞的冷却器的制作方法

本实用新型属于高超声速风洞设备建设领域，具体涉及一种用于大口径高超声速风洞设备中的空气冷却器。

背景技术：

高超声速风洞在马赫数5以上状态运行时，为防止气流冷凝，高压空气需先经加热器加热后再进入风洞前室。如果加热过的高温气流经喷管、试验段、扩压器、真空管道后直接进入真空球罐，将会引起球罐内压力迅速上升，使风洞流场建立所需要的压比（前室总压与真空球罐压力之比）很快达到临界值，将缩短风洞的有效运行时间。为消除这种影响，使加热过的气流在进入真空球罐前降低到某一温度值，需在扩压段后的真空管道与真空球罐之间研制冷却器，以起到有效降温作用，从而提高风洞运行时间。

冷却器是用于把热介质冷却到需要温度的一种热交换器。工业上常用的冷却器形式主要有沉浸式、喷淋式、套管式、管壳式四种，其中管壳式由于结构简单、造价较低、选材范围广、处理能力大，还能适应高温、高压的要求等优点，在工业中应用最为广泛。但因为大口径高超声速风洞本身的结构和运行参数特点，无论工业中哪种形式的冷却器都不能满足大口径高超声速风洞冷却需求。必须针对大口径高超声速风洞研制专门的冷却器。

为保证大口径高超声速风洞流场的建立，风洞气流流经冷却器时压力损失要小，这就要求冷却器要有足够的通流面积，堵塞度不能大；风洞气流到达冷却器入口时温度最高可达830K，要求冷却器要有较好的换热效率保证其出口温度不高于350K；冷却器工作时，长时间处于负压状态，真空下运行，最高真空度可达10Pa；风洞需冷却的热气流流量最大达320kg/s，需要冷却水流量不小于745kg/s；由于大口径高超声速风洞整体结构使然，冷却器现场安装需要高空作业，冷却器尺度范围长13米、宽7.3米、高6米，体积庞大，使运输和安装难度均显著增大。因此，上述要求及条件制约对大口径高超声速风洞的冷却器设计、制造、运输提出了更高的要求。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种用于大口径高超声速风洞的冷却器。

本实用新型的用于大口径高超声速风洞的冷却器，其特点是：包括前过渡段、管箱、底座、后过渡段、侧壳体和上壳体；所述的底座上放置管箱，管箱的上表面焊接上壳体，管箱的前端与前过渡段的过渡段方形接口焊接，管箱的后端与后过渡段的方形接口焊接；管箱左侧为固定水箱，管箱右侧为活动水箱，侧壳体覆盖在活动水箱的外表面并与活动水箱之间留有间隙，侧壳体与上壳体在对接处焊接；

管箱由结构相同的管箱模块阵列组合而成，采用自左向右从下到上的积木式叠放方式，管箱模块之间进行组焊；管箱Ⅰ的左侧为固定水箱，固定水箱的外侧开有进水口和出水口，固定水箱的内侧为固定水箱管板，管箱Ⅰ的右侧为活动水箱，活动水箱的外侧密封，活动水箱的内侧为活动水箱管板，固定水箱管板和活动水箱管板之间贯穿交错排列的中空的翅片管，翅片管通过套管穿过支撑板获得支撑；

底座和支撑板之间布置有滚动小车。

所述的前过渡段和后过渡段为圆过方结构，前后对称布置；前过渡段的圆过方外表面交叉布置过渡段环式加强筋和过渡段立筋，过渡段环式加强筋与过渡段圆形接口平行，过渡段立筋位于与过渡段圆形接口垂直的平面上；过渡段方形接口上开过渡段测试孔，过渡段测试孔中安装压力和温度测试排架，测量压力和温度参数。

所述的底座包括下层的底架和上层的壳体底板，底架由多块H型钢拼焊而成，壳体底板由多块钢板拼焊而成，壳体底板上布置有多个滚动小车。

所述的滚动小车从下到上分别为导轨、小车轮外框、小车轮、小车板，圆柱形的导轨焊接在壳体底板上，小车轮由多个并列的圆柱形的滚轮组合而成，安装在小车轮外框中，小车轮的滚轮与导轨垂直，小车轮与导轨之间通过凹槽适配，小车轮沿导轨滑动，小车轮外框上布置小车板，小车板与支撑板通过卡槽适配。

所述的管箱模块的固定水箱接口处进行外表面焊接。

所述的翅片管为双金属轧片式翅片管，基管为不锈钢管，翅片为铝翅片；

所述的套管由两个半环组成，包覆在翅片管的基管上并卡紧，支撑板的表面开有过孔，套管与支撑板的过孔之间的接触面点焊固定。

所述的管箱模块的上面模块和下面模块之间通过对应的支撑板对接，在下面模块的支撑板的接触面两侧焊接系列接触块，形成与上面模块的支撑板适配的凹槽，凹槽的内表面增大接触面积，凹槽两侧的凸起限制上面模块的支撑板的水平移动范围。

所述的侧壳体外表面布置人孔，侧壳体与上壳体的表面焊接垂直分布的T型筋和立筋。

本实用新型的用于大口径高超声速风洞的冷却器的工作过程为：

Φ2.0米量级的大口径高超声速风洞运行前，冷却水首先在高压水泵的驱动下通过冷却器4个管箱模块的进水口和出水口在固定水箱、翅片管和活动水箱组成的管程内形成∩型循环，然后风洞启动，来自扩压器上游的高温高速气流通过前过渡段进入冷却器壳程，横向掠过翅片管阵列外表面，经过充分热交换后，得到冷却的气流经由后过渡段进入真空管道。当风洞运行结束后，高压水泵停止工作，冷却器工作过程结束。

本实用新型的用于大口径高超声速风洞的冷却器具有以下优点：

1.以翅片管代替光管作为换热管，在有限的空间里增大了换热面积，提高了换热效率。翅片管翅片间隙及翅片管管排间隙的总流通面积大于等于前过渡段接口面积，保证了气流的流通面积，避免了管间隙气流压力损失过大。

2.前过渡段和后过渡段的圆过方结构较好地实现了扩压器和真空管道圆形接口与冷却器管箱与壳体方形接口的过渡连接。前过渡段由圆形接口过渡到方形接口，使来自上游扩压器的气流在流经冷却器管箱之前，速度减至低速或亚音速流动，有效地减小了压力损失。

3.冷却器的管箱由结构相同的管箱模块阵列组合而成，管箱模块各自独立，组对后形成管箱整体，采用模块化的方式避免了由于整体尺寸过大运输受限的问题，同时模块化后，尺寸变小，材料板幅易于采购及机械加工。在整体组装时，仅焊接固定水箱的外部，管板之间不进行焊接，使组装工作简化且方便检修和维护；

4.管箱模块的活动水箱设计成了可沿前后做微小移动的形式，管箱模块的支撑板与布置于壳体底板上的滚动小车相连，滚动小车可沿导轨滚动，以实现管箱受热膨胀后做微小移动，减小热应力和热变形的影响，防止了翅片管受热膨胀胀裂焊缝的隐患；

5. 冷却器壳程长期处于负压状态（500~10000Pa），属于大型真空方形容器。在结构设计上，底座采用了H型钢结构，前、后过渡段采用了环式加强筋和立筋组合，侧壳体与上壳体采用了T型筋和立筋组合的方式进行补强，提高了刚度与强度，减小了负压作用下壳体变形。

总之，本实用新型的用于大口径高超声速风洞的冷却器采用以翅片管代替光管作为换热管，增大了换热面积，通过选择合理的管排及高温气流与冷却水横向错流的方式，提高了换热效率；采用模块化设计与制造方式，降低了制造难度和成本，解决了此类超高超宽大型部件运输的难题，降低了后期检修和维护的难度与成本；本实用新型的用于大口径高超声速风洞的冷却器的结构形式和设计方法适用于大口径高超声速风洞冷却器的研制，能够满足大口径高超声速风洞运行要求。此类冷却器也可广泛应用到工业、军事、国防等相关领域。

附图说明

图1是本实用新型的用于高超声速风洞设备中的空气冷却器示意图；

图2是本实用新型中的前过渡段示意图；

图3是本实用新型中的底座示意图；

图4是本实用新型中的滚动小车示意图；

图5是本实用新型中的管箱Ⅰ示意图；

图6是本实用新型中的套管示意图；

图7是本实用新型中的接触块示意图；

图8是本实用新型中的侧壳体示意图；

图9是本实用新型中的上壳体示意图；

图中：1.前过渡段，2.底座，3.管箱Ⅰ，4.管箱Ⅱ，5.后过渡段，6.侧壳体，7.管箱Ⅳ，8.管箱Ⅲ，9.上壳体，10.过渡段圆形接口，11. 过渡段环式加强筋，12. 过渡段立筋，13.过渡段方形接口，14.过渡段测试孔，15.底架，16.壳体底板，17.滚动小车，18.小车板，19.小车轮，20.小车轮外框，21.导轨，22.活动水箱，23.活动水箱管板，24.翅片管，25.支撑板，26.固定水箱管板，27.固定水箱，28.进水口，29.出水口，30.套管，31.接触块，32.侧板，33.侧壳体立筋，34.侧壳体T型筋，35.人孔，36.顶板，37.上壳体立筋，38.上壳体T型筋。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细的描述。

如图1所示，用于大口径高超声速风洞的冷却器包括前过渡段1、管箱、底座2、后过渡段5、侧壳体6和上壳体9；所述的底座2上放置管箱，管箱的上表面焊接上壳体9，管箱的前端与前过渡段1的过渡段方形接口13焊接，管箱的后端与后过渡段5的方形接口焊接；管箱左侧为固定水箱，管箱右侧为活动水箱，侧壳体6覆盖在活动水箱的外表面并与活动水箱之间留有间隙，侧壳体6与上壳体9在对接处焊接；

管箱由结构相同的管箱模块阵列组合而成，采用自左向右从下到上的积木式叠放方式，管箱模块之间进行组焊；管箱Ⅰ3的左侧为固定水箱27，固定水箱的外侧开有进水口28和出水口29，固定水箱的内侧为固定水箱管板26，管箱Ⅰ3的右侧为活动水箱22，活动水箱22的外侧密封，活动水箱22的内侧为活动水箱管板23，固定水箱管板26和活动水箱管板23之间贯穿交错排列的中空的翅片管24，翅片管24通过套管30穿过支撑板25获得支撑；

底座2和支撑板25之间布置有滚动小车17。

前过渡段1和后过渡段5为圆过方结构，前后对称布置；前过渡段1的圆过方外表面交叉布置过渡段环式加强筋11和过渡段立筋12，过渡段环式加强筋11与过渡段圆形接口10平行，过渡段立筋12位于与过渡段圆形接口10垂直的平面上；过渡段方形接口13上开过渡段测试孔14，过渡段测试孔14中安装压力和温度测试排架，测量压力和温度参数。

底座2包括下层的底架15和上层的壳体底板16，底架15由多块H型钢拼焊而成，壳体底板16由多块钢板拼焊而成，壳体底板16上布置有多个滚动小车17。

滚动小车17从下到上分别为导轨21、小车轮外框20、小车轮19、小车板18，圆柱形的导轨21焊接在壳体底板16上，小车轮19由多个并列的圆柱形的滚轮组合而成，安装在小车轮外框20中，小车轮19的滚轮与导轨21垂直，小车轮19与导轨21之间通过凹槽适配，小车轮19沿导轨21滑动，小车轮外框20上布置小车板18，小车板18与支撑板25通过卡槽适配。

管箱模块的固定水箱接口处进行外表面焊接。

翅片管24为双金属轧片式翅片管，基管为不锈钢管，翅片为铝翅片；

套管30由两个半环组成，包覆在翅片管24的基管上并卡紧，支撑板25的表面开有过孔，套管30与支撑板25的过孔之间的接触面点焊固定。

管箱模块的上面模块和下面模块之间通过对应的支撑板对接，在下面模块的支撑板的接触面两侧焊接系列接触块31，形成与上面模块的支撑板适配的凹槽，凹槽的内表面增大接触面积，凹槽两侧的凸起限制上面模块的支撑板的水平移动范围。

侧壳体6外表面布置人孔35，侧壳体6与上壳体9的表面焊接垂直分布的T型筋和立筋。

前过渡段1和后过渡段5为圆过方结构，前后对称布置，过渡段圆形接口10直径为Φ3600mm，过渡段方形接口13出口面积为5200mm×5200mm，圆过方扩散半角为20°，板材厚度为25mm，材料为Q345R。前过渡段1和后过渡段5的圆过方外表面设置过渡段环式加强筋11和过渡段立筋12，以保证前后过渡段圆过方结构的强度及变形符合要求，过渡段测试孔14安装压力和温度测试排架用于测量压力和温度参数。

底座2采用H型钢的结构，外形尺寸长×宽×高为8709mm×6646mm×250mm。由于尺寸较大，为便于制作和运输，将底架15分为四块拼焊，壳体底板16分为两块拼焊，壳体底板16置于底架15之上，提供了底座的划线平面和安装平台，同时也保证了焊接完成时壳体底板16的平面度。滚动小车通过导轨焊接于壳体底板上，可使管箱受热膨胀后做微小移动。

管箱Ⅰ3、管箱Ⅱ4、管箱Ⅲ8、管箱Ⅳ7为四个单独的模块，管箱Ⅰ3和管箱Ⅱ4外形尺寸相同长×宽×高为3355mm×6678mm×2594mm，管箱Ⅲ8、和管箱Ⅳ7外形尺寸相同长宽×高为3355mm×6678mm×2606mm。组对后形成管箱整体，模块化的方式避免了由于整体尺寸过大（长×宽×高6710mm×6678mm×5200mm）运输受限的问题，同时模块化后，尺寸变小，材料板幅易于采购及机械加工。在整体组装时，仅焊接固定水箱的外部，管板之间不进行焊接，使组装工作简化且方便检修和维护。

翅片管24为长度5200mm的钢-铝双金属轧片式翅片管，基管为Φ25mm×2.5mm的不锈钢管，翅片为高度16mm、厚度0.4mm的铝翅片、翅片数量433片/m。翅片管布置采用让气流横向掠过的形式，每个管箱模块布置翅片管580根按29列，每列20根分布，为提高换热效率，列与列之间交错排布。

固定水箱27与活动水箱22距离为5200mm，用作换热管的翅片管24会因自身5200mm长度及重力和受热影响发生变形，且在高速气流的作用下易发生振动，缩短设备的使用寿命。为此，设置表面开有过孔的支撑板25，并将支撑板25与翅片管24焊接固定，起到支撑翅片管24、减小振动的作用。由于翅片管24的翅片为铝材，且翅片之间留有间隙，翅片不能与支撑板25直接焊接，采用了增加套管30的方法，首先将两个半环组成的套管30安装在翅片管上，套管30通过螺栓与翅片管卡紧，在螺栓拧紧后，将螺栓与套管30焊接为一体，套管30与支撑板25的过孔之间的接触面点焊固定。套管30的作用如下：①翅片管24运输时作为工装，起到保护作用；②翅片管24穿管时由套管30跟支撑板25结合，增大了翅片管24与支撑板25的接触面积，减小了支撑板25和翅片管24之间的振动和剪切；③套管30与支撑板25焊接起到固定翅片管24的作用，并在受热时带动支撑板25和活动水箱22与翅片管24整体运动。

管箱Ⅰ3、管箱Ⅱ4、管箱Ⅲ8、管箱Ⅳ7组焊时，管箱Ⅲ8和管箱Ⅰ3的支撑板上下对接，管箱Ⅳ7和管箱Ⅱ4的支撑板上下对接。对接的支撑板之间通过直接相对上下接触。由于翅片管受热膨胀会产生一定位移，支撑板会随着翅片管一起移动，如果处在上方的支撑板悬空，支撑板的重力会对翅片管造成剪切损伤，降低使用寿命，为避免此类情况出现，在接触处添加了接触块31，增大了上下支撑板之间的接触面积、并方便了支撑板的组装。

侧壳体6与上壳体9分别与管箱焊接。侧壳体6外表面布置人孔35，方便维修人员进入检修，侧壳体6与上壳体9采用了T型筋和立筋组合的方式进行补强，提高了刚度与强度，减小了负压作用下壳体变形。

本实用新型不局限于上述具体实施方式，所属技术领域的技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本实用新型的保护范围之内。