一种用于燃气流风洞的高温喷管的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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系统的重要组件。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；
[0003] 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15Mff/m2,喉道处为最大热流点，热流高达30Mff/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。
[0004] 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】
[0005] 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。
[0006] 本发明目的通过如下技术方案予以实现：
[0007] 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；
[0008] 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；
[0009] 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RSSRn, Ri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彡0.5vy '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);
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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T。、燃烧室总压P。，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：
[0015] 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Rx:
[0017] 其中R。为喷管入口半径。
[0018] 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。
[0019] 优选的，法兰之间采用缠绕式石墨垫片密封。
[0020] 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。
[0021] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0022] (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。
[0023] (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。
[0024] (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】
[0025] 图1为本发明的燃气流试验台结构示意图；
[0026] 图2为本发明不同口径喷管型面设计示意图；
[0027] 图3为本发明的喷管结构示意图；
[0028] 图4为本发明的喷管型线示意图。
【具体实施方式】
[0029] 1、喷管的设计
[0030] 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。
[0031] 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多SRn, Ri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彡0.5 V A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。
[0032] 2)喷管喉道半径R*确定
[0033] 根据燃烧室流量Q、总温T。、总压P。，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*。
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