一種變截面重活塞壓縮器的製作方法

2024-04-02 15:57:05

本發明涉及一種變截面重活塞壓縮器，屬於風洞試驗領域。

背景技術：

使用重活塞壓縮器的激波管風洞(以下簡稱自由活塞激波風洞)主要用以獲取高焓試驗氣流，模擬高超聲速(或者超高聲速)飛行環境，為高超聲速飛行器的氣動/防熱設計提供技術支持。簡單而言，重活塞壓縮器是一種特殊的加熱加壓裝置，其原理是，利用高壓空氣推動重活塞運動，並通過重活塞對壓縮管中的驅動氣體實施快速的等熵壓縮。驅動氣體一般採用氦氣/氬氣的等輕質氣體，具有較高比熱比，因此經過壓縮，可以獲得很高的溫度和壓力。活塞壓縮器是自由活塞激波風洞的核心部件之一，活塞壓縮器的性能決定了自由活塞激波風洞的驅動能力。

在自由活塞激波風洞中，傳統的重活塞壓縮器一般採用等截面設計，壓縮管末端和較細的激波管直接相連，主膜片緊靠壓縮管末端。等截面設計的重活塞壓縮器意味著活塞具有更長的減速距離，便於活塞實現軟著陸；另一方面，等截面設計的重活塞壓縮器有助於風洞形成更強的入射激波。但是在實際運行中，採用等截面重活塞壓縮器的自由活塞激波風洞入射激波在行進過程中衰減十分嚴重，這不僅降低了風洞焓值，也影響了風洞噴管貯室壓力的平穩性。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供種變截面重活塞壓縮器，為激波管風洞運行提供穩定的高溫高壓的驅動氣體。

本發明目的通過如下技術方案予以實現：

提供一種變截面重活塞壓縮器，包括高壓空氣室，重活塞，壓縮管，夾膜機構；

所述高壓空氣室用於驅動重活塞；

壓縮管包括壓縮管粗段和壓縮管細段，二者的直徑比在2.0～3.5範圍內；

重活塞在高壓空氣室的驅動下在壓縮管粗段內運動；

夾膜機構將膜片夾持在壓縮管細段內部。

優選的，壓縮管粗段和壓縮管細段的內部連接端設置緩衝部件，對活塞在運行末段進行減速。

優選的，壓縮管粗段和壓縮管細段的連接端外部設置活塞緩衝機構，通過根據活塞質量和壓縮管質量匹配慣性質量。

優選的，壓縮管粗段與壓縮管細段之間的容積比例根據重活塞壓縮器的設計壓縮比，為重活塞壓縮器的設計壓縮比的1.2到2.0倍。

優選的，重活塞壓縮器的設計壓縮比為25-60之間。

優選的，活塞頭部具有柔性套頭，與緩衝部件配合，保證吸收活塞剩餘的動能(活塞在壓縮管粗段末端位置速度不大於20m/s)。

優選的，忽略壓縮管粗段和壓縮管細段之間過渡連接段的容積，壓縮管的設計滿足如下約束：

其中L表示壓縮管粗段長度，l表示壓縮管細段長度，λ為設計壓縮比，D為壓縮管粗段直徑，d為壓縮管細段直徑。

本發明與現有技術相比具有如下優點：

(1)本發明採用變截面結構的活塞壓縮管可以有效緩解反射稀疏波引起的激波衰減，使得風洞焓值和噴管貯室壓力的平穩性將獲得較大的提升，風洞有效試驗時間得以延長。

(2)本發明優選了粗段和細段的直徑比例及長度比例，有利於活塞壓縮器獲得平穩的驅動狀態，並實現活塞的軟著陸。

(3)本發明根據活塞質量和壓縮管質量匹配慣性質量，減少了設備相對位移，根據相對位移的容忍範圍合理選擇慣性質量的大小。

附圖說明

圖1為本發明是變截面重活塞壓縮器的結構示意圖。

具體實施方式

自由活塞激波風洞所採用等截面設計的重活塞壓縮器構型，加劇了反射膨脹波的影響，是導致激波衰減的更為主要因素(相比邊界層黏性)。產生這一結果的原因是，在經歷重活塞壓縮後，活塞停止的位置和和主膜片的位置過於接近，以致反射膨脹波過早地追趕上接觸面並與之發生相互作用，使得激波速度衰減嚴重。在很多情況下，等截面設計的重活塞壓縮器帶來的入射激波強度的增益，仍不足以消除這種衰減，因此傳統的自由活塞激波風洞的設計構型需要修改。

變截面重活塞壓縮器包含高壓空氣室1(含活塞發射機構)，重活塞2，壓縮管粗段3，活塞緩衝機構4(含慣性質量)，壓縮管細段5，夾膜機構6等幾個主要部分。重活塞2的質量與截面積之比大於500kg/m2.壓縮管粗段與細段直徑比值在2.0-3.5範圍內，二者的直徑比需要結合活塞軟著陸要求，以及模擬流場尺寸與品質的要求共同加以確定，根據經驗，直徑比滿足比較適宜。壓縮管細段後連激波管的直徑無特別要求。壓縮管粗段與細段之間的長度比例根據重活塞壓縮器設計壓縮比(輸入量，該值一般在25-60之間)進行選擇，壓縮管粗段與細段容積之比一般大於實際運行的壓縮比，在1.2到2.0之間，以滿足活塞充分減速的需求。

與傳統的重活塞壓縮器相比，該壓縮器的壓縮管採用變截面結構(前段為粗段，後段為細段)，重活塞僅在壓縮管粗段運動。重活塞壓縮器通過其細段末端的夾膜機構變更主膜片位置獲得不同壓縮比。

激波管風洞氣動要求和設備空間限制是進行變截面重活塞壓縮器設計的應當充分考慮的兩個先決條件。另外，在具體實施過程中，為了保證變截面重活塞壓縮器高效安全地運行，還需要注意如下幾個細節。

(1)壓縮管粗段與細段直徑比值在2.0-3.5範圍內為宜。壓縮管細段和激波管的直徑彼此接近。壓縮管粗段與細段之間的長度比例根據重活塞壓縮器設計壓縮比(輸入量，該值一般在25-60之間)進行選擇，壓縮管粗段與細段容積之比大於實際運行的壓縮比。這樣冗餘處理將增加活塞的減速距離。忽略壓縮管粗段(3)和壓縮管細段(5)之間過渡連接段的容積，壓縮管的設計滿足如下約束：

這裡L表示壓縮管粗段長度，l表示壓縮管細段長度，λ為設計壓縮比，D為壓縮管粗段直徑，d為壓縮管細段直徑。

(2)為了實現活塞在壓縮管粗段末端有效的減速，儘可能達到「軟著陸」要求，除了採用必要的氣動減速以外，還將綜合採用如下兩種不同措施來實現對活塞的控制。其一，增加活塞密封圈和壓縮管壁面之間的摩擦力。活塞密封圈採用尼拉特隆(nylatron，經過填充的醯胺纖維化合物)或其他更為堅硬的纖維材料。密封圈的工作依賴於活塞前的驅動氣體，其內部壓力始終和驅動氣體壓力保持一致，在此壓力的作用下，緊貼壓縮管內壁的尼拉特龍內襯將發生彎曲，從而實現密封效果。活塞受到的摩擦阻力隨著驅動氣體壓力的增加而增加。通過選擇與活塞質量相匹配的初始運行壓力(活塞前臉和後臉)，即可從理論上實現活塞的軟著陸。這種辦法同時也能有效防止活塞兩側氣體的洩漏。其二，壓縮管粗段末端安裝緩衝器和活塞頭部使用柔性套頭，可以吸收活塞剩餘的動能(活塞末端速度不大於20m/s)。過驅動(over-driven)和亞驅動(under-driven)都有可能導致活塞的剩餘速度，只要活塞速度低於這個值，整個設備都將是安全的。

(3)變截面重活塞壓縮器，需要雙膜夾膜結構的配合，通過變更膜片位置，調整壓縮管細段的長度，以便獲得不同的壓縮比。另外需要說明的是，為了抵消部分潛在損耗，獲得更接近設計要求的激波速度，實際運行中的活塞質量將比理論值稍大。

實施例

某風洞為例，對此型活塞壓縮器略假說明。該變截面活塞壓縮器的主膜片第一第二夾持位置分別位於壓縮管細段下遊1.1m和1.5m處。當啟用第一位置時，按照粗段截面積折算，收縮連接段的等效長度約為0.035m，壓縮管細段的等效長度約為0.135m，這樣最大壓縮比為(11.5+0.035+0.135)/0.135≈86.44，當啟用第二位置時，可以獲得的最大壓縮比為(11.5+0.035+0.184)/0.184≈63.70。這樣冗餘處理將增加膜片打開以後活塞的減速距離。該變截面活塞壓縮器具體參數見表1。

表1

以上所述，僅為本發明最佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員的公知技術。