本實用新型屬于高超聲速風洞設備建設領域，具體涉及一種用于大口徑高超聲速風洞設備中的空氣冷卻器。

背景技術：

高超聲速風洞在馬赫數5以上狀態運行時，為防止氣流冷凝，高壓空氣需先經加熱器加熱后再進入風洞前室。如果加熱過的高溫氣流經噴管、試驗段、擴壓器、真空管道后直接進入真空球罐，將會引起球罐內壓力迅速上升，使風洞流場建立所需要的壓比（前室總壓與真空球罐壓力之比）很快達到臨界值，將縮短風洞的有效運行時間。為消除這種影響，使加熱過的氣流在進入真空球罐前降低到某一溫度值，需在擴壓段后的真空管道與真空球罐之間研制冷卻器，以起到有效降溫作用，從而提高風洞運行時間。

冷卻器是用于把熱介質冷卻到需要溫度的一種熱交換器。工業上常用的冷卻器形式主要有沉浸式、噴淋式、套管式、管殼式四種，其中管殼式由于結構簡單、造價較低、選材范圍廣、處理能力大，還能適應高溫、高壓的要求等優點，在工業中應用最為廣泛。但因為大口徑高超聲速風洞本身的結構和運行參數特點，無論工業中哪種形式的冷卻器都不能滿足大口徑高超聲速風洞冷卻需求。必須針對大口徑高超聲速風洞研制專門的冷卻器。

為保證大口徑高超聲速風洞流場的建立，風洞氣流流經冷卻器時壓力損失要小，這就要求冷卻器要有足夠的通流面積，堵塞度不能大；風洞氣流到達冷卻器入口時溫度最高可達830K，要求冷卻器要有較好的換熱效率保證其出口溫度不高于350K；冷卻器工作時，長時間處于負壓狀態，真空下運行，最高真空度可達10Pa；風洞需冷卻的熱氣流流量最大達320kg/s，需要冷卻水流量不小于745kg/s；由于大口徑高超聲速風洞整體結構使然，冷卻器現場安裝需要高空作業，冷卻器尺度范圍長13米、寬7.3米、高6米，體積龐大，使運輸和安裝難度均顯著增大。因此，上述要求及條件制約對大口徑高超聲速風洞的冷卻器設計、制造、運輸提出了更高的要求。

技術實現要素：

本實用新型要解決的技術問題是提供一種用于大口徑高超聲速風洞的冷卻器。

本實用新型的用于大口徑高超聲速風洞的冷卻器，其特點是：包括前過渡段、管箱、底座、后過渡段、側殼體和上殼體；所述的底座上放置管箱，管箱的上表面焊接上殼體，管箱的前端與前過渡段的過渡段方形接口焊接，管箱的后端與后過渡段的方形接口焊接；管箱左側為固定水箱，管箱右側為活動水箱，側殼體覆蓋在活動水箱的外表面并與活動水箱之間留有間隙，側殼體與上殼體在對接處焊接；

管箱由結構相同的管箱模塊陣列組合而成，采用自左向右從下到上的積木式疊放方式，管箱模塊之間進行組焊；管箱Ⅰ的左側為固定水箱，固定水箱的外側開有進水口和出水口，固定水箱的內側為固定水箱管板，管箱Ⅰ的右側為活動水箱，活動水箱的外側密封，活動水箱的內側為活動水箱管板，固定水箱管板和活動水箱管板之間貫穿交錯排列的中空的翅片管，翅片管通過套管穿過支撐板獲得支撐；

底座和支撐板之間布置有滾動小車。

所述的前過渡段和后過渡段為圓過方結構，前后對稱布置；前過渡段的圓過方外表面交叉布置過渡段環式加強筋和過渡段立筋，過渡段環式加強筋與過渡段圓形接口平行，過渡段立筋位于與過渡段圓形接口垂直的平面上；過渡段方形接口上開過渡段測試孔，過渡段測試孔中安裝壓力和溫度測試排架，測量壓力和溫度參數。

所述的底座包括下層的底架和上層的殼體底板，底架由多塊H型鋼拼焊而成，殼體底板由多塊鋼板拼焊而成，殼體底板上布置有多個滾動小車。

所述的滾動小車從下到上分別為導軌、小車輪外框、小車輪、小車板，圓柱形的導軌焊接在殼體底板上，小車輪由多個并列的圓柱形的滾輪組合而成，安裝在小車輪外框中，小車輪的滾輪與導軌垂直，小車輪與導軌之間通過凹槽適配，小車輪沿導軌滑動，小車輪外框上布置小車板，小車板與支撐板通過卡槽適配。

所述的管箱模塊的固定水箱接口處進行外表面焊接。

所述的翅片管為雙金屬軋片式翅片管，基管為不銹鋼管，翅片為鋁翅片；

所述的套管由兩個半環組成，包覆在翅片管的基管上并卡緊，支撐板的表面開有過孔，套管與支撐板的過孔之間的接觸面點焊固定。

所述的管箱模塊的上面模塊和下面模塊之間通過對應的支撐板對接，在下面模塊的支撐板的接觸面兩側焊接系列接觸塊，形成與上面模塊的支撐板適配的凹槽，凹槽的內表面增大接觸面積，凹槽兩側的凸起限制上面模塊的支撐板的水平移動范圍。

所述的側殼體外表面布置人孔，側殼體與上殼體的表面焊接垂直分布的T型筋和立筋。

本實用新型的用于大口徑高超聲速風洞的冷卻器的工作過程為：

Φ2.0米量級的大口徑高超聲速風洞運行前，冷卻水首先在高壓水泵的驅動下通過冷卻器4個管箱模塊的進水口和出水口在固定水箱、翅片管和活動水箱組成的管程內形成∩型循環，然后風洞啟動，來自擴壓器上游的高溫高速氣流通過前過渡段進入冷卻器殼程，橫向掠過翅片管陣列外表面，經過充分熱交換后，得到冷卻的氣流經由后過渡段進入真空管道。當風洞運行結束后，高壓水泵停止工作，冷卻器工作過程結束。

本實用新型的用于大口徑高超聲速風洞的冷卻器具有以下優點：

1.以翅片管代替光管作為換熱管，在有限的空間里增大了換熱面積，提高了換熱效率。翅片管翅片間隙及翅片管管排間隙的總流通面積大于等于前過渡段接口面積，保證了氣流的流通面積，避免了管間隙氣流壓力損失過大。

2.前過渡段和后過渡段的圓過方結構較好地實現了擴壓器和真空管道圓形接口與冷卻器管箱與殼體方形接口的過渡連接。前過渡段由圓形接口過渡到方形接口，使來自上游擴壓器的氣流在流經冷卻器管箱之前，速度減至低速或亞音速流動，有效地減小了壓力損失。

3.冷卻器的管箱由結構相同的管箱模塊陣列組合而成，管箱模塊各自獨立，組對后形成管箱整體，采用模塊化的方式避免了由于整體尺寸過大運輸受限的問題，同時模塊化后，尺寸變小，材料板幅易于采購及機械加工。在整體組裝時，僅焊接固定水箱的外部，管板之間不進行焊接，使組裝工作簡化且方便檢修和維護；

4.管箱模塊的活動水箱設計成了可沿前后做微小移動的形式，管箱模塊的支撐板與布置于殼體底板上的滾動小車相連，滾動小車可沿導軌滾動，以實現管箱受熱膨脹后做微小移動，減小熱應力和熱變形的影響，防止了翅片管受熱膨脹脹裂焊縫的隱患；

5. 冷卻器殼程長期處于負壓狀態（500~10000Pa），屬于大型真空方形容器。在結構設計上，底座采用了H型鋼結構，前、后過渡段采用了環式加強筋和立筋組合，側殼體與上殼體采用了T型筋和立筋組合的方式進行補強，提高了剛度與強度，減小了負壓作用下殼體變形。

總之，本實用新型的用于大口徑高超聲速風洞的冷卻器采用以翅片管代替光管作為換熱管，增大了換熱面積，通過選擇合理的管排及高溫氣流與冷卻水橫向錯流的方式，提高了換熱效率；采用模塊化設計與制造方式，降低了制造難度和成本，解決了此類超高超寬大型部件運輸的難題，降低了后期檢修和維護的難度與成本；本實用新型的用于大口徑高超聲速風洞的冷卻器的結構形式和設計方法適用于大口徑高超聲速風洞冷卻器的研制，能夠滿足大口徑高超聲速風洞運行要求。此類冷卻器也可廣泛應用到工業、軍事、國防等相關領域。

附圖說明

圖1是本實用新型的用于高超聲速風洞設備中的空氣冷卻器示意圖；

圖2是本實用新型中的前過渡段示意圖；

圖3是本實用新型中的底座示意圖；

圖4是本實用新型中的滾動小車示意圖；

圖5是本實用新型中的管箱Ⅰ示意圖；

圖6是本實用新型中的套管示意圖；

圖7是本實用新型中的接觸塊示意圖；

圖8是本實用新型中的側殼體示意圖；

圖9是本實用新型中的上殼體示意圖；

圖中：1.前過渡段，2.底座，3.管箱Ⅰ，4.管箱Ⅱ，5.后過渡段，6.側殼體，7.管箱Ⅳ，8.管箱Ⅲ，9.上殼體，10.過渡段圓形接口，11. 過渡段環式加強筋，12. 過渡段立筋，13.過渡段方形接口，14.過渡段測試孔，15.底架，16.殼體底板，17.滾動小車，18.小車板，19.小車輪，20.小車輪外框，21.導軌，22.活動水箱，23.活動水箱管板，24.翅片管，25.支撐板，26.固定水箱管板，27.固定水箱，28.進水口，29.出水口，30.套管，31.接觸塊，32.側板，33.側殼體立筋，34.側殼體T型筋，35.人孔，36.頂板，37.上殼體立筋，38.上殼體T型筋。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型進行詳細的描述。

如圖1所示，用于大口徑高超聲速風洞的冷卻器包括前過渡段1、管箱、底座2、后過渡段5、側殼體6和上殼體9；所述的底座2上放置管箱，管箱的上表面焊接上殼體9，管箱的前端與前過渡段1的過渡段方形接口13焊接，管箱的后端與后過渡段5的方形接口焊接；管箱左側為固定水箱，管箱右側為活動水箱，側殼體6覆蓋在活動水箱的外表面并與活動水箱之間留有間隙，側殼體6與上殼體9在對接處焊接；

管箱由結構相同的管箱模塊陣列組合而成，采用自左向右從下到上的積木式疊放方式，管箱模塊之間進行組焊；管箱Ⅰ3的左側為固定水箱27，固定水箱的外側開有進水口28和出水口29，固定水箱的內側為固定水箱管板26，管箱Ⅰ3的右側為活動水箱22，活動水箱22的外側密封，活動水箱22的內側為活動水箱管板23，固定水箱管板26和活動水箱管板23之間貫穿交錯排列的中空的翅片管24，翅片管24通過套管30穿過支撐板25獲得支撐；

底座2和支撐板25之間布置有滾動小車17。

前過渡段1和后過渡段5為圓過方結構，前后對稱布置；前過渡段1的圓過方外表面交叉布置過渡段環式加強筋11和過渡段立筋12，過渡段環式加強筋11與過渡段圓形接口10平行，過渡段立筋12位于與過渡段圓形接口10垂直的平面上；過渡段方形接口13上開過渡段測試孔14，過渡段測試孔14中安裝壓力和溫度測試排架，測量壓力和溫度參數。

底座2包括下層的底架15和上層的殼體底板16，底架15由多塊H型鋼拼焊而成，殼體底板16由多塊鋼板拼焊而成，殼體底板16上布置有多個滾動小車17。

滾動小車17從下到上分別為導軌21、小車輪外框20、小車輪19、小車板18，圓柱形的導軌21焊接在殼體底板16上，小車輪19由多個并列的圓柱形的滾輪組合而成，安裝在小車輪外框20中，小車輪19的滾輪與導軌21垂直，小車輪19與導軌21之間通過凹槽適配，小車輪19沿導軌21滑動，小車輪外框20上布置小車板18，小車板18與支撐板25通過卡槽適配。

管箱模塊的固定水箱接口處進行外表面焊接。

翅片管24為雙金屬軋片式翅片管，基管為不銹鋼管，翅片為鋁翅片；

套管30由兩個半環組成，包覆在翅片管24的基管上并卡緊，支撐板25的表面開有過孔，套管30與支撐板25的過孔之間的接觸面點焊固定。

管箱模塊的上面模塊和下面模塊之間通過對應的支撐板對接，在下面模塊的支撐板的接觸面兩側焊接系列接觸塊31，形成與上面模塊的支撐板適配的凹槽，凹槽的內表面增大接觸面積，凹槽兩側的凸起限制上面模塊的支撐板的水平移動范圍。

側殼體6外表面布置人孔35，側殼體6與上殼體9的表面焊接垂直分布的T型筋和立筋。

前過渡段1和后過渡段5為圓過方結構，前后對稱布置，過渡段圓形接口10直徑為Φ3600mm，過渡段方形接口13出口面積為5200mm×5200mm，圓過方擴散半角為20°，板材厚度為25mm，材料為Q345R。前過渡段1和后過渡段5的圓過方外表面設置過渡段環式加強筋11和過渡段立筋12，以保證前后過渡段圓過方結構的強度及變形符合要求，過渡段測試孔14安裝壓力和溫度測試排架用于測量壓力和溫度參數。

底座2采用H型鋼的結構，外形尺寸長×寬×高為8709mm×6646mm×250mm。由于尺寸較大，為便于制作和運輸，將底架15分為四塊拼焊，殼體底板16分為兩塊拼焊，殼體底板16置于底架15之上，提供了底座的劃線平面和安裝平臺，同時也保證了焊接完成時殼體底板16的平面度。滾動小車通過導軌焊接于殼體底板上，可使管箱受熱膨脹后做微小移動。

管箱Ⅰ3、管箱Ⅱ4、管箱Ⅲ8、管箱Ⅳ7為四個單獨的模塊，管箱Ⅰ3和管箱Ⅱ4外形尺寸相同長×寬×高為3355mm×6678mm×2594mm，管箱Ⅲ8、和管箱Ⅳ7外形尺寸相同長寬×高為3355mm×6678mm×2606mm。組對后形成管箱整體，模塊化的方式避免了由于整體尺寸過大（長×寬×高6710mm×6678mm×5200mm）運輸受限的問題，同時模塊化后，尺寸變小，材料板幅易于采購及機械加工。在整體組裝時，僅焊接固定水箱的外部，管板之間不進行焊接，使組裝工作簡化且方便檢修和維護。

翅片管24為長度5200mm的鋼-鋁雙金屬軋片式翅片管，基管為Φ25mm×2.5mm的不銹鋼管，翅片為高度16mm、厚度0.4mm的鋁翅片、翅片數量433片/m。翅片管布置采用讓氣流橫向掠過的形式，每個管箱模塊布置翅片管580根按29列，每列20根分布，為提高換熱效率，列與列之間交錯排布。

固定水箱27與活動水箱22距離為5200mm，用作換熱管的翅片管24會因自身5200mm長度及重力和受熱影響發生變形，且在高速氣流的作用下易發生振動，縮短設備的使用壽命。為此，設置表面開有過孔的支撐板25，并將支撐板25與翅片管24焊接固定，起到支撐翅片管24、減小振動的作用。由于翅片管24的翅片為鋁材，且翅片之間留有間隙，翅片不能與支撐板25直接焊接，采用了增加套管30的方法，首先將兩個半環組成的套管30安裝在翅片管上，套管30通過螺栓與翅片管卡緊，在螺栓擰緊后，將螺栓與套管30焊接為一體，套管30與支撐板25的過孔之間的接觸面點焊固定。套管30的作用如下：①翅片管24運輸時作為工裝，起到保護作用；②翅片管24穿管時由套管30跟支撐板25結合，增大了翅片管24與支撐板25的接觸面積，減小了支撐板25和翅片管24之間的振動和剪切；③套管30與支撐板25焊接起到固定翅片管24的作用，并在受熱時帶動支撐板25和活動水箱22與翅片管24整體運動。

管箱Ⅰ3、管箱Ⅱ4、管箱Ⅲ8、管箱Ⅳ7組焊時，管箱Ⅲ8和管箱Ⅰ3的支撐板上下對接，管箱Ⅳ7和管箱Ⅱ4的支撐板上下對接。對接的支撐板之間通過直接相對上下接觸。由于翅片管受熱膨脹會產生一定位移，支撐板會隨著翅片管一起移動，如果處在上方的支撐板懸空，支撐板的重力會對翅片管造成剪切損傷，降低使用壽命，為避免此類情況出現，在接觸處添加了接觸塊31，增大了上下支撐板之間的接觸面積、并方便了支撐板的組裝。

側殼體6與上殼體9分別與管箱焊接。側殼體6外表面布置人孔35，方便維修人員進入檢修，側殼體6與上殼體9采用了T型筋和立筋組合的方式進行補強，提高了剛度與強度，減小了負壓作用下殼體變形。

本實用新型不局限于上述具體實施方式，所屬技術領域的技術人員從上述構思出發，不經過創造性的勞動，所作出的種種變換，均落在本實用新型的保護范圍之內。