如何控制天文设备冷却管路的微振动？不锈钢水暖波纹管减振技术

大型天文观测设备对运行环境要求极为苛刻, 特别是温度稳定性及微振动控制方面。冷却水循环系统, 作为维持镜面与探测器恒温的关键构成部分, 管路安装方式, 对观测精度产生影响。不锈钢水暖波纹管因其特有的结构特质, 在大型天文设备冷却水循环减振安装中应用广泛。

为什么冷却水循环管路需要减振？

对天文观测设备里的精密光学元件, 对振动是极为敏感。冷却水泵在运行时, 其产生出来的机械振动, 还有水流冲击所引发的管路抖动, 这些都会借助固体传声及结构振动这样的形式, 进而传递至镜室或探测器基座那里。哪怕仅仅是微米级的振幅, 这也极有可能致使星像变得模糊下去, 或让干涉条纹发生漂移。传统的刚性金属管路, 虽密封方面可靠, 但却欠缺柔性缓冲的能力, 振动会沿着管壁直接进行传递, 如此一来就很难去满足纳弧度量级的稳定性要求了。

不锈钢水暖波纹管的结构优势

不锈钢水暖波纹管, 是由薄壁不锈钢管体, 通过液压或滚压工艺, 加工制作成环形波纹状的, 其管壁呈现出周期性波浪形。这种几何结构, 赋予了管道两个核心特性, 其一, 是轴向与径向的柔性补偿能力, 其二, 是对高频振动衰减作用。波纹的弹性变形, 可以吸收管路热胀冷缩位移。能打断振动沿着管壁连续传播路径, 让高频振动能量, 在波纹间被逐步耗散。

在冷却循环中的具体安装方式

大型天文设备中, 冷却水循环系统分成主循环泵组、精密温控换热器, 及镜面冷却夹套或探测器冷板这三个主要环节。不锈钢水暖波纹管主要安装在以下这些关键位置:

1. 泵组出口跟主管路间, 水泵乃是最大振动源, 在泵组出口串联一段波纹管，能够有效隔离泵体振动朝着后方管路传递, 安装期间波纹管要维持自然状态, 防止强行扭曲或拉伸, 不然会影响减振效果。

2. 换热器跟精密设备间, 温控换热器内部水流方向变换极为频繁, 极易引发水锤效应。在换热器出口处连接波纹管, 它既能把瞬间压力冲击吸纳掉, 提供温差管路伸缩补偿。

3. 对冷却夹套的进出口短接段, 镜室或探测器冷板所处位置十分紧凑, 致使刚性管路难以实现精确对位。不锈钢波纹管具备可弯曲特性, 这一特性允许在有限空间内完成连接, 并且能够避免因安装应力传递至光学基座。

选型与安装注意事项

天文设备中的波纹管, 和普通民用产品是不一样, 在选型时, 需要去关注下面这几个要点:

材质等级, 建议选用316L不锈钢或更高等级不锈钢, 以确保长期接触去离子水或乙二醇冷却液时, 不会出现点蚀现象, 也不会有离子析出情况。如果有金属离子析出, 那么这些析出的金属离子有可能会沉积在光学镜面的表面上, 进而造成反射率受到影响。

波纹深度及波距是决定管道柔度与耐压能力关键参数。冷却循环系统宜选用波纹较浅、波距适中的规格, 以兼顾柔性补偿与承压安全。

处在两端的连接形式, 优先选用法兰或卡箍连接, 防止因焊接而出现的热影响区致使波纹管局部力学性能产生改变, 法兰连接便于后期检修。

对固定与支撑, 波纹管自身没办法当作有承重功能支撑器件。在安装时, 在波纹管的两端设置专门独立固定支架, 保证整个管道由该支架承重, 波纹管起到柔性补偿还有减振方面作用。杜绝扭转安装。安装时绝不可通过旋转波纹管体强行对孔, 否则将会明显降低波纹管的疲劳寿命, 并削弱减振效果。

实际应用效果

某型大口径光学红外望远镜改造项目中, 技术人员在冷却水泵出口与主供水管间, 装一段DN80不锈钢波纹管, 并且在镜室冷却夹套入口时, 额外设置了柔性连接段。改造后实测数据表明, 镜室基座的振动加速度幅值, 降低约60%, 冷却水流量波动所引发的镜面位移误差, 减小到原系统三分之一以下。这个方案在不改变原来温控逻辑下, 明显提高了成像稳定性。