一种用于高超声速风洞的纯净空气蓄热式加热器

1.本发明涉及高超声速地面试验领域，具体为一种用于高超声速风洞的纯净空气蓄热式加热器。


背景技术：

2.超燃冲压发动机地面试验需要模拟真实高空、高速飞行状态，因此需要试验设施能够提供与之匹配的高温、高压试验气流。而总温的模拟在其中显得尤为的关键和重要，也是整个试验中极为困难的一环。现有的地面试验设备常用的加热方式，包括燃烧加热、激波加热、电弧加热以及蓄热加热等技术。
3.蓄热加热式的地面试验设施，可以通过燃烧预热或者电加热的方式，提升蓄热体的温度至高温，将热量储存在蓄热体中。相比之下，蓄热加热式地面试验设施在整个加热工作过程中，依靠蓄热体与空气来流之间的热量交换获得试验所需的高焓气流，能够获得相对纯净的高焓试验气流。
4.现有的蓄热式加热器大多基于燃烧预热或者电阻加热的方式加热蓄热体，从而实现蓄热。考虑到燃烧加热依然会在加热器(燃烧室)内部产生反应物，因此该类蓄热方式获得的高焓空气纯净程度有待进一步的提升。而电阻加热方式由于加热效率低，存在加热时间长，用电功率大的缺点，且在蓄热体内部容易产生温度梯度，获得的温度场均匀程度有待于改善。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于高超声速风洞的纯净空气蓄热式加热器，以解决现有技术中蓄热式加热器中燃烧预热所获得的高焓空气纯净程度低，电阻加热的加热效率低，存在加热时间长，用电功率大的缺点，且在蓄热体内部容易产生温度梯度，获得的温度场均匀程度低的技术问题。
6.本发明是通过以下技术方案来实现：
7.一种用于高超声速风洞的纯净空气蓄热式加热器，包括若干接线柱、入口端盖、外壳、绝热层单元、导线、内壳体、蓄热体、若干加热棒、止动片和出口端盖；所述内壳体和外壳均呈圆筒结构，内壳体套设在外壳内，所述绝热层单元装配在内壳体的外壁与外壳的内壁之间，所述导线设置在绝热层单元内，所述入口端盖和出口端盖分别盖设在外壳两端，且入口端盖上设有若干接线柱安装孔、热电偶连接孔和空气入口；若干接线柱通过若干接线柱安装孔伸入至外壳内与导线连接，所述出口端盖上设有空气出口；所述蓄热体呈圆柱形，水平装配在内壳体内，所述蓄热体上设有若干加热通道和空气通道，若干加热棒对应装配在若干加热通道内，若干空气通道的一端与入口端盖的空气入口连通，另一端与出口端盖的空气出口连通，所述止动片装配在蓄热体与出口端盖之间，止动片上设有若干轴向空气通孔，若干轴向空气通孔与蓄热体的若干空气通道连通，且止动片的空余处均封盖在若干加热通道上。
8.优选的，蓄热体上所设置的若干加热通道和空气通道均以蓄热体的中心作为圆心，且若干加热通道和空气通道排列为圆环结构沿着蓄热体的径向方向交错分布。
9.优选的，加热棒为细长型圆柱状磁性金属，加热棒在加热通道内抵接在止动片的空余处设置。
10.优选的，止动片的结构为圆柱状薄片，若干轴向空气通孔以止动片的中心作为圆心，且若干轴向空气通孔排列为若干圆环结构沿着止动片的径向方向分布，其中轴向空气通孔与蓄热体的空气通道的孔径大小对应。
11.优选的，内壳体靠近入口端盖的一侧两端设有纵向凸起，形成半封闭结构，所述蓄热体的一端在内壳体内抵接在内壳体的纵向凸起位置处轴向定位，所述内壳体靠近出口端盖的一侧盖设有蓄热体端盖；所述蓄热体的另一端经止动片抵接在蓄热体端盖上定位，所述蓄热体端盖的结构为台阶圆柱结构，其中蓄热体端盖的小径外表面与内壳体内表面接触。
12.进一步的，内壳体的两端分别设有隔离块，所述隔离块呈台阶圆柱结构，其中靠近入口端盖的一侧的隔离块的小径表面与内壳体的纵向凸起面接触，隔离块的大径表面与外壳的内表面接触，且靠近入口端盖的一侧的隔离块上设有通孔，用于接线柱的伸入；所述靠近出口端盖的一侧的隔离块，小径表面与蓄热体端盖的外表面接触，隔离块的大径表面与外壳的内表面接触。
13.优选的，绝热层单元包括外绝热层和内绝热层，所述内绝热层铺设在内壳体的外表面，所述导线缠绕设置在内绝热层上，所述外绝热层铺设在内绝热层上，并将导线包裹在内绝热层上。
14.优选的，接线柱安装孔在入口端盖上由外至内呈锥面设置，所述接线柱的一端与外部电源连接，另一端通过接线柱安装孔与导线连接；其中，接线柱与接线柱安装孔之间设有接线柱密封圈。
15.进一步的，接线柱包括出口接线段、螺纹段、锥面段、圆柱段和接线段，其中出口接线段与外部电源连接，接线段与导线连接；螺纹段、锥面段、圆柱段与接线柱安装孔的锥面对应设置。
16.进一步的，入口端盖的空气入口、蓄热体的若干空气通道、止动片的若干轴向空气通孔以及出口端盖的空气出口均水平设置。
17.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
18.本发明提供了一种用于高超声速风洞的纯净空气蓄热式加热器，内壳体内设有蓄热体，蓄热体上设有若干加热通道和空气通道，其中若干加热棒对应装配在若干加热通道内，且止动片的空余处均封盖在若干加热通道上，使得蓄热体在加热过程中温度分布均匀，在减小蓄热体内部热应力的同时，增加了加热气体的温度均匀性，若干空气通道的一端与入口端盖的空气入口连通，另一端与出口端盖的空气出口连通，若干加热通道和空气通道均为独立通道，利用蓄热体对高温金属进行了封闭，加热过程中减小了气流与高温金属之间的接触，延长了加热器的使用寿命。通过接线柱伸入至壳体内与导线接触，采用了感应加热的方式，提升了加热器的工作效率，能够有效减小试验准备时间，提高了试验的效率。
19.进一步的，蓄热体上所设置的若干加热通道和空气通道均以蓄热体的中心作为圆心，且若干加热通道和空气通道排列为圆环结构沿着蓄热体的径向方向交错分布，使得若
干加热通道和空气通道能够形成独立通道，加热过程中减小了气流与高温金属之间的接触，延长了加热器的使用寿命。
20.进一步的，加热棒为细长型圆柱状磁性金属，加热棒在加热通道内抵接在止动片的空余处设置，减小了空气和加热棒的接触，降低了加热棒的氧化，因此提升了加热器的使用寿命。
21.进一步的，止动片的结构为圆柱状薄片，若干轴向空气通孔以止动片的中心作为圆心，且若干轴向空气通孔排列为若干圆环结构沿着止动片的径向方向分布，其中轴向空气通孔与蓄热体的空气通道的孔径大小对应，便于加热器内的空气流通，使空气流通换热。
22.进一步的，内壳体靠近入口端盖的一侧两端设有纵向凸起，形成半封闭结构，蓄热体的一端在内壳体内抵接在内壳体的纵向凸起位置处轴向定位，内壳体靠近出口端盖的一侧盖设有蓄热体端盖，便于对蓄热体、加热棒、止动片进行轴向定位，提高了加热器内部设备的稳定性。
23.更进一步的，内壳体的两端分别设有隔离块，防止加热过程中入口端盖和出口端盖距离蓄热体过近，导致端盖温度过高，提高了对入口端盖和出口端盖的保护性。
24.进一步的，绝热层单元包括外绝热层和内绝热层，内绝热层铺设在内壳体的外表面，所述导线缠绕设置在内绝热层上，所述外绝热层铺设在内绝热层上，并将导线包裹在内绝热层上，以便防止加热过程中的热量外泄，同时提高了对导线的保护性。
25.进一步的，接线柱安装孔在入口端盖上由外至内呈锥面设置，所述接线柱的一端与外部电源连接，另一端通过接线柱安装孔与导线连接，其中接线柱包括出口接线段、螺纹段、锥面段、圆柱段和接线段，其中出口接线段与外部电源连接，接线段与导线连接；螺纹段、锥面段、圆柱段与接线柱安装孔的锥面对应设置，提高了入口端盖对壳体的密封性。
附图说明
26.图1为本发明纯净空气蓄热式加热器的总体结构示意图；
27.图2为本发明的局部放大示意图；
28.图3为本发明的接线柱组装局部放大视图；
29.图4为本发明的入口端盖结构示意图；
30.图5为本发明的入口端盖结构侧面示意图；
31.图6为本发明的内壳体结构示意图；
32.图7为本发明的蓄热体端面示意图；
33.图8为本发明的入口隔离块结构示意图；
34.图9为本发明的入口隔离块侧面结构示意图；
35.图10为本发明的止动片结构示意图；
36.图中：1-接线柱；2-入口端盖；3-隔离块；4-外壳；5-外绝热层；6-导线；7-内绝热层；8-内壳体；9-蓄热体；10-加热棒；11-止动片；12-蓄热体端盖；13-出口端盖；14-接线柱密封圈；15-空气出口21-热电偶连接孔；22-接线柱连接孔；23-空气入口；31-接线柱通孔。
具体实施方式
37.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的
附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
38.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
39.本发明的目的在于提供一种用于高超声速风洞的纯净空气蓄热式加热器，以解决现有技术中蓄热式加热器中燃烧预热所获得的高焓空气纯净程度低，电阻加热的加热效率低，存在加热时间长，用电功率大的缺点，且在蓄热体内部容易产生温度梯度，获得的温度场均匀程度低的技术问题。
40.具体的，根据图1所示，该纯净空气蓄热式加热器包括若干接线柱1、入口端盖2、外壳4、绝热层单元、导线6、内壳体8、蓄热体9、若干加热棒10、止动片11和出口端盖13；所述内壳体8和外壳4均呈圆筒结构，内壳体8套设在外壳4内，所述绝热层单元装配在内壳体8的外壁与外壳4的内壁之间，所述导线6设置在绝热层单元内，所述入口端盖2和出口端盖13分别盖设在外壳4两端，且入口端盖2上设有若干接线柱安装孔22、热电偶连接孔21和空气入口23；若干接线柱1通过若干接线柱安装孔22伸入至外壳4内与导线6连接，所述出口端盖13上设有空气出口15；所述蓄热体9呈圆柱形，水平装配在内壳体8内，所述蓄热体9上设有若干加热通道和空气通道，若干加热棒10对应装配在若干加热通道内，若干空气通道的一端与入口端盖2的空气入口23连通，另一端与出口端盖13的空气出口15连通，所述止动片11装配在蓄热体9与出口端盖13之间，止动片11上设有若干轴向空气通孔，若干轴向空气通孔与蓄热体9的若干空气通道连通，且止动片11的空余处均封盖在若干加热通道上。
41.具体的，根据图7所示，蓄热体9上所设置的若干加热通道和空气通道均以蓄热体9的中心作为圆心，且若干加热通道和空气通道排列为圆环结构沿着蓄热体9的径向方向交错分布。
42.其中蓄热体9从中心至边缘处分布有n级圆环结构的加热通道和空气通道，其中每级加热通道和空气通道交错分布；蓄热体9的每一级圆环结构的分度圆均以蓄热体中心作为圆心，且相邻分度圆之间的距离为第2级通孔分度圆半径。蓄热体9相邻两级通孔数量之差为第2级通孔数量。蓄热体9采用高纯度氧化铝作为材料。
43.具体的，加热棒10为细长型圆柱状磁性金属，可以用于感应加热；加热棒10在加热通道内抵接在止动片11的空余处设置。
44.具体的，根据图10所示，止动片11的结构为圆柱状薄片，若干轴向空气通孔以止动片11的中心作为圆心，且若干轴向空气通孔排列为若干圆环结构沿着止动片11的径向方向分布，其中止动片11的圆环结构的数量为n/2级；每一级轴向空气通孔与蓄热体9的空气通道的分度圆相等，且直径相同，止动片11的材料为高纯度氧化铝。
45.具体的，根据图2和图6所示，内壳体8靠近入口端盖2的一侧两端设有纵向凸起，形成半封闭结构，所述蓄热体9的一端在内壳体8内抵接在内壳体8的纵向凸起位置处轴向定位，所述内壳体8靠近出口端盖13的一侧盖设有蓄热体端盖12；所述蓄热体9的另一端经止动片11抵接在蓄热体端盖12上定位，所述蓄热体端盖12的结构为台阶圆柱结构，其中蓄热体端盖12的小径外表面与内壳体8内表面接触。其中，内壳体8采用耐高温金属，提升加热器的承压能力。
46.其中，内壳体8的两端分别设有隔离块3，所述隔离块3呈台阶圆柱结构，其中靠近入口端盖2的一侧的隔离块3的小径表面与内壳体8的纵向凸起面接触，隔离块3的大径表面与外壳4的内表面接触，且靠近入口端盖2的一侧的隔离块3上设有通孔，用于接线柱1的伸入；所述靠近出口端盖13的一侧的隔离块3，小径表面与蓄热体端盖12的外表面接触，隔离块3的大径表面与外壳4的内表面接触，设置隔离块3有效的防止加热过程中入口端盖2和出口端盖13距离蓄热体9过近，导致端盖温度过高，对入口端盖2和出口端盖13造成损坏。
47.具体的，根据图2所示，绝热层单元包括外绝热层5和内绝热层7，所述内绝热层7铺设在内壳体8的外表面，所述导线6缠绕设置在内绝热层7上，所述外绝热层5铺设在内绝热层7上，并将导线6包裹在内绝热层7上。
48.具体的，根据图4和图5所示，入口端盖2具有台阶状，直径最小处与外壳体内径相等，安装于外壳体端面，使用法兰进行连接。其端面包含有两个接线柱连接孔22和一个热电偶连接孔21，分别用于连接接线柱和热电偶。接线柱连接孔22从内侧向外由锥面到平面，其锥面角度和长度与接线柱相匹配。所述出口端盖与入口端盖构型相似，设有一个接线柱通孔31去除两个接线柱安装孔，如图8和图9所示。
49.其中，根据图3所示，接线柱1的一端与外部电源连接，另一端通过接线柱安装孔22与导线6连接；其中，接线柱1与接线柱安装孔22之间设有接线柱密封圈14。
50.接线柱1包括出口接线段、螺纹段、锥面段、圆柱段和接线段，其中出口接线段与外部电源连接，接线段与导线6连接；螺纹段、锥面段、圆柱段与接线柱安装孔22的锥面对应设置。
51.本发明提供的一种用于高超声速风洞的纯净空气蓄热式加热器的工作原理：
52.接线柱1连接外部高频交流电源，由此在导线6中产生高频交流电。由于蓄热体9中装有加热棒10，因此在加热棒10内部产生循环涡流。这些电流对抗加热棒10自身的电阻率，在加热棒中间产生局部热量。然后通过加热棒10与蓄热体9之间的接触，将热量传导至蓄热体9中，提升蓄热体9的温度。当加热温度满足试验要求后，使纯净冷空气从蓄热体9的气流通道中流通，与蓄热体进行热交换，从而实现纯净空气加热的目的。
53.综上所述，本发明提供了一种用于高超声速风洞的纯净空气蓄热式加热器，内壳体内设有蓄热体，蓄热体上设有若干加热通道和空气通道，其中若干加热棒对应装配在若干加热通道内，且止动片的空余处均封盖在若干加热通道上，使得蓄热体在加热过程中温度分布均匀，在减小蓄热体内部热应力的同时，增加了加热气体的温度均匀性，若干空气通道的一端与入口端盖的空气入口连通，另一端与出口端盖的空气出口连通，若干加热通道和空气通道均为独立通道，利用蓄热体对高温金属进行了封闭，加热过程中减小了气流与高温金属之间的接触，延长了加热器的使用寿命。通过接线柱伸入至壳体内与导线接触，采用了感应加热的方式，提升了加热器的工作效率，能够有效减小试验准备时间，提高了试验的效率。
54.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于高超声速风洞的纯净空气蓄热式加热器，其特征在于，包括若干接线柱(1)、入口端盖(2)、外壳(4)、绝热层单元、导线(6)、内壳体(8)、蓄热体(9)、若干加热棒(10)、止动片(11)和出口端盖(13)；所述内壳体(8)和外壳(4)均呈圆筒结构，内壳体(8)套设在外壳(4)内，所述绝热层单元装配在内壳体(8)的外壁与外壳(4)的内壁之间，所述导线(6)设置在绝热层单元内，所述入口端盖(2)和出口端盖(13)分别盖设在外壳(4)两端，且入口端盖(2)上设有若干接线柱安装孔(22)、热电偶连接孔(21)和空气入口(23)；若干接线柱(1)通过若干接线柱安装孔(22)伸入至外壳(4)内与导线(6)连接，所述出口端盖(13)上设有空气出口(15)；所述蓄热体(9)呈圆柱形，水平装配在内壳体(8)内，所述蓄热体(9)上设有若干加热通道和空气通道，若干加热棒(10)对应装配在若干加热通道内，若干空气通道的一端与入口端盖(2)的空气入口(23)连通，另一端与出口端盖(13)的空气出口(15)连通，所述止动片(11)装配在蓄热体(9)与出口端盖(13)之间，止动片(11)上设有若干轴向空气通孔，若干轴向空气通孔与蓄热体(9)的若干空气通道连通，且止动片(11)的空余处均封盖在若干加热通道上。2.根据权利要求1所述的一种用于高超声速风洞的纯净空气蓄热式加热器，其特征在于，所述蓄热体(9)上所设置的若干加热通道和空气通道均以蓄热体(9)的中心作为圆心，且若干加热通道和空气通道排列为圆环结构沿着蓄热体(9)的径向方向交错分布。3.根据权利要求1所述的一种用于高超声速风洞的纯净空气蓄热式加热器，其特征在于，所述加热棒(10)为细长型圆柱状磁性金属，加热棒(10)在加热通道内抵接在止动片(11)的空余处设置。4.根据权利要求1所述的一种用于高超声速风洞的纯净空气蓄热式加热器，其特征在于，所述止动片(11)的结构为圆柱状薄片，若干轴向空气通孔以止动片(11)的中心作为圆心，且若干轴向空气通孔排列为若干圆环结构沿着止动片(11)的径向方向分布，其中轴向空气通孔与蓄热体(9)的空气通道的孔径大小对应。5.根据权利要求1所述的一种用于高超声速风洞的纯净空气蓄热式加热器，其特征在于，所述内壳体(8)靠近入口端盖(2)的一侧两端设有纵向凸起，形成半封闭结构，所述蓄热体(9)的一端在内壳体(8)内抵接在内壳体(8)的纵向凸起位置处轴向定位，所述内壳体(8)靠近出口端盖(13)的一侧盖设有蓄热体端盖(12)；所述蓄热体(9)的另一端经止动片(11)抵接在蓄热体端盖(12)上定位，所述蓄热体端盖(12)的结构为台阶圆柱结构，其中蓄热体端盖(12)的小径外表面与内壳体(8)内表面接触。6.根据权利要求5所述的一种用于高超声速风洞的纯净空气蓄热式加热器，其特征在于，所述内壳体(8)的两端分别设有隔离块(3)，所述隔离块(3)呈台阶圆柱结构，其中靠近入口端盖(2)的一侧的隔离块(3)的小径表面与内壳体(8)的纵向凸起面接触，隔离块(3)的大径表面与外壳(4)的内表面接触，且靠近入口端盖(2)的一侧的隔离块(3)上设有通孔，用于接线柱(1)的伸入；所述靠近出口端盖(13)的一侧的隔离块(3)，小径表面与蓄热体端盖(12)的外表面接触，隔离块(3)的大径表面与外壳(4)的内表面接触。7.根据权利要求1所述的一种用于高超声速风洞的纯净空气蓄热式加热器，其特征在于，所述绝热层单元包括外绝热层(5)和内绝热层(7)，所述内绝热层(7)铺设在内壳体(8)的外表面，所述导线(6)缠绕设置在内绝热层(7)上，所述外绝热层(5)铺设在内绝热层(7)上，并将导线(6)包裹在内绝热层(7)上。
8.根据权利要求1所述的一种用于高超声速风洞的纯净空气蓄热式加热器，其特征在于，所述接线柱安装孔(22)在入口端盖(2)上由外至内呈锥面设置，所述接线柱(1)的一端与外部电源连接，另一端通过接线柱安装孔(22)与导线(6)连接；其中，接线柱(1)与接线柱安装孔(22)之间设有接线柱密封圈(14)。9.根据权利要求8所述的一种用于高超声速风洞的纯净空气蓄热式加热器，其特征在于，所述接线柱(1)包括出口接线段、螺纹段、锥面段、圆柱段和接线段，其中出口接线段与外部电源连接，接线段与导线(6)连接；螺纹段、锥面段、圆柱段与接线柱安装孔(22)的锥面对应设置。10.根据权利要求8所述的一种用于高超声速风洞的纯净空气蓄热式加热器，其特征在于，所述入口端盖(2)的空气入口(23)、蓄热体(9)的若干空气通道、止动片(11)的若干轴向空气通孔以及出口端盖(13)的空气出口(15)均水平设置。

技术总结
本发明涉及高超声速地面试验领域，公开了一种用于高超声速风洞的纯净空气蓄热式加热器，内壳体内设有蓄热体，蓄热体上设有若干加热通道和空气通道，若干加热棒对应装配在若干加热通道内，且止动片的空余处均封盖在若干加热通道上，使得蓄热体在加热过程中温度分布均匀，在减小蓄热体内部热应力的同时增加了加热气体的温度均匀性，若干空气通道的一端与入口端盖的空气入口连通，另一端与出口端盖的空气出口连通，若干加热通道和空气通道均为独立通道，利用蓄热体对高温金属进行了封闭，加热过程中减小了气流与高温金属之间的接触，延长了加热器的使用寿命。通过接线柱伸入至壳体内与导线接触，采用了感应加热的方式，提升了加热器的工作效率。器的工作效率。器的工作效率。


技术研发人员：徐朝启 邢自扬 王宏元
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/9/23