CN109307635A - 一种气膜冷却卤素灯线加热与冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气膜冷却卤素灯线加热与冷却装置，包括加热部件、冷却部件等，冷却部件在加热过程中分别对结构部件、加热部件和电气线路进行冷却；冷却部件分为高速冷却水冷却与高压冷却气冷却；加热部件主要将控制过的光束照射到指定加热线上；电气线路与控制电源相连，通过接受电路的控制信号实现加热灯输出功率的调整。本发明克服了传统燃气热冲击及等温热循环试验装置成本高、噪音大、效率低及无法模拟梯度温度环境的缺点，克服了传统石英灯加热技术，采用定制灯管难以适用不同的加热环境的缺点，克服了传统石英灯加热技术，未采用强制冷却与聚焦灯罩导致的加热极限温度低与加热效率不高的缺点，实现了经济、安全、清洁、安静和高效。

Description

一种气膜冷却卤素灯线加热与冷却装置

技术领域

本发明涉及一种气膜冷却卤素灯线加热与冷却装置，适用于复杂翼型结构及复杂热环境下的加热实验，可用于高超声速飞行器、航空发动机等极端热环境试验模拟。

背景技术

在过去的几十年中，世界各国对高超声速飞行器越来越重视，我国高超声速飞行器的发展也正在寻求新的突破，飞行器高超声速飞行后出现的气动加热现象非常严重，飞机以马赫数3飞行时，其表面驻点温度就可高达500℃，马赫数为8-9的高超音速巡航导弹弹翼前缘温度将超过1200℃。由于气动热产生的高温，会降低材料的强度极限和飞行器结构的承载能力，使飞行器材料产生热变形，破坏部件的气动外形并影响安全飞行。为保证高速飞行器的安全，确认飞行器材料是否能经得起高速飞行时所产生的热冲击及高温热应力破坏，必须对高速飞行器所使用的材料与结构进行静、动态的气动热模拟试验与热-力联合试验。模拟飞行材料在高速飞行时的受热状况，测试并分析瞬态热冲击条件下材料的热强度、热应力、热变形和热膨胀量等高温力学性能参数的变化对飞行安全的影响。

目前对于高超声速飞行器机翼前缘气动线加热实验问题，当前的方法为采用定制化加热设备，根据所需加热曲线搭建与之适应的支架，支架间布置裸露的卤素灯加热管，对曲线进行加热测试。其中，卤素灯加热管不做强制冷却；卤素灯灯管的电线直接接入加热控制电源总线。实验过程中，首先将待加热部分推入到加热设备的支架内，再将要待热曲线放在卤素灯焦线上。传统的加热方式有以下几个问题：

1、裸露的卤素灯加热管，灯管背部辐射不能高效地利用到加热过程。

2、卤素灯灯管不做强制冷却，其加热极限受到灯管极限耐温限制。

3、单一化定制设备，不具有对于不同类型、大小的曲线气动加热试验适应性。

4、高超声速飞行器气动加热的温度场分布复杂，对于定制设备，控制系统编写难度大，实验周期长。

5、高超声速飞行器在服役过程中，在机翼前缘、尾翼前缘等位置存在局部高温区域。传统的平板加热方式并不能良好地应对高超声速飞行器局部极高温度区的问题。

目前还未见到研制成功的大功率石英灯线性区域加热装置。通常在石英灯玻璃在1000℃左右会出现石化现象，导致石英透光性下降，透光性下降使石英灯管温度快速升高，灯管将迅速失效。灯管内保护灯丝的气逸出，灯丝烧坏。不做强制冷却的灯管难以实现超过1000℃的近距离快速加热。且为了满足高超声速飞行器气动加热温度场的要求，线性区域加热的石英灯加热装置需要与已有平面石英灯加热装置或其他加热模块有良好的通用性与互换性。综上所述，开发一套经济、安全、清洁、安静和高效的可编程控制的线性区域石英灯加热装置与系统十分必要。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种气膜冷却卤素灯线加热与冷却装置，其具有结构紧凑、性能稳定、可大规模模块化拼接、温度易控、极限性能更高、效率更好的特点，同时能拟合高超声速飞行器中局部极高的线性分部的温度区，也能克服传统卤素灯加热1000℃以上会出现石化破损的问题，

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种气膜冷却卤素灯线加热与冷却装置，其特征在于，包括钣金外罩，设置在钣金外罩内的灯座和若干个卤素灯灯管，设置在外罩钣金背面侧壁上的航空插头，以及设置在钣金外罩正面侧壁上的石英玻璃；其中，

灯座的两端各设置有一个灯端，若干个卤素灯灯管成环形布置，其两端通过灯端安装在灯座上，并通过内部线路及设置在灯座上的灯管组电线接线端子与航空插头上连接；

灯座内开设有灯座冷却气体管道，灯座冷却气体管道内布置有灯座冷却水管道，灯座在朝向卤素灯灯管的侧壁上开设有若干个灯座冷气吹出孔，每个灯端内上均开设有灯端冷却水管道，石英玻璃与钣金外罩之间开设有高压冷却气出气口；灯座冷却气体管道与穿过钣金外罩的进气管道相连通，灯座冷却水管道分别与两个灯端冷却水管道相连通，并与穿过钣金外罩的冷却水流入管道和冷却水流出管道相连通，且两个灯端冷却水管道分别与两冷却水管道相连通。

进一步的，所述钣金外罩采用不锈钢钣弯制成。

进一步的，所述石英玻璃上开设有一排高压冷气出气口。

进一步的，所述灯座上还设置有朝向卤素灯灯管的灯罩面。

进一步的，所述灯罩面为镜面抛光处理面，且灯罩面为多重曲面。

进一步的，若干个卤素灯灯管环形排布构成加热所需的灯管组，灯管组的中心线位于灯管组所在圆心构成的中心线上。

进一步的，在加热过程中，冷却水通过冷却水流入管道流入一个灯座中的灯座冷却水管道，再通过一边灯端的灯端冷却水管道流出至冷却水管道和，然后流入另一边灯端的灯端冷却水管道，最后通过灯座冷却水管道流出到冷却水流出管道，形成冷却液管路；

进一步的，高压冷气从进气管道吹入灯座，高压冷气吹入灯座后通过内部的灯座冷却气体管道到达灯座冷气吹出孔，然后通过灯座冷气吹出孔吹入由石英玻璃、灯罩面和灯管组成的腔道中，最后高压冷气经玻璃罩冷气吹出孔吹出。

本发明具有如下有益的技术效果：

1、卤素灯线加热方式属于远程非接触式加热，其原理是将电能输入转换为红外线放射的高效率热源，相比于燃气加热方式具有安静、清洁的优点；

2、对石英灯灯管采取了气膜冷却的强制换热方式，突破了石英灯1100℃的加热极限，经实验测试在使用聚焦技术的线加热的情况下，加热灯具在1500℃实验环境下，可加热保温30分钟。

4、每个独立的石英灯的功率都独立受到控制系统控制，该装置的加热易于控制与大规模调整。

5、对石英灯灯管背面采用了多次镜面反射与抛物面平行光投射的技术原理。降低了加热光线对后方灯座的辐照影响，进一步增强了正面受辐射面的辐照强度，使得灯罩面具有85～95％的总反射率，提高了加热面的加热效率。

综上所述，本发明提供的一种气膜冷却卤素灯平面加热与冷却装置，可对被测试样加热面进行远程连续非接触式加热，既克服了传统燃气热冲击实验装置成本高、噪音污染大、安全性低以及等温热循环试验装置无法实现梯度热冲击的缺点，又克服了传统卤素灯加热装置效率低、温升低、持续加热时间短、适应性差等缺点。同时，本发明还可通过调节卤素灯加热功率及加热距离实现 100℃-1500℃大范围内的梯度或等温热冲击。因此，本发明实现了经济、安全、清洁、安静和高效的梯度热冲击试验。

附图说明

图1为本发明的整体视图；

图2为本发明的侧视图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为图2的B-B剖视图；

图5为本发明的正视图；

图6为图5的F-F剖视图；

图7为图5的D-D剖视图；

图8为图5的E-E剖视图；

图中：A、B、C、D、E均为加热灯的支承表面；

(1)为冷却水流入管道，(2)为进气管道，(3)为航空插座，(4)为冷却水流出管道，(5)为钣金外罩，(6)为石英玻璃，(7)为卤素灯管，(8)为内部线路，(9)为灯端，(10)为灯座，(11)为灯管组电线接线端子，(12)为两冷却水管道，(14)为冷却气体管道；

(6-J)为玻璃罩冷气吹出孔，(9-G)为灯端冷却水管道，(10-G)为灯座冷却水管道，(10-H)为灯座冷却气体管道，(10-J)为灯座冷气吹出孔，(10-S) 为灯罩面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1至图8所示，本发明提供的一种气膜冷却卤素灯线加热与冷却装置，包括冷却水流入管道(1)，进气管道(2)，航空插座(3)，冷却水流出管道(4)，钣金外罩(5)，石英玻璃(6)，卤素灯管(7)，内部线路(8)，灯端(9)，灯座(10)，灯管组电线接线端子(11)，两个冷却水管道(12)，冷却气体管道(14)。

其中，左右两个灯端(9)分别与灯管组灯座(10)固连，灯座(10)固连在钣金外罩(5)上，航空插头(3)固连在加热灯钣金外罩(5)上；灯端(9) 内有灯端冷却水管道(9-G)，分别与两个灯座冷却水管道(10-G)和两个冷却水管道(12)相连；且两个灯端(9)外接两组灯管组电线安装端子(11)。

灯座(10)内有灯座冷却气体管道(10-H)与灯座冷却水管道(10-G)，同时灯管组灯座(10)上布置有若干个灯座冷气吹出孔(10-J)。灯座冷气吹出孔 (10-J)与灯座冷却气体管道(10-H)相连；进气管道(2)通过冷却气体管道 (14)与灯座冷却气体管道(10-H)相连。灯座下表面布置有灯罩面(10-S)，且灯罩面(10-S)做镜面抛光处理。

多个卤素灯灯管(7)以环形阵列构成加热所需灯管组，灯管组的加热焦线位于灯管所在圆心构成的线段上。灯管组的两端分别固定在左右两个灯端(9) 上，灯管组的电线两端分别与左右里两组灯管组电线安装端子(11)连接，灯管组电线安装端子的另一端与内部线路(8)连接，内部线路(8)的另一端与航空插头(3)连接。

钣金外罩(5)采用不锈钢直接钣弯制成。加热灯钣金外罩(5)能够覆盖住所述灯座(10)与灯端(9)的背面与侧面，同时能覆盖住内部电气线路(8) 与卤素灯灯管(7)的两端电线安装端子(11)，还能覆盖住两个冷却水管道(12) 与冷却气体管道(14)。

灯座(10)与其内部灯座冷却气体管道(10-H)和灯座冷却水管道(10-G) 紧密接触。灯管组所在的灯罩面(10-S)通过镜面反射来降低灯座(10)所吸收的辐照的能量。灯座(10)通过灯座冷却水管道(10-G)中冷却水的快速流动达到降温的目的。冷却气能带走加热灯灯座(10)少量热量。通过此冷却方式，来保证灯管组灯座(10)内温度处于稳定的工作状态。

灯端(9)与内部的灯端冷却水管道(9-G)紧密接触，灯管组电线所连接的电线安装端子(11)与灯端(9)紧密接触。灯端(9)、灯管组电线安装端子(11)、灯管组电线通过灯端冷却水管道(9-G)中冷却水的快速流动达到降温的目的。通过此冷却方式，来保证灯端(9)内温度处于稳定的工作状态。

在加热过程中，冷却水通过冷却水流入管道(1)流入左侧灯座冷却水管道(10-G)，再从左侧灯座冷却水管道(10-G)流入左侧灯端冷却水管道(9-G)，再从左侧灯端冷却水管道(9-G)流出至两个冷却水管道(12)，然后从两个冷却水管道(12)流入右侧灯端冷却水管道(9-G)，再从右侧灯端冷却水管道(9-G) 流入右侧灯座冷却水管道(10-G)，最后流入冷却水流出管道(4)，形成冷却液管路。通过低温冷却液的高速流动，带走灯内的热量，使灯形成一个恒定安全的温度场(经过取点采样测试，加热到1500℃时，灯的外表面最高温度约为120℃)。高压冷气从进气管道(2)吹入灯管组灯座(10)，冷气吹入灯座(10) 后通过内部的灯座冷却气体管道(10-H)并通过灯座冷气吹出口(10-J)吹向玻璃罩(6)、卤素灯管(7)和灯罩面(10-S)组成的腔道中，最终通过玻璃罩冷气吹出孔(6-J)排出。在气道内，高压冷却气在卤素加热灯管组表面形成流动的冷却气体薄膜，带走卤素灯灯管(7)、石英玻璃(6)上的热量，使卤素灯灯管(7)、石英玻璃(6)与内部结构件在加热过程中保持正常的工作温度。

进一步，调整灯管组的数量，改变灯管组的长度，并对外部结构件做适应性改变，从而达到对灯的单个模块的尺寸与功率进行改进。调整灯管组灯座(10) 中气孔的具体位置与数量，从而对气体的流动效果与冷却效果进行调整与改进。调整高压冷气、冷却水流入流出口的数量与直径，调整内部综合冷却管道的布置方式，从而对进气与进水性能与内部管道道流动性能与冷却性能的改进。对被照射区的零件采用密封的耐热材质的炉膛，与灯管拼接，减少气体排出对加热区零件的影响。对于结构件与灯管的部分表面，喷涂隔热涂层，从而降低部分零部件实际工作时的温度。

整个装置的固定，在正常工作温度下(1600℃以下)，可由耐温100℃以上的材料，对装置的B平面、C平面、E平面进行固定。同时，对受光辐照区80mm 内的零部件应使用耐热材料进行保护，并对所固定的结构进行气体冷却。

灯管组灯座主要通过灯座冷却水管道(10-G)保持装置结构的温度稳定，灯座的灯罩面(10-S)采用镜面处理来降低由光辐照结构件导致的结构件温度上升，并通过冷却气体管道(10-H)与灯座冷气吹出孔(10-J)，实现对卤素灯灯管的保护。通过灯端冷却水管道(9-G)，实现对卤素灯端子与内部电气线路的保护。

卤素灯灯管(7)，通过灯端(9)上的形位连接完成固定，同时也与钣金外罩(5)的夹紧端接触。

灯内的电气线路采用高温玻璃纤维编织绝缘线。

所述卤素灯灯管，采用钨灯丝卤素加热管，额定电压为220V，额定功率 3.3KW，发热温度高达3400K，放射能量稳定，可实现1500℃的远程快速加热，不受周围环境影响，仅对被辐射物有效，可通过调节供电量改变卤素灯功率。同时，该种加热方式属于电控非接触式加热，具有经济、安全、清洁、安静和高效的优点，且使用寿命长达5000小时以上。

所述加热灯内部冷却管路、灯座、石英灯安装端坐为同一材质，拥有高导热系数和低热胀系数。

所述空气压缩机采用活塞式空气压缩机，额定功率0.75KW，转速1150rpm，气压0.8Mpa，排气量0.08m³/min，储气罐容积40L。主要用于为气冷降温方式提供高速压缩空气。

所述钣金外壳采用不锈钢材质。

本发明的使用方法如下：

步骤一、目视检查试验装置冷却管路是否完整、无损、无堵，检查卤素灯灯管是否有油污、遮挡物，检查电气线路是否短路、裸露。当所有项目符合要求时，完成设备安全性检验。

步骤二、从进水口缓慢注入冷却水，待出水口中冷却水流出时，观察流出水中是否存在气泡。当流出的水中无气泡时，增大冷却水流动速度。当冷却水自流出口稳定、无脉动流出时，可将装置按照所需加热角度与正确摆放加热装置，冷却水注入完成。

步骤三、打开空气压缩机进气系统，首先以低压、低流速气体检测各个吹气口的出风状态，再以额定的高压、高流速气体检测卤素灯管组、石英玻璃是否在吹气时破损或断裂，确认无误后完成加热准备步骤。

步骤四、接通电源，缓慢提升至卤素灯加热灯管组额定功率的50％，同时以100％额定气体压力吹入冷却气，以此验证设备各项功能是否正常，以及减少热冲击对设备寿命的影响。预热一分钟后，将灯管组的功率开至最大，同时将冷却气体的压力调至最大，验证设备极限温度能否正常工作。

步骤五、进入实验，通过控制电源中的信号变化，实现对灯管加热功率的控制，实现长时间加热或高速等温冲击循环。

步骤六、试验结束后，先关闭电源系统，五分钟后停止高压冷却气流吹入，继续保持冷却水通入。待设备降至常温，停止冷却水通入。实验结束、排出管路内多余的冷却水，结束加热过程。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和替换，都应当视为属于由本发明提交的权利要求书所确定的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种气膜冷却卤素灯线加热与冷却装置，其特征在于，包括钣金外罩(5)，设置在钣金外罩(5)内的灯座(10)和若干个卤素灯灯管(7)，设置在外罩钣金(5)背面侧壁上的航空插头(3)，以及设置在钣金外罩(5)正面侧壁上的石英玻璃(6)；其中，

灯座(10)的两端各设置有一个灯端(9)，若干个卤素灯灯管(7)成环形布置，其两端通过灯端(9)安装在灯座(10)上，并通过内部线路(8)及设置在灯座(10)上的灯管组电线接线端子(11)与航空插头(3)上连接；

灯座(10)内开设有灯座冷却气体管道(10-H)，灯座冷却气体管道(10-H)内布置有灯座冷却水管道(10-G)，灯座(10)在朝向卤素灯灯管(7)的侧壁上开设有若干个灯座冷气吹出孔(10-J)，每个灯端(9)内上均开设有灯端冷却水管道(9-G)，石英玻璃(6)与钣金外罩(5)之间开设有高压冷却气出气口(6-J)；灯座冷却气体管道(10-G)与穿过钣金外罩(5)的进气管道(2)相连通，灯座冷却水管道(10-G)分别与两个灯端冷却水管道(9-G)相连通，并与穿过钣金外罩(5)的冷却水流入管道(1)和冷却水流出管道(4)相连通，且两个灯端冷却水管道(9-G)分别与两冷却水管道(12)相连通。

2.根据权利要求1所述的一种气膜冷却卤素灯线加热与冷却装置，其特征在于，所述钣金外罩(5)采用不锈钢钣弯制成。

3.根据权利要求1所述的一种气膜冷却卤素灯线加热与冷却装置，其特征在于，所述石英玻璃(6)上开设有一排高压冷气出气口(6-J)。

4.根据权利要求1所述的一种气膜冷却卤素灯平面加热与冷却装置，其特征在于，所述灯座(10)上还设置有朝向卤素灯灯管(7)的灯罩面(10-S)。

5.根据权利要求4所述的一种气膜冷却卤素灯平面加热与冷却装置，其特征在于，所述灯罩面(10-S)为镜面抛光处理面，且灯罩面(10-S)为多重曲面。

6.根据权利要求1所述的一种气膜冷却卤素灯线加热与冷却装置，其特征在于，若干个卤素灯灯管(7)环形排布构成加热所需的灯管组，灯管组的中心线位于灯管组所在圆心构成的中心线上。

7.根据权利要求1所述的一种气膜冷却卤素灯平面加热与冷却装置，其特征在于，在加热过程中，冷却水通过冷却水流入管道(1)流入一个灯座(10)中的灯座冷却水管道(10-G)，再通过一边灯端(9)的灯端冷却水管道(9-G)流出至两个冷却水管道(12)，然后流入另一边灯端(9)的灯端冷却水管道(9-G)，最后通过灯座冷却水管道(10-G)流出到冷却水流出管道(4)，形成冷却液管路；

高压冷气从进气管道(2)吹入灯座(10)，高压冷气吹入灯座(10)后通过内部的灯座冷却气体管道(10-H)到达灯座冷气吹出孔(10-J)，然后通过灯座冷气吹出孔(10-J)吹入由石英玻璃(6)、灯罩面(10-S)和灯管(7)组成的腔道中，最后高压冷气经玻璃罩冷气吹出孔(6-J)吹出。