CN112399744B - 一种复合耐高温阻热支撑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合耐高温阻热支撑结构，属于结构热防护技术领域。本发明在超燃冲压发动机高温壁面与电子设备之间增加由高温合金和柔性隔热组合的复合阻热支撑结构，利用了高温合金的高温承载能力规避了隔热材料不能承载的缺点，利用隔热材料低热导率的特点的复合阻热支撑结构，为电子设备在超燃冲压发动机高温壁面上安装提供了有效解决方案；进一步，连接螺钉与电子设备之间垫片由金属材料更换为石棉垫片,配合复合支撑阻热结构进一步增加了电子设备和超燃冲压发动机高温壁面之间的热阻，从而有效降低了高温壁面向电子设备之间的传热速率，有效拓宽了电子设备使用温度环境，提高了超燃冲压发动机系统可靠性。
Description
技术领域
本发明属于结构热防护技术领域，具体涉及一种复合耐高温阻热支撑结构。
背景技术
高超声速(hypersonic)一般指的是流动或飞行的速度超过5倍声速,即马赫数超过5。以高机动性、远距离精确打击为主要技术特征的高超声速飞行器已成为航空航天的主要发展方向，将在未来国家安全中起着重要作用。吸气式高超声速飞行器以超燃冲压发动机为动力，可以在大气层内或跨大气层以Ma5以上的速度远程巡航飞行。超燃冲压发动机作为吸气式高超声速飞行器的核心部件，其承受的热环境最为恶劣。
超燃冲压发动机壁面主动冷却后温度仍然高达700℃～1000℃。发动机用电子设备可靠使用温度环境不高于80℃～120℃。发动机表面包裹柔性隔热材料可使电子设备周围温度在工作时间范围内降低至电子设备使用温度以下。但是，电子设备需要通过连接结构直接安装在发动机壁面。发动机的壁面高温会通过连接结构传导至电子设备，使其存在失效损坏。因此，需要在电子设备和发动机之间增加一种耐高温阻热支撑结构，对设备起到保护和支撑的作用。
通常亚音速发动机电子设备直接安装在发动机表面低温区域，由设备安装支耳、连接螺钉和垫片组成。如图1所示，电子设备安装支耳通过连接螺钉和垫片直接安装在发动机壁面，电子设备安装固定可靠，可承受发动机复杂力学环境。通常亚音速发动机外壁面温度较低，设备安装支耳和连接螺钉及垫片传递给电子设备的热量其自身可承受。但是，超燃冲压发动机壁面通过燃油主动冷却后温度仍然高达700℃～1000℃，如仍采用此种连接，发动机壁面热量会通过安装支耳、连接螺钉及垫片等传导给电子设备，导致其失效损坏。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何为超燃冲压发动机壁面安装电子设备提供解决方案。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种复合耐高温阻热支撑结构，包括连接螺钉1、石棉垫片2、高温合金壳体3、高温合金盖4、复合隔热材料5，其中，所述连接螺钉1依次穿过石棉垫片2、电子设备的安装支耳7、由高温合金壳体3、高温合金盖4和复合隔热材料5组成的复合结构，并插入发动机壁面6内；其中，在所述高温合金壳体3和高温合金盖4之间设置所述复合隔热材料5组成所述复合结构。
优选地，所述复合结构整体为圆柱形，外径φ和高度H根据具体使用要求设计；对于发动机壁面6温度700℃，电子设备有四个安装支耳7，连接螺钉1规格为M5的使用工况，设计为φ＝20mm，H＝15mm。
优选地，所述高温合金壳体3和高温合金盖4的壁厚t根据承载要求进行设计；对于重量小于5kg，安装座为4个的电子设备，所述高温合金壳体3和高温合金盖4的设计为壁厚t＝1mm。
优选地，所述复合隔热材料5选择柔性材料。
优选地，所述复合隔热材料5选择二氧化硅气凝胶。
优选地，所述石棉垫片2的厚度根据发动机壁面6的温度和距离发动机壁面6的距离进行设计长度设计；对于发动机壁面6温度750℃，石棉垫片2距离发动机壁面6为20mm的结构，石棉垫片2的厚度按2mm设计。
优选地，连接螺钉1实现了相对电子设备直接接触发动机壁面6的安装方式增加了长度，延长了传热路线。
优选地，所述发动机壁面为超燃冲压发动机壁面。
本发明又提供了一种所述的复合耐高温阻热支撑结构在超燃冲压发动机中的应用。
本发明还提供了一种所述的复合耐高温阻热支撑结构在结构热防护技术领域的应用。
(三)有益效果
本发明在超燃冲压发动机高温壁面与电子设备之间增加由高温合金和柔性隔热组合的复合阻热支撑结构，利用了高温合金的高温承载能力规避了隔热材料不能承载的缺点，利用隔热材料低热导率的特点的复合阻热支撑结构，为电子设备在超燃冲压发动机高温壁面上安装提供了有效解决方案；进一步，连接螺钉与电子设备之间垫片由金属材料更换为石棉垫片,配合复合支撑阻热结构进一步增加了电子设备和超燃冲压发动机高温壁面之间的热阻，从而有效降低了高温壁面向电子设备之间的传热速率，有效拓宽了电子设备使用温度环境，提高了超燃冲压发动机系统可靠性。
附图说明
图1为现有电子设备安装示意图；
图2为本发明的复合耐高温阻热支撑结构及其使用示意图；
图3为本发明的复合耐高温阻热支撑结构核心部件示意图；
图4为某飞行试验超燃冲压发动机控制设备温度曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明为超燃冲压发动机壁面安装电子设备提供解决方案，在电子设备安装支耳与发动机壁面之间增加一种高热阻复合结构，将连接螺钉和电子设备安装支耳之间的金属垫片替换为高热阻的石棉垫片,降低发动机壁面与电子设备热量传导路径的热导率以降低总传热量，当单位时间内发动机壁面传导至电子设备的热量与电子设备向环境辐射的热量相等(q传导-q辐射＝0)时，电子设备温度平衡在使用温度范围内(80℃—120℃)。这种复合结构，具备耐高温、承载高、不易碎、阻热效率高等优点，已在飞行产品中有效应用。
如图2所示，本发明的复合耐高温阻热支撑结构由连接螺钉1、石棉垫片2、高温合金壳体3、高温合金盖4、复合隔热材料5组成，其中，连接螺钉1依次穿过石棉垫片2、电子设备的安装支耳7、由高温合金壳体3、高温合金盖4、复合隔热材料5组成的复合结构，并插入发动机壁面6内；
其中，所述高温合金壳体3和高温合金盖4之间设置所述复合隔热材料5组成所述复合结构为本发明的核心部件，具体见图3。该复合结构整体为圆柱形结构，结构外径φ和结构高度H根据具体使用要求设计。对于发动机壁面6温度700℃，电子设备有四个安装支耳7，连接螺钉1规格为M5的使用工况，φ＝20mm，H＝15mm，可满足设备使用要求。高温合金壳体3和高温合金盖4的壁厚t根据承载要求进行设计。对于重量小于5kg，安装座为4个的电子设备，壁厚t＝1可满足承载要求。高温合金壳体3耐温高(最高可达1000℃)，可满足电子产品承载需求。复合隔热材料5选择柔性材料(例如：二氧化硅气凝胶)热导率低(小于0.05W/(m·K))、密度小(小于0.3g/cm3)，可满足提高热阻的使用要求。此复合结构利用了高温合金结构的高温承载能力,规避了柔性隔热材料不能承载的缺点，利用了隔热材料低热导率的特点有效增大了组合结构热阻，为电子设备在高温发动机壁面安装提供了有效的支撑和阻热功能。
石棉垫片2是配合零件，石棉是常用的防热材料，热导率远低于金属，替代金属垫片进一步增加了螺钉与设备安装支耳之间的热阻。石棉垫片2的厚度根据发动机壁面6的温度和距离发动机壁面6的距离进行设计长度设计。对于发动机壁面6温度750℃，石棉垫片2距离发动机壁面6为20mm的结构，石棉垫片2的厚度按2mm设计可满足使用要求。
连接螺钉1相对电子设备直接接触发动机壁面6的安装方式增加了长度，延长了传热路线。
可以看出，本发明通过复合结构满足电子设备在高温壁面安装的需求，兼顾了复合材料的低热阻和高温合金的耐高温、高承载的优点，达到耐高温、阻热、支撑的功能。这种复合耐高温阻热支撑结构，具备耐高温、承载高、不易碎、阻热效率高等优点，已在飞行产品中有效应用。某飞行试验中，超燃冲压发动机应用本结构安装控制设备，飞行全程设备工作正常，飞行过程发动机壁面温度和控制设备温度见图4。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种复合耐高温阻热支撑结构，其特征在于，该结构设置在超燃冲压发动机高温壁面与电子设备之间，包括连接螺钉(1)、石棉垫片(2)、高温合金壳体(3)、高温合金盖(4)、复合隔热材料(5)，其中，所述连接螺钉(1)依次穿过石棉垫片(2)、电子设备的安装支耳(7)、由高温合金壳体(3)、高温合金盖(4)和复合隔热材料(5)组成的复合结构，并插入发动机壁面(6)内；所述复合结构中，所述复合隔热材料(5)设置在所述高温合金壳体(3)和高温合金盖(4)之间；
所述复合结构整体为圆柱形；对于发动机壁面(6)温度700℃，电子设备有四个安装支耳(7)，连接螺钉(1)规格为M5的使用工况，外径φ和高度H分别设计为φ＝20mm，H＝15mm；
对于重量小于5kg，安装座为4个的电子设备，所述高温合金壳体(3)和高温合金盖(4)的壁厚t设计为t＝1mm；
所述复合隔热材料(5)选择柔性材料。
2.如权利要求1所述的复合耐高温阻热支撑结构，其特征在于，所述复合隔热材料(5)选择二氧化硅气凝胶。
3.如权利要求1所述的复合耐高温阻热支撑结构，其特征在于，所述石棉垫片(2)的厚度根据发动机壁面(6)的温度和距离发动机壁面(6)的距离进行设计长度设计；对于发动机壁面(6)温度750℃，石棉垫片(2)距离发动机壁面(6)为20mm的结构，石棉垫片(2)的厚度按2mm设计。
4.如权利要求3所述的复合耐高温阻热支撑结构，其特征在于，连接螺钉(1)以相对电子设备直接接触发动机壁面(6)的方式安装。
5.如权利要求1至4中任一项所述的复合耐高温阻热支撑结构，其特征在于，所述发动机壁面为超燃冲压发动机壁面。
6.一种如权利要求1至4中任一项所述的复合耐高温阻热支撑结构在超燃冲压发动机中的应用。
7.一种如权利要求1至4中任一项所述的复合耐高温阻热支撑结构在结构热防护技术领域的应用。
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