CN113686534A - 一种低噪声风洞加热器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种低噪声风洞加热器，包括筒状加热器外壳、连接设置在所述加热器外壳两端的入口法兰和出口法兰，所述加热器外壳的内壁设置有保温材料层，还包括：加热器内壳，设置在所述加热器外壳的内部，其中心内孔设置有主气流道，所述主气流道的上游通过主气流阀门连接主气流，所述加热器内壳外壁与所述加热器外壳、入口法兰、出口法兰合围形成一密封隔腔，所述保温材料层填充设置在所述密封隔腔内；恒压力差控制装置，与所述密封隔腔相连接，用于控制所述主气流道与密封隔腔内的压力差保持在预设范围值内。本申请可有效提高风洞流场品质、保障加热器的传热效果，减少设备维护成本和提高风洞整体系统的使用寿命。

Description

一种低噪声风洞加热器及其控制方法

技术领域

本申请涉及风洞技术领域，特别地，涉及一种低噪声风洞加热器及其控制方法。

背景技术

高超声速风洞实验系统被广泛的应用于导弹、高速飞行器、人造卫星、航天飞机、空天飞机等模型实验，是航空航天领域内非常重要的空气动力地面模拟试验设备，在高超声速风洞中，由于空气进入喷管加速膨胀，气流温度迅速下降，在实验段内会发生冷凝，形成气液混合流动，为了延迟或消除冷凝现象，因此通常在风洞试验系统中增设加热器预热系统，可以提高进入稳定段气源的温度。另外，普通的高超声速风洞流场存在较高的气动噪声和湍流度，比高空大气的“安静”流场大1～2个数量级，因此模型在常规风洞中进行试验，某些试验结果的准确性严重偏离真实情况，从而影响到飞行器等的设计指标。

随着风洞实验研究的深入，为了提高实验数据的精度，高超声速风洞实验，尤其是高超声速低噪声风洞实验时，对流场的要求之一是进入风洞实验段的气源为干净干燥的高温高压气源，并且实验气源不对主气流及实验设备产生损伤性的污染。根据风洞试验需求，通常在风洞稳定段上游设置加热器以提高气体总温，目前常规风洞上采用的加热器主要有连续式加热器和蓄热式加热器两种类型，使用压力≥10MPa、温度≥600K，其中，连续式加热器主要采用电热式、燃气式等加热技术，可供长时间试验运行；蓄热式加热器则通过小功率长时间加热使蓄热元件达到很高的温度，然后对试验气体进行加热，电预热加热器的基本结构包括承压壳体壳体、保温层、蓄热元件、预热元件等组成。

对于每类加热器在满足性能的同时，都存在保温的问题，目前风洞中使用的保温材料多为多晶莫来石，气流在冲刷保温材料时会掉微尺寸颗粒，一方面保温材料掉渣影响加热器保温性能，另一方面保温层所掉颗粒随主流进入下游，会破坏下游整流结构，并且损伤喷管型面，影响下游实验段流场。

发明内容

本申提供了一种低噪声风洞加热器，以解决现有风洞加热器由于保温层所掉颗粒随主流进入下游，会破坏下游整流结构，并且损伤喷管型面，影响下游实验段流场的技术问题。

本申请采用的技术方案如下：

一种低噪声风洞加热器，包括筒状加热器外壳、连接设置在所述加热器外壳两端的入口法兰和出口法兰，所述加热器外壳的内壁设置有保温材料层，还包括：

加热器内壳，设置在所述加热器外壳的内部，其中心内孔设置有主气流道，所述主气流道的上游通过主气流阀门连接主气流，所述加热器内壳外壁与所述加热器外壳、入口法兰、出口法兰合围形成一密封隔腔，所述保温材料层填充设置在所述密封隔腔内；

恒压力差控制装置，与所述密封隔腔相连接，用于控制所述主气流道与密封隔腔内的压力差保持在预设范围值内。

进一步地，所述恒压力差控制装置包括：

压力监测及反馈系统，用于实时监测所述密封隔腔内和所述主气流道内的压力值之差；

平衡气路，输入端通过管路连接压力气源，输出端通过管路与所述密封隔腔相连接；

排空气路，输入端通过管路连接所述密封隔腔，输出端通过管路与大气相连接；

控制器，分别与所述压力监测及反馈系统、平衡气路、排空气路信号连接，用于根据所述密封隔腔内和所述主气流道内的压力值之差控制平衡气路和排空气路中的压力气使所述密封隔腔内和所述主气流道内的压力值之差稳定在预设范围值内。

进一步地，所述压力监测及反馈系统包括：

第一压力监测器，与所述控制器信号连接，用于实时监测所述密封隔腔内的压力值；

第二压力监测器，与所述控制器信号连接，用于实时监测所述主气流道内的压力值。

进一步地，所述平衡气路包括：

第一电磁阀，所述第一电磁阀与所述控制器信号连接，其输入端通过管路依次连接截止阀和压力气源，输出端通过管路与所述密封隔腔相连接。

进一步地，所述平衡气路还包括：

第一单向阀，串联设置在所述第一电磁阀和所述密封隔腔之间的管路上。

进一步地，所述排空气路包括：

第二电磁阀，所述第二电磁阀与所述控制器信号连接，其输入端通过管路连接所述密封隔腔，输出端通过管路与大气相连接。

进一步地，所述排空气路还包括：

第二单向阀，串联设置在所述第二电磁阀下游的管路上。

进一步地，所述压力气源为主气流或第三方压力气源。

进一步地，所述加热器内壳的径向厚度≤10mm。

进一步地，所述主气流道与密封隔腔内的压力差的预设范围值≤3±0.1atm。

相比现有技术，本申请具有以下有益效果：

本申请提供了一种低噪声风洞加热器，所述低噪声风洞加热器包括加热器外壳、连接设置在所述加热器外壳两端的入口法兰和出口法兰，所述加热器外壳的内部还设置有加热器内壳，其中心内孔设置有主气流道，外壁与所述加热器外壳、入口法兰、出口法兰合围形成密封隔腔，而保温材料层填充设置在所述密封隔腔内；另外，本申请还设置有恒压力差控制装置，用于控制所述主气流道与密封隔腔内的压力差保持在预设范围值内，本申请一方面通过将保温材料层填充设置在密封隔腔内，将保温材料层与实验主气流完全隔开，有效防止保温材料层脱落，确保不会因为保温材料层掉落颗粒导致实验气流及加热器下游设备的污染和损坏，在有效提高了风洞流场品质的前提下，减少设备维护成本和提高风洞整体系统的使用寿命。另一方面，本申请通过恒压力差控制装置控制所述主气流道与密封隔腔内的压力差保持在预设范围值内，避免了试验过程中因压力过大导致保温材料层结构受压变形，从而保护保温材料层结构不被破坏，以保障加热器的传热效果。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本申请还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本申请作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请优选实施例的一种低噪声风洞加热器结构局部结构示意图(不含恒压力差控制装置)。

图2是本申请优选实施例的低噪声风洞加热器结构原理示意图。

图中：1、入口法兰；2、加热器外壳；3、保温材料层；4、出口法兰；5、加热器内壳；6、主气流道；7、截止阀；8、第一电磁阀；9、第一单向阀；10、第一压力监测器；11、第二压力监测器；12、主气流阀门；13、第二单向阀；14、第二电磁阀。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

参照图1和图2，本申请的优选实施例提供了一种低噪声风洞加热器，包括筒状加热器外壳2、连接设置在所述加热器外壳2两端的入口法兰1和出口法兰4，所述加热器外壳2的内壁设置有保温材料层3，还包括：

加热器内壳5，设置在所述加热器外壳2的内部，其径向厚度≤10mm，中心内孔设置有主气流道6，所述主气流道6的上游通过主气流阀门12连接主气流，所述加热器内壳5外壁与所述加热器外壳2、入口法兰1、出口法兰4合围形成一密封隔腔，所述保温材料层3填充设置在所述密封隔腔内；

恒压力差控制装置，与所述密封隔腔相连接，用于控制所述主气流道6与密封隔腔内的压力差保持在预设范围值内。

本实施例提供了一种低噪声风洞加热器，所述加热器包括筒状加热器外壳2、连接设置在所述加热器外壳2两端的入口法兰1和出口法兰4，所述加热器外壳2的内部还设置有加热器内壳5，所述加热器内壳5的中心内孔设置有主气流道6，外壁与所述加热器外壳2、入口法兰1、出口法兰4合围形成一密封隔腔，而保温材料层3填充设置在所述密封隔腔内；另外，本申请还设置有恒压力差控制装置，用于控制所述主气流道6与密封隔腔内的压力差保持在预设范围值内，本申请一方面通过将保温材料层3填充设置在密封隔腔内，将保温材料层3与实验主气流完全隔开，有效防止保温材料层3脱落，确保不会因为保温材料层3掉落颗粒导致实验气流及加热器下游设备的污染和损坏，在有效提高了风洞流场品质的前提下，减少设备维护成本和提高风洞整体系统的使用寿命。另一方面，本申请通过恒压力差控制装置控制所述主气流道6与密封隔腔内的压力差保持在预设范围值内，避免了试验过程中因压力过大导致密封隔腔变形引起保温材料层3结构受压变形，从而保护保温材料层3结构不被破坏，以保障加热器中保温材料层3的传热效果。

由于风洞加热器为高压容器，主要承压在加热器外壳2，加热器外壳2的径向厚度≥50mm，而风洞加热器保温材料层3布置在加热器外壳2和加热器内壳5之间的密封隔腔内，为封闭保温材料，加热器内壳5所承压力与主气流压力接近，风洞实验过程中为保护保温材料层3结构不被破坏，本实施例创造性的设置了与所述密封隔腔相连接的恒压力差控制装置，利用恒压力差控制装置控制所述主气流道6与密封隔腔内的压力差保持在预设范围值内，也就是说，本实施例能够在风洞试验过程中，始终使所述主气流道6与密封隔腔内的压力差保持一致，这相当于在所述主气流道6内的主气流给予加热器内壳5一个压力的同时，密封隔腔内的气体会给予热器内壳另一个大小接近且方向相反的压力，即主气流给予的压力与密封隔腔内气体给予的压力形成大小接近方向相反的作用力和反作用力，两个压力相互抵消后，所述加热器内壳5受到的合力远远低于使加热器内壳5发生形变所需的力，从而避免了试验过程中因加热器内壳5形变导致保温材料层3结构发生破坏的问题，保障加热器中保温材料层3的传热效果。

同时，为了确保传热效果，加热器内壳5一定不能太厚，因为加热器内壳5主要是为了隔离保温材料层3和主气流，在此基础上，出于导热和重量考虑，加热器内壳5采用厚度较薄的材料，径向厚度≤10mm，否则，不但会因为径向厚度太厚阻碍保温材料层3的热量传导至主气流道6内为主气流加热，而且还过多增加了风洞加热器的重量。由于加热器内壳5不能太厚，且在风洞的试验主气流压力较大(压力≥10Mpa)的情况下，加热器内壳5在试验过程中极易发生变形导致保温材料层3结构被破坏，从而影响加热器中保温材料层3正常发挥作用。为此，在加热器内壳5厚度受到限制的前提下，为防止加热器内壳5在高压下发生变形，目前常规的做法是在密封隔腔内设置若干支撑肋，将所述支撑肋固定设置在加热器外壳2和加热器内壳5之间，所述支撑肋为加热器内壳5提供机械支撑防止加热器内壳5受压变形，然而，设置支撑肋会存在如下问题：支撑肋设置太少时，加热器内壳5在高压下依然会出现局部变形的情况，这同样会导致保温材料层3结构被破坏，从而影响加热器中保温材料层3的传热效果；设置太多的话，支撑肋会过多占用密封隔腔的容积，过多的支撑肋虽然有利于减少加热器内壳5的变形，但也会因过多占用密封隔腔的容积导致留给保温材料层3的装填空间大大变小了，保温材料层3的装填量太少将严重影响风洞加热器的蓄热效果，而且，过多的支撑肋也会增加风洞加热器的成本和重量，另外，只要是存在支撑肋，不管多少，都会增加保温材料层3的装填和拆卸难度，不利于风洞加热器的前期的加工和后期的维护。

可见，相比设置支撑肋，本实施例通过控制密封隔腔内的压力与主气流道6内的主气流压力保持恒定压差，能够有效避免加热器内壳5出现局部形变的问题，同时，由于本实施例不采用支撑肋，不会占用密封隔腔内的容积，因而既不会减少保温材料层3的填充量，而且也不会增加保温材料层3的装填和拆卸难度，结构简单，加工方便。

具体地，所述恒压力差控制装置包括：

压力监测及反馈系统，用于实时监测所述密封隔腔内和所述主气流道6内的压力值之差；

平衡气路，输入端通过管路连接压力气源，输出端通过管路与所述密封隔腔相连接；

排空气路，输入端通过管路连接所述密封隔腔，输出端通过管路与大气相连接；

控制器，分别与所述压力监测及反馈系统、平衡气路、排空气路信号连接，用于根据所述密封隔腔内和所述主气流道6内的压力值之差控制平衡气路和排空气路中的压力气使所述密封隔腔内和所述主气流道6内的压力值之差稳定在预设范围值内。

本实施例的恒压力差控制装置包括压力监测及反馈系统、平衡气路、排空气路、控制器，试验过程中，主气流阀门12开启后主气流流入风洞加热器的主气流道6内，当压力监测及反馈系统实时监测到所述密封隔腔内和所述主气流道6内的压力值之差超过设定阈值时，控制器向所述平衡气路发送控制信号，平衡气路将压力气输入到所述密封隔腔内，以维持所述密封隔腔内和所述主气流道6内的压力值之差稳定在预设范围值内，试验结束后，主气流阀门12关闭，由于所述主气流道6内压降低，控制器向排空气路发送控制信号，排空气路将所述密封隔腔内的压力气排放至大气，从而确保泄压过程中所述密封隔腔内和所述主气流道6内的压力值之差也能稳定在预设范围值内。

具体地，所述压力监测及反馈系统包括：

第一压力监测器10，与所述控制器信号连接，用于实时监测所述密封隔腔内的压力值；

第二压力监测器11，与所述控制器信号连接，用于实时监测所述主气流道6内的压力值。

本实施例通过第一压力监测器10和第二压力监测器11分别监测密封隔腔内和主气流道6内的压力值，结构简单，安全可靠。

具体地，所述平衡气路包括第一电磁阀8，所述第一电磁阀8与所述控制器信号连接，其输入端通过管路依次连接截止阀7和压力气源，输出端通过管路与所述密封隔腔相连接。

具体地，所述平衡气路还包括第一单向阀9，所述第一单向阀9，串联设置在所述第一电磁阀8和所述密封隔腔之间的管路上，所述第一单向阀9可防止密封隔腔内气流反向进入平衡气路，故密封隔腔内即使有微小颗粒掉料也不会因为反流而影响平衡气路。

具体地，所述排空气路包括第二电磁阀14，所述第二电磁阀14与所述控制器信号连接，其输入端通过管路连接所述密封隔腔，输出端通过管路与大气相连接。

具体地，所述排空气路还包括第二单向阀13，所述第二单向阀13串联设置在所述第二电磁阀14下游的管路上，保证了外界气流不会反流进入密封隔腔内。

具体地，所述压力气源为主气流或第三方压力气源，本实施例直接将主气流作为平衡气路的压力气源，无需在另外设置第三方压力气源，简化了结构，节约了成本，由于所述平衡气路还设置有第一单向阀9，因此，即使密封隔腔内的保温材料层3有微小颗粒掉料也不会因为反流而影响主气流的流动。

具体地，所述主气流道6与密封隔腔内的压力差的预设范围值≤3±0.1atm，从而避免径向厚度≤10mm的加热器内壳5在试验过程中形变导致保温材料层3结构发生破坏，保障加热器中保温材料层3的传热效果。

上述实施例中所有的阀门、压力监测器均需耐600K以上的温度，风洞运行过程中各系统之间的控制过程如下：

(1)在进行风洞实验时，首先会调节主气流到实验压力P，此时打开平衡气路的截止阀7；

(2)再程控打开风洞实验主气流阀门12，加热器充压，此时第一压力监测器10和第二压力监测器11分别开始监测风洞加热器内密封隔腔和主气流道6内的实时压力值BP₁和BP2并反馈至控制器，当BP₂-BP₁≥2atm时，控制器发送控制信号控制第一电磁阀8打开，密封隔腔内同步开始充压使BP₂-BP₁≤3±0.1atm，确保保温材料层3在结构承压范围内，由于第一电磁阀8下游设置有第一单向阀9，不会使密封隔腔内气流反向进入平衡气路，故密封隔腔内即使有微小颗粒掉落也不会因为反流而影响主气流流动；

(3)在实验结束后，关闭第一单向阀9，加热器的主气流道6开始泄压，当BP₁-BP₂≥2atm时，控制器发送控制信号控制第二电磁阀14打开，最终将密封隔腔内的压力排尽，上述第二电磁阀14下游设置有第二单向阀13，密封隔腔内的气流经过环保过滤处理排入大气后，所述第二单向阀13保证了外界气流不会反流进入密封隔腔内；

(4)当密封隔腔内的压力排尽后关闭平衡气路的截止阀7、第二电磁阀14，实验结束。

从测试结果来看，整个控制回路反馈信号稳定，控制方案合理，并且保证了加热器整个保温材料层3的结构性能稳定，并且对实验主气流没有影响。

综上所述，为了满足低噪声风洞的特殊要求，本申请将保温材料层3封闭设在密封隔腔内，在风洞试验过程中，保温层内壳将保温材料层3与实验主气流完全隔开，确保试验过程中主气流流动过程中不会冲刷保温材料层3，不会有保温材料脱落，确保不会因为保温材料掉落颗粒导致实验气流及加热器下游设备的污染和损坏，有效提高了风洞流场品质，减少了设备维护成本，提高了风洞整体系统的使用寿命。同时，鉴于风洞加热器作业时高内压特性和热传导需求，本申请采用压力平衡的方式使保温材料层3所在的密封隔腔内压与主气流道6的内压保持恒定压差，避免保温材料层3在试验过程中受压破坏，保障了加热器中保温材料层3的传热效果。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低噪声风洞加热器，包括加热器外壳(2)、连接设置在所述加热器外壳(2)两端的入口法兰(1)和出口法兰(4)，所述加热器外壳(2)的内壁设置有保温材料层(3)，其特征在于，还包括：

加热器内壳(5)，设置在所述加热器外壳(2)的内部，其中心内孔设置有主气流道(6)，所述主气流道(6)的上游通过主气流阀门(12)连接主气流，所述加热器内壳(5)外壁与所述加热器外壳(2)、入口法兰(1)、出口法兰(4)合围形成一密封隔腔，所述保温材料层(3)填充设置在所述密封隔腔内；

恒压力差控制装置，与所述密封隔腔相连接，用于控制所述主气流道(6)与密封隔腔内的压力差保持在预设范围值内。

2.根据权利要求1所述的低噪声风洞加热器，其特征在于，所述恒压力差控制装置包括：

压力监测及反馈系统，用于实时监测所述密封隔腔内和所述主气流道(6)内的压力值；

平衡气路，输入端通过管路连接压力气源，输出端通过管路与所述密封隔腔相连接；

排空气路，输入端通过管路连接所述密封隔腔，输出端通过管路与大气相连接；

控制器，分别与所述压力监测及反馈系统、平衡气路、排空气路信号连接，用于根据所述密封隔腔内和所述主气流道(6)内的压力值之差控制平衡气路和排空气路中的压力气使所述密封隔腔内和所述主气流道(6)内的压力值之差稳定在预设范围值内。

3.根据权利要求2所述的低噪声风洞加热器，其特征在于，所述压力监测及反馈系统包括：

第一压力监测器(10)，与所述控制器信号连接，用于实时监测所述密封隔腔内的压力值；

第二压力监测器(11)，与所述控制器信号连接，用于实时监测所述主气流道(6)内的压力值。

4.根据权利要求2所述的低噪声风洞加热器，其特征在于，所述平衡气路包括：

第一电磁阀(8)，所述第一电磁阀(8)与所述控制器信号连接，其输入端通过管路依次连接截止阀(7)和压力气源，输出端通过管路与所述密封隔腔相连接。

5.根据权利要求4所述的低噪声风洞加热器，其特征在于，所述平衡气路还包括：

第一单向阀(9)，串联设置在所述第一电磁阀(8)和所述密封隔腔之间的管路上。

6.根据权利要求5所述的低噪声风洞加热器，其特征在于，所述排空气路包括：

第二电磁阀(14)，所述第二电磁阀(14)与所述控制器信号连接，其输入端通过管路连接所述密封隔腔，输出端通过管路与大气相连接。

7.根据权利要求6所述的低噪声风洞加热器，其特征在于，所述排空气路还包括：

第二单向阀(13)，串联设置在所述第二电磁阀(14)下游的管路上。

8.根据权利要求1所述的低噪声风洞加热器，其特征在于，所述压力气源为主气流或第三方压力气源。

9.根据权利要求1所述的低噪声风洞加热器，其特征在于，所述加热器内壳(5)的径向厚度≤10mm。

10.根据权利要求1所述的低噪声风洞加热器，其特征在于，所述主气流道(6)与密封隔腔内的压力差的预设范围值≤3±0.1atm。

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