CN117858284A - 模块化直热式风洞加热器系统、高超声速风洞 - Google Patents

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CN117858284A CN202311696369.6A CN202311696369A CN117858284A CN 117858284 A CN117858284 A CN 117858284A CN 202311696369 A CN202311696369 A CN 202311696369A CN 117858284 A CN117858284 A CN 117858284A
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吴争邦
赵玉新
易仕和
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Abstract

本申请公开了一种模块化直热式风洞加热器系统、高超声速风洞，所述模块化直热式风洞加热器系统包括加热器，所述加热器包括加热器外壳体、同轴设置在所述加热器外壳体内的加热器内衬，所述加热器内衬中沿轴向设置有可装卸增减的加热盘，所述加热器外壳体和加热器内衬之间的夹层结构内设置有供电电缆铺设通道，所述加热盘通过设置在供电电缆铺设通道内的供电电缆与设置在靠近加热器的气流入口低温位置的总引出电极并联连接。本申请结构简单，无需大量蓄热材料，无预热时间，能够实现气流温度快速升高；本申请采用模块化设计，能够通过调节模块个数或者供电电压实现风洞气流总温的变化，可扩展性强。

Description

模块化直热式风洞加热器系统、高超声速风洞
技术领域
本申请涉及高超声速风洞技术领域，特别涉及一种模块化直热式风洞加热器系统、高超声速风洞。
背景技术
常规高超声速风洞主要由高压气源、稳定段、喷管、试验段和真空系统等组成，风洞运行时高压气体经过喷管膨胀加速到试验段，在试验段建立高超声速气流。对于高超声速风洞，由于马赫数较高，气流膨胀加速过程中温度降低，这时不仅水蒸气和二氧化碳会发生冷凝，而且空气组分本身也可能发生冷凝。为避免气体过饱和而冷凝，需增设各式加热器对气体进行加热，使风洞在无凝结条件下运行。
目前广泛采用的加热器，按照加热方式的不同，分为直热式和蓄热式两种。蓄热式加热器需提前给蓄热元件预热，使蓄热元件达到较高温度，然后气流流过蓄热元件并实现温度升高。根据预热方式的不同分为电预热、燃气预热、燃油预热三种。蓄热体一般采用多孔层板、刚玉陶瓷球等。在风洞运行前，需要预先对蓄热体进行加热，通常时间为小时量级。
直热式加热器不需要提前蓄热，直接加热试验气流，加热方式也分为电热式、燃气式和燃油式三种，电热式根据电阻元件形状的不同分为带式、丝式和管式等方式。
现有直热式风洞加热器类型较少，并且多基于带状或丝状电热材料，每个加热元件均需将电极通过壳体引出，结构相对复杂、可扩展性不强。
发明内容
本申请优选实施例提供了一种模块化直热式风洞加热器系统，以解决现有直热式风洞加热器结构相对复杂、可扩展性不强的技术问题。
本申请采用的技术方案如下：
一种模块化直热式风洞加热器系统，包括加热器，所述加热器包括加热器外壳体、同轴设置在所述加热器外壳体内的加热器内衬，所述加热器内衬中沿轴向设置有可装卸增减的加热盘，所述加热器外壳体和加热器内衬之间的夹层结构内设置有供电电缆铺设通道，所述加热盘通过设置在供电电缆铺设通道内的供电电缆与设置在靠近加热器的气流入口低温位置的总引出电极并联连接。
进一步地，在靠近加热器的气流入口位置设置有压力平衡通孔，所述压力平衡通孔连通所述加热器外壳体和加热器内衬之间的夹层结构。
进一步地，所述总引出电极采用耐高温绝缘电缆。
进一步地，所述耐高温绝缘电缆为云母电缆。
进一步地，所述加热器在气流入口位置设置有将气流均匀引导至加热盘各处进行加热的入口整流装置。
进一步地，所述入口整流装置呈圆锥形且小端指向气流来向，其圆锥面上均匀设置有若干导流孔。
进一步地，所述加热盘的相关参数通过如下方式确定：
设风洞运行总温为T01，总压P0，风洞喷管出口直径为D，空气的比热比为cp，以上均采用国际单位制，则风洞流量为：
不考虑热损失，设定加热器入口气体的温度为常温300K，风洞加热器的需用功率P1为：
如果风洞加热器提供P1加热功率需要的加热盘数量为n1，若风洞的其他参数不变，风洞的运行总温提高为T02，并且T02>T01，则风洞的流量变为：
此时，风洞的需用功率变为P2，则有：
相比之下，则加热盘的数量n2应为：
进一步地，所述加热盘包括加热盘框架、设置在加热盘框架内侧的加热材料，所述加热盘框架外侧还设置有用于将加热盘安装在加热器内衬上的加热盘固定孔、连接加热材料和供电电缆为加热材料供电的加热盘电极，所述加热盘电极与加热盘框架之间设置有绝缘材料。
进一步地，所述加热材料包括缠绕设置的电热丝或者电热带，并通过绝缘材料与加热盘框架进行绝缘。
本申请的另一优选实施例还提供了一种高超声速风洞，包括所述的模块化直热式风洞加热器系统。
相比现有技术，本申请具有以下有益效果：
本申请结构简单，无需大量蓄热材料，无预热时间，能够实现气流温度快速升高。本申请采用模块化设计，能够通过调节模块个数或者供电电压实现风洞气流总温的变化，可扩展性强。
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是常规高超声速风洞组成原理示意图。
图2是本申请优选实施例的模块化直热式风洞加热器系统纵向剖视示意图。
图3是本申请优选实施例的加热盘结构示意图。
图中：1、调压阀；2、快速阀；3、喷管；4、试验段；5、可调超音速扩压段；6、真空箱；7、冷却器；8、加热器；9、高压气罐；10、气流入口；11总引出电极；12、入口整流装置；13、加热盘电极；14、供电电缆铺设通道；15、加热器外壳体；16、气流出口；17、加热盘；18、加热器内衬；19、压力平衡孔；20、加热材料；21、加热盘固定孔；22、加热盘框架。
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。
如图1所示，常规高超声速风洞主要由高压气罐9、稳定段、喷管3、试验段4、可调超音速扩压段5、真空箱6、冷却器7和真空箱6等组成，稳定段包括有调压阀1、加热器8、快速阀2。其中受限于真空和高压系统的工作时间，现有常规高超声速风洞的运行时间一般在数十秒至分钟水平，即为暂冲运行方式。加热器8用于在风洞运行期间提高气流的总温，防止气体在喷管3膨胀加速过程中发生冷凝。
参照图2和图3，本申请的优选实施例提供了一种模块化直热式风洞加热器系统，包括加热器8，所述加热器8包括加热器外壳体15、同轴设置在所述加热器外壳体15内的加热器内衬18，所述加热器内衬18中沿轴向设置有可装卸增减的加热盘17，所述加热器外壳体15和加热器内衬18之间的夹层结构内设置有供电电缆铺设通道14，所述加热盘17通过设置在供电电缆铺设通道14内的供电电缆与设置在靠近加热器8的气流入口10低温位置的总引出电极11并联连接。
本实施例提出一种模块化直热式风洞加热器系统，包括加热器8，所述加热器8设置加热器外壳体15和加热器内衬18两层主体结构，所述加热器内衬18中沿轴向设置有可装卸增减的加热盘17，其各个加热盘17通过串联方式组合使用，实现不同的温度范围。如需提高加热器气流出口16的温度，只需要增加加热盘17并增加供电功率即可实现。在总温要求不高时，直接调节加热盘17的供电电压也可实现温度调节。
可见，本实施例结构简单，无需大量蓄热材料，无预热时间，能够实现气流温度快速升高。本实施例采用模块化设计，能够通过调节模块个数或者供电电压实现风洞气流总温的变化，可扩展性强。
优选地，在靠近加热器8的气流入口10位置设置有压力平衡通孔19，所述压力平衡通孔19连通所述加热器外壳体15和加热器内衬18之间的夹层结构。
本实施例为使得加热器内衬18不承受压力并保护供电电缆，在靠近加热器8的气流入口10位置设置有压力平衡通孔19，联通加热器内衬18的内流道和热器外壳体15之间的夹层结构，在入口位置会有少量冷气流通过压力平衡通孔19进入夹层结构内，对夹层结构内的供电电缆进行冷却，同时大部分冷气流与加热盘17换热实现一定的温度升温。由于本实施例采用冷气流对供电电缆进行冷却，从而提高了加热器线路有效工作时间和加热系统的使用寿命。
优选地，所述总引出电极11采用耐高温绝缘电缆，如云母电缆。
优选地，所述加热器8在气流入口10位置设置有将气流均匀引导至加热盘17各处进行加热的入口整流装置12，促进气流与加热盘17的均匀换热。
优选地，所述入口整流装置12呈圆锥形且小端指向气流来向，其圆锥面上均匀设置有若干导流孔。
本实施例通过设置圆锥形的入口整流装置12，既确保气流均匀引导至加热盘17各处，促进气流与加热盘17的均匀换热，同时不会对气流造成过多的阻碍，确保加热时气流流速不受影响。
优选地，所述加热盘17的相关参数通过如下方式确定：
设风洞运行总温为T01，总压P0，风洞喷管出口直径为D，空气的比热比为cp，以上均采用国际单位制，则风洞流量为：
不考虑热损失，设定加热器入口气体的温度为常温300K，风洞加热器的需用功率P1为：
如果风洞加热器提供P1加热功率需要的加热盘17数量为n1，若风洞的其他参数不变，风洞的运行总温提高为T02，并且T02>T01，则风洞的流量变为：
此时，风洞的需用功率变为P2，则有：
相比之下，则加热盘17的数量n2应为：
可见，通过增加加热盘的数量至n2即可实现气流总温的升高，这里的总温升高是指风洞最高运行总温的升高。常规调节风洞运行总温只需要调节加热盘17供电电压即可，方便可靠。
优选地，所述加热盘17包括加热盘框架22、设置在加热盘框架内侧的加热材料20，所述加热盘框架外侧还设置有用于将加热盘17安装在加热器内衬18上的加热盘固定孔21、连接加热材料20和供电电缆为加热材料20供电的加热盘电极13，所述加热盘电极13与加热盘框架22之间设置有绝缘材料。
优选地，所述加热材料20包括缠绕设置的电热丝或者电热带，并通过绝缘材料如刚玉等与加热盘框架22进行绝缘。
本申请的另一优选实施例还提供了一种高超声速风洞，包括所述的模块化直热式风洞加热器系统。
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，所属技术领域的技术人员能够理解的是，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，在此不再一一详述。

Claims (10)

1.一种模块化直热式风洞加热器系统，包括加热器(8)，其特征在于，
所述加热器(8)包括加热器外壳体(15)、同轴设置在所述加热器外壳体(15)内的加热器内衬(18)，所述加热器内衬(18)中沿轴向设置有可装卸增减的加热盘(17)，所述加热器外壳体(15)和加热器内衬(18)之间的夹层结构内设置有供电电缆铺设通道(14)，所述加热盘(17)通过设置在供电电缆铺设通道(14)内的供电电缆与设置在靠近加热器(8)的气流入口(10)低温位置的总引出电极(11)并联连接。
2.根据权利要求1所述的模块化直热式风洞加热器系统，其特征在于，在靠近加热器(8)的气流入口(10)位置设置有压力平衡通孔(19)，所述压力平衡通孔(19)连通所述加热器外壳体(15)和加热器内衬(18)之间的夹层结构。
3.根据权利要求1所述的模块化直热式风洞加热器系统，其特征在于，所述总引出电极(11)采用耐高温绝缘电缆。
4.根据权利要求3所述的模块化直热式风洞加热器系统，其特征在于，所述耐高温绝缘电缆为云母电缆。
5.根据权利要求1所述的模块化直热式风洞加热器系统，其特征在于，所述加热器(8)在气流入口(10)位置设置有将气流均匀引导至加热盘(17)各处进行加热的入口整流装置(12)。
6.根据权利要求5所述的模块化直热式风洞加热器系统，其特征在于，所述入口整流装置(12)呈圆锥形且小端指向气流来向，其圆锥面上均匀设置有若干导流孔。
7.根据权利要求1所述的模块化直热式风洞加热器系统，其特征在于，所述加热盘(17)的相关参数通过如下方式确定：
设风洞运行总温为T01，总压P0，风洞喷管出口直径为D，空气的比热比为cp，以上均采用国际单位制，则风洞流量为：
不考虑热损失，设定加热器入口气体的温度为常温300K，风洞加热器的需用功率P1为：
如果风洞加热器提供P1加热功率需要的加热盘(17)数量为n1，若风洞的其他参数不变，风洞的运行总温提高为T02，并且T02>T01，则风洞的流量变为：
此时，风洞的需用功率变为P2，则有：
相比之下，则加热盘(17)的数量n2应为：
8.根据权利要求1所述的模块化直热式风洞加热器系统，其特征在于，所述加热盘(17)包括加热盘框架(22)、设置在加热盘框架内侧的加热材料(20)，所述加热盘框架外侧还设置有用于将加热盘(17)安装在加热器内衬(18)上的加热盘固定孔(21)、连接加热材料(20)和供电电缆为加热材料(20)供电的加热盘电极(13)，所述加热盘电极(13)与加热盘框架(22)之间设置有绝缘材料。
9.根据权利要求8所述的模块化直热式风洞加热器系统，其特征在于，所述加热材料(20)包括缠绕设置的电热丝或者电热带，并通过绝缘材料与加热盘框架(22)进行绝缘。
10.一种高超声速风洞，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的模块化直热式风洞加热器系统。
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