[發明專利]一種用于超高溫蓄熱式加熱器的氧化鋁蓄熱體

在審

• 申請號: 201810741570.4
• 申請日: 2018-07-09
• 公開（公告）號: CN108827051A
• 公開（公告）日: 2018-11-16
• 發明（設計）人: 陳亮;張釗;宋文艷;付昱;李賀
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: F28D20/00
• 分類號: F28D20/00;G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種超高溫蓄熱加熱器的氧化鋁蓄熱體，蓄熱陣單元幾何結構設計是空心磚型蓄熱式加熱器設計的關鍵；對蓄體熱單元參數隨孔徑和孔間距與孔徑之比兩個幾何參數變化進行分析比較得出蓄熱單元初步的設計規模，并對初步設計蓄熱單元進行最大溫度狀態和低溫狀態評估，得出蓄熱單元的設計方案能很好地滿足最高溫度狀態下總溫、總壓、試驗持續時間、溫度衰減等試驗參數要求，蓄熱磚熱應力、蓄熱磚漂浮可能性均在安全范圍內，而且具有足夠的運行安全裕度。

技術領域

本發明涉及高溫純凈空氣加熱領域，具體涉及一種超高溫蓄熱式加熱器的蓄熱體本體結構。

背景技術

以超燃沖壓發動機為動力的吸氣式高超飛行器是高度一體化的，發動機和飛行器性能相互耦合、相互依存，對兩者的性能要求必須根據兩者相互匹配要求聯合考慮，而試驗氣體的污染對進氣道特性、發動機性能和尾噴管特性均有很大影響，故污染來流下的試驗結果很難直接用于飛行器設計；因而高溫純凈空氣試驗設備對高超聲速飛行器、超燃沖壓發動機研制及地面試驗具有至關重要的作用，這樣獲得的試驗數據具有較高的真實度和可信度，更能反映真實大氣飛行條件下的發動機性能。目前，地面設備大多采用燃燒加熱、電弧加熱等方式來獲得焓試驗氣流，其中引入相當量的H₂O、CO₂、NO_X以及自由基等污染組分，已有研究表明這對發動機點火、火焰穩定、燃燒及推力等特性產生了顯著的影響，給地面試驗數據外推應用于真實飛行條件帶來諸多不確定因素。目前，電阻加熱和蓄熱式加熱方式產生的試驗空氣通常認為是較為“純凈”的，試驗流動參數與真實飛行環境差別最小，得到的試驗數據能較為準確地反映真實飛行狀態性能。電阻加熱方式由于電阻發熱材料方面限制，最高只能模擬至馬赫數5狀態，雖然有報道稱國外正在大力發展新型材料的電阻加熱元件，有望可以模擬更高馬赫數的純凈空氣來流條件，但仍有多方面關鍵技術問題需要解決。因此，蓄熱式加熱器是目前獲取馬赫數6以上高溫純凈試驗空氣的最佳解決方案，最高可以模擬至馬赫數8(如采用氧化鋯陶瓷蓄熱材料)，這正是未來吸氣式高超聲速推進系統地面試驗所迫切需要的。

當前蓄熱式加熱器技術已經在國際上得到廣泛使用，極大的推動了高超聲速推進地面試驗技術的發展，并在設計方法、性能提升、制造技術多方面得到不斷完善。可以確定的是，經過幾十年的發展，西方發達國家已經完全掌握了空心磚型蓄熱式加熱器的設計方法、試驗技術，并經過大量實際試驗運行的驗證，而國內在空心磚型蓄熱式加熱器設計方法仍沒有進行過系統、完整的研究。

發明內容

為了填補國內用于高超聲速風洞的空心磚蓄熱式加熱器技術領域的空白，本發明提出了一種超高溫蓄熱式加熱器的氧化鋁蓄熱體。本發明所采用的技術方案：蓄熱陣單元幾何結構設計與性能評估。

所述蓄熱陣單元幾何結構設計是空心磚型蓄熱式加熱器設計的關鍵。空心磚型蓄熱單元設計要涉及到換熱性能、壓力損失控制、熱應力阻抗能力等方面的折衷考慮，以適當蓄熱單元規模(材料用量適中)為原則，在不發生熱應力破環、無粉塵污染的前提下與一定流量的氣體進行熱交換，為試驗提供滿足溫度模擬要求的氣流。

蓄熱單元的設計主要包含以下幾何參數：蓄熱單元的高度H和截面積S，直接決定加熱器的規模和蓄熱陣單元的規模；蓄熱單元截面的幾何參數，包括通孔直徑d，孔間距s，孔間距與孔徑之比s/d，截面空隙率η，當量流體通徑D，通孔個數N。其中，截面空隙率η是重要的幾何參數，定義為氣流流通總面積在截面上所占的比例，其與孔徑、孔間距具有直接的幾何關系，進而確定蓄熱單元外徑Z、橫截面積S、比表面積Sv等其他參數。比表面積是指單位體積內所具有的換熱表面積，是評估蓄熱單元換熱性能的重要指標。對于空心磚型蓄熱單元，其截面空隙率η、比表面積Sv與通孔直徑d、孔間距s之間的幾何關系如下：