一种空心砖蓄热式加热器的制作方法

本发明涉及超燃冲压发动机地面实验技术领域，具体的说，涉及蓄热阵、隔热层、压力容器罐体、预热燃烧器与膜片系统设计。

背景技术

到目前为止，最实际和常用的连续式能量添加方式主要有电弧加热、燃烧加热、电阻加热、蓄热式加热等。其中电弧加热和燃烧加热方式会产生污染，使得试验工质的物理特性不完全等同于空气。电阻加热和蓄热式加热方式产生的是纯净的试验空气，但受常规电阻加热元件的限制，电阻加热方式难以突破飞行马赫数5.0以上的模拟能力。目前，蓄热式加热器是目前获取马赫数6以上高温纯净试验空气的最佳解决方案，最高可以模拟至马赫数8。现有公开的技术文献中，美国的ase公司完成了一套基于可再生式蓄热加热器的全尺寸高温纯空气风洞设计方案，采用的两个蓄热加热器分别为常规氧化铝蓄热式加热器和氧化锆蓄热式加热器，可以供应滞止温度范围覆盖马赫数2～8范围的大流量纯净试验空气，试验持续时间至少120s。日本宇航院的吸气式冲压发动机试验设备采用氧化铝空心砖型蓄热式加热器，模拟温度为1600k左右。法国空间局的s4风洞采用氧化铝卵石床蓄热式加热器。国内只有航天701研究所现有一套基于氧化铝卵石床蓄热式加热器的试验系统，但其模拟温度不超过1000k，而且粉尘颗粒污染严重。目前国内还没有用于高超声速风洞的空心砖型蓄热式加热器。

技术实现要素：

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括蓄热阵、隔热层、压力容器罐体、预热燃烧器、膜片系统；空心砖蓄热体位于罐体中央，周围包裹着隔热层，两者均安装于压力容器罐内。加热器共有四个气流通道，预热时，燃气从加热器顶部进入，从底部侧边开孔流出，工作时，高压空气从底部正中气孔进入，从加热器上半部侧壁管道流出。结构轮廓见图1。

蓄热体采用高纯度氧化铝空心砖和氧化锆空心砖。整个蓄热阵垒积高度可达5.0m左右。图2给出了蓄热体截面轮廓图，分两圈布置，中心为圆柱形空心砖外围铺设一层扇形空心砖。

隔热层总共布置三层。热衬采用氧化锆空心球砖或氧化铝空心球砖，内环隔热层采用莫来石轻质砖，外环隔热层采用ha耐火纤维叠块，在外环隔热层和压力容器之间，布置一薄层石棉板，以缓冲材料热胀冷缩的应力。隔热层按照最高温度2200k设计，该种布置可把外环隔热层表面温度控制在380k以内。

压力容器罐体总高约为7000mm，设备外径约为罐体底部为具有较强承压能力的圆弧面结构，安装浇注料及高温耐热钢底座，中部为一个圆柱形罐体，安装蓄热体、隔热层；上部一个锥角为60°的倒扣圆锥罐体，隔热层包围着一个锥形空腔，可为天然气燃烧和高温高压空气蓄积提供足够空间。中部柱体与顶部倒扣圆锥罐体之间采用法兰连接，以方便蓄热阵及隔热层的安装，如图1所示。出口采用氧化锆空心球砖隔热，背衬采用高温莫来石转。

本发明中预热燃烧器采用与加热器一体化设计方案。助燃空气进气口焊接在加热器顶部法兰面上，通过法兰与管道连接；天然气管路穿过助燃空气进气口喷射入加热器。天然气在加热器上部罐体中完成燃烧，利用加热器中较厚的隔热层布置，可有效防止高温燃气对罐体壁面的加热。结构示意图如图3所示。天然气进口通径为空气由天然气进气管周围进入，进口通径为该管路考虑了后续总温提升状态下预热燃气流量需增大的情况。在助燃空气进口处设计一组旋风叶片，使得助燃空气喷注进入加热器后产生强烈的旋转，经下方点火器点燃后，火焰将向四周(径向)分布呈圆盘形状，并且紧贴隔热层的内表面。这样的设计既可以加强天然气和助燃空气的混合，进而减小火焰长度，也将使得燃气温度分布更加均匀，从而有利于蓄热体中心和外围的一致加热。在点火器下游不远位置处，设置一个火检仪，用于检查天然气是否点燃、燃烧是否停止，保障设备能够安全运行。

本发明中的高温高压空气排放通过双膜片系统实现，该系统由双膜结构和两个气路组成。双膜腔不加隔热层，通径为两个气路一是膜片保护气路，二是双膜腔充气放气气路。

有益效果

本发明提出的一种空心砖蓄热式加热器，其蓄热体采用高纯度氧化铝空心砖和氧化锆空心砖，可有效的避免卵石床结构在使用过程中相当严重的粉尘问题。蓄热量和耗热量比大于20，可以提供足够的热量给空气。隔热层分为热衬、内环和外环三层结构，该种布置可把外环隔热层表面温度控制在380k以内。

该空心砖蓄热式加热器可以达到的试验能力如下：

模拟燃烧室进口总压pt＝1.0～5.0mpa；模拟燃烧室进口总温tt＝900～2200k，可满足飞行马赫数4～7的飞行要求；气流质量流量有效的工作时间不小于30sec。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种空心砖蓄热式加热器作进一步的详细说明。

图1为本发明空心砖蓄热式加热器的结构轮廓示意图。

图2为本发明空心砖蓄热式加热器的蓄热体截面轮廓示意图。

图3为本发明空心砖蓄热式加热器的一体化预热燃烧器示意图。

图4为本发明空心砖蓄热式加热器的双膜片系统结构示意图。

图5为本发明空心砖蓄热式加热器的压力容器罐体结构三维示意图。

图中：

1.旋风叶片2.火检仪3.温度传感器4.点火器5.压力传感器6.膜片压盖7.前膜片8.膜片腔9.后膜片10.出口气11.温度测量接口12.排气口13.高压空气入口

具体实施方式

本实施例是一种超燃冲压发动机燃烧室地面试验系统中的空心砖蓄热式加热器。

参阅图1～图5，本实施例空心砖蓄热式加热器由蓄热体、隔热层、压力容器罐体、预热燃烧器以及双膜片组成。

蓄热体采用高纯氧化铝空心砖和氧化锆空心砖，蓄热体高度为4000mm。蓄热体位于加热器中心区，其分块间由止口定位，交错排列，以保证通气孔在安装和使用中的对其需要。块与块留有膨胀间隙，防止块受热膨胀后相互挤坏蓄热阵块。减小了热应力载荷的破坏影响。

隔热层中热衬采用氧化锆空心球砖，热衬各层设有止口定位，以保证其成型需要。内环隔热层采用莫来石轻质砖，外环隔热层采用ha耐火纤维叠块，各层分块之间交错排列以防止在蓄热体在容器壁间形成热桥，进而危机容器安全，同时分块在径向和周向留有膨胀间隙，防止块受热膨胀后挤坏砖块。

浇注底座位于压力容器底部，采用半轻质浇注料捣打成型，浇注底座上部嵌入的锥形支撑框架用于承受蓄热体，采用材料是不锈钢，框架顶部为带孔圆板，开孔大小及位置与蓄热体相对应，以保证高压气流通畅。

预热燃烧器采用与加热器一体化方案，进气口内径为可为燃烧提供足够空间，助燃空气采用静止叶片导向，以产生有利于气流混合的强旋转气流。采用高能火花点火器点火，安装火检仪器对燃烧状况进行监测，结构如图3所示。

双膜片系统由膜片腔、膜片压盖和前、后膜片组成。膜片腔腔体内径为内部不布置隔热层。结构如图4所示。

压力容器罐体总长6100mm，内径为总重约为13t，如图5所示。下部段及其内的浇注底座、支撑框架可以进行适当的更换。罐体外表面留有12个温度测量接口，其中最下部圆周均匀分布3个，另外沿轴向分布9个。由于在隔热层设计中，隔热层外壁温控制在400k以内。所以，压力容器罐体设计温度定位400k，设计压力为6mpa，材料采用16mnr(400k温度下许用应力159mpa)。经计算，最大应力出现在支座处，为124.1mpa(≤159mpa)。