[发明专利]一种用于高温风洞空心砖型蓄热式加热器隔热层设计

说明书

本发明公开了一种用于高温风洞空心砖型蓄热式加热器隔热层设计，隔热层主要由外壳压力容器和内部隔热结构组成，内部隔热结构主要有三部分组成，分别是拱顶，筒体和锥底，拱顶最内层采用氧化锆重质制品，中间层采用氧化锆空心球制品和氧化铝空心球制品，最外层采用纤维涂抹料。筒体高温部分由内到外分别是耐冲刷高温热衬，高温内环隔热层，中环隔热层，外环隔热层，超级绝热层。锥底部分为高强度耐火浇注料。隔热层厚度的计算方法根据经典导热理论，以及热平衡，采用一维导热计算方法求解5组方程得出。压力容器保证了隔热层气流的密封隔绝，罐体底部圆弧面结构有效支撑了整个蓄热式加热器，特有的子母扣砖体结构使隔热层结构密封性更好。

技术领域

本发明属于加热器隔热层设计领域，具体来说，涉及一种用于高温风洞空心砖蓄热式加热器隔热层的材料选择，热力计算以及结构布局。

背景技术

采用空心砖蓄热式加热器用于超声速风洞的空气加热，属于高温纯空气加热设备，它能够提供无污染，并且满足物理化学要求的高焓空气。由于空心砖式蓄热式加热器的蓄热阵使用温度高，最高可达到2100K左右，并且预热时间长，为了减少热损失，确保使用安全，隔热层设计至关重要。迄今为止，国外先后研制了30余套蓄热式加热系统，其中比较典型的有美国AEDC的9#风洞、NASA格林研究中心的高超声速风洞设备HTF、日本防卫厅研究开发局的RJTF、法国空间局的S4风洞等，但目前国内并没有用于超声速风洞的空心砖蓄热式加热器，然而用于空心砖蓄热式加热器的隔热层需要将温度从2100K降到360K左右，温降很大，并且蓄热器有外壳压力容器的限制，要保证在有限的厚度内达到需要的外围温度对于一般的隔热设计非常困难，国内目前并没有应用在超声速风洞的空心砖蓄热式加热器隔热层系统。

罗飞腾，宋文艳等人2013年在期刊实验流体力学发表的文章：高温风洞蓄热式加热器蓄热单元初步设计与分析，其中理论上分析了一种空心砖蓄热式加热器的设计研究，但没有具体讲述蓄热加热器隔热层的设计。

刘峰，林彬等人2011年在期刊兵工学报发表的文章：高速飞行器复合材料隔热层参数化设计，针对某高速航天飞行器的实际工况，首先设计出新型的整流罩复合材料隔热层形式，并在此基础上开展基于遗传算法和有限元参数化分析的优化设计，最终得到满足安全要求并具有最佳厚度的隔热层结构尺寸。

马秀峰，李志勇等人2015年在期刊推进技术发表的文章：冲压发动机用梯度隔热层隔热性能研究，为了解决冲压发动机被动热防护结构在长时间、狭小空间、大温度梯度下的隔热问题，提出了多层组合梯度隔热方案。对发动机隔热层工作时的受热情况进行初步分析。

隔热层的设计在需要保温的装置中比较常见，但对于特定的结构，隔热层的设计有不同的要求，针对超音速燃烧蓄热加热器的要求，隔热层需要将接近2000K的温度降到360K左右，一般的材料以及结构无法满足要求，而且也要充分考虑材料成本，蓄热式加热器隔热层包裹在蓄热阵外面，还需要满足加热器支撑，密封的要求。

发明内容

为了避免现有的隔热层设计中存在的不足，考虑隔热层设计中材料以级结构的耐温性能、隔热性能、耐压性能、砖块尺寸设计、热膨胀间隙设计、砖块之间的相嵌稳定，以及气流的密封隔绝等问题，本发明提出一种蓄热式加热器隔热层设计方法，解决了空心砖蓄热式加热器高温与外界隔离，确定了加热器需要的隔热材料层配置与各层厚度，确保加热器外壳压力容器处于安全工作环境。

加热器内蓄热阵最高温度2000K，底端温度不超过1100K，根据温度分布和结构特点，将隔热层分为三个部分：拱顶、筒体和锥底。

(1)拱顶部分