[发明专利]一种超音速换热器及其使用方法

说明书

一种超音速换热器，包括管路连通的温度模拟单元和超音速喷管；温度模拟单元包括管体和壳体，管体位于壳体内部，管体内为第一介质通道，管体的外壁与壳体的内壁之间的空间形成第二介质通道；第一介质通道的入口通过管路与第一介质源连通，出口与外界连通；第二介质通道的入口与第二介质源连通，出口与超音速喷管的入口等直段连通。本发明在温度模拟单元和发动机进气口之间设置拉瓦尔型的超音速喷管，实现超音速发动机以及发动机地面试验时，超音速发动机的超音速进气状态模拟，同时，通过超音速喷管进入稳定工作状态计算公式，能够准确确定超音速喷管进入稳定工作状态的时间，大幅缩短试验时间，降低了试验成本，避免了能源浪费。

技术领域

本发明涉及试验测量技术领域，尤其是一种超音速换热器及其使用方法。

背景技术

换热器又称热交换器，是冷热流体间进行换热的设备，在化工、石油、动力、食品等部门，换热器广泛用作加热器、冷却器和冷凝器。对于发动机试车台，换热器也是关键部件，其用于加热发动机模拟实验的进气，在发动机多状态验证试验中，要求一组进气参数达到一个状态点的设定值并稳定后，记录其性能参数和/或考核其性能后进入下一个状态点的试验。随着发动机的日趋成熟，超音速发动机的应用日趋广泛，在此基础上，用于飞机尤其是无人机的超音速发动机以及发动机地面试验时，发动机进气系统需要模拟超音速发动机的超音速进气状态，现有发动机试车台技术，对于超音速发动机进气模拟尚无成熟技术；此外，现有使用换热器加热发动机模拟实验的进气时，没有准确的方法确定换热器是否进入稳定工作状态，即无法准确确定被加热的发动机进气的温度是否进入稳定状态，只能通过大幅提高换热器在一个状态点的运行时间的方式保证换热器进入稳定工作状态，导致试验时间大幅增长，试验成本大幅提高，同时也造成了能源浪费。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种超音速换热器及其使用方法。

本发明的技术解决方案是：一种超音速换热器，包括管路连通的温度模拟单元和超音速喷管；温度模拟单元包括管体和壳体，管体位于壳体内部，管体内为第一介质通道，管体的外壁与壳体的内壁之间的空间形成第二介质通道；超音速喷管包括依次同轴固定连接的入口等直段，亚音速收敛段，初始超音速膨胀段和超音速膨胀段；入口等直段，亚音速收敛段，初始超音速膨胀段和超音速膨胀段均为中空回转体，入口等直段，亚音速收敛段，初始超音速膨胀段和超音速膨胀段的回转轴相同；亚音速收敛段的内部流道为连续收缩的圆弧的轴回转曲面，初始超音速膨胀段的内部流道为连续扩张的圆弧的轴回转曲面，超音速膨胀段的内部流道为圆台面；亚音速收敛段内部流道连续收缩圆弧的半径与初始超音速膨胀段内部流道连续扩张圆弧的半径相同，亚音速收敛段和初始超音速膨胀段的内部流道连接截面为喉道的截面；超音速膨胀段的内部流道圆台的母线与初始超音速膨胀段内部流道连续扩张圆弧的尾端相切；第一介质通道的入口通过管路与第一介质源连通，出口与外界连通；第二介质通道的入口与第二介质源连通，出口与超音速喷管的入口等直段连通。

进一步的，喷管的亚音速收敛段内部流道连续收缩圆弧的半径至少为喉道直径的4倍。

进一步的，喷管的超音速膨胀段的内部流道圆台面的母线与超音速膨胀段的回转轴的角度大于等于6°，小于等于8°。

上述超音速换热器的使用方法，包括如下步骤：

S1)、以温度模拟单元所能承受的最高工况值向第一介质通道供给第一介质，同时按照试验预定值向第二介质通道供给第二介质；

S2)、保持步骤S1的状态至温度模拟单元进入稳定工作状态；

S3)、将第一介质供给状态由温度模拟单元所能承受的最高工况值供给调节至按照试验预定值供给；

S4)、保持第一介质和第二介质均按照实验预定值供给状态至温度模拟单元进入稳定工作状态；

S5)、待超音速喷管工作稳定后，完成超音速换热器的调试，超音速换热器进入试验工作的稳定状态。