CN112682954A - 一种电弧加热器电极 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航空航天飞行器气动热地面模拟试验装置技术领域，尤其是涉及一种电弧加热器电极。电弧加热器电极包括基体、冷却水道和高压气道；基体为一体式成型的圆柱体筒型结构；基体内壁和外壁之间布置有多条筋槽；所述高压气道分为若干段，每段高压气道均包括进气孔、集气环和切向进气孔；所述集气环设置在基体内并分布在冷却水道的***，所述进气孔沿基体的外壁向内延伸并与集气环连通；切向进气孔的一端与集气环连通，另一端沿基体内壁的切线方向与基体内腔连通。通过使用电极内壁气膜保护方法，可以减轻电弧加热器烧损状况、延长电弧加热器使用寿命、提高电弧加热器运行效率、减少电弧加热器内高温气体中的金属蒸气杂质，提高气体纯净度。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天飞行器气动热地面模拟试验装置技术领域，尤其是涉及一种电弧加热器电极。
背景技术
电弧加热器是国内外航天飞行器热防护地面模拟试验研究的核心设备，是解决导弹、返回式卫星、载人飞船返回舱等高超声速飞行器热防护地面考核的重要手段。随着我国各类航天器型号的研制工作对电弧加热器性能的需求不断提高，需要进一步提升电弧加热器的性能。
可以通过两种方式提升电弧加热器的性能：其一是提高电弧加热器的运行总功率，另一种方式是提高电弧加热器运行时的热效率。提高电弧加热器运行总功率需要对配套的高压冷却水***、高压电整流***等设施进行更新，工作量、费用巨大且复杂。而提升加热器运行热效率仅需对加热器中电极的结构进行改进，可行性高。
目前，大多数类型的电弧加热器的电极均采用内外套式结构，在内套与外套之间布置冷却水道，该结构使得电极的加工周期较长，安装过程复杂。此外，电极内外套之间采用橡胶密封圈对冷却水进行密封。在电弧加热器运行时，加热器内部的高温环境容易使橡胶密封圈炭化而失效，导致加热器漏水，试验失败。鉴于以上问题，需要研制一种新型电弧加热器电极，提高加热器运行热效率、简化电极加工与安装工序，并提高电极运行的可靠性。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种电弧加热器电极，该电弧加热器电极能够解决现有技术中热效率低的问题；
本发明提供一种电弧加热器电极，其包括基体、冷却水道和高压气道；
所述基体为一体式成型的圆柱体筒型结构；
所述冷却水道包括入口、集水环、筋槽和出口；
所述基体内壁和外壁之间布置有多条筋槽，筋槽沿基体的轴线方向布置；
所述基体的两端分别设置有一个集水环，筋槽的一端与其中一个集水环连通，筋槽的另一端与另一个集水环连通；
两个所述集水环其中一个与入口连通，另一个与出口连通；
所述高压气道分为若干段，每段高压气道均包括进气孔、集气环和切向进气孔；
所述集气环设置在基体内并分布在冷却水道的***，所述进气孔沿基体的外壁向内延伸并与集气环连通；切向进气孔的一端与集气环连通，另一端沿基体内壁的切线方向与基体内腔连通。
优选的，所述基体上设置有多个入口，多个入口沿基体的周向均匀分布；
所述入口设置在基体的外壁面上，且入口从沿基体的径向从外壁面向内延伸并与集水环连通。
优选的，所述基体上设置有多个出口，多个出口沿基体的周向均匀分布，且出口的数量多于入口的数量。
优选的，所述筋槽与基体内壁之间距离不大于1mm，冷却水道的等效通径不小于3mm。
优选的，所述进气孔沿径向方向从基体外壁向基体内侧延伸并连通集气环；
所述集气环呈圆环状，集气环与基体同心布并设置于基体内腔与外壁之间；
每个集气环均连通有多个数个切向进气孔，多个切向进气孔沿基体周向均布。
优选的，所述切向进气孔向基体内腔进气方向与基体中电弧旋转方向一致。
优选的，所述切向进气孔使用拉瓦尔喷管型面；
切向进气孔中部形成最小截面喉道，且该喉道直径小于或等于1mm；每段高压气道所述切向进气孔数量不少于4个。
优选的，每段所述高压气道包括至少一个进气孔；
当进气孔为多个时，多个进气孔沿基体的周向均布；
每段所述高压气道的全部进气孔的截面积之和应等于集气环的截面积，并大于全部切向进气孔的喉道截面积之和。
优选的，所述高压气道内的气体为高压冷气，且高压冷气的气体成分与基体内的主要工作气体相同。
优选的，所述基体采用金属3D打印增材制造技术加工并一体成型。
有益效果：通过使用电极内壁气膜保护方法，可以减轻电弧加热器烧损状况、延长电弧加热器使用寿命、提高电弧加热器运行效率、减少电弧加热器内高温气体中的金属蒸气杂质，提高气体纯净度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施方式提供的电极剖视图；
图2为本发明具体实施方式提供的电弧加热器内壁气膜保护方法示意图；
图3为本发明具体实施方式提供的电弧加热器内壁气膜保护方法工作示意图。
附图标记说明：
1：基体；2：冷却水道；3：高压气道；
21：入口；22：集水环；23：筋槽；24：出口；
31：进气孔；32：集气环；33：切向进气口；34：高压冷气。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图3所示，在本实施方式中，提供了一种电弧加热器电极，其包括基体1、冷却水道2和高压气道3。
基体1为一体式成型的圆柱体筒型结构。
冷却水道2包括入口21、集水环22、筋槽23和出口24。
基体1内壁和外壁之间布置有多条筋槽23，筋槽23沿基体1的轴线方向布置。
基体1的两端分别设置有一个集水环22，筋槽23的一端与其中一个集水环22连通，筋槽23的另一端与另一个集水环22连通。
两个集水环22其中一个与入口21连通，另一个与出口24连通。
高压气道3分为若干段，每段高压气道3均包括进气孔31、集气环32和切向进气孔33。
集气环32设置在基体1内并分布在冷却水道2的***，进气孔31沿基体1的外壁向内延伸并与集气环32连通。切向进气孔33的一端与集气环32连通，另一端沿基体1内壁的切线方向与基体1内腔连通。
当电弧加热器处于工作状态时，高压电弧处于电极基体1的内腔中，高压电弧用于将基体1内腔中的高压气流加热至高温状态。冷却水通过冷却水道2对电极进行冷却。电弧弧根落于电极内壁某处，并高速旋转，形成弧根面。通过电弧电压判断电弧位置，并通过位于弧根上游处的高压气道3注入高压冷气34，在基体1内壁附近形成冷气膜。
具体的，电弧加热器运行时，基体1的主要工作气体沿基体1内腔的轴线方向运动，高压冷气34沿基体1轴向依次排列的数段高压气道3持续注入，高压冷气34经进气孔31进入集气环32中，再通过切向进气孔33进入基体1内，沿基体1内壁面形成连续的环形冷气膜。冷却水从均匀分布于基体1内壁之外的冷却水道2持续注入，经入口21进入集水环22，再沿筋槽23流动经出口24离开基体1，共同实现对电极基体1的整体保护。
通过使用电极内壁气膜保护方法，可以减轻电弧加热器烧损状况、延长电弧加热器使用寿命、提高电弧加热器运行效率、减少电弧加热器内高温气体中的金属蒸气杂质，提高气体纯净度。利用冷却水道2和高压气道3共同对电极基体1进行整体保护，能够提高电极的热效率。
基体1上设置有多个入口21，多个入口21沿基体1的周向均匀分布。
入口21设置在基体1的外壁面上，且入口21从沿基体1的径向从外壁面向内延伸并与集水环22连通。
基体1上设置有多个出口24，多个出口24沿基体1的周向均匀分布，且出口24的数量多于入口21的数量，并且出口24与入口21不在基体1同一纵向截面内。
冷却水道2采用数条筋槽23式结构设计，这种结构可降低水流湍流度，减少流阻系数，增强弧根处局部的换热效率，减少烧损，延长电极寿命。
筋槽23与基体1内壁之间距离不大于1mm，冷却水道2的等效通径不小于3mm，以确保基体1内腔壁面得到足够冷却。
高压气道3采用电弧加热器内壁气膜保护方法设计。电弧加热器内壁气膜保护方法，预解决的技术问题包括：1、在不降低电弧加热器运行效率的前提下能够减轻电弧加热器烧损状况，延长电弧加热器使用寿命；2、提高电弧加热器运行效率；3、减少电弧加热器内气体中的金属蒸气杂质，提高气体纯净度。
高压气道3各组成结构的具体设置方式为：
进气孔31沿径向方向从基体1外壁向基体1内侧延伸并连通集气环32。
集气环32呈圆环状，集气环32与基体1同心布并设置于基体1内腔与外壁之间。
每个集气环32均连通有多个数个切向进气孔33，多个切向进气孔33沿基体1周向均布。
切向进气孔33向基体1内腔进气方向与基体1中电弧旋转方向一致，以确保产生均匀有效的冷气保护膜。
高压气道3具有若干段，并均匀分布于冷却水道2的***，各段高压气道3之间相互分离。每一段高压气道3均经过集气环32后形成若干切向进气孔33，切向进气孔33穿过筋槽23式冷却水道2上预留的空隙，沿基体1内壁切向通入基体1内腔。
具体地，如图2所示，当电弧加热器工作时，电弧弧柱位于基体1中心轴线附近，加热器内工作气体被电弧加热成为高温气体，并同时具有沿轴向的速度和绕中心轴线的旋转速度。高压冷气34持续地从进气孔31进入集气环32中，并通过切向进气孔33进入基体1内，在加热器内壁面形成冷气膜。将以上截面结构在基体1中沿轴向数次排列后(即高压气道3分为若干段，每段高压气道3的结构相同，但彼此之间相互隔离)可形成连续的冷气膜，将高温气体包裹在其中，使得高温气体不直接与电极内壁接触，从而降低电极内壁的温度，减轻电极内壁的烧损状况，进而提高电极的使用寿命，同时还减少了电弧加热器内气体中的金属蒸气杂质，提高气体纯净度。冷气膜的存在还降低了高温工作气体与加热器之间的热传递，减少了在加热器结构上的热损耗，进而提高了电弧加热器的运行效率。
切向进气孔33使用拉瓦尔喷管型面，切向进气孔33中部形成最小截面喉道，且该喉道直径小于或等于1mm，以确保冷气保护膜具有足够强度的同时减少冷气膜与加热器内工作气体间占比。
每段高压气道3所述切向进气孔33数量不少于4个，以确保冷气保护膜具有足够的连续性，切向进气孔33的具体数量视基体1的内径尺寸而定。
每段所述高压气道3包括至少一个进气孔31，当进气孔31为多个时，多个进气孔31沿基体1的周向均布。在具体实施过程中，进气孔31的具体数量视基体1的结构与切向进气孔33的数量而定。
每段高压气道3的全部进气孔31的截面积之和应等于集气环32的截面积，并大于全部切向进气孔33的喉道截面积之和，以确保在切向进气孔33处形成有效的声速截面。
高压气道3内的气体为高压冷气34，且高压冷气34的气体成分与基体1内的主要工作气体相同，以确保基体1内工作气体不会掺入杂质。
基体1采用金属3D打印增材制造技术加工并一体成型。通过采用3D打印金属增材制造工艺，能够实现前电极内复杂冷却水道2与高压气道3的结构形式，减少密封件的使用，提高电极的工作可靠性；
通过采用3D打印金属增材制造工艺，能够实现电极的一体化加工，从而简化电极加工与安装，降低前电极冷却水道2和高压气道3的冗余体积，并提高电极在工作状态下的可靠性。
综上所述，本实施方式的电弧加热器电极，能够有效减轻电弧加热器烧损状况，延长电弧加热器使用寿命，提高电弧加热器运行效率，并减少电弧加热器内气体中的金属蒸气杂质，提高工作气体纯净度。
由于基体1内的冷却水道2和高压气道3具有交错排列、相互隔离等特点，电极基体1需要采用3D打印金属增材制造技术进行设计加工。通过3D打印金属增材制造，也可以将现有的内外套形式的电弧加热器电极改变为一体成型式，缩短电极的加工工时，简化电极的装配工序，并使电极省略了传统的密封圈密封方式，提高电极在工作状态下的可靠性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种电弧加热器电极，其特征在于，包括基体、冷却水道和高压气道；
所述基体为一体式成型的圆柱体筒型结构；
所述冷却水道包括入口、集水环、筋槽和出口；
所述基体内壁和外壁之间布置有多条筋槽，筋槽沿基体的轴线方向布置；
所述基体的两端分别设置有一个集水环，筋槽的一端与其中一个集水环连通，筋槽的另一端与另一个集水环连通；
两个所述集水环其中一个与入口连通，另一个与出口连通；
所述高压气道分为若干段，每段高压气道均包括进气孔、集气环和切向进气孔；
所述集气环设置在基体内并分布在冷却水道的***，所述进气孔沿基体的外壁向内延伸并与集气环连通；切向进气孔的一端与集气环连通，另一端沿基体内壁的切线方向与基体内腔连通。
2.根据权利要求1所述的电弧加热器电极，其特征在于，所述基体上设置有多个入口，多个入口沿基体的周向均匀分布；
所述入口设置在基体的外壁面上，且入口从沿基体的径向从外壁面向内延伸并与集水环连通。
3.根据权利要求2所述的电弧加热器电极，其特征在于，所述基体上设置有多个出口，多个出口沿基体的周向均匀分布，且出口的数量多于入口的数量。
4.根据权利要求1所述的电弧加热器电极，其特征在于，所述筋槽与基体内壁之间距离不大于1mm，冷却水道的等效通径不小于3mm。
5.根据权利要求1所述的电弧加热器电极，其特征在于，所述进气孔沿径向方向从基体外壁向基体内侧延伸并连通集气环；
所述集气环呈圆环状，集气环与基体同心布并设置于基体内腔与外壁之间；
每个集气环均连通有多个数个切向进气孔，多个切向进气孔沿基体周向均布。
6.根据权利要求5所述的电弧加热器电极，其特征在于，所述切向进气孔向基体内腔进气方向与基体中电弧旋转方向一致。
7.根据权利要求5所述的电弧加热器电极，其特征在于，所述切向进气孔使用拉瓦尔喷管型面；
切向进气孔中部形成最小截面喉道，且该喉道直径小于或等于1mm；每段高压气道所述切向进气孔数量不少于4个。
8.根据权利要求5所述的电弧加热器电极，其特征在于，每段所述高压气道包括至少一个进气孔；
当进气孔为多个时，多个进气孔沿基体的周向均布；
每段所述高压气道的全部进气孔的截面积之和应等于集气环的截面积，并大于全部切向进气孔的喉道截面积之和。
9.根据权利要求5所述的电弧加热器电极，其特征在于，所述高压气道内的气体为高压冷气，且高压冷气的气体成分与基体内的主要工作气体相同。
10.根据权利要求1所述的电弧加热器电极，其特征在于，所述基体采用金属3D打印增材制造技术加工并一体成型。
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