CN104599938B - 一种离心机用辐射加热石英灯 - Google Patents

Abstract

本发明属于飞行器结构综合离心试验设备技术领域，具体涉及一种离心机用辐射加热石英灯。其包括灯丝（1）和灯管，灯管包括灯头（4）和灯壁（5），所述灯丝（1）的缠绕方式采用螺旋结构，灯丝（1）每个绕丝截面通过“U”形的上端开口处两点和底部一点与灯壁（5）三点接触。所述灯壁（5）设有多个向内凸起的半球形凹槽（3），用于固定螺旋结构的灯丝（1）。本发明的有益效果在于：灯丝（1）缠绕方式采用螺旋结构，去除了灯托（2）设计，极大增大了灯丝（1）抗变形的能力。灯壁的凹槽（3）能在任意位置将灯丝（1）定位卡住，使得灯丝（1）的轴向变形只能发生在小区域内部，防止了灯丝（1）的整体变形。

Description

一种离心机用辐射加热石英灯

技术领域

本发明属于飞行器结构综合离心试验设备技术领域，具体涉及一种离心机用辐射加热石英灯。

背景技术

综合离心环境试验系统主要用于提供机动过载下的复合动力学模拟环境，以满足机动飞行环境试验要求。综合离心环境试验的对象主要是载体上小尺度的关键仪器和设备，例如开关装置、惯性仪器、制导设备、阀门与管路等。对于仪器和设备主要进行过载－热环境试验，对于关键设备进行过载－振动－热环境综合试验。在所有的综合离心环境试验中，热环境的模拟是试验考核的核心部分。目前，国内外比较普遍的模拟方式是采用辐射加热的方式，通过辐射加热器的输出模拟试验件承受的热环境。而其中加热器的核心是加热元件。

普通的热试验中常使用石英灯作为辐射加热元件，其优点是成本低、寿命长、时间常数较小，比较合适模拟飞行器的气动加热，包括针对石英灯的辅助设计技术、控制算法等也比较成熟。但是在离心环境下，由于离心力和惯性力的作用，石英灯处于过载状态，将承受较大的离心力。

现有技术中的石英灯包括螺旋叠加结构的灯丝1、用于支撑灯丝的灯托2以及灯管，其中灯管由灯头4和灯壁5组成。灯丝采用螺旋叠加结构，高温下灯丝软化，在离心力和惯性力的作用下灯丝会产生变形；同时，灯丝托只起到了托起灯丝远离灯壁的作用，而没有轴向对灯丝的移动进行约束，软化后的灯丝向一端聚集，容易造成灯丝的断裂。传统石英灯在高温离心过载后其灯丝变形如图2所示。灯丝靠近一侧的灯壁，灯丝温度极高，造成灯壁融合受损，由于在石英灯正常工作时，灯管内部属于高温高压环境，所以灯壁的损坏将引起石英灯的损坏，从而导致终止实验。因此需要提供一种在通电加热条件下，能在80g加速度环境下正常工作的石英灯，满足综合离心环境试验中过载环境下的加热需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有石英灯结构灯丝易变形的技术问题，根据离心力环境改进石英灯设计，提供一种离心机用辐射加热石英灯，通过对石英灯的灯丝结构、灯托结构以及石英灯管的形状进行改进，以满足于高温离心过载环境的使用要求。

实现本发明目的的技术方案：

一种离心机用辐射加热石英灯，包括两条呈螺旋结构缠绕的灯丝和灯管，灯管包括灯头和灯壁，每条灯丝的绕丝截面呈“U”形，灯丝每个绕丝截面通过“U”形的上端开口处两点和底部一点与灯壁三点接触。

进一步地，所述灯壁设有多个向内凸起的半球形，用于固定螺旋结构的灯丝。

进一步地，所述的每个绕丝截面与相邻的绕丝截面之间呈5°～45°角度布置。

进一步地，所述的每个绕丝截面与相邻的绕丝截面之间呈15°角度布置。

本发明的有益效果在于：本发明的灯丝缠绕方式采用螺旋结构，去除了灯托设计，而是使得灯丝每一个绕丝截面都和灯壁之间点接触，极大增大了灯丝抗变形的能力，防止了灯丝在离心力的作用下变形过大而附着在灯壁上损坏灯管。灯丝各绕丝横截面为“U”形，且相互之间错位，减少了各绕丝之间的相互影响，防止了轴向变形的累积。同时加大各绕丝之间的间隙，使得灯丝在惯性力下产出的轴向变形量由各绕丝之间的间隙相抵消，防止了变形的累积对整条灯丝的影响。灯壁向内凸起的半球形能在任意位置将灯丝定位卡住，使得灯丝的轴向变形只能发生在小区域内部，防止了灯丝的整体变形。

附图说明

图1为现有技术中石英灯结构示意图；

图2为图1中石英灯离心过载损坏后结构示意图；

图3为本发明的离心机用辐射加热石英灯的结构示意图；

图4为图3中石英灯一条灯丝的截面结构示意图；

图中，1-灯丝，2-灯托，3-半球形，4-灯头，5-灯壁。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

本实施例中的离心机用辐射加热石英灯，其结构如图3所示，包括灯管和两条呈螺旋结构缠绕的灯丝1，灯管包括灯头4和灯壁5；每条灯丝1的绕丝截面呈“U”形，灯丝1绕丝环绕一圈为一级，每条灯丝1的绕丝截面相邻各级相互之间呈15°布置，每个绕丝截面通过“U”形的上端开口处两点和底部一点与灯壁5三点接触，如图5所示。

改进后的灯丝1缠绕方式采用螺旋结构，去除了现有设计中的灯托2，使灯丝1每一个绕丝截面都和灯壁5之间点接触，极大增大了灯丝1抗变形的能力，防止了灯丝1在离心力的作用下变形过大而附着在灯壁5上损坏灯管。灯丝1各绕丝截面为“U”形，且相互之间错位，减少了各绕丝之间的相互影响，防止了轴向变形的累积。同时了加大各绕丝之间的间隙，使得灯丝1在惯性力下产出的轴向变形量由各绕丝之间的间隙相抵消，防止了变形了累积对整条灯丝1的影响。同时，采用螺旋结构的灯丝1使得单位长度内灯丝密度下降，降低石英灯管加热时内部的温度，从而减低了加热过程中灯管内部的压力提高了石英灯管的使用寿命。

通过实验，本实施例中的离心机用辐射加热石英灯，在额定电压220V条件下，加热功率能够达到2kW。同时，具有一定高压使用能力，在330V电压条件下，其加热功率超过3.5kW，能够使2mm厚钢质圆桶加热到1000℃。在加速度为80g离心力环境中，本实施例中的离心机用辐射加热石英灯在额定电压下能够正常工作5min以上，加热功率能够保证达到2.1kW以上，能够使2mm厚钢质圆桶加热到600℃。工作5min后其灯丝轴向变形量极小，可多次使用而不损坏。

实施例2

为进一步提高灯丝等抗变形能力，在实施例1的基础上对灯丝1的位置固定进行改进。所述灯壁5的内壁带有多个向内凸起的半球形3，双螺旋结构的灯丝1卡在凹槽中。

传统石英灯由于使用过程为静态环境，灯丝1不受力，所以只采用灯托2托起灯丝1远离灯壁5。在灯丝1正常工作时，灯丝1在高温下软化，容易在惯性力的作用沿轴向下向一侧滑动。将灯壁5设计成带多个凹槽面的结构，本实施例中的石英灯长度为325mm，每隔50mm加工一对内凸起的半球形3，径为2.5mm，由于灯丝1采用双螺旋结构，每一个绕丝截面都和灯壁5有点接触，所以内凸起的半球形3能在任意位置将灯丝1定位卡住，使得灯丝1的轴向变形只能发生在50mm内的小区域内部，防止了灯丝1的整体变形。通过改进灯丝1结构和灯丝1固定方式，设计出满足高温离心过载环境中使用的石英灯，满足热离心试验的使用要求。通过离心试验，在通电正常工作，加速度为80g环境中，改进后的石英灯正常工作5min以上，加热功率超过2kW，可以实现各类加热曲线控制，能够满足综合离心环境试验中过载环境下的加热需求。

本实施例的中对石英灯的改进同样可用于不同长度，不同功率的石英灯的改进。

实施例3

在实施例1的基础上，增加每条灯丝1的绕丝截面相邻各级相互之间的夹角，则灯丝密度降低，抗变形能力提高，均能够保证220V和80g离心力环境中正常工作5min以上不变形；但是由于功率逐渐下降，需要更多的加热时间导致实验过程延长。

当每条灯丝1的绕丝截面相邻各级相互之间布置为25°时，灯丝1功率能够达到1900W左右；当每条灯丝1的绕丝截面相邻各级相互之间布置为35°时，灯丝1功率能够达到1650W左右；当每条灯丝1的绕丝截面相邻各级相互之间布置为45°时，灯丝1功率可以达到1500W左右，此时能够满足综合离心环境试验中过载环境下的加热需求。但是当灯丝1的额定功率小于1500W时，由于功率过低将导致石英灯无法满足综合离心环境试验中过载环境下的加热需求。

实施例4

在实施例1的基础上，降低每条灯丝1的绕丝截面相邻各级相互之间的角度，则灯丝1密度提高，功率逐渐提高，能够满足综合离心环境试验中过载环境下的加热需求；但是由于功率过高导致其抗变形能力降低，在220V和80g离心力环境中正常工作的时间逐渐变短，长时间工作时容易损坏，影响实验的正常进行。

当每条灯丝1的绕丝截面相邻各级相互之间布置为10°时，灯丝1功率能够达到2400W左右，在220V和80g离心力环境中正常工作时能够保持5min以上不变形；当每条灯丝1的绕丝截面相邻各级相互之间布置为5°时，灯丝1功率达到2700W左右，在220V和80g离心力环境中正常工作时能够保持5min不变形。但是当灯丝1的绕丝截面相邻各级相互之间继续减小时，虽然可以满足综合离心环境试验中过载环境下的加热需求，但是由于灯丝1容易变形，会导致石英灯损坏，影响实验进行。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种离心机用辐射加热石英灯，其特征在于：包括灯管和两条呈螺旋结构缠绕的灯丝(1)，灯管包括灯头(4)和灯壁(5)；每条灯丝(1)的绕丝截面呈“U”形，每个绕丝截面通过“U”形的上端开口处两点和底部一点与灯壁(5)三点接触。

2.如权利要求1所述的一种离心机用辐射加热石英灯，其特征在于：所述的每个绕丝截面与相邻的绕丝截面之间呈5°～45°角度布置。

3.如权利要求2所述的一种离心机用辐射加热石英灯，其特征在于：所述的每个绕丝截面与相邻的绕丝截面之间呈15°角度布置。

4.如权利要求1所述的一种离心机用辐射加热石英灯，其特征在于：所述灯壁(5)设有多个向内凸起的半球形(3)，用于固定螺旋结构的灯丝(1)。