CN106679924B - 一种高频感应等离子加热风洞 - Google Patents

一种高频感应等离子加热风洞 Download PDF

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Abstract

一种高频感应等离子加热风洞，用于非平衡热环境和深空探测研究。该加热风洞包括：等离子发生器，喷管，试验段、扩压段、冷却器、真空机组和辅助系统。工作气体经等离子发生器加热，通过喷管作用在试验段的模型上，并通过扩压段增压、冷却器的冷却由真空机组排出大气。本发明提供的高频感应加热风洞能够提供高化学纯净、高温、高速气流环境的地面模拟设备，并且能够满足深空探测研究对气体组份的要求。

Description

一种高频感应等离子加热风洞
技术领域
本发明涉及深空探测领域，特别是气动热防护领域的一种等离子加热风洞。
背景技术
随着航天技术的发展，人类对深空探测的意愿越来越强，对气动热地面模拟技术的要求也越来越高。早在1964年美国就开始对火星的探测，同时对其他行星的探测研究也在进行。我国对深空探测的起步较晚，但近些年随着综合国力的增强以及航天领域研究的深入，对深空探测的需求也越来越高。传统的电弧风洞一般直流电弧加热气体用来模拟飞行器再入大气热环境，使用的气体介质主要为空气，直流电弧风洞由于电弧加热器固有的电极烧损现象，一定程度上污染了高温流场，对于防热材料真实气体效应研究和壁面催化效应研究带来影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种1MW高频等离子加热风洞，用来进行飞行器防热材料真实气体效应研究和壁面催化效应研究，并可进一步用于非平衡热环境和深空探测研究。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高频感应等离子加热风洞，包括：高频等离子发生器、喷管、试验段、扩压段、冷却器和真空机组；
高频等离子发生器使用高频感应-耦合的方式将能量传输给气体，使气体电离，产生高温等离子体；高频等离子发生器通过喷管与试验段连接，高温等离子体通过喷管进行加速，形成高温流场；试验段之后依次为扩压段、冷却器和真空机组。
所述试验段为一个长方体舱体，各壁面均有水冷冷却结构，内部为气密空间，试验模型放在试验段内；
所述扩压段设置有冷却水冷却，工作气体在扩压段内减速增压；所述冷却器内部布置多层水冷铜管，工作气体通过冷却器冷却到室温。
所述真空机组通过真空管道与冷却器连接，通过变频运行的方式调节试验段内的真空度，进而可以实现对试验段内气体流动的控制；高频等离子发生器电离的气体类型包括二氧化碳、氮气、氩气或者空气。
所述高频等离子发生器包括内环气旋子、内环与外环旋子连接件、外环气旋子、固定罩、外石英管、外石英管紧固环、内石英管、水冷电感线圈、发生器与喷嘴连接件、辐射屏蔽仓；
内环气旋子、内环与外环旋子连接件、外环气旋子、固定罩、外石英管、外石英管紧固环和内石英管同轴布置；所述的内环气旋子、外环气旋子为中空且外环面为旋转沟槽结构，外环气旋子沟槽旋转方向与内环气旋子旋转方向一致；
内环气旋子与外环气旋子之间通过内环与外环旋子连接件固连；内石英管套在内环气旋子的旋转沟槽外环面并与外环气旋子之间通过阶梯限位；外石英管套在外环气旋子的旋转沟槽外环面并通过外石英管紧固环紧固；外环气旋子固定在固定罩的上部，固定罩的下部与辐射屏蔽仓的上部固连，外石英管与内石英管部分置于辐射屏蔽仓内；辐射屏蔽仓的下部连接发生器与喷嘴连接件；水冷电感线圈缠绕在位于辐射屏蔽仓内外石英管的外围，线圈末端接高频电源。
还包括压力监测孔，安装在内环气旋子的上部，用于监测等离子发生器内的压力。
所述的内环与外环旋子连接件还包括一个保护内石英管的薄壁结构，该薄壁结构直接套装在内环气旋子的旋转沟槽外环面，且与内石英管内壁之间保留间隙。
固定罩还包括一个保护外石英管的薄壁结构，该薄壁结构直接套装在外环气旋子的旋转沟槽外环面，且与外石英管内壁之间保留间隙。
所述的薄壁结构的壁厚1-2mm。
所述内环气旋子(1)旋转沟槽数量为30～60个，旋转角度α设为15～45°；所述外环气旋子(3)旋转沟槽数量为30～60个，旋转角度β设为15～60°。
所述通过内环气旋子(1)的气体量与通过外环气旋子(3)的气体量比例设为：1/10～5/10；当高频电源提供的电压10kV以上，通过内环气旋子(1)和外环气旋子(3)的气体总量保持在20g/s以上，且外环气旋子(3)旋转沟槽旋转角度在45～60°范围内调整，等离子发生器能够达到兆瓦级且稳定运行。
本发明包括以下有益效果：
(1)使用高频感应-耦合的方式将能量传输给气体，使气体电离，产生高温等离子体，它不象电弧风洞存在电极烧损污染流场的问题。
(2)高频感应等离子加热风洞是当前唯一能够提供高化学纯净、高温、高速气流环境的地面模拟风洞设备，这对于所有与化学反应过程有关的试验研究都是至关重要的；并且可采用多种气体介质，包括空气、氮气、氩气、二氧化碳等，能够满足深空探测研究对气体组份的要求。
(3)内环旋子和外环旋子采用旋转沟槽结构使气体产生旋转，这种结构易于加工且阻力小，能够保证经过旋转沟槽的气体的旋转强度。
(4)采用内环和外环两层旋子，工作气体分层旋转进入等离子发生器，一方面满足发生器产生高频等离子体所需的工作气体，另一方面外环进入的工作气体作为冷却气体对外石英管进行充分的冷却，保证了发生器在大功率运行时外石英管的安全性和可靠性。
(5)由与外石英管和内石英管强度较低，若直接与旋子配合易使石英管破碎，在固定罩和内环与外环旋子连接件上分别设置一层薄壁结构，薄壁与旋子旋转沟槽外环面配合且与石英管内壁保留间隙，避免了金属旋子与易碎的石英管直接配合，对石英管起到保护作用。
(6)通过设计内环气旋子、外环气旋子旋转沟槽数量和角度、内环气与外环气的比例、工作气体量与电源参数的匹配等参数，可实现高频等离子发生器的不同工作气体和不同功率条件下的安全稳定工作。
(7)在本发明结构的基础上，通过调整工作气体量、高频电源输出电压、外环旋子的旋转沟槽角度等参数，可使高频等离子发生器的最大功率达到1MW并安全稳定运行，提高了高频等离子体技术的研究和应用水平。
附图说明
图1为本发明装置的示意图；
图2为本发明装置的侧视图；
图3为图1的A-A示意图；
图4为图2的B-B示意图；
图5为内环气旋子示意图；
图6为外环气旋子示意图；
图7为本发明高频等离子加热风洞的结构示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
高频感应热等离子体由于其频率高，又称射频感应耦合等离子体。高频等离子体产生的原理为：高频电源提供的高频电流通过反应器的线圈产生变化的磁场与放电管内的等离子体耦合，使气体发生电离，线圈中的交变磁场产生的感应交变电场，在导电气体中引起电流并产生焦耳热。
高频等离子体具有如下特点：(1)高频等离子体主要依靠强烈的电磁耦合产生，不需要电极，因此不存在电极蒸发污染的问题，因此产生的等离子体气氛纯净；(2)焦耳热效应的作用，可以使等离子体流达到3000～10000K的极高温度；(3)高频等离子体体积较大，焰流速度低，温度分布均匀平坦。因此，高频等离子体特别适用于难熔颗粒的加工(如球化、固气反应、超细粉制备等)以及对热环境气氛要求较高的深空探测器热防护材料的地面加热实验研究等。
高频感应等离子加热风洞采用电磁感应的方式加热气体，不存在电极污染气流的问题，与风洞连接可提供化学纯净的高温流场，用来进行飞行器防热材料真实气体效应研究和壁面催化效应研究，并可进一步用于非平衡热环境和深空探测研究。
较为典型的高频等离子体发生器主要由石英管、高频线圈以及气体通道组成，石英管作为感应放电室室壁，石英管外饶有水冷的高频感性线圈，工作气由上部引入发生器。但目前现有等离子发生器由于结构相对简单，工作气体的进气位置、进气方式、工作气体量与电源参数的匹配、石英管的冷却较差大功率条件下难以维持等方面的原因，等离子发生器的最大功率为500kW左右，一定程度上限制了高频等离子体这一纯净高温的加热技术的发展和应用。
如图7所示，本发明实施提供的1MW高频等离子加热风洞，包括：
1MW高频等离子发生器101，其由高频感应发生器和高频电源组成，使用高频感应-耦合的方式将能量传输给气体，使气体电离，产生高温等离子体；高频等离子发生器101电离的气体类型包括二氧化碳、氮气、氩气或者空气。
高频等离子发生器101通过喷管201与试验段301连接，高温等离子体通过喷管201进行加速，形成高温流场；试验段301之后依次为扩压段401、冷却器501和真空机组601。
喷管201，其上游与1MW高频等离子发生器连接101，下游与试验段连接301，工作气体通过喷管加速，形成试验所需的高温流场；
试验段301，其为一个长方形舱体，各壁面均有水冷冷却结构，内部为气密空间，试验模型放在试验段内；
扩压段401，其与试验段301连接，并有冷却水冷却，工作气体在扩压段内减速加压；
冷却器501，其与扩压段401连接，内部布置多层水冷铜管，工作气体可以通过冷却器冷却到室温；
真空机组601，其通过真空管道与冷却器连接501，为风洞系统提供真空环境；通过变频运行的方式调节试验段301内的真空度，进而可以实现对试验段301内气体流动的控制；
辅助系统，包括供水系统、供气系统、供电系统和控制系统，为1MW高频等离子加热风洞提供所需要动力和水、气系统。
本发明提供的高频感应等离子加热风洞是当前唯一能够提供高化学纯净、高温、高速气流环境的地面模拟风洞设备，并且能够满足深空探测研究对气体组份的要求。
本发明高频等离子发生器101的工作原理是：水冷电感线圈缠绕在外石英管外围，线圈末端接高频电源，当交变的高频电流通过电感线圈时在外石英管内产生变化的磁场，由法拉第定律得知，石英管内变化的磁场又感应出电场，进入发生器的气体在变化的磁场作用下发生电离并产生焦耳热，适当控制电流和气体流量以形成稳定持续的高温等离子体气流。工作气体分内外两层旋转进入等离子发生器，内环工作气体通过内环气旋子沿内石英管内壁旋转进入发生器，通过电磁感应区发生电离产生高温等离子体；外环工作气体通过外环气旋子沿外石英管内壁旋转进入发生器，一方面作为工作气体通过电磁感应区发生电离产生高温等离子体，另一方面紧贴外石英管壁面的冷气流对外石英管进行冷却，保证发生器在大功率运行时外石英管不被高温等离子体气流烧损。
如图1-3所示，双旋子兆瓦级高频感应等离子发生器，包括：内环气旋子1、内环与外环旋子连接件2、外环气旋子3、固定罩4、外石英管6、外石英管紧固环5、内石英管7、水冷电感线圈8、发生器与喷嘴连接件9、辐射屏蔽仓10和压力监测孔11。内环气旋子1、内环与外环旋子连接件2、外环气旋子3、固定罩4、外石英管6、外石英管紧固环5和内石英管7同轴布置；部分工作气体通过内环气旋子1沿内石英管7内壁旋转进入发生器，作为工作气体通过电磁感应区发生电离产生高温等离子体，内环气旋子1沟槽旋转角度为α；另一部分工作气体通过外环气旋子3沿外石英管6内壁旋转进入发生器，一方面作为工作气体通过电磁感应区发生电离产生高温等离子体，另一方面紧贴外石英管壁面的冷气流对外石英管进行冷却以防止其被高温等离子体气流烧损，外环气旋子3沟槽旋转方向与内环气旋子旋转方向一致，沟槽旋转角度为β。水冷电感线圈8缠绕在外石英管外围，线圈末端接高频电源，交变的高频电流通过电感线圈时在外石英管6内产生变化的磁场，通过外环气旋子和内环气旋子进入发生器的气体在变化的磁场作用下发生电离并产生焦耳热，适当控制电流和气体流量以形成稳定持续的高温等离子体气流。
如图4所示，在内环气旋子、内环旋子与外环旋子连接件、外环旋子和固定罩上均设有冷却水通道，且相互连通，冷却水的入口和出口均集成在内环气旋子上，通过循环冷却水对以上部件进行冷却。
如图5所示，内环气旋子1旋转沟槽数量为30～60个，旋转角度α设为15～45°。
如图6所示，外环气旋子3旋转沟槽数量为30～60个，旋转角度β设为15～60°。
通过内环气旋子1的气体量与通过外环气旋子3的气体量比例设为：1/10～5/10。
在上述的双旋子兆瓦级高频感应等离子发生器中，发生器最大功率为1MW。
本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种高频感应等离子加热风洞，其特征在于：包括：高频等离子发生器(101)、喷管(201)、试验段(301)、扩压段(401)、冷却器(501)和真空机组(601)；
高频等离子发生器(101)使用高频感应-耦合的方式将能量传输给气体，使气体电离，产生高温等离子体；高频等离子发生器(101)通过喷管(201)与试验段(301)连接，高温等离子体通过喷管(201)进行加速，形成高温流场；试验段(301)之后依次为扩压段(401)、冷却器(501)和真空机组(601)；
所述真空机组(601)通过真空管道与冷却器(501)连接，通过变频运行的方式调节试验段(301)内的真空度，进而可以实现对试验段(301)内气体流动的控制；
所述高频等离子发生器(101)包括内环气旋子(1)、内环与外环旋子连接件(2)、外环气旋子(3)、固定罩(4)、外石英管(6)、外石英管紧固环(5)、内石英管(7)、水冷电感线圈(8)、发生器与喷嘴连接件(9)、辐射屏蔽仓(10)；
内环气旋子(1)、内环与外环旋子连接件(2)、外环气旋子(3)、固定罩(4)、外石英管(6)、外石英管紧固环(5)和内石英管(7)同轴布置；所述的内环气旋子(1)、外环气旋子(3)为中空且外环面为旋转沟槽结构，外环气旋子(3)沟槽旋转方向与内环气旋子旋转方向一致；
内环气旋子(1)与外环气旋子(3)之间通过内环与外环旋子连接件(2)固连；内石英管(7)套在内环气旋子(1)的旋转沟槽外环面并与外环气旋子(3)之间通过阶梯限位；外石英管(6)套在外环气旋子(3)的旋转沟槽外环面并通过外石英管紧固环(5)紧固；外环气旋子(3)固定在固定罩(4)的上部，固定罩(4)的下部与辐射屏蔽仓(10)的上部固连，外石英管(6)与内石英管(7)部分置于辐射屏蔽仓(10)内；辐射屏蔽仓(10)的下部连接发生器与喷嘴连接件(9)；水冷电感线圈(8)缠绕在位于辐射屏蔽仓(10)内外石英管(6)的外围，线圈末端接高频电源。
2.根据权利要求1所述的一种高频感应等离子加热风洞，其特征在于：所述试验段(301)为一个长方体舱体，各壁面均有水冷冷却结构，内部为气密空间，试验模型放在试验段(301)内；
所述扩压段(401)设置有冷却水冷却，工作气体在扩压段(401)内减速增压；所述冷却器(501)内部布置多层水冷铜管，工作气体通过冷却器(501)冷却到室温。
3.根据权利要求1所述的一种高频感应等离子加热风洞，其特征在于：高频等离子发生器(101)电离的气体类型包括二氧化碳、氮气、氩气或者空气。
4.根据权利要求1所述的一种高频感应等离子加热风洞，其特征在于：还包括压力监测孔(11)，安装在内环气旋子(1)的上部，用于监测等离子发生器内的压力。
5.根据权利要求1所述的一种高频感应等离子加热风洞，其特征在于：所述的内环与外环旋子连接件(2)还包括一个保护内石英管(7)的薄壁结构，该薄壁结构直接套装在内环气旋子(1)的旋转沟槽外环面，且与内石英管(7)内壁之间保留间隙。
6.根据权利要求1所述的一种高频感应等离子加热风洞，其特征在于：固定罩(4)还包括一个保护外石英管(6)的薄壁结构，该薄壁结构直接套装在外环气旋子(3)的旋转沟槽外环面，且与外石英管(6)内壁之间保留间隙。
7.根据权利要求5或6所述的一种高频感应等离子加热风洞，其特征在于：所述的薄壁结构的壁厚1-2mm。
8.根据权利要求1所述的一种高频感应等离子加热风洞，其特征在于，所述内环气旋子(1)旋转沟槽数量为30～60个，旋转角度α设为15～45°；所述外环气旋子(3)旋转沟槽数量为30～60个，旋转角度β设为15～60°。
9.根据权利要求1所述的一种高频感应等离子加热风洞，其特征在于，通过内环气旋子(1)的气体量与通过外环气旋子(3)的气体量比例设为：1/10～5/10；当高频电源提供的电压10kV以上，通过内环气旋子(1)和外环气旋子(3)的气体总量保持在20g/s以上，且外环气旋子(3)旋转沟槽旋转角度在45～60°范围内调整，等离子发生器能够达到兆瓦级且稳定运行。
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