CN107949139A - 一种串连式电弧等离子体发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串连式电弧等离子体发生器，属于电弧等离子体发生器技术领域。所述电弧等离子体发生器包括首尾依次串连的正极模块、电弧运行模块及负极模块，所述电弧运行模块包括首尾相接的至少两个电弧运行段，所述电弧运行段设有电弧运行空腔、水循环空腔、至少两条第一水通道、至少两条第二水通道，所述水循环空腔环绕所述电弧运行空腔设置，所述第一水通道沿平行于轴线方向贯穿所述电弧运行段，所述第一水通道与所述水循环空腔通过所述第二水通道连通。本发明实施例提供的串连式电弧等离子体发生器避免了因为某段发生问题而导致的整个发生器的烧毁的问题；拆卸、组装方便，通过增加或减少电弧运行段的数量即可调整发生器工作的焓值及功率。

Description

一种串连式电弧等离子体发生器

技术领域

本发明涉及电弧等离子体发生器技术领域，尤其涉及一种低压、高焓、便于组装的模块化串连式电弧等离子体发生器。

背景技术

电弧等离子发生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。当前国内型号研制对电弧等离子发生器性能的需求不断提高，串连式电弧等离子体发生器以其高焓低污染的特性逐渐成为气动防热领域的主力设备。

目前，串连式电弧等离子体发生器包括首尾依次连接的正极模块、电弧运行模块和负极模块，所述正极模块用于与电源正极连接，所述负极模块用于与电源负极连接，所述正极模块、电弧运行模块及负极模块分别由多个具有独立冷却系统的金属叠片首尾串连形成。

现有串连式电弧等离子体发生器，金属薄叠片数量要几百个，组装起来相当复杂；同时，每个薄叠片有各自的冷却水道和进气通道，薄叠片与薄叠片之间还有绝缘要求，试验过程中很容易因为某个叠片的冷却或绝缘发生问题而导致整个等离子体发生器的烧毁。

发明内容

本发明的目的在于提供一种串连式电弧等离子体发生器，避免单个叠片发生问题时导致的整个等离子体发生器烧毁的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种串连式电弧等离子体发生器，包括首尾依次串连的正极模块、电弧运行模块及负极模块，所述电弧运行模块包括首尾相接的至少两个电弧运行段，所述电弧运行段设有电弧运行空腔、水循环空腔、至少两条第一水通道、至少两条第二水通道，所述水循环空腔环绕所述电弧运行空腔设置，所述第一水通道沿平行于轴线方向贯穿所述电弧运行段，所述第一水通道与所述水循环空腔通过所述第二水通道连通。

在一可选实施例中，所述电弧运行段还设有第一气通道及第二气通道，所述第一气通道均沿平行于轴线方向贯穿所述电弧运行段，所述第一气通道与所述电弧运行空腔通过所述第二气通道连通。

在一可选实施例中，所述电弧运行模块还包括两个转接段，所述至少两个电弧运行段首尾相接，且两端各与一所述转阶段连接，所述转接段设有水嘴和进气口，所述水嘴与所述第一水通道一一对应且连通，用于注水或排水，所述进气口与所述第一气通道连通，用于向所述第一气通道内注气。

在一可选实施例中，所述第一水通道截面呈弧形。

在一可选实施例中，所述电弧运行段对称设有四个所述第一水通道，所述第一水通道截面弧形对应的圆心角为20-50°。

在一可选实施例中，所述正极模块包括依次串连的起弧段、至少一正极中间段和尾堵盖，所述起弧段上设有引弧孔，所述起弧段和所述至少一正极中间段各段均设有独立水循环系统，且在使用时，各段分别与电源正极连接。

在一可选实施例中，所述起弧段和所述至少一正极中间段各段均设有磁场线圈。

在一可选实施例中，所述负极模块包括依次串连的喷管和至少一负极中间段，各所述负极中间段设有独立水循环系统，所述负极中间段用于与电源负极连接。

在一可选实施例中，所述负极模块包括至少两个负极中间段，在使用时，各段分别与所述电源负极连接。

在一可选实施例中，所述至少一负极中间段各段均设有磁场线圈。

在一可选实施例中，所述正极模块和所述负极模块均设有进气通道，且同一模块各段之间的进气通道连通。

在一可选实施例中，各段均包括内套管和外套管，所述内套管两端均设有外翻边，所述内套管位于所述外套管的空腔内，且两端的所述外翻边与所述外套管密封连接形成所述水循环空腔，所述外套管之间通过连接件固定连接，通过密封件密封。

在一可选实施例中，所述外套管为绝缘材质。

本发明至少包括以下有益效果：

(1)本发明实施例提供的串连式电弧等离子体发生器，通过设置贯穿电弧运行段的第一水通道，使各电弧运行段串连时，第一水通道连通，通过第一水通道进水或排水，使水通过各段的第二水通道进入或排出水循环空腔，使各段使用同一冷却水系统，避免了因为某段的冷却发生问题而导致的整个等离子体发生器的烧毁的问题；

(2)本发明实施例提供的串连式电弧等离子体发生器拆卸、组装方便，通过增加或减少电弧运行段的数量即可调整电弧等离子体发生器工作的焓值及发生器功率；

(3)通过将第一水通道的截面设计成弧形，有利于扩大冷却水的扩散面积，避免了由于水流过急冷却水扩散不及时导致的管内流动阻力增大，提高了冷却效率；

(4)通过将各段均与电源正极连接，运行时电流被平均分配到正极起弧段和正极中间段上，每一段上的运行电流降低，减小烧蚀；

(5)通过内置磁场线圈，加强了电弧弧根在每一组件上的旋转，进一步减小烧蚀；

(6)外套管通过采用绝缘材料在通过连接件固定各段时绝缘安全可靠，避免了绝缘发生问题而导致的整个等离子体发生器烧毁的事故，在电弧加热器运行过程中，可以从外部观测到内部电弧的运行形态，对研究电弧的特性以及对加热器的改进有重大意义。

附图说明

图1为本发明实施例提供的串连式电弧等离子体发生器剖面结构示意图。

图2为本发明实施例提供的电弧运行模块剖面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的电弧运行模块端面剖开示意图；

图4为本发明实施例提供的正极模块剖面结构示意图；

图5为本发明实施例提供的负极模块剖面结构示意图。

具体实施方式

为使本发明技术方案的优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

参见图1，本发明实施例提供了串连式电弧等离子体发生器，包括首尾依次串连的正极模块1、电弧运行模块2及负极模块3，参见图2，电弧运行模块2包括首尾相接的至少两个电弧运行段21，电弧运行段21设有电弧运行空腔211(即电弧的运行通道)、水循环空腔212、至少两条第一水通道213、至少两条第二水通道214、第一气通道215及第二气通道216，水循环空腔212环绕电弧运行空腔211设置，第一水通道213及第一气通道215均沿平行于轴线方向贯穿电弧运行段21，第一水通道213与水循环空腔212通过第二水通道214连通，第一气通道215与电弧运行空腔211通过第二气通道216连通；

具体地，本发明实施例中，至少两条第一水通道213优选对称设置在电弧运行模块上，部分第一水通道213与进水嘴连接，用于将水引入水循环空腔212内，另一部分第一水通道213与出水嘴连接，用于将水排出水循环空腔212内；第一气道215与外界气源连接，用于将气体引入各段的第二气道；本发明实施例中，第二水通道214及第二气通道216既可以是直管也可以是弯管，本发明不做限定；各电弧运行段21之间可以通过粘结、螺纹连接、连接件连接等方式密封连接，本发明不做限定，为便于各段的拆卸组装，本发明实施例中各段均设有沿轴向的连接通孔，通过螺栓、螺杆等连接件拉紧固定各段，相邻段的接触面上设有密封圈安装槽，通过密封圈密封；

本发明实施例提供的电弧运行段21串连时，第一气通道215连通，可以实现通过同一进气口向各段进气，操作便捷；在其他实施例中，各段也可以根据需要选用单独进气通道，本发明不做限定；

以电弧运行段设有两个第一水通道及两个第二水通道为例，本发明实施例提供的串连式电弧等离子体发生器工作时，通过进水嘴向电弧运行模块内注水，水经过一第一水通道流至各段，并通过各段的第二水通道流入水循环空腔内，给各段冷却降温，然后通过另一第一水通道排出水循环空腔；与此同时，通过进气口向第一气通道内注气，气体经第一气通道流向各段，并通过各段的第二气通道流入电弧运行空腔内；

本发明实施例提供的串连式电弧等离子体发生器，通过设置贯穿电弧运行段的第一水通道，使各电弧运行段串连时，第一水通道连通，通过第一水通道进水或排水，使水通过各段的第二水通道进入或排出水循环空腔，使各段使用同一冷却水系统，避免了因为某段的冷却发生问题而导致的整个等离子体发生器的烧毁的问题；本发明实施例提供的串连式电弧等离子体发生器拆卸、组装方便，通过增加或减少电弧运行段的数量即可调整电弧等离子体发生器工作的焓值及发生器功率。

在一可选实施例中，各段电弧运行段21均包括内套管21a和外套管21b，内套管21a两端均设有外翻边，内套管21a位于外套管21b的空腔内，且两端的所述外翻边与外套管21b密封连接形成水循环空腔212，外套管21b之间通过螺栓、螺钉、螺杆等连接件固定连接，通过密封件密封。通过将各段设计成内外套管密封嵌套的形式，便于根据需要采用不同材料加工内外套管。本发明实施例中，外套管优选绝缘材质，尤其是玻璃钢。外套管通过采用绝缘材料在通过连接件固定各段时绝缘安全可靠，避免了绝缘发生问题而导致的整个等离子体发生器烧毁的事故，当选用玻璃钢时，由于其半透明特性，在电弧加热器运行过程中，可以从外部观测到内部电弧的运行形态，对研究电弧的特性以及对加热器的改进有重大意义。

进一步地，参见图1，本发明实施例中可以包括一个电弧运行模块2还可以包括两个或两个以上电弧运行模块2，为便于电弧运行模块2之间，以及电弧运行模块2与正极模块1或负极模块3连接，电弧运行模块2还包括两个转接段22，所述至少两个电弧运行段21首尾相接，且两端各与一转阶段22连接，转接段22结构与电弧运行段21基本相同，均设有电弧运行空腔211、水循环空腔212、至少两条第一水通道213、至少两条第二水通道214、第一气通道215及第二气通道216，不同的是，转接段22的第一水通道213的一端面封堵，转接段22呈法兰盘结构，且设有至少两个水嘴221和进气口222，水嘴221与第一水通道213一一对应且连通，用于注水或排水，进气口222与第一气通道215连通，用于向第一气通道215内注气。

如图3所示，在一可选实施例中，电弧运行模块2呈空心圆筒状结构，第一水通道213截面呈弧形。通过将第一水通道的截面设计成弧形，有利于扩大冷却水的扩散面积，避免了由于水流过急冷却水扩散不及时导致的管内流动阻力增大，提高了冷却效率。在一具体实施例中，电弧运行段21对称设有四个第一水通道213，第一水通道213截面弧形对应的圆心角为20°-50，圆心角太小会影响冷却水的流动，产生截流，圆心角太大会减弱外套的整体强度，并影响其他结构的布局，当圆心角为该角度时既保证冷却水正常循环流动，又不影响其他结构布局。

如图4所示，正极模块1包括依次串连的起弧段11、至少一正极中间段12和尾堵盖13，起弧段11和所述至少一正极中间段12各段均设有独立水循环系统，且在使用时，各段分别与电源正极连接；本发明实施例中，起弧段11和正极中间段12结构基本相同，均设有正极空腔112及环绕正极空腔112设置的水循环空腔，水循环空腔设有独立的进水管及出水管，唯一不同的是起弧段11上设有引弧孔111，用于放置引弧丝进行起弧，在一可选实施例中，起弧段11和正极中间段12均包括内套管和外套管，内套管两端均设有外翻边，内套管位于外套管的空腔内，且两端的所述外翻边与外套管密封连接形成水循环空腔，外套管之间通过螺栓、螺钉、螺杆等连接件固定连接，通过密封件密封；通过将各段均与电源正极连接，运行时电流被平均分配到正极起弧段和正极中间段上，每一段上的运行电流降低，减小烧蚀；进一步地，起弧段11和所述至少一正极中间段12各段均设有磁场线圈113，本发明实施例中，磁场线圈环绕正极空腔112设置；通过内置磁场线圈，加强了电弧弧根在每一组件上的旋转，进一步减小烧蚀。

如图5所示，负极模块3包括依次串连的喷管31和至少一负极中间段32，负极中间段32用于与电源负极连接，各负极中间段32设有独立水循环系统；本发明实施例中，负极中间段32设有负极空腔321及环绕负极空腔321设置的水循环空腔，水循环空腔设有独立的进水管及出水管。在一可选实施例中，负极中间段32包括内套管和外套管，内套管两端均设有外翻边，内套管位于外套管的空腔内，且两端的所述外翻边与外套管密封连接形成水循环空腔，外套管之间通过螺栓、螺钉、螺杆等连接件固定连接，通过密封件密封。通过将各段设计成内外套管密封嵌套的形式，便于根据需要采用不同材料加工内外套管。本发明实施例中，外套管优选绝缘材质，尤其是玻璃钢。外套管通过采用绝缘材料在通过连接件固定各段时绝缘安全可靠，避免了绝缘发生问题而导致的整个等离子体发生器烧毁的事故，玻璃钢为绝缘半透明材料，在电弧等离子体发生器运行过程中，可以从外部观测到内部电弧的运行形态。

在一可选实施例中，负极模块3包括至少两个负极中间段32，且在使用时，各段分别与所述电源负极连接，运行时电流被平均分配到负极中间段上，每一段上的运行电流降低，进一步减小烧蚀。

进一步地，各负极中间段32均设有磁场线圈。本发明实施例中，磁场线圈环绕负极空腔321设置；通过内置磁场线圈，加强了电弧弧根在负极中间段上的旋转，进一步减小烧蚀。

进一步地，参见图4和5，正极模块1和负极模块2均设有进气通道c，且同一模块各段之间的进气通道连通。

进一步地，参见图1-5，正极空腔112的直径大于电弧运行空腔211的直径，正极模块1还包括正极转接段14，如图1所示，正极转接段14设有正极转接空腔，所述正极转接空腔一端直径与起弧段11一致，另一端直径与电弧运行空腔211直径一致，用于连接起弧段和电弧运行段；负极空腔321的直径大于电弧运行空腔211的直径，负极模块3还包括负极转接段33，负极转接段33设有负极转接空腔，所述负极转接空腔一端直径与所述负极中间段一致，另一端直径与电弧运行空腔211直径一致，用于连接负极中间段和所述电弧运行段连接。

以下为本发明的一具体实施例：

参见图1-5，本实施例提供的串连式电弧等离子体发生器，包括首尾依次串连的一个正极模块1、4个电弧运行模块2及一个负极模块3。正极模块1由1段起弧段11、1段正极转接段14、3段正极中间段12和1个尾堵盖13串连组成。电弧运行模块2由2段转接段22和8段电弧运行段21构成。负极模块3由1个喷管31、4段负极中间段32及1段负极转接段33构成。本实施例提供的串连式电弧等离子体发生器成功地实现了点火运行，并首次直观地观察到了加热器电弧真实的运行状态。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (13)

1.一种串连式电弧等离子体发生器，包括首尾依次串连的正极模块、电弧运行模块及负极模块，其特征在于，所述电弧运行模块包括首尾相接的至少两个电弧运行段，所述电弧运行段设有电弧运行空腔、水循环空腔、至少两条第一水通道、至少两条第二水通道，所述水循环空腔环绕所述电弧运行空腔设置，所述第一水通道沿平行于轴线方向贯穿所述电弧运行段，所述第一水通道与所述水循环空腔通过所述第二水通道连通。

2.根据权利要求1所述的串连式电弧等离子体发生器，其特征在于，所述电弧运行段还设有第一气通道及第二气通道，所述第一气通道均沿平行于轴线方向贯穿所述电弧运行段，所述第一气通道与所述电弧运行空腔通过所述第二气通道连通。

3.根据权利要求1所述的串连式电弧等离子体发生器，其特征在于，所述电弧运行模块还包括两个转接段，所述至少两个电弧运行段首尾相接，且两端各与一所述转阶段连接，所述转接段设有水嘴和进气口，所述水嘴与所述第一水通道一一对应且连通，用于注水或排水，所述进气口与所述第一气通道连通，用于向所述第一气通道内注气。

4.根据权利要求1所述的串连式电弧等离子体发生器，其特征在于，所述第一水通道截面呈弧形。

5.根据权利要求4所述的串连式电弧等离子体发生器，其特征在于，所述电弧运行段对称设有四个所述第一水通道，所述第一水通道截面弧形对应的圆心角为20-50°。

6.根据权利要求1所述的串连式电弧等离子体发生器，其特征在于，所述正极模块包括依次串连的起弧段、至少一正极中间段和尾堵盖，所述起弧段上设有引弧孔，所述起弧段和所述至少一正极中间段各段均设有独立水循环系统，且在使用时，各段分别与电源正极连接。

7.根据权利要求6所述的串连式电弧等离子体发生器，其特征在于，所述起弧段和所述至少一正极中间段各段均设有磁场线圈。

8.根据权利要求1-7任一项所述的串连式电弧等离子体发生器，其特征在于，所述负极模块包括依次串连的喷管和至少一负极中间段，各所述负极中间段设有独立水循环系统，所述负极中间段用于与电源负极连接。

9.根据权利要求8所述的串连式电弧等离子体发生器，其特征在于，所述负极模块包括至少两个负极中间段，在使用时，各段分别与所述电源负极连接。

10.根据权利要求8所述的串连式电弧等离子体发生器，其特征在于，所述至少一负极中间段各段均设有磁场线圈。

11.根据权利要求1所述的串连式电弧等离子体发生器，其特征在于，所述正极模块和所述负极模块均设有进气通道，且同一模块各段之间的进气通道连通。

12.根据权利要求1所述的串连式电弧等离子体发生器，其特征在于，各段均包括内套管和外套管，所述内套管两端均设有外翻边，所述内套管位于所述外套管的空腔内，且两端的所述外翻边与所述外套管密封连接形成所述水循环空腔，所述外套管之间通过连接件固定连接，通过密封件密封。

13.根据权利要求12所述的串连式电弧等离子体发生器，其特征在于，所述外套管为绝缘材质。