CN109348563B - 一种高压高焓电弧加热器 - Google Patents
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Abstract
一种高压高焓电弧加热器，包括一个后电极(1)、多个压缩段(2)、一个前电极(3)；所述多个压缩段(2)串联组成一个压缩段组，所述后电极(1)和前电极(3)分别位于压缩段组的两端；其中每个压缩段(2)由多个叠片(2‑1)和两个连接叠片(2‑2)串联组成，所述两个连接叠片(2‑2)位于每个压缩段(2)的两端；所述多个压缩段(2)中，靠近后电极(1)的压缩段(2)的叠片(2‑1)的厚度，大于，靠近前电极(3)的压缩段(2)的叠片(2‑1)的厚度。本发明实现了电弧加热器在高压高焓条件运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压高焓电弧加热器，属于航空航天气动热防护技术领域。
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。随着航天技术的发展，电弧加热器也经历了从磁旋式电弧加热器到管式电弧加热器再到叠片式和分段式电弧加热器的发展历程，每一种加热器都有其自身的特点，其中管式电弧加热器具有高压低焓的特性，叠片式加热器具有低压高焓的特性，分段式加热器具有中压中焓的特性。当前，国内型号研制对电弧加热器性能的需求不断提高，急需电弧加热器具备高压高焓的实验能力，而现有的电弧加热器没有能力提供高压高焓的实验条件。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高压高焓电弧加热器，结合了管式电弧加热器和叠片式电弧加热器的优点，采用了管式加热器的电极结构以及叠片式电弧加热器的工作原理，并进行了新的结构设计、新的工艺设计，实现了电弧加热器高压高焓条件运行。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种高压高焓电弧加热器，包括一个后电极、多个压缩段、一个前电极；
所述多个压缩段串联组成一个压缩段组，所述后电极和前电极分别位于压缩段组的两端；其中每个压缩段由多个叠片和两个连接叠片串联组成，所述两个连接叠片位于每个压缩段的两端；所述多个压缩段中，靠近后电极的压缩段的叠片的厚度，大于，靠近前电极的压缩段的叠片的厚度。
上述高压高焓电弧加热器，从后电极到前电极方向，所述压缩段的叠片的厚度依次减小。
上述高压高焓电弧加热器，所述压缩段的每个叠片的厚度均小于等于10mm。
上述高压高焓电弧加热器，所述后电极包括后电极内套、后电极外套和第一励磁线圈；后电极外套套装在后电极内套上，后电极外套和后电极内套焊接连接；第一励磁线圈套装在后电极外套上；所述后电极内套采用紫铜材料，所述后电极外套采用不锈钢材料。
上述高压高焓电弧加热器，所述前电极包括前电极内套、前电极外套和第二励磁线圈；前电极外套套装在前电极内套上，前电极外套和前电极内套焊接连接；第二励磁线圈套装在前电极外套上；所述前电极内套采用紫铜材料，所述前电极外套采用不锈钢材料。
上述高压高焓电弧加热器，所述压缩段的叠片采用3D打印制成。
上述高压高焓电弧加热器，所述压缩段的每个叠片和每个连接叠片上均设有冷却水道结构和旋气结构，所述冷却水道结构沿叠片或连接叠片的周向排布，所述旋气结构的出气口位于叠片或连接叠片的内腔壁面上。
上述高压高焓电弧加热器，所述第一励磁线圈的线圈匝数小于等于5匝。
上述高压高焓电弧加热器，所述第二励磁线圈的线圈匝数小于等于5匝。
上述高压高焓电弧加热器，所述压缩段的每个叠片和每个连接叠片表面均喷涂陶瓷膜。
上述高压高焓电弧加热器，所述多个压缩段采用机械加压压紧连接。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)采用了新的加工工艺，延长了电弧加热器的使用寿命；
(2)采用了新的设计结构，简化了加热器叠片部件的结构，方便安装；
(3)实现了国内电弧加热器高压、高焓条件下稳定运行。
附图说明
图1为本发明的组成示意图；
图2为本发明的压缩段的组成示意图；
图3为本发明的后电极的组成示意图；
图4为本发明的前电极的组成示意图
图5为本发明的压缩段的叠片的主视剖面示意图；
图6为本发明的压缩段的叠片的左视剖面示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
一种高压高焓电弧加热器，包括一个后电极1、多个压缩段2、一个前电极3，如图1所示。
所述多个压缩段2串联组成一个压缩段组，如图2所示，所述后电极1和前电极3分别位于压缩段组的两端；其中每个压缩段2由多个叠片2-1和两个连接叠片2-2串联组成，所述两个连接叠片2-2位于每个压缩段2的两端。所述多个压缩段2中，靠近后电极1的压缩段2的叠片2-1的厚度，大于，靠近前电极3的压缩段2的叠片2-1的厚度。从后电极1到前电极3方向，所述压缩段2的叠片2-1的厚度依次减小；或者从后电极1到前电极3方向，相邻的两个叠片2-1，靠近后电极1的叠片2-1的厚度大于等于靠近前电极3的叠片2-1的厚度。所述压缩段2的每个叠片2-1的厚度均小于等于10mm。
所述后电极1包括后电极内套1-1、后电极外套1-2和第一励磁线圈1-3，如图3所示；后电极外套1-2套装在后电极内套1-1上，后电极外套1-2和后电极内套1-1焊接连接；第一励磁线圈1-3套装在后电极外套1-2上；所述后电极内套1-1采用紫铜材料，所述后电极外套1-2采用不锈钢材料。
所述前电极3包括前电极内套3-1、前电极外套3-2和第二励磁线圈3-3，如图4所示；前电极外套3-2套装在前电极内套3-1上，前电极外套3-2和前电极内套3-1焊接连接；第二励磁线圈3-3套装在前电极外套3-2上；所述前电极内套3-1采用紫铜材料，所述前电极外套3-2采用不锈钢材料。
所述压缩段2的叠片2-1采用3D打印制成。所述压缩段2的每个叠片2-1和每个连接叠片2-2上均设有冷却水道结构和旋气结构，所述冷却水道结构沿叠片2-1或连接叠片2-2的周向排布，所述旋气结构的出气口位于叠片2-1或连接叠片2-2的内腔壁面上，如图5和图6所示。所述压缩段2的每个叠片2-1和每个连接叠片2-2表面均喷涂陶瓷膜。所述多个压缩段2采用机械加压压紧连接。
所述第一励磁线圈1-3的线圈匝数小于等于5匝。所述第二励磁线圈3-3的线圈匝数小于等于5匝。
本发明的高压高焓电弧加热器，可实现最高弧室压力8Mpa，对应气体焓值15MJ/kg；在弧室压力0.2～4Mpa中低压范围内，可实现最高气体焓值20MJ/kg。
实施例：
一种高压高焓电弧加热器，包括一个后电极1、多个压缩段2、一个前电极3。
后电极1由后电极内套1-1、后电极外套1-2和第一励磁线圈1-3组成；压缩段2由多个叠片2-1和连接叠片2-2组成，每个叠片2-1和连接叠片2-2均有冷却水道和旋气通道，叠片与叠片、叠片与连接叠片之间要求电绝缘；前电极3由前电极内套3-1、前电极外套3-2和第二励磁线圈3-3组成。
后电极1采用整体焊接工艺，通过后电极外套1-2加强后电极内套1-1强度，保证后电极1在高温高压条件下后电极内套1-1不发生应力变形。前电极3采用整体焊接工艺，通过前电极外套3-2加强前电极内套3-1强度，保证前电极3在高温高压条件下前电极内套3-1不发生应力变形。其中后电极内套1-1和前电极内套3-1均为紫铜材料，导热性好，但强度偏低。后电极1和后电极1均配有励磁线圈，线圈匝数不能过多，如果匝数过多则约束力太强，虽然加速电弧的旋转速度，但同时也加大了对电弧的斥力，因此本实施例中为4圈，并且需尽量靠近流场、覆盖电极，这样可以增加磁场对电弧的旋转力，减小对电弧的斥力，减小电弧弧根对电极烧损。
压缩段2的叠片2-1和连接叠片2-2均采用3D打印工艺制备，这种方法与现有设计方案相比有以下优点：
加强了叠片的水冷换热效率，现有的设计方法，叠片在进水处的冷却强，出水处的冷却弱，冷却不均匀，而本发明的方法，可以实现叠片均匀冷却；
化了旋气结构，现有的叠片进气结构要通过叠片和进气环两个部件组合进气，进气环需要压在叠片的侧面，同时考虑进气环冷却问题，因此旋气截面不能靠近流场中心区域，本发明的设计方法，可以使旋气道开在压缩段2的内腔壁面，不需要进气环直接通过叠片旋气孔进气，比现有的叠片式电弧加热器更接近流场，对电弧起到更好的压缩作用；
减小了单个叠片2-1的厚度(小于10mm)，使每个叠片2-1之间的电位差降低，同时使压缩段2内的旋气层更加均匀；
压缩段2的叠片2-1和连接叠片2-2表面采用喷涂陶瓷膜进行绝缘，减小了绝缘厚度，同时陶瓷层也起到隔热作用，可以提高加热器的加热效率。本实施例中高压高焓电弧加热器由6个压缩段2组成，每组压缩段2之间通过连接叠片2-2连接，最后6个压缩段由机械加压压紧，保证6个压缩段2在高压条件下不漏气。压缩段2的进气流量上游、下游多，中间段少，这种分配既可以保证加热器高焓特性，又可以降低加热器前电极段的烧损。在靠近前电极3位置的压缩段2的叠片2-1要更薄(7～8mm)，同时增加叠片2-1和连接叠片2-2的旋气通道数量，使压缩段2内腔表面的旋气层更加均匀，提升旋气层对压缩段2的保护作用。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种高压高焓电弧加热器，其特征在于：包括一个后电极（1）、多个压缩段（2）、一个前电极（3）；
所述多个压缩段（2）串联组成一个压缩段组，所述后电极（1）和前电极（3）分别位于压缩段组的两端；其中每个压缩段（2）由多个叠片（2-1）和两个连接叠片（2-2）串联组成，所述两个连接叠片（2-2）位于每个压缩段（2）的两端；所述多个压缩段（2）中，靠近后电极（1）的压缩段（2）的叠片（2-1）的厚度，大于，靠近前电极（3）的压缩段（2）的叠片（2-1）的厚度；
从后电极（1）到前电极（3）方向，所述压缩段（2）的叠片（2-1）的厚度依次减小；
所述压缩段（2）的每个叠片（2-1）的厚度均小于等于10mm。
2.根据权利要求1所述的一种高压高焓电弧加热器，其特征在于：所述后电极（1）包括后电极内套（1-1）、后电极外套（1-2）和第一励磁线圈（1-3）；后电极外套（1-2）套装在后电极内套（1-1）上，后电极外套（1-2）和后电极内套（1-1）焊接连接；第一励磁线圈（1-3）套装在后电极外套（1-2）上；所述后电极内套（1-1）采用紫铜材料，所述后电极外套（1-2）采用不锈钢材料。
3.根据权利要求1所述的一种高压高焓电弧加热器，其特征在于：所述前电极（3）包括前电极内套（3-1）、前电极外套（3-2）和第二励磁线圈（3-3）；前电极外套（3-2）套装在前电极内套（3-1）上，前电极外套（3-2）和前电极内套（3-1）焊接连接；第二励磁线圈（3-3）套装在前电极外套（3-2）上；所述前电极内套（3-1）采用紫铜材料，所述前电极外套（3-2）采用不锈钢材料。
4.根据权利要求1所述的一种高压高焓电弧加热器，其特征在于：所述压缩段（2）的叠片（2-1）采用3D打印制成。
5.根据权利要求1所述的一种高压高焓电弧加热器，其特征在于：所述压缩段（2）的每个叠片（2-1）和每个连接叠片（2-2）上均设有冷却水道结构和旋气结构，所述冷却水道结构沿叠片（2-1）或连接叠片（2-2）的周向排布，所述旋气结构的出气口位于叠片（2-1）或连接叠片（2-2）的内腔壁面上。
6.根据权利要求2所述的一种高压高焓电弧加热器，其特征在于：所述第一励磁线圈（1-3）的线圈匝数小于等于5匝。
7.根据权利要求3所述的一种高压高焓电弧加热器，其特征在于：所述第二励磁线圈（3-3）的线圈匝数小于等于5匝。
8.根据权利要求1~7之一所述的一种高压高焓电弧加热器，其特征在于：所述压缩段（2）的每个叠片（2-1）和每个连接叠片（2-2）表面均喷涂陶瓷膜。
9.根据权利要求1~7之一所述的一种高压高焓电弧加热器，其特征在于：所述多个压缩段（2）采用机械加压压紧连接。
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