CN111263480A - 一种电弧加热器低烧损电极 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电弧加热器低烧损电极，包括电极外壳、水夹层套、电极内壳、磁场线圈和电弧，磁场线圈套接在电极外壳外，电极外壳套接在水夹层套外，水夹层套套接在电极内壳外，电极内壳中部膨大，电弧被气流约束在空心电极内壳轴线附近，电弧伸入电极内壳膨大处弯折，弧根接触导通在电极内壳膨大处的内壁，电弧与弧根相连，电极内壳外开设有若干组冷却通道，冷却通道内通有冷却水，本发明具有减少电弧加热器长时间运行烧损，降低风洞试验流场污染的优点。

Description

一种电弧加热器低烧损电极
技术领域
本发明涉及电弧加热器防护技术领域，尤其涉及一种电弧加热器低烧损电极。
背景技术
随着我国航天飞行器技术的迅猛发展，飞行器外形结构日益复杂、飞行空域日益扩大，高空稀薄过渡流区及近连续流区飞行时间大幅度增加，粘性、稀薄、高温等多种效应相互耦合，流动现象和机理相当复杂，导致高空高马赫数跨越连续和稀薄流区的气动问题日益突出。因此，需要建设高超声速低密度风洞进行试验模拟研究。
高超声速低密度风洞模拟马赫数可达Ma20以上，为防止气体冷凝，必须配套3000K以上的高温气体加热装置。由于常规风洞配套的直热或蓄热式电阻加热器加热温度有限，不能达到高马赫数运行所要求的总温，需采用电弧加热方法以实现低密度风洞总温要求。高超声速低密度风洞用于测力试验，相比于电弧风洞的热防护试验，需要更高的流场品质，更低的气流污染，因此，必须设计低烧损电极，减少电弧对电极烧损带来的铜、氧化铜等杂质含量。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是解决电弧加热器的电极高烧损的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电弧加热器低烧损电极，包括电极外壳、水夹层套、电极内壳、磁场线圈和电弧，磁场线圈套接在电极外壳外，电极外壳套接在水夹层套外，水夹层套套接在电极内壳外，电极内壳中部膨大，电弧被气流约束在空心电极内壳轴线附近，电弧伸入电极内壳膨大处弯折，弧根接触导通在电极内壳膨大处的内壁，电弧与弧根相连，电极内壳外开设有若干组冷却通道，冷却通道内通有冷却水。
通过采用上述技术方案，提高磁场的强度，加强电弧弧根的切向旋转，减少弧根在电极局部位置的停留时间，另外采用局部膨大的结构减少单位面积的热载荷，从而减少传热量；同时将电极弧根位置液壁设计为圆弧曲面的快速冷却槽道，采用高压冷却水快速流动带走热量降低电极温度，减少烧蚀污染，使该电弧加热器从减少电极传入的热量和尽快带走传入的热量双重方式降低电极的温度，极大的降低电极的烧损，提高电极的使用寿命。
作为对本发明的进一步说明，优选地，若干组冷却通道呈环状间隔分布。
通过采用上述技术方案，最大化增加冷却水与电极的接触面积，使冷却水能带走更多热量。
作为对本发明的进一步说明，优选地，冷却通道两侧的电极内壳外固连有肋，肋顶端抵接在水夹层套内壁上。
通过采用上述技术方案，设置肋强化传热，降低电极温度，减少烧蚀污染。
作为对本发明的进一步说明，优选地，冷却通道底部的电极内壳上固连有若干个三角粗糙元。
通过采用上述技术方案，配合肋进一步强化传热，提高导热效率，使热量散失更为快速。
作为对本发明的进一步说明，优选地，水夹层套中部开设有膨大的腔体，电极内壳的膨大部插接在所述腔体内，电极内壳的膨大部外壁与水夹层套之间的间距小于冷却通道的口径。
通过采用上述技术方案，压缩水通道，使水流速度加快，高压冷却水快速流动产生的离心力带走壁面附着的沸腾气泡，使热量传输更为快速。
作为对本发明的进一步说明，优选地，电极内壳的膨大部分为圆弧部和直管部，所述圆弧部位于直管部两端，水夹层套上的腔体也分为圆弧部和直管部，水夹层套上的圆弧部半径和弧长均大于电极内壳的圆弧部半径和弧长，以使水夹层套直管部与电极内壳直管部之间的间距大于水夹层套圆弧部与电极内壳圆弧部之间的间距。
通过采用上述技术方案，使冷却水的流速能够增加再减小并在增加，相对与口径完全相同的冷却水道，使冷却水能多留存冷却水道一段时间，进而使冷却水能充分吸收热量，最大化提高冷却水的吸热性能，使单位时间内流过冷却水道的冷却水能带走更多热量。
作为对本发明的进一步说明，优选地，所述直管部之间的间距以及所述圆弧部之间的间距均小于冷却通道的外径。
通过采用上述技术方案，使冷却水位于膨大部的流速始终高于冷却通道其他位置的流速，减少单位体积冷却水的冷却时间，提高冷却效率。
作为对本发明的进一步说明，优选地，磁场线圈与弧根处于同一竖直面上。
通过采用上述技术方案，配合高强度的磁场，使弧根的切向旋转更为快速。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
1、本发明通过在电极弧根位置局部膨大，减少电极单位面积的热载荷；配合高强度磁场线圈，加强电弧弧根的切向旋转，减少电极传入的热量，降低电极的烧损；
2、电极内壳局部逐步压缩冷却槽道，使冷却水水流速度加快，圆弧曲面使高压冷却水流动产生的离心力带走壁面附着的沸腾气泡，配合肋和粗糙元提高传热效率，降低电极温度。
附图说明
图1是本发明的剖面图；
图2是图1中A-A的局部截面图。
图中：1、电极外壳；2、水夹层套；3、电极内壳；31、肋；32、三角粗糙元；33、冷却通道；4、磁场线圈；5、电弧；6、弧根。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
一种电弧加热器低烧损电极,结合图1、图2，包括电极外壳1、水夹层套2、电极内壳3、磁场线圈4和电弧5，磁场线圈4套接在电极外壳1外，电极外壳1套接在水夹层套2外，水夹层套2套接在电极内壳3外，电弧5被气流约束在空心电极内壳3内，电弧5伸入电极内壳3膨大处弯折，电弧5伸入电极内壳3的一端为弧根6，弧根6接触导通在电极内壳3膨大处的内壁。
结合图1、图2，电极外壳1为无磁1Cr18Ni9Ti不锈钢制成的管状结构，具有优良的承压和磁力线穿过的能力；水夹层套2为黄铜制成管状结构，不仅具有优良的耐腐蚀性，还具有优良的磁力线穿过的性能；电极内壳3为无氧铜加工而成的管状结构，使电极内壳3具有优良的导热性和磁力线穿过的性能；水夹层套2中部开设有膨大的腔体，电极内壳3中部膨大，电极内壳3的膨大部插接在水夹层套2的腔体内，弧根6抵接在电极内壳3膨大处的内壁上，磁场线圈4与弧根6处于同一竖直面上，磁场线圈4为高强度的磁场，可使弧根6的切向旋转更为快速；电极内壳3外呈环状间隔固连有若干个方形条状的肋31，肋31顶端抵接在水夹层套2内壁上，设置肋31强化传热，降低电极温度，减少烧蚀污染，相邻肋31之间的电极内壳3外壁上固连有若干个三角粗糙元32，三角粗糙元32为截面是三角形的突起，其高度为肋31长度的3％，以增加表面扰动，提高流体湍流度，降低流体的层流底层厚度，并且总的流动阻力增加不显著，配合肋31进一步强化传热，提高导热效率，使热量散失更为快速。
结合图1、图2，相邻肋31之间的空间为冷却通道33，冷却通道33呈环状间隔分布，冷却通道33内通有冷却水，电极内壳3的膨大部分为圆弧部和直管部，所述圆弧部位于直管部两端，水夹层套2上的腔体也分为圆弧部和直管部，水夹层套2上的圆弧部半径和弧长均大于电极内壳3的圆弧部半径和弧长，以使水夹层套2直管部与电极内壳3直管部之间的间距大于水夹层套2圆弧部与电极内壳3圆弧部之间的间距；通过压缩水通道，使水流速度加快，高压冷却水快速流动产生的离心力带走壁面附着的沸腾气泡，使热量传输更为快速；并且直管部口径大于圆弧部口径，使冷却水的流速能够增加再减小并在增加，相对与口径完全相同的冷却水道33，使冷却水能多留存冷却水道33一段时间，进而使冷却水能充分吸收热量，最大化提高冷却水的吸热性能，使单位时间内流过冷却水道的冷却水能带走更多热量；所述直管部之间的间距以及所述圆弧部之间的间距均小于冷却通道33的外径；使冷却水位于膨大部的流速始终高于冷却通道其他位置的流速，减少单位体积冷却水的冷却时间，提高冷却效率，且冷却水道33环形分布，最大化增加冷却水与电极的接触面积，使冷却水能带走更多热量。
结合图1、图2，通过上述方式，在电弧加热器工作时，提高磁场线圈4的磁场强度，加强电弧弧根6的切向旋转，减少弧根6在电极局部位置的停留时间，另外采用局部膨大的结构减少单位面积的热载荷，从而减少传热量；同时将电极弧根6位置液壁设计为圆弧曲面的快速冷却槽道，采用高压冷却水快速流动带走热量降低电极温度，减少烧蚀污染，使该电弧加热器从减少电极传入的热量和尽快带走传入的热量双重方式降低电极的温度，极大的降低电极的烧损，原电极在2000A的电流下使用平均寿命为11640秒，本申请的电极使用平均寿命为36820秒，使用寿命提高了3倍多，提高了电极的使用寿命。
最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (8)

1.一种电弧加热器低烧损电极，其特征在于：包括电极外壳(1)、水夹层套(2)、电极内壳(3)、磁场线圈(4)和电弧(5)，磁场线圈(4)套接在电极外壳(1)外，电极外壳(1)套接在水夹层套(2)外，水夹层套(2)套接在电极内壳(3)外，电弧(5)被气流约束在空心电极内壳(3)轴线附近，电弧(5)伸入电极内壳(3)膨大处弯折，弧根(6)接触导通在电极内壳(3)膨大处的内壁，电弧(5)与弧根(6)相连，电极内壳(3)外开设有若干组冷却通道(33)，冷却通道(33)内通有冷却水。
2.根据权利要求1所述的一种电弧加热器低烧损电极，其特征在于：若干组冷却通道(33)呈环状间隔分布。
3.根据权利要求2所述的一种电弧加热器低烧损电极，其特征在于：冷却通道(33)两侧的电极内壳(3)外固连有肋(31)，肋(31)顶端抵接在水夹层套(2)内壁上。
4.根据权利要求3所述的一种电弧加热器低烧损电极，其特征在于：冷却通道(33)底部的电极内壳(3)上固连有若干个三角粗糙元(32)。
5.根据权利要求1所述的一种电弧加热器低烧损电极，其特征在于：水夹层套(2)中部开设有膨大的腔体，电极内壳(3)的膨大部插接在所述腔体内，电极内壳(3)的膨大部外壁与水夹层套(2)之间的间距小于冷却通道(33)的口径。
6.根据权利要求5所述的一种电弧加热器低烧损电极，其特征在于：电极内壳(3)的膨大部分为圆弧部和直管部，所述圆弧部位于直管部两端，水夹层套(2)上的腔体也分为圆弧部和直管部，水夹层套(2)上的圆弧部半径和弧长均大于电极内壳(3)的圆弧部半径和弧长，以使水夹层套(2)直管部与电极内壳(3)直管部之间的间距大于水夹层套(2)圆弧部与电极内壳(3)圆弧部之间的间距。
7.根据权利要求6所述的一种电弧加热器低烧损电极，其特征在于：所述直管部之间的间距以及所述圆弧部之间的间距均小于冷却通道(33)的外径。
8.根据权利要求1所述的一种电弧加热器低烧损电极，其特征在于：磁场线圈(4)与弧根(6)处于同一竖直面上。
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