CN111398621A - 电弧加热器弧根运动速度的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电弧加热器弧根运动速度的测定方法，包括以下步骤：将电极安装在电弧加热器中，在待测试的工况下运行，使弧根在所述电极的表面运动，形成弧根区；所述弧根在所述弧根区运动过程中烧蚀所述电极后熔化产生熔滴，所述熔滴熔滴在气流的作用下飞溅，并沿所述气流的方向附着在所述电极表面形成熔滴痕迹；建立所述弧根的受力平衡与所述熔滴痕迹的关系方程，计算得到所述弧根的运动速度。

Description

电弧加热器弧根运动速度的测定方法

技术领域

本发明涉及电弧加热器技术领域，特别是涉及一种电弧加热器弧根运动速度的测定方法。

背景技术

电弧加热器在工业及军事上有大量的应用，如工业点火等离子体炬、高超声速热防护的电弧加热器等。该类电弧加热器一般使用圆筒形电极，通过旋转气流和线圈产生磁场使电弧的弧根在电极内壁高速运动以减少烧蚀。弧根在电极内壁的运动速度直接决定了弧根在电极表面停留的时间，停留时间越长烧蚀越严重，因此准确地获得弧根在电极内壁的运动速度具有重要意义。

现有测量弧根运动速度的方法主要通过光学方法测量，该方法是在圆筒形电极端部布置光学窗口，然后布置光路测量弧根的运动。光学方法测量弧根运动时，布置光学窗口比较困难，而且光路设置复杂，同时受到电弧强烈光照和振动的影响测量精度波动较大。

发明内容

基于此，有必要针对现有光学测量法测定弧根运动速度的装置布置复杂、测试难度大的问题，提供一种电弧加热器弧根运动速度的测定方法，可以高效、便捷地测量弧根的运动速度。

一种电弧加热器弧根运动速度的测定方法，包括以下步骤：

将电极安装在电弧加热器中，在待测试的工况下运行，使弧根在所述电极的表面运动，形成弧根区；

所述弧根在所述弧根区运动过程中烧蚀所述电极后熔化产生熔滴，所述熔滴在气流的作用下飞溅，并沿所述气流的方向附着在所述电极表面形成熔滴痕迹；

建立所述弧根的受力平衡与所述熔滴痕迹的关系方程，计算得到所述弧根的运动速度。

在其中一个实施例中，建立所述弧根的受力平衡与所述熔滴痕迹的关系方程的步骤包括：

建立所述弧根的受力平衡方程；以及

建立所述熔滴痕迹的曲线与所述弧根的受力平衡方程中特定参数的关系。

在其中一个实施例中，建立所述熔滴痕迹的曲线与所述弧根的受力平衡方程中特定参数的关系的步骤包括：测定所述熔滴痕迹与所述弧根的运动方向的夹角θ。

在其中一个实施例中，所述电极为圆筒形电极。

在其中一个实施例中，所述弧根在所述电极中的运动为绕所述圆筒形电极的内壁转动，所述转动方向垂直于所述电极的轴向。

在其中一个实施例中，所述熔滴痕迹为螺旋状。

在其中一个实施例中，所述弧根的运动速度的计算方程为：

其中，v₀为所述弧根的运动速度，I为所述电弧加热器的运行电流强度，B为磁感应强度，ρ₀为标准大气压下气流的密度，

是与弧根位置的气流轴向速度相关的速度。

在其中一个实施例中，所述弧根产生的所述熔滴的速度v_d沿相互垂直的方向能够分解为所述弧根的运动速度v₀和所述弧根位置的气流轴向速度v_x。

在其中一个实施例中，

与所述弧根位置的气流轴向速度的关系方程为：

在其中一个实施例中，所述熔滴痕迹与所述弧根的运动方向的夹角为θ，所述弧根的运动速度v₀与所述弧根位置的所述气流轴向速度v_x的关系方程为：

在其中一个实施例中，所述弧根的运动速度的计算方程为：

在其中一个实施例中，所述磁感应强度的计算方程为：

其中，I为所述电弧加热器的运行电流强度，u₀为气流磁导率，n₁为轴向单位长度螺旋线圈的匝数，l为轴向螺旋线圈的长度，r_o为螺旋线圈外径，r_i为螺旋线圈内径，n₂为径向单位长度螺旋线圈的匝数。

本发明的电弧加热器弧根运动速度的测定方法利用弧根在电极的受力平衡与弧根运动烧蚀电极后产生的熔滴痕迹的关系得到弧根的运动速度。弧根在电极表面运动过程中烧蚀电极后熔化产生熔滴，在气流的作用下飞溅，并沿所述气流的方向附着在所述电极表面形成熔滴痕迹，弧根的运动速度和运动方向不同，熔滴的飞溅轨迹就不同，进而得到的熔滴痕迹也就不同，弧根的运动速度和运动方向与弧根的受力平衡相关，因而根据熔滴痕迹和弧根的受力平衡的关系能够得到弧根的运动速度。本发明的弧根运动速度测定方法，不需要对电弧加热器进行改装，在不改动原有电弧加热器的情况下即可测试弧根运动速度。并且该方法不需要对弧根加热器布置测试窗口及复杂的测试设备，利用弧根的熔滴痕迹和受力关系即可测得弧根的运动速度，测定方法便捷、高效、易操作。

附图说明

图1为本发明一实施例的测量电弧加热器弧根运动速度的电极截面示意图，

其中，1：电极；2：弧根；3：弧根区；4：分界线；5：氧化皮区；6：熔滴痕迹；7：气流方向；8：熔滴速度；9：弧根运动速度；10：气流轴线速度；11：熔滴痕迹与分界线(弧根运动速度)的夹角。

图2为本发明一实施例的测试电弧加热器弧根运动速度时，电极烧蚀后的形貌示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明实施例提供一种电弧加热器弧根运动速度的测定方法，包括以下步骤：

S120，将电极安装在电弧加热器中，在待测试的工况下运行，使弧根在所述电极的表面运动，形成弧根区；

S140，所述弧根在所述弧根区运动过程中烧蚀所述电极后熔化产生熔滴，所述熔滴在气流的作用下飞溅，并沿所述气流的方向附着在所述电极表面形成熔滴痕迹；以及

S160，建立所述弧根的受力平衡与所述熔滴痕迹的关系方程，计算得到所述弧根的运动速度。

本发明实施例的电弧加热器弧根运动速度的测定方法利用弧根在电极的受力平衡与弧根运动烧蚀电极后产生的熔滴痕迹的关系得到弧根的运动速度。弧根在电极表面运动过程中烧蚀电极后熔化产生熔滴，在气流的作用下飞溅，并沿所述气流的方向附着在所述电极表面形成熔滴痕迹，弧根的运动速度和运动方向不同，熔滴的飞溅轨迹就不同，进而得到的熔滴痕迹也就不同，弧根的运动速度和运动方向与弧根的受力平衡相关，因而根据熔滴痕迹和弧根的受力平衡的关系能够得到弧根的运动速度。本发明的弧根运动速度测定方法，不需要对电弧加热器进行改装，在不改动原有电弧加热器的情况下即可测试弧根运动速度。并且该方法不需要对弧根加热器布置测试窗口及复杂的测试设备，利用弧根的熔滴痕迹和受力关系即可测得弧根的运动速度，测定方法便捷、高效、易操作。

在步骤S120和S140中，弧根在旋转气流和磁场的作用下沿电极高速运动，弧根在电极内壁高速运动后形成弧根区，由于弧根区被弧根加热局部熔化，形貌表现为表面光亮，弧根区熔化后形成的熔滴在气流的作用下飞溅，并沿气流方向附着在电极上形成熔滴痕迹，熔滴痕迹由于被氧化，颜色较深形成氧化皮区，深色的氧化皮区与光亮的弧根区形成明显的分界线。

电极的形状对于确定熔滴痕迹与弧根的受力关系具有重要影响。电极的形状优选为规则的形状，例如圆筒形、圆柱形等。电极的形状起码应保证熔滴落在氧化皮区后形成的熔滴痕迹能够真实反映熔滴的运动轨迹，不应因电极形状的不规则而造成熔滴痕迹失真。另外，电极的形状应使得熔滴痕迹与弧根的受力之间的关系容易确立。本发明其中一个实施例为圆筒形电极。

在一实施例中，电极为圆筒形电极，弧根在所述电极中的运动为绕所述圆筒形电极的内壁转动。在一实施例中，弧根的转动方向垂直于所述电极的轴向，也就是说，弧根在电极内壁运动形成的轨迹基本为封闭的圆形曲线，圆形曲线组成的平面为垂直于圆筒形电极轴向的平面，也就是为垂直于圆筒形电极轴向的径向切面。

在一实施例中，弧根在旋转气流和磁场的作用下沿电极内壁高速转动，转动方向垂直于电极轴向，弧根在电极内壁高速转动后形成弧根区，由于弧根区被弧根加热局部熔化表面光亮，弧根区熔化后形成的熔滴在旋转气流的作用下飞溅，并沿气流方向附着在电极内壁形成熔滴痕迹，该熔滴痕迹为螺旋状。在一实施例中，弧根按照均匀的速度在电极内壁转动，弧根在运动过程中，在圆形运动轨迹的不同点经过时均会在氧化皮区形成熔滴痕迹，熔滴痕迹连续形成螺旋状。在一实施例中，弧根的速度为匀速时，氧化皮区域形成相互平行的并排的螺旋状熔滴痕迹，因此，螺旋状曲线与弧根的运动方向具有单一的夹角θ。

在一实施例中，建立所述弧根的受力平衡与所述熔滴痕迹的关系方程的步骤可以包括：

建立所述弧根的受力平衡方程；以及

建立所述熔滴痕迹的曲线与所述弧根的受力平衡方程中特定参数的关系。

受力平衡方程可根据物理学的运动经验公式得到。在磁场环境中，弧根的受力平衡与弧根运动速度、磁场强度、电流、气流、熔池粘性等因素有关。

熔滴痕迹的曲线与所述弧根的受力平衡方程中特定参数的关系可以为熔滴痕迹的轨迹与运动物体运动速度、磁场强度、电流或气流等因素的关系。

在一实施例中，建立所述熔滴痕迹的曲线与所述弧根的受力平衡方程中特定参数的关系的步骤包括：测定所述熔滴痕迹与所述弧根的运动方向的夹角θ。

弧根的受力平衡与弧根的运动速度、电弧加热器的运行电流强度、磁感应强度、标准大气压下气流的密度及弧根位置的气流轴向速度相关的速度这几个因素相关。在一实施例中，弧根的受力平衡方程可表示为弧根的运动速度、电弧加热器的运行电流强度、磁感应强度、标准大气压下气流的密度及弧根位置的气流轴向速度相关的速度这几个因素之间的关系。

在一实施例中，所述弧根的运动速度的计算方程可表示为：

其中，v₀为所述弧根的运动速度，I为所述电弧加热器的运行电流强度，B为磁感应强度，ρ₀为标准大气压下气流的密度，

是与弧根位置的气流轴向速度相关的速度。

熔滴的运动速度与弧根的运动速度及弧根位置的气流速度相关。在一实施例中，所述弧根产生的所述熔滴的速度v_d沿相互垂直的方向能够分解为所述弧根的运动速度v₀和所述弧根位置的气流轴向速度v_x。v_d的平方等于v₀的平方和v_x的平方之和。

从角度的关系来说，所述熔滴痕迹与所述弧根的运动方向的夹角为θ，所述弧根的运动速度v₀与所述弧根位置的所述气流轴向速度v_x的关系方程可表示为：

在一实施例中，

与所述弧根位置的气流轴向速度的关系方程为：

在一实施例中，所述弧根的运动速度的计算方程为：

磁感应强度与电弧加热器的运行电流强度、气流磁导率和螺旋线圈的性质有关。在一实施例中，所述磁感应强度的计算方程可表示为：

其中，I为所述电弧加热器的运行电流强度，u₀为气流磁导率，n₁为轴向单位长度螺旋线圈的匝数，l为轴向螺旋线圈的长度，r_o为螺旋线圈外径，r_i为螺旋线圈内径，n₂为径向单位长度螺旋线圈的匝数。

将电极安装在电弧加热器中，在待测试的工况下运行，记录运行电流强度I。将I代入磁感应强度的计算方程得到磁感应强度B。然后取下电极，测定熔滴痕迹与弧根的运动方向的夹角θ。将I、B和θ等参数值代入弧根的运动速度的计算方程，即可求得弧根的运动速度v₀。根据弧根的运动速度v₀可评估弧根在电极表面的停留时间。

以下是本发明列举的具体实施例。

实施例

请参阅图1，本实施例开展了电弧加热器弧根运动速度的测试。具体实施方式如下，将圆筒形电极1安装在电弧加热器中，使用空气作为介质，在待测试的工况下运行，弧根2在电极1的内壁转动，弧根2在电极1内壁高速运动后形成弧根区3，由于弧根区3被弧根2加热局部熔化，形貌表现为表面光亮，弧根区3熔化后形成的熔滴在气流的作用下飞溅，并沿气流方向7附着在电极1上形成熔滴痕迹6，熔滴痕迹6由于被氧化，颜色较深形成氧化皮区5，深色的氧化皮区5与光亮的弧根区3形成明显的分界线4。记录运行电流强度I为2600A。

运行后，将圆筒形电极1取出。烧蚀后电极1内壁形貌如图2，区分弧根区3和氧化皮区5，并作出弧根区1和氧化皮区5的分界线，分界线4设定为平行于弧根2的运动方向。

弧根2产生的所述熔滴速度(v_d)8沿相互垂直的方向能够分解为所述弧根运动速度(v₀)9和所述弧根位置的气流轴向速度(v_x)10。使用角度测定尺测量螺旋状的熔滴痕迹6与分界线4(弧根的运动方向)的夹角11，得到夹角θ＝5°。

将电流强度I＝2600A、空气磁导率u₀＝4π×10^-7N/A²、轴向单位长度螺旋线圈的匝数n₁＝100m^-1、轴向螺旋线圈的长度l＝0.06m、螺旋线圈外径r_o＝0.23m、螺旋线圈内径r_i＝0.15m、径向单位长度螺旋线圈的匝数n₂＝100m^-1代入磁场感应强度公式：

求得磁感应强度B＝0.413T，进一步将求得的磁场感应强度B、夹角θ＝5°、电流强度I＝260A、标准大气压下空气的密度＝1kg/m³代入公式：

求得弧根运动速度v₀＝446m/s。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电弧加热器弧根运动速度的测定方法，包括以下步骤：

将电极安装在电弧加热器中，在待测试的工况下运行，使弧根在所述电极的表面运动，形成弧根区；

所述弧根在所述弧根区运动过程中烧蚀所述电极后熔化产生熔滴，所述熔滴在气流的作用下飞溅，并沿所述气流的方向附着在所述电极表面形成熔滴痕迹；

建立所述弧根的受力平衡与所述熔滴痕迹的关系方程，计算得到所述弧根的运动速度。

2.根据权利要求1所述的电弧加热器弧根运动速度的测定方法，其特征在于，建立所述弧根的受力平衡与所述熔滴痕迹的关系方程的步骤包括：

建立所述弧根的受力平衡方程；以及

建立所述熔滴痕迹的曲线与所述弧根的受力平衡方程中特定参数的关系。

3.根据权利要求2所述的电弧加热器弧根运动速度的测定方法，其特征在于，建立所述熔滴痕迹的曲线与所述弧根的受力平衡方程中特定参数的关系的步骤包括：测定所述熔滴痕迹与所述弧根的运动方向的夹角θ。

4.根据权利要求1所述的电弧加热器弧根运动速度的测定方法，其特征在于，所述电极为圆筒形电极，所述弧根在所述电极中的运动为绕所述圆筒形电极的内壁转动，所述转动方向垂直于所述电极的轴向，所述熔滴痕迹为螺旋状。

5.根据权利要求4所述的电弧加热器弧根运动速度的测定方法，其特征在于，所述弧根的运动速度的计算方程为：

其中，v₀为所述弧根的运动速度，I为所述电弧加热器的运行电流强度，B为磁感应强度，ρ₀为标准大气压下气流的密度，

是与弧根位置的气流轴向速度相关的速度。

6.根据权利要求5所述的电弧加热器弧根运动速度的测定方法，其特征在于，所述弧根产生的所述熔滴的速度v_d沿相互垂直的方向能够分解为所述弧根的运动速度v₀和所述弧根位置的气流轴向速度v_x。

7.根据权利要求6所述的电弧加热器弧根运动速度的测定方法，其特征在于，

与所述弧根位置的气流轴向速度的关系方程为：

8.根据权利要求7所述的电弧加热器弧根运动速度的测定方法，其特征在于，所述熔滴痕迹与所述弧根的运动方向的夹角为θ，所述弧根的运动速度v₀与所述弧根位置的所述气流轴向速度v_x的关系方程为：

9.根据权利要求8所述的电弧加热器弧根运动速度的测定方法，其特征在于，所述弧根的运动速度的计算方程为：

10.根据权利要求5-9任一项所述的电弧加热器弧根运动速度的测定方法，其特征在于，所述磁感应强度的计算方程为：

其中，I为所述电弧加热器的运行电流强度，u₀为气流磁导率，n₁为轴向单位长度螺旋线圈的匝数，l为轴向螺旋线圈的长度，r_o为螺旋线圈外径，r_i为螺旋线圈内径，n₂为径向单位长度螺旋线圈的匝数。

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