CN111779645A - 大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构 - Google Patents

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丛云天
汤海滨
魏延明
丁凤林
周成
王宝军
王戈
赵博强
吴延龙
李良
田海龙
陶冶
亢淼
应磊
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F03H1/0081—Electromagnetic plasma thrusters

Abstract

本发明公开了一种大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构，包括：阴极套筒内壁、阴极套筒外水冷套、进口管路和出口管路；其中，阴极套筒内壁与阴极套筒外水冷套通过焊接实现密封配合，阴极套筒内壁与阴极套筒外水冷套之间的区域构成冷却腔体；进口管路与阴极套筒内壁焊接，并且进口管路与冷却腔体相连通；出口管路与阴极套筒内壁焊接，并且出口管路与冷却腔体相连通；阴极套筒内壁的外表面上设有导流板，导流板在冷却腔体内引导冷却剂的流动。本发明确保阴极在高温大电流下可靠工作，同时通过引入导流板设计冷却流道，弥补了传统直通式阴极换热结构换热效率低、尺寸大、寿命短的缺陷。

Description

大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构
技术领域
本发明属于空间飞行器电推进动力装置技术领域，尤其涉及一种大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构。
背景技术
随着航天器应用电推进平台和深空探测任务的需求，我国已开展多种电推进技术研究，并取得了长足的进步，但鉴于我国大功率空间电源技术仍处于研制阶段，国内对大功率MPDT的研究起步较晚。
在MPD中，阴极的热环境比阳极更加恶劣。调查研究以及试验结构都表明，MPD的阴极在高电流放电的恶劣热环境中承受着最严重的侵蚀，因此阴极可以认为是限制整个MPD推力器寿命的关键部件。因此，较大功率MPD推力器阴极的水冷结构设计必不可少。
现有的电推力器采用的阴极难以在大电流、高热环境下长期运作，在MPD推力器内部放电、热辐射和离子轰击的耦合作用下难以保证可靠性和寿命。因此，研制适用于大功率MPDT的新型阴极螺旋换热结构，降低阴极后端表面温度，是目前大功率MPDT的发展需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构，通过阴极套筒内壁、阴极套筒外水冷套、导流板、冷却腔体以及进出口管路的焊接装配，确保阴极在高温大电流下可靠工作，同时通过引入导流板设计冷却流道，弥补了传统直通式阴极换热结构换热效率低、尺寸大、寿命短的缺陷。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构，包括：阴极套筒内壁、阴极套筒外水冷套、进口管路和出口管路；其中，所述阴极套筒内壁与所述阴极套筒外水冷套通过焊接实现密封配合，所述阴极套筒内壁与所述阴极套筒外水冷套之间的区域构成冷却腔体；所述进口管路与所述阴极套筒内壁焊接，并且所述进口管路与所述冷却腔体相连通；所述出口管路与所述阴极套筒内壁焊接，并且所述出口管路与所述冷却腔体相连通；所述阴极套筒内壁的外表面上设有导流板，所述导流板在冷却腔体内引导冷却剂的流动。
上述大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构中，所述阴极套筒内壁为空心圆柱体，所述阴极套筒内壁的一端设有向外凸起的阶梯，所述阴极套筒内壁的表面温度沿轴向梯度变化，温度变化范围为300～400K。
上述大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构中，所述阴极套筒外水冷套为空心薄壁圆柱体，所述阴极套筒外水冷套的一端设置有第一平直段，所述阴极套筒内壁设置有第二平直段，第一平直段和第二平直段焊接。
上述大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构中，阴极套筒外水冷套和阴极套筒内壁的焊接位置为角接焊缝，采用氩弧焊、真空电子束焊和钎焊进行焊接。
上述大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构中，进口管路和阴极套筒内壁的焊接位置为管路与板角焊缝，采用电子束焊和钎焊；出口管路和阴极套筒内壁的焊接位置为管路与板角焊缝，采用电子束焊和钎焊。
上述大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构中，阴极套筒外水冷套和阴极套筒内壁最薄处厚度为3～5mm，以保证整体焊接后的耐压性，最大可承受内压大于4MPa。
上述大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构中，阴极套筒内壁及导流板无尖端，减小流阻，冷却腔体内部的冷却剂的流速为0.5～2kg/s。
上述大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构中，阴极套筒内壁、阴极套筒外水冷套、进口管路和出口管路均采用紫铜。
上述大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构中，所述冷却剂为液氮、液氦或去离子水。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明的阴极螺旋换热结构采用内部流道螺旋型设计，保证较长的换热路径，具备较好的导热能力，流阻较小，同时保证导流板连接处的热应力较低，整体换热效果较高。
(2)本发明的阴极螺旋换热结构配合简单可靠，采用焊接连接方案，形成耐高温高压的密封冷却腔体，具备通用性强，适用范围广的特点，市场应用前景非常广阔。
(3)本发明的阴极螺旋换热设计结构紧凑，在保证可靠性和导热能力的前提下保持了较小的包络尺寸。
(4)本发明的阴极螺旋换热结构焊接工艺可靠且耐高压，内壁面与水冷套、进出口管路与内壁面的焊接充分考虑了工艺、结构强度、热应力等问题，有效隔绝阴极冷却腔体与外部真空环境，避免出现高压水流下出现泄漏等问题；
(5)本发明的阴极螺旋换热结构采用易加工、导热性好的材料，在高温条件下可实现高效换热。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明的大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构的剖视图；
图2为本发明阴极套筒内壁的左视图；
图3(a)为本发明阴极套筒内壁的正视图；
图3(b)为本发明阴极套筒内壁的另一示意图；
图4为本发明阴极套筒内壁在导流板处的剖视图；
图5为本发明阴极套筒外水冷套的剖视图；
图6为本发明阴极套筒水冷通道展开图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构主要由阴极套筒内壁、阴极套筒外水冷套、导流板、冷却腔体以及进出口管路组成。阴极螺旋换热结构内部安置用于增加冷却剂流动路线和湍流度的导流板；阴极套筒内壁为圆柱体，并增加导流板构建内流道，阴极套筒外水冷套为薄壁圆柱台，通过角接焊接完成冷却通道的外侧密封以及与内壁面的配合，最终构成整个冷却腔体；进出口管路通过焊接与阴极连接。通过阴极套筒内壁、阴极套筒外水冷套和导流板之间的焊接连接，实现阴极内部冷却通道的密封。
阴极套筒内壁1与阴极套筒外水冷套2通过焊接实现密封配合，两者之间的区域构成冷却腔体4，进出口管路通过与阴极套筒内壁1相应位置的端面焊接实现冷却剂进出，同时保证冷却腔体4内不泄漏冷却剂。
阴极套筒内壁1上设有导流板3，在冷却腔体4内引导冷却剂的流动；进出口管路内设有冷却剂通道，与阴极套筒内壁1和阴极套筒外水冷套2之间构成的冷却腔体4连通，实现闭环通路。
如图1所示，一种大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构，包括阴极套筒内壁1、阴极套筒外水冷套2、导流板3、冷却腔体4、进口管路51和出口管路52。阴极套筒内壁1与阴极套筒外水冷套2通过焊接实现密封配合，两者之间的区域构成冷却腔体4，进口管路51与阴极套筒内壁1焊接，并且进口管路51与所述冷却腔体4相连通；所述出口管路52与所述阴极套筒内壁1焊接，并且所述出口管路52与所述冷却腔体4相连通；通过与阴极套筒内壁1相应位置的端面焊接实现冷却剂进出，同时保证冷却腔体4内不泄漏冷却剂；阴极套筒内壁1上设有导流板3，在冷却腔体4内引导冷却剂的流动；进口管路51和出口管路52内设有冷却剂通道，与阴极套筒内壁1和阴极套筒外水冷套2之间构成的冷却腔体4连通，实现闭环通路。
推力器测试时对阴极螺旋换热结构的功能指标进行了验证，可满足冷却腔体内部通入流率为2kg/s、压力4MPa的去离子水时换热结构焊接处不出现泄露，壁面无破裂和变形。推力器工作时，阴极套筒内壁中心孔壁面温度达到300～400K，阴极换热结构未出现烧蚀、涨裂、熔化等受热集中现象，出入口温升达到10～20K。
阴极套筒内壁1与阴极套筒外水冷套2通过焊接实现密封配合，两者之间的区域构成冷却腔体4，进出口管路通过与阴极套筒内壁1相应位置的端面焊接实现冷却剂进出，同时保证冷却腔体4内不泄漏冷却剂。
阴极套筒内壁1上设有导流板3，在冷却腔体4内引导冷却剂的流动；进出口管路内设有冷却剂通道，与阴极套筒内壁1和阴极套筒外水冷套2之间构成的冷却腔体4连通，实现闭环通路。
优选的，如图2、图3(a)和图3(b)所示，阴极套筒内壁1为空心圆柱体，圆柱体的一端设有向外凸起的阶梯，内部空心区域与阴极通过锥面接触实现换热，接触表面温度沿轴向梯度变化，温度变化范围为300～400K。
优选的，如图5所示，阴极套筒外水冷套2为空心薄壁圆台，阴极套筒外水冷套2和阴极套筒内壁1在两端配合的区域均设有一定长度的平直段，用于焊接连接。
优选的，如图1所示，阴极套筒外水冷套2和阴极套筒内壁1在两侧的焊接位置为a和b，均为角接焊缝，采用氩弧焊、真空电子束焊和钎焊进行焊接。优选的，如图1所示，进口管路51、出口管路52和阴极套筒内壁1的焊接位置为c，为管路与板角焊缝，管孔靠近外壁，仅能采用电子束焊和钎焊。
优选的，如图1所示，阴极套筒外水冷套2和阴极套筒内壁1最薄处厚度约为3～5mm，以保证整体焊接后的耐压性，最大可承受内压大于4MPa。
优选的，如图3(a)所示，导流板3的设计为曲面，板的宽度为2mm，相邻间距为5～7mm。
优选的，如图4所示，导流板3采用圆环设计，在内壁面两侧各有4mm宽的挡板，导流板与挡板留出30°的空间。
优选的，如图1所示，阴极套筒内壁1及其上的导流板3无尖端设计，减小流阻，冷却腔体4内部冷却剂设计流速为0.5～2kg/s。
优选的，如图2所示，阴极套筒内壁开设有进出口管路的通道，并关于中心轴上下对称放置。
优选的，如图1所示，阴极套筒内壁1、阴极套筒外水冷套2、进口管路51和出口管路52均采用导热性较好的同种材料，如紫铜。
优选的，如图1所示，阴极冷却剂可采用液氮、液氦或去离子水。
优选的，图6为本发明阴极套筒水冷通道展开图。如图6所示，阴极水冷通道由内部挡板形成，流动路线按照图中箭头所示。所述导流板3包括第一挡板31、第二挡板32、第三挡板33、第四挡板34、第五挡板35、第六挡板36、第七挡板37、第八挡板38、第九挡板39和第十挡板30；其中，第五挡板35一端与阴极套筒内壁1的前壁11相连接；第一挡板31的一端与第十挡板30相连接，第一挡板31的另一端与第五挡板35留有空隙；第二挡板32的一端与第十挡板30留有空隙，第二挡板32的另一端与第五挡板35相连接；第三挡板33的一端与第十挡板30相连接，第三挡板33的另一端与第五挡板35留有空隙；第四挡板34的一端与第十挡板30留有空隙，第四挡板34的另一端与第五挡板35相连接；第六挡板36的一端与第十挡板30相连接，第六挡板36的另一端与第五挡板35留有空隙；第七挡板37的一端与第十挡板30留有空隙，第七挡板37的另一端与第五挡板35相连接；第八挡板38的一端与第十挡板30相连接，第八挡板38的另一端与第五挡板35留有空隙；第九挡板39的一端与第十挡板30留有空隙，第九挡板39的另一端与第五挡板35相连接。需要说明的是，图6为展开图，是以第十挡板30的中心轴线为分割线展开的。
第一挡板31、第二挡板32、第三挡板33、第四挡板34、第五挡板35、第六挡板36、第七挡板37和第八挡板38的长度方向均与第九挡板39的长度方向垂直。
第一挡板31与阴极套筒内壁1形成第一通道，第一挡板31与第二挡板32形成第二通道，第二挡板32与第三挡板33形成第三通道，第三挡板33与第四挡板34形成第四通道，第四挡板34与阴极套筒内壁1形成第五通道，第六挡板36与阴极套筒内壁1形成第六通道，第六挡板36与第七挡板37形成第七通道，第七挡板37与第八挡板38形成第八通道，第八挡板38和第九挡板39形成第九通道，第九挡板39阴极套筒内壁1形成第十通道。
本实施例的冷却介质通过进口管路51，再通过入口进入第一通道，然后依次通过第二通道、第三通道、第四通道、第五通道、第六通道、第七通道、第八通道、第九通道和第十通道，最后通过出口流至出口管路52。
本发明的阴极螺旋换热结构采用内部流道迂回型设计，保证较长的换热路径，具备较好的导热能力，流阻较小，同时保证导流板连接处的热应力较低，整体换热效果较高，本发明的阴极螺旋换热结构采用易加工、导热性好的材料，在高温条件下可实现高效换热。
本发明的阴极螺旋换热设计结构紧凑，在保证可靠性和导热能力的前提下保持了较小的包络尺寸，本发明的阴极螺旋换热结构配合简单可靠，采用焊接连接方案，形成耐高温高压的密封冷却腔体，具备通用性强，适用范围广的特点，市场应用前景非常广阔。
本发明的阴极螺旋换热结构焊接工艺可靠且耐高压，内壁面与水冷套、进出口管路与内壁面的焊接充分考虑了工艺、结构强度、热应力等问题，避免高压下出现泄漏。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构，其特征在于包括：阴极套筒内壁(1)、阴极套筒外水冷套(2)、进口管路(51)和出口管路(52)；其中，
所述阴极套筒内壁(1)与所述阴极套筒外水冷套(2)通过焊接实现密封配合，所述阴极套筒内壁(1)与所述阴极套筒外水冷套(2)之间的区域构成冷却腔体(4)；
所述进口管路(51)与所述阴极套筒内壁(1)焊接，并且所述进口管路(51)与所述冷却腔体(4)相连通；
所述出口管路(52)与所述阴极套筒内壁(1)焊接，并且所述出口管路(52)与所述冷却腔体(4)相连通；
所述阴极套筒内壁(1)的外表面上设有导流板(3)，所述导流板(3)在冷却腔体(4)内引导冷却剂的流动。
2.根据权利要求1所述的大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构，其特征在于：所述阴极套筒内壁(1)为空心圆柱体，所述阴极套筒内壁(1)的一端设有向外凸起的阶梯，所述阴极套筒内壁(1)的表面温度沿轴向梯度变化，温度变化范围为300～400K。
3.根据权利要求1所述的大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构，其特征在于：所述阴极套筒外水冷套(2)为空心薄壁圆柱体，所述阴极套筒外水冷套(2)的一端设置有第一平直段，所述阴极套筒内壁(1)设置有第二平直段，第一平直段和第二平直段焊接。
4.根据权利要求1所述的大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构，其特征在于：阴极套筒外水冷套(2)和阴极套筒内壁(1)的焊接位置为角接焊缝，采用氩弧焊、真空电子束焊和钎焊进行焊接。
5.根据权利要求1所述的大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构，其特征在于：进口管路(51)和阴极套筒内壁(1)的焊接位置为管路与板角焊缝，采用电子束焊和钎焊；
出口管路(52)和阴极套筒内壁(1)的焊接位置为管路与板角焊缝，采用电子束焊和钎焊。
6.根据权利要求1所述的大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构，其特征在于：阴极套筒外水冷套(2)和阴极套筒内壁(1)最薄处厚度为3～5mm，以保证整体焊接后的耐压性，最大可承受内压大于4MPa。
7.根据权利要求1所述的大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构，其特征在于：阴极套筒内壁(1)及导流板(3)无尖端，减小流阻，冷却腔体(4)内部的冷却剂的流速为0.5～2kg/s。
8.根据权利要求1所述的大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构，其特征在于：阴极套筒内壁(1)、阴极套筒外水冷套(2)、进口管路(51)和出口管路(52)均采用紫铜。
9.根据权利要求7所述的大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构，其特征在于：所述冷却剂为液氮、液氦或去离子水。
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