CN112672454A - 一种电弧加热器的内壁气膜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电弧加热器的内壁气膜，包括用于通入冷气的电弧进气孔、集气环、若干切向冷气通道，所述集气环位于电弧加热器的内壁和外壁之间且与电弧加热器同轴；所述电弧进气孔径向设置在所述外壁上且和所述集气环连通；所述切向冷气通道沿所述内壁切向设置，且切向方向和电弧加热器旋转方向同向；所述切向冷气通道的一端和所述集气环连通、另一端电弧加热器内腔连通。本发明的电弧加热器的内壁气膜可以减轻电弧加热器烧损状况，延长电弧加热器的使用寿命，提高电弧加热器的运行效率。
Description
技术领域
本发明涉及电弧加热器的技术领域，具体为一种电弧加热器的内壁气膜。
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。随着技术的进步，电弧加热器的最高运行功率逐渐提升，由此带来的电弧加热器自身烧损与寿命问题也在凸显。
目前，大多数类型的电弧加热器均采用围绕加热器内壁外侧的高压冷却水配合紫铜材料制成的内壁面进行冷却。依靠紫铜本身的高导热率，将加热器累积的热量快速传导至冷却水，保证加热器结构不会经受过重的烧蚀。然而该冷却方法使得加热器内壁面与高温气体直接接触，从而必定产生烧损，影响加热器使用寿命，内壁材料烧蚀产物还会污染高温气体，冷却水带走的热量还会降低电弧加热器工作效率。另外，这种电极采用内外套式的结构，在紫铜内套和加热器外套之间布置冷却水道，并采用橡胶密封圈对高压冷却水进行密封。这种结构使得电极的加工周期较长，安装过程复杂，并且内部高温环境容易使橡胶密封圈炭化而失效，成为电弧加热器运行过程中的薄弱环节。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电弧加热器的内壁气膜，以解决上述背景技术中的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种电弧加热器的内壁气膜，其特征在于，包括用于通入冷气的电弧进气孔、集气环、若干切向冷气通道，所述集气环位于电弧加热器的内壁和外壁之间且与电弧加热器同轴；所述电弧进气孔径向设置在所述外壁上且和所述集气环连通；所述切向冷气通道沿所述内壁切向设置，且切向方向和电弧加热器旋转方向同向；所述切向冷气通道的一端和所述集气环连通、另一端和电弧加热器内腔连通。
进一步的，所述切向冷气通道沿所述内壁的圆周方向均匀布置。
进一步的，所述切向冷气通道的设置数量大于等于4个。
进一步的，所述切向冷气通道为拉瓦尔喷管。
进一步的，所述拉瓦尔喷管的喉道直径≤2mm。
进一步的，所述电弧进气孔的设置数量包括一个或一个以上。
进一步的，所述电弧进气孔的设置数量为一个以上时，所述电弧进气孔的截面积之和等于所述集气环的截面积，且大于所述喉道截面积之和。
进一步的，所述电弧进气孔的设置数量为一个以上时，所述电弧进气孔沿所述外壁的圆周方向均匀设置。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)减轻电弧加热器烧损状况，延长电弧加热器使用寿命；
2)提高电弧加热器运行效率；
3)减少电弧加热器内气体中的金属蒸气杂质，提高气体纯净度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提出的电弧加热器的内壁气膜的结构示意图；
图2为本发明提出的电弧加热器的内壁气膜的工作示意图。
附图标记说明：
1-电弧加热器； 1010-电弧进气孔；
20-集气环； 3010-切向冷气通道；
10-外壁； 30-内壁；
4-环形冷气膜。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参阅图1-2所示，为本发明提出的一种电弧加热器的内壁气膜，包括用于通入冷气的电弧进气孔1010、集气环20、若干切向冷气通道3010，其中，集气环20位于电弧加热器1的内壁30和外壁10之间，并且与电弧加热器1同轴；电弧进气孔1010径向设置在外壁10上并且和集气环20连通；切向冷气通道3010沿内壁30切向设置，且切向方向和电弧加热器1的旋转方向同向；切向冷气通道3010的一端和集气环20连通、另一端和电弧加热器1内腔连通。冷气从电弧进气孔1010进入集气环20中，再通过切向冷气通道3010，进入电弧加热器1的内腔，沿电弧加热器1的内腔壁面形成环形冷气膜4，环形冷气膜4降低了高温工作气体与电弧加热器之间的热传递，减少了在电弧加热器结构上的热损耗，进而提高了电弧加热器的运行效率。根据现场需求，还可设置多个内壁气膜沿电弧加热器的轴向并联排列后可在电弧加热器的内腔壁面形成连续的冷气膜，可以将高温气体包裹在其中，使得高温气体不直接与电弧加热器内腔壁面接触，从而降低加热器内壁的温度，减轻加热器内壁的烧损状况，进而提高电弧加热器使用寿命，同时还减少了电弧加热器内气体中的金属蒸气杂质，提高气体纯净度。
具体地，切向冷气通道3010沿内壁30的圆周方向均匀布置，且切向冷气通道3010的设置数量大于等于4个，这样设置能保证环形冷气膜4有足够的连续性及均匀性，本实施例中，切向冷气通道3010的设置数量为8个。作为优选，切向冷气通道3010采用拉瓦尔喷管，且拉瓦尔喷管的喉道直径≤2mm，以确保环形冷气膜4具有足够的强度的同时还能减少与电弧加热器内的工作气体间占比。
此外，电弧进气孔1010的设置数量可以是一个，也可以是一个以上，当设置数量为一个以上时，电弧进气孔1010的截面积之和等于集气环20的截面积，且大于喉道截面积之和以确保在切向冷气通道3010处形成有效的声速截面，另外，当电弧进气孔1010的设置数量为一个以上时，电弧进气孔1010沿外壁10的圆周方向均匀设置以保证集气环20内的冷气均匀分布。
在上述方案的基础上，冷气优选高压冷气，高压冷气的成分与电弧加热器1内的工作气体相同，以确保电弧加热器1内工作气体不会掺入杂质。
以下简要阐述本发明的电弧加热器的工作过程和原理：
工作时，电弧加热器1内腔的工作气体被电弧加热器1加热成为高温气体，并同时具有沿轴向的速度和绕中心轴线的旋转速度，将高压冷气持续地从电弧进气孔1010进入集气环20中，并通过切向冷气通道3010进入电弧加热器1的内腔，在电弧加热器1的内腔壁面形成环形冷气膜4，环形冷气膜4将高温气体包裹在其中，使得高温气体不直接与电弧加热器1的内壁30接触，从而降低了电弧加热器1内壁30的温度，减轻内壁30的烧损状况，进而提高电弧加热器1的使用寿命，同时还减少了电弧加热器1内气体中的金属蒸汽杂质，提高气体纯净度，环形冷气膜4的存在还降低了高温工作气体与电弧加热器1之间的热传递，减少了在电弧加热器1结构上的热损耗，进而提高了电弧加热器1的运行效率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。
Claims (8)
1.一种电弧加热器的内壁气膜，其特征在于，包括用于通入冷气的电弧进气孔、集气环、若干切向冷气通道，所述集气环位于电弧加热器的内壁和外壁之间且与电弧加热器同轴；所述电弧进气孔径向设置在所述外壁上且和所述集气环连通；所述切向冷气通道沿所述内壁切向设置，且切向方向和电弧加热器旋转方向同向；所述切向冷气通道的一端和所述集气环连通、另一端和电弧加热器内腔连通。
2.根据权利要求1所述的电弧加热器的内壁气膜，其特征在于，所述切向冷气通道沿所述内壁的圆周方向均匀布置。
3.根据权利要求2所述的电弧加热器的内壁气膜，其特征在于，所述切向冷气通道的设置数量大于等于4个。
4.根据权利要求1所述的电弧加热器的内壁气膜，其特征在于，所述切向冷气通道为拉瓦尔喷管。
5.根据权利要求4所述的电弧加热器的内壁气膜，其特征在于，所述拉瓦尔喷管的喉道直径≤2mm。
6.根据权利要求5所述的电弧加热器的内壁气膜，其特征在于，所述电弧进气孔的设置数量包括一个或一个以上。
7.根据权利要求6所述的电弧加热器的内壁气膜，其特征在于，所述电弧进气孔的设置数量为一个以上时，所述电弧进气孔的截面积之和等于所述集气环的截面积，且大于所述喉道截面积之和。
8.根据权利要求6所述的电弧加热器的内壁气膜，其特征在于，所述电弧进气孔的设置数量为一个以上时，所述电弧进气孔沿所述外壁的圆周方向均匀设置。
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