CN112682961B

CN112682961B - 一种电弧加热器后端盖

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Publication number: CN112682961B
Application number: CN202011617108.7A
Authority: CN
Inventors: 文鹏; 刘雨翔; 朱旭; 欧东斌; 杨汝森
Original assignee: China Academy of Aerospace Aerodynamics CAAA
Current assignee: China Academy of Aerospace Aerodynamics CAAA
Priority date: 2020-12-30
Filing date: 2020-12-30
Publication date: 2022-05-27
Anticipated expiration: 2040-12-30
Also published as: CN112682961A

Abstract

本发明涉及航空航天飞行器气动热地面模拟试验装置技术领域，尤其是涉及一种电弧加热器后端盖。电弧加热器后端盖包括基体、辅助气道和冷却水道，基体为一体式片状圆盘型结构；辅助气道包括若干分支气道，每条分支气道绕轴线呈螺旋形设置，并且分支气道贯穿基体两个端面设置；冷却水道呈回龙盘形设置在基体内部，并且分布在基体两个端面之间。分支气道使辅助气道注入的冷气与电弧旋转方向相同或相近，可提高辅助旋气性能，增强电弧的旋转速率，降低电极内壁面单点电弧的驻留时间，减轻加热器电极的冷却负担。高压冷却水通过回龙盘形的冷却水道对基体受热侧表面进行冷却，减少壁面的烧损，提高后端盖的冷却性能。

Description

一种电弧加热器后端盖

技术领域

本发明涉及航空航天飞行器气动热地面模拟试验装置技术领域，尤其是涉及一种电弧加热器后端盖。

背景技术

在各类高超声速飞行器设计中，热防护方式、防热材料的选取及其可靠性，必须经过大量的试验考核。电弧加热器试验周期短、费用低，是研究国内外航空航天高超声速飞行器热防护技术的核心试验设备。随着我国高超声速飞行器型号的迭代更新，对电弧加热器设备焓值和功率的提升有着迫切需求。

建成高焓值大功率的电弧加热器设备，需要综合提升加热器各部件的使用性能，而冷却性能是首要考虑的关键性能，是保护加热器各部件承受住高温内部热环境的重中之重。目前，受限于传统机械加工工艺，加热器后端盖的辅助气道采用切向直孔的方式进行辅助旋气，难以达到最佳的旋气环境；而冷却水道采用切向直孔或焊接的方式进行构建，难以做到大面积覆盖冷却，并延长了后端盖的加工周期。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种电弧加热器后端盖，该电弧加热器后端盖能够解决现有技术中存在的难以达到最佳的旋气环境、冷却效果差的问题；

本发明提供一种电弧加热器后端盖，其包括基体、辅助气道和冷却水道，其中：

所述基体为一体式片状圆盘型结构；

所述辅助气道设置在基体的中心位置，所述辅助气道包括若干分支气道，每条分支气道绕轴线呈螺旋形设置，并且分支气道贯穿基体两个端面设置；

所述冷却水道呈回龙盘形设置在基体内部，并且分布在基体两个端面之间；

所述冷却水道环绕于辅助气道的外侧，并且冷却水道和辅助气道互不相通。

优选的，所述分支气道相对于基体端面的倾斜角度不小于30°。

优选的，所述电弧加热器后端盖设置在电弧加热器上，且电弧加热器后端盖的内端面具有旋转电弧，由分支气道排出气体的旋气方向与电弧旋转方向一致。

优选的，所述分支气道最小内径不大于1mm，不小于0.5mm。

优选的，所述辅助气道还包括注气孔，所述注气孔设置在基体的外端面，且分支气道的进口端与注气孔连通。

优选的，所述冷却水道包括多个环形水道，多个环形水道相互套接设置，多个环形水道构成呈回龙盘形；

相邻环形水道之间设置有连通口，且不同的连通口错开设置。

优选的，所述冷却水道与基体内侧端面之间距离不大于1mm。

优选的，所述冷却水道的等效通径不小于3mm。

优选的，所述冷却水道还包括第一水口和第二水口，所述第一水口与内圈环形水道连通，所述第二水口与外圈环形水道连通。

优选的，所述基体采用3D打印金属增材技术加工制造形成的一体式结构。

有益效果：

在电弧加热器工作时，高压旋转电弧电离气体工质所形成的高温内环境将作用于基体的内端面上。一方面，通过分支气道设置成螺旋形，使辅助气道注入的冷气与电弧旋转方向相同或相近，可提高辅助旋气性能，增强电弧的旋转速率，降低电极内壁面单点电弧的驻留时间，减轻加热器电极的冷却负担。另一方面，高压冷却水通过回龙盘形的冷却水道对基体受热侧表面进行冷却，减少壁面的烧损，提高后端盖的冷却性能。

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为本发明具体实施方式提供的电弧加热器后端盖的纵向剖视图；

图2为本发明具体实施方式提供的电弧加热器后端盖的横向剖视图(图中显示的两部分为后端盖横向剖开后的两部分结构)。

附图标记说明：

1：基体；2：辅助气道；3：冷却水道；

21：分支气道；22：注气口；

31：环形水道；32：连通口；33：第一水口；34：第二水口。

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。

如图1所示，本实施方式提供了一种电弧加热器后端盖，其包括基体1、辅助气道2和冷却水道3，其中，

基体1为一体式片状圆盘型结构。

辅助气道2设置在基体1的中心位置，辅助气道2包括若干分支气道21，每条分支气道21绕基体1轴线呈螺旋形设置，并且分支气道21贯穿基体1两个端面设置。

冷却水道3呈回龙盘形设置在基体1内部，并且分布在基体1两个端面之间。

冷却水道3环绕于辅助气道2的外侧，并且冷却水道3和辅助气道2互不相通。

在电弧加热器工作时，高压旋转电弧电离气体工质所形成的高温内环境将作用于基体1的内端面上。一方面，通过分支气道21设置成螺旋形，使辅助气道2注入的冷气与电弧旋转方向相同或相近，可提高辅助旋气性能，增强电弧的旋转速率，降低电极内壁面单点电弧的驻留时间，减轻加热器电极的冷却负担。另一方面，高压冷却水通过回龙盘形的冷却水道3对基体1受热侧表面进行冷却，减少壁面的烧损，提高后端盖的冷却性能。

具体的，分支气道21相对于基体1端面的倾斜角度不小于30°。分支气道21最小内径不大于1mm，不小于0.5mm。通过此种分支气道21的设置方式，以确保产生强度足够、均匀有效的高速冷气喷流。

电弧加热器后端盖设置在电弧加热器上，且电弧加热器后端盖的内端面具有旋转电弧，由分支气道21排出气体的旋气方向与电弧旋转方向一致。此种设置形式，使分支气道21排出的气体能够提高辅助旋气性能。

辅助气道2还包括注气孔22，注气孔22设置在基体1的外端面，且分支气道21的进口端与注气孔22连通。通过注气孔22的设置，便于向分支气道21内注气。

冷却水道3包括多个环形水道31，多个环形水道31相互套接设置，多个环形水道31构成呈回龙盘形。

多条环形水道31分布在辅助气道2的外围，通过将冷却水道3均匀分布在辅助气道2的外围，组成多条串联相通的冷却通道，可加大冷却水覆盖面积，从而提高后端盖的冷却性能。

相邻环形水道31之间设置有连通口32，且相邻的连通口32错开设置。

需要说明的是，环形水道包括水道整体为环形，或者具有缺口的环形。

冷却水道3还包括第一水口33和第二水口34，第一水口33与内圈环形水道31连通，第二水口34与外圈环形水道31连通。第一水口33和第二水口34其中之一用于向冷却水道3内注水，另一个用于排水，使冷却水道内形成水循环。

在本实施方式，冷却水道3包括三条环形水道，三条环形水道分别为第一环形水道、第二环形水道和第三环形水道。

第一环形水道、第二环形水道和第三环形水道依次套接设置，第一环形水道设置在内圈，并且套设在辅助气道2的外侧。

第一环形水道的第一端与第一水口33连通，第一环形水道的第二端与第二环形水道的第二端通过第一连通口连通，第二环形水道的第一端和第三环形水道第一端通过第二连通口连通，第三环形水道的第二端与第二水口34连通。第一连通口和第二连通口分别位于基体1的两端。此处为相邻连通口32交错设置的一种形式，如果第一连通口和第二连通口位于基体1的同一端并且相对设置，从第一环形水道排出的水会直接进入第三环形水道。也就说第一连通口和第二连通口错开设置，能够提高水流的长度。

冷却水道3与基体1内侧端面之间距离不大于1mm。冷却水道3的等效通径不小于3mm。以确保基体1右侧端面得到足够冷却。

基体1采用3D打印金属增材技术加工制造形成的一体式结构。

由于基体1内的辅助气道2呈特定的螺旋形状，且各条冷却水道3串联互通、独立运行等特点，后端盖基体1需要采用金属3D打印增材制造技术进行设计与加工。通过这种制造技术，可完成上述复杂构型的加工，实现后端盖的冷却性能的提高及辅助旋气性能的优化，并实现整体结构一体化成型，简化后端盖的加工与安装。

本发明的组成装置说明和试验验证都证明了本发明具有的特点，能够具有比传统电弧加热器后端盖更强的冷却性能、更优的旋气环境、更简的加工安装时效。

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

1.一种电弧加热器后端盖，其特征在于，包括基体、辅助气道和冷却水道，其中：

所述基体为一体式片状圆盘型结构；

所述冷却水道环绕于辅助气道的外侧，并且冷却水道和辅助气道互不相通；

所述电弧加热器后端盖设置在电弧加热器上；

所述辅助气道还包括注气孔，所述注气孔设置在基体的外端面，且分支气道的进口端与注气孔连通。

2.根据权利要求1所述的电弧加热器后端盖，其特征在于，所述分支气道相对于基体端面的倾斜角度不小于30°。

3.根据权利要求1或2所述的电弧加热器后端盖，其特征在于，所述电弧加热器后端盖的内端面具有旋转电弧，由分支气道排出气体的旋气方向与电弧旋转方向一致。

4.根据权利要求1所述的电弧加热器后端盖，其特征在于，所述分支气道最小内径不大于1mm，不小于0.5mm。

5.根据权利要求1所述的电弧加热器后端盖，其特征在于，所述冷却水道包括多个环形水道，多个环形水道相互套接设置，多个环形水道构成呈回龙盘形；

6.根据权利要求1或5所述的电弧加热器后端盖，其特征在于，所述冷却水道与基体内侧端面之间距离不大于1mm。

7.根据权利要求1或5所述的电弧加热器后端盖，其特征在于，所述冷却水道的等效通径不小于3mm。

8.根据权利要求5所述的电弧加热器后端盖，其特征在于，所述冷却水道还包括第一水口和第二水口，所述第一水口与内圈环形水道连通，所述第二水口与外圈环形水道连通。

9.根据权利要求1所述的电弧加热器后端盖，其特征在于，所述基体采用3D打印金属增材技术加工制造形成的一体式结构。