CN114071813B - 一种高压多重电极装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压多重电极装置。该高压多重电极装置为前端开口的钟形体，钟形体内腔从前至后依次固定有内径从大到小、径向截面为U型的环形的电极片，还设置有中心电极片；各电极片采用夹层水冷结构，内壳材料为无氧铜，外壳材料为不锈钢，夹层水冷结构通入冷却水冷却内壳；外壳嵌套励磁线圈，通电产生磁场，激励电弧旋转；各电极片之间间隔有密封绝缘环和进气环，各电极片之间喷出的旋转气流冲入高压多重电极装置的内部空腔。该高压多重电极装置利用电极片的内型面变化组合，调整不同电极片放电区域与核心电弧之间的距离，减小高压环境下各电极片承载电弧的电压差，实现高压环境下的有效分流，可作为片式电弧加热器阴极，用于防热试验。

Description

一种高压多重电极装置
技术领域
本发明属于航天飞行器气动防热地面试验设备技术领域，具体涉及一种高压多重电极装置。
背景技术
目前，随着高超声速飞行技术的飞速发展，高超声速飞行器热防护系统的地面防热试验考核对电弧加热设备的运行能力提出了越来越高的要求。片式电弧加热器是实现大功率、高焓、长时间的地面防热试验考核的重要的加热设备之一；片式电弧加热器由喷嘴、前后电极、若干水冷环状压缩片、进气环以及绝缘件串联组装而成，电弧连接前后电极，并通过压缩片间的切向进气约束管状通道，经电弧电离的气体由喷嘴喷出形成高温、高速试验流场。
多重电极是片式电弧加热器的通用电极，多重电极通过多对电极均匀分流总电流，提高电极载流能力，实现大电流、高焓、大功率运行。但是，传统的叠片式多重电极在总压1.7MPa以上时，由于电弧的高压聚集效应，无法有效分流大电流负载，限制了片式电弧加热器的总压模拟范围。
当前，亟需发展一种高压多重电极装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于片式电弧加热器的高压多重电极装置。
本发明的高压多重电极装置，其特点是，所述的高压多重电极装置为多个不同内径、相互绝缘的叠片式电极组成的前端开口的钟形体，钟形体的前端为圆环形的前固定环，钟形体的后端为圆形的后盖，前固定环和后盖之间通过沿周向均布的连接螺栓组固定连接；连接螺栓组的螺母和后盖之间间隔有绝缘套；
在钟形体内腔，从前至后依次固定有内径从大到小、径向截面为U型的N个环形的电极片，N≥3；第1个电极片~第N个电极片的U型曲面朝向高压多重电极装置的中心轴线；各电极片具有内壳、外壳双层结构，外壳外嵌套励磁线圈，励磁线圈由直流电源供电形成磁场；各电极片的内壳、外壳之间设置有冷却水流道，两侧冷却水从电极片的两侧进出，形成两路半环形冷却通道；中心电极片套装在后盖上凸起的水冷圆柱段上，中心电极片的圆柱段外表面沿周向设置有旋转气道；中心电极片的冷却水从后盖的中心进水口流至水冷圆柱段的前端，再回流至后盖的后端集水槽，由后盖的出水口流出；
各电极片之间间隔有密封绝缘环和进气环，中心电极片与后盖之间间隔有密封绝缘环，密封绝缘环和进气环与高压多重电极装置的中心轴线同轴，密封绝缘环的直径大于进气环的直径；第1个电极片~第N个电极片的内壳的侧壁面内设置有进气道，进气道的开口位于密封绝缘环和进气环之间的密闭空间，进气道与进气环连通，进气环上开有若干切向出气孔，出气孔出口面向高压多重电极装置的内部空腔，出气孔喷出的介质气体形成周向旋转气流；周向旋转气流隔绝电极片之间电弧，提高电极片的片间绝缘性能，防止片间侧壁面放电串弧；中心电极片的介质气体从旋转气道进入高压多重电极装置的内部空腔，形成中心旋转气流，促进中心电极片上的电弧旋转。
进一步地，所述的介质气体为氩气。
进一步地，所述的密封绝缘环的主体为圆环，圆环的轴向对称面上凸出有翅片式外环201；圆环的内环设置有上下对称的内环锥面202；圆环的上表面和下表面设置有上下对称的外环锥面203；圆环的径向截面为锤形，其中，圆环主体的径向截面构成上下对称的锤头，翅片式外环201的径向截面构成矩形短柄，与矩形短柄相交的外环壁面构成限位止口204。
进一步地，所述的密封绝缘环的材质为聚四氟乙烯。
进一步地，所述的励磁线圈采用铜漆包线绕制，连接独立的电源作为励磁电源；或者，励磁线圈采用水冷铜管绕制，通过串联电极连接加热器工作电源，将加热器工作电源作为励磁电源。
进一步地，所述的进气环的材质为刚玉陶瓷。
进一步地，所述的外壳的材质为不锈钢，内壳的材质为无氧铜。
本发明的高压多重电极装置中的密封绝缘环用于电极片之间的绝缘密封。密封绝缘环采用弹性绝缘材料制造，内环锥面和外环锥面的锥面角度和锥面长度不同，内环锥面的密封接触锥面积较小，外环锥面的密封接触锥面积较大，高压多重电极装置利用弹性绝缘材料的绝缘性能以及翅片式外环实现高电压绝缘。翅片式外环能够增加爬电距离，避免电极片之间出现高电压外部放电爬弧现象。同时，利用内环锥面、外环锥面与电极片的锥面匹配形成压缩变形，内环锥面实现装配预紧密封，外环锥面实现高压自紧密封。密封绝缘环还能够满足泄压后的变形回弹。
本发明的高压多重电极装置的电极片之间相互绝缘，各电极片中的励磁线圈用于激励该电极片产生高速旋转电弧，电极片之间通入高压氩气，高压氩气沿进气环中心切线喷出，在电极片之间形成旋转气膜，用以分割各电极片释放的高速旋转电弧，避免出现片间侧壁面放电串弧。电极片内径尺寸以及电极片的数量可以根据承载电流和运行功率要求进行调整，电流大、功率大则电极片的内径增大、数量增加。同时，还可以利用电极片的U型曲面的形状变化，调整不同电极片的放电区域与核心电弧之间的距离，减小高压环境下各电极片承载电弧的电压差，实现多个重叠排列的电极片在高压环境下的有效分流。而且，电极片采用水冷夹层结构，利用高压纯净水冷却，降低电极片温度，确保电极片长时间安全运行。
本发明的高压多重电极装置利用电极片的内型面变化组合，调整不同电极片放电区域与核心电弧之间的距离，减小高压环境下各电极片承载电弧的电压差，实现高压环境下的有效分流，可作为片式电弧加热器阴极（上游电极），用于防热试验。
附图说明
图1为本发明的高压多重电极装置的结构示意图；
图2为本发明的高压多重电极装置中的密封绝缘环的结构示意图。
图中，1.后盖；2.密封绝缘环；3.连接螺栓组；4.绝缘套；5.电极片；6.励磁线圈；7.进气环；8.外壳；9.进气道；10.冷却水流道；11.旋转气道；12.前固定环；13.出气孔；14.内壳；15.中心电极片；
201.翅片式外环；202.内环锥面；203.外环锥面；204.限位止口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
如图1所示，本发明的高压多重电极装置为多个不同内径、相互绝缘的叠片式电极组成的前端开口的钟形体，钟形体的前端为圆环形的前固定环12，钟形体的后端为圆形的后盖1，前固定环12和后盖1之间通过沿周向均布的连接螺栓组3固定连接；连接螺栓组3的螺母和后盖1之间间隔有绝缘套4；
在钟形体内腔，从前至后依次固定有内径从大到小、径向截面为U型的N个环形的电极片5，N≥3；第1个电极片5~第N个电极片5的U型曲面朝向高压多重电极装置的中心轴线；各电极片5具有内壳14、外壳8双层结构，外壳8外嵌套励磁线圈6，励磁线圈6由直流电源供电形成磁场；各电极片5的内壳14、外壳8之间设置有冷却水流道10，两侧冷却水从电极片的两侧进出，形成两路半环形冷却通道；中心电极片15套装在后盖1上凸起的水冷圆柱段上，中心电极片15的圆柱段外表面沿周向设置有旋转气道11；中心电极片15的冷却水从后盖1的中心进水口流至水冷圆柱段的前端，再回流至后盖1的后端集水槽，由后盖1的出水口流出；
各电极片5之间间隔有密封绝缘环2和进气环7，中心电极片15与后盖1之间间隔有密封绝缘环2，密封绝缘环2和进气环7与高压多重电极装置的中心轴线同轴，密封绝缘环2的直径大于进气环7的直径；第1个电极片5~第N个电极片5的内壳14的侧壁面内设置有进气道9，进气道9的开口位于密封绝缘环2和进气环7之间的密闭空间，进气道9与进气环7连通，进气环7上开有若干切向出气孔13，出气孔13出口面向高压多重电极装置的内部空腔，出气孔13喷出的介质气体形成周向旋转气流；周向旋转气流隔绝电极片5之间电弧，提高电极片5的片间绝缘性能，防止片间侧壁面放电串弧；中心电极片15的介质气体从旋转气道11进入高压多重电极装置的内部空腔，形成中心旋转气流，促进中心电极片15上的电弧旋转。
进一步地，所述的介质气体为氩气。
进一步地，如图2所示，所述的密封绝缘环2的主体为圆环，圆环的轴向对称面上凸出有翅片式外环201；圆环的内环设置有上下对称的内环锥面202；圆环的上表面和下表面设置有上下对称的外环锥面203；圆环的径向截面为锤形，其中，圆环主体的径向截面构成上下对称的锤头，翅片式外环201的径向截面构成矩形短柄，与矩形短柄相交的外环壁面构成限位止口204。
进一步地，所述的密封绝缘环2的材质为聚四氟乙烯。
进一步地，所述的励磁线圈6采用铜漆包线绕制，连接独立的电源作为励磁电源；或者，励磁线圈6采用水冷铜管绕制，通过串联电极连接加热器工作电源，将加热器工作电源作为励磁电源。
进一步地，所述的进气环7的材质为刚玉陶瓷。
进一步地，所述的外壳8的材质为不锈钢，内壳14的材质为无氧铜。
实施例1
本实施例N=3，后盖1、密封绝缘环2、电极片5、励磁线圈6、进气环7通过连接螺栓组3连接压紧实现电极片5之间绝缘密封，绝缘套4安装在后盖1与连接螺栓组3之间实现绝缘。后盖1和电极片5均为夹层水冷结构，电极片5的内壳为无氧铜材料。后盖1的水冷部分插入中心电极片15，中心电极片15圆柱部分周向表面加工旋转气道11，工作时产生旋转气流，推动电弧旋转。密封绝缘环2采用聚四氟乙烯材料，通过压紧后的内环锥面202和外环锥面203变形实现密封。进气环7采用刚玉陶瓷材料，辅助密封绝缘环2实现电极片5之间的绝缘。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种高压多重电极装置，其特征在于，所述的高压多重电极装置为多个不同内径、相互绝缘的叠片式电极组成的前端开口的钟形体，钟形体的前端为圆环形的前固定环（12），钟形体的后端为圆形的后盖（1），前固定环（12）和后盖（1）之间通过沿周向均布的连接螺栓组（3）固定连接；连接螺栓组（3）的螺母和后盖（1）之间间隔有绝缘套（4）；
在钟形体内腔，从前至后依次固定有内径从大到小、径向截面为U型的N个环形的电极片（5），N≥3；第1个电极片（5）~第N个电极片（5）的U型曲面朝向高压多重电极装置的中心轴线；各电极片（5）具有内壳（14）、外壳（8）双层结构，外壳（8）外嵌套励磁线圈（6），励磁线圈（6）由直流电源供电形成磁场；各电极片（5）的内壳（14）、外壳（8）之间设置有冷却水流道（10），两侧冷却水从电极片的两侧进出，形成两路半环形冷却通道；中心电极片（15）套装在后盖（1）上凸起的水冷圆柱段上，中心电极片（15）的圆柱段外表面沿周向设置有旋转气道（11）；中心电极片（15）的冷却水从后盖（1）的中心进水口流至水冷圆柱段的前端，再回流至后盖（1）的后端集水槽，由后盖（1）的出水口流出；
各电极片（5）之间间隔有密封绝缘环（2）和进气环（7），中心电极片（15）与后盖（1）之间间隔有密封绝缘环（2），密封绝缘环（2）和进气环（7）与高压多重电极装置的中心轴线同轴，密封绝缘环（2）的直径大于进气环（7）的直径；第1个电极片（5）~第N个电极片（5）的内壳（14）的侧壁面内设置有进气道（9），进气道（9）的开口位于密封绝缘环（2）和进气环（7）之间的密闭空间，进气道（9）与进气环（7）连通，进气环（7）上开有若干切向出气孔（13），出气孔（13）出口面向高压多重电极装置的内部空腔，出气孔（13）喷出的介质气体形成周向旋转气流；周向旋转气流隔绝电极片（5）之间电弧，提高电极片（5）的片间绝缘性能，防止片间侧壁面放电串弧；中心电极片（15）的介质气体从旋转气道（11）进入高压多重电极装置的内部空腔，形成中心旋转气流，促进中心电极片（15）上的电弧旋转。
2.根据权利要求1所述的高压多重电极装置，其特征在于，所述的介质气体为氩气。
3.根据权利要求1所述的高压多重电极装置，其特征在于，所述的密封绝缘环（2）的主体为圆环，圆环的轴向对称面上凸出有翅片式外环（201）；圆环的内环设置有上下对称的内环锥面（202）；圆环的上表面和下表面设置有上下对称的外环锥面（203）；圆环的径向截面为锤形，其中，圆环主体的径向截面构成上下对称的锤头，翅片式外环（201）的径向截面构成矩形短柄，与矩形短柄相交的外环壁面构成限位止口（204）。
4.根据权利要求1所述的高压多重电极装置，其特征在于，所述的密封绝缘环（2）的材质为聚四氟乙烯。
5.根据权利要求1所述的高压多重电极装置，其特征在于，所述的励磁线圈（6）采用铜漆包线绕制，连接独立的电源作为励磁电源；或者，励磁线圈（6）采用水冷铜管绕制，通过串联电极连接加热器工作电源，将加热器工作电源作为励磁电源。
6.根据权利要求1所述的高压多重电极装置，其特征在于，所述的进气环（7）的材质为刚玉陶瓷。
7.根据权利要求1所述的高压多重电极装置，其特征在于，所述的外壳（8）的材质为不锈钢，内壳（14）的材质为无氧铜。
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