CN1834614A

CN1834614A - 防热材料地面模拟烧蚀试验装置

Info

Publication number: CN1834614A
Application number: CN 200610009796
Authority: CN
Inventors: 孟松鹤; 张伯明; 易法军
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2006-09-20

Abstract

本发明提供的是一种防热材料地面模拟烧蚀试验装置。它包括三相交流电弧加热器，交流电弧加热器由互相成120度角分布、完全相同的三个弧室和公用的混合室组成，混合室由支架固定在地面上并与大地绝缘；加热器的电极通过高压电缆与供电设备相连，供电设备直接连接到工业电网；加热器的电极和收缩段之间的绝缘体通过高压送气管路与供气子系统相连；加热器的电极、收缩段、混合室和喷嘴通过高压水管与冷却子系统相连；在加热器的出口设置粒子播发装置；防热材料试件通过送进台架置于高温等离子射流流场中，电弧加热器、各支撑子系统通过中央控制系统控制。本发明能够提供温度超过4000K、状态稳定的等离子射流，满足材料烧蚀试验的要求。

Description

防热材料地面模拟烧蚀试验装置

(一)技术领域

本发明涉及的是一种试验装置，具体地说是一种对防热材料烧蚀过程进行地面模拟的试验装置。

(二)背景技术

防热材料的表征和评价需要一系列的地面模拟和检测分析方法，主要的地面模拟设备有风洞、电弧加热器、火箭发动机燃气流实验装置和弹道靶等。

风洞有许多类，例如常规高超速风洞，其特点是工作时间长，可达几分钟，但其温度较低，只能做低温材料的烧蚀实验。激波风洞是脉冲式的，实验时间短，为毫秒级。火箭发动机燃气流实验装置的优点是可以进行大尺寸模型实验，但焓值较低，与真实飞行条件差别较大。弹道靶是利用高速炮将实验模型以高超声速射入风洞内做自由飞行，模拟粒子侵蚀条件。电弧加热器是利用大电流在电极间形成电弧，使高压气体电离，形成高速等离子射流，可以提供高压、高温气动热环境，实验状态具有可设计性，可以实现高压(大于10MPa)、低焓(小于4MJ/kg)，中压(小于2MPa)、中焓(小于15MJ/kg)，常压高焓(大于30MJ/kg)的试验环境，在电弧加热器中加入粒子播发设备，还可以实现烧蚀-侵蚀耦合环境，并且运行时间长、模拟范围广、有效功率高、操作方便，在防热材料烧蚀机理研究方面具有独特的优越性。

按电源供电方式的不同电弧加热器可分为直流和交流电弧加热器。与直流电弧加热器相比，交流电弧加热器的电源直接与工业电网相连，不需要复杂、昂贵的大型整流装置，建设成本低。输入功率调节简单、范围宽，因此可模拟多种试验状态。交流电弧加热器中阳极与阴极随着网频的改变而交换位置，所以电极的寿命高。因此以交流电弧加热器核心，辅以支撑子系统和多种在线检测和监控设备，建立一个廉价、模拟范围宽的防热材料地面烧蚀模拟试验系统，对防热材料进行表征和评价，已被普遍接受，目前俄罗斯、欧洲航天局均已建成大型交流电弧加热器，开展防热材料的研究。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种基本能再现防热材料的服役环境、能够方便地进行参数调节的防热材料地面模拟烧蚀试验装置。

本发明的目的是这样实现的：它包括三相交流电弧加热器，交流电弧加热器由互相成120度角分布、完全相同的三个弧室和公用的混合室组成，混合室由支架固定在地面上并与大地绝缘；加热器的电极通过高压电缆与供电设备相连，供电设备直接连接到工业电网；加热器的电极和收缩段之间的绝缘体通过高压送气管路与供气子系统相连；加热器的电极、收缩段、混合室和喷嘴通过高压水管与冷却子系统相连；在加热器的出口设置粒子播发装置；防热材料试件通过送进台架置于高温等离子射流流场中，电弧加热器、各支撑子系统通过中央控制系统控制。

本发明还可以包括这样一些结构特征：

1.弧室包括电极和收缩段，电极的端部有挡板，电极上带有磁场线圈，电极和收缩段中有冷却水通道并有与高压水管相连的水管接头，收缩短与混合室相连。磁场线圈的作用是使电弧发生旋转，提高电弧对工作气体的加热效率，并延长电极的使用寿命。工作气体通过电极和收缩段之间的绝缘体切向送入，并在绝缘体上设置引弧装置，引弧装置由蓄电池供电。收缩段使得气流加速，将电弧拉向混合室闭合，并进一步增强电弧对工作气体的加热效率。在混合室的出口设置喷嘴，经过高压电弧加热形成的等离子射流由喷嘴喷出。电极、收缩段、混合室和喷嘴均通过水管接头与由循环冷却水相连。

2.供电设备由空心电抗器、真空开关、控制刀闸数字电压/流表连接组成，电抗器输入端直接与工业电网相连，输出端与三相交流电弧加热器的电极相连，电抗器可以输出300-800A的稳定电流，真空开关由中央控制系统控制，电压/流表数据由采集系统采集。

3.供气子系统包括高压空气压缩机、精密过滤器、冷冻式空气干燥机、高压稳压器以及高压送气管路；高压送气管路上设置截止阀、减压稳压阀、旋涡流量计、压力变送器、电磁阀和音速管；音速管前后均设置压力传感器，在管路末端通过高压气管将高压、超音速气流输入到交流电弧加热器；空气压缩机输出压力4MPa。精密过滤器分三级，主要是净化除尘，可以达到百万级。冷冻式空气干燥机通过冷却方式滤除空气中的水分。高压稳压器耐压6MPa，容积5立方米，稳压器上设置高压传感器。减压稳压阀出口压力1.2-3.0MPa，旋涡流量计实时测试气路气体流量。音速管的作用是将气流加速到超音速。空气压缩机、干燥器和电磁阀由中央控制系统控制，流量计、压力变送器和压力传感器信号由采集系统实时采集。

4.冷却子系统包括冷却水箱、水泵和管路连接组成；管路上设置截止阀、回水阀、流量计、压力变送器和测温热电偶，在管路的末端通过高压水管与交流电弧加热器的冷却水接头相连。水箱采用玻璃钢材料制成，容积4立方米，水箱上配置液位计和测温热电偶；水泵输出压力0.5-1.0MPa，流量大于5m³/分；流量计、热电偶与压力变送器信号由中央数据采集系统采集。

5.试件台架系统为一套配备有高精度光电位置控制装置的液压系统，该系统送进精度为0.002mm，送进速度在0.01mm到10mm范围内精确可调。

试验测试表明，本发明可以提供温度超过4000K的稳定的等离子射流，流场参数覆盖面广，能够满足防热材料超高温烧蚀试验的要求。

(四)附图说明：

图1为三相交流电弧加热器装配图

图2为弧室、收缩段和混合室细部结构

图3为等离子射流温度随时间变化过程

图4为等离子射流的热流密度随压力的变化

图5为等离子射流的压力随气源压力变化

图6为等离子射流焓值随压力变化

(五)具体实施方式：

下面结合附图对本发明做详细的描述：

结合图1和图2，交流电弧加热器的弧室通过端盖16固定在混合室4上，在端盖与弧室后挡板1之间设置绝缘体17。弧室包括后挡板1、电极2、磁场线圈7和收缩段3，电极与后挡板及收缩段之间均由绝缘材料5、6隔开。工作气体通过绝缘体5、6切向送入，气体的基本流量消耗在电极和收缩段之间的绝缘体6。在绝缘体6上，还设置引弧电极12，引弧电极与引弧装置相连，引弧装置由蓄电池供电。在混合室的出口设置喷嘴18。后挡板1与绝缘体5、绝缘体5与电极2、电极2与绝缘体6、绝缘体6与收缩段3、收缩段3与混合室4之间由高温密封圈13、14、15密封。所有电极、收缩段喷嘴均通过水管接头19、在图2中分别表示为冷却水接头8、9、10、11与由循环冷却水相连。

本发明的工作流程是：首先将防热材料试件装配到试件台架，调节台架与交流电弧加热器出口喷嘴之间的距离，以满足试验要求。开启冷却子系统和高压供气子系统，将冷却水和工作气体的送入。开启电源真空开关，向每个弧室输入电流，同时接通引弧装置，产生高频放电，使得电极和收缩段之间的间隙闭合，形成电弧。电弧被气流拉伸后经过收缩段在混合室闭合，对工作气体进行加热，形成等离子射流，经出口喷嘴流出，对试件进行烧蚀。试验结束后，关闭高压交流电源和高压气流，在加热器温度降低到一定温度后关闭循环冷却水。

试验测试表明，本发明可以提供温度超过4000K的稳定的等离子射流，流场参数覆盖面广，能够满足防热材料超高温烧蚀试验的要求。射流温度随时间的变化过程如图3所示，等离子射流的热流密度随压力的变化如图4所示，等离子射流的压力随气源压力变化如图5所示，等离子射流焓值随压力变化如图6所示。

Claims

1、一种防热材料地面模拟烧蚀试验装置，它包括三相交流电弧加热器，其特征是：交流电弧加热器由互相成120度角分布、完全相同的三个弧室和公用的混合室组成，混合室由支架固定在地面上并与大地绝缘；加热器的电极通过高压电缆与供电设备相连，供电设备直接连接到工业电网；加热器的电极和收缩段之间的绝缘体通过高压送气管路与供气子系统相连；加热器的电极、收缩段、混合室和喷嘴通过高压水管与冷却子系统相连；在加热器的出口设置粒子播发装置；防热材料试件通过送进台架置于高温等离子射流流场中，电弧加热器、各支撑子系统通过中央控制系统控制。

2、根据权利要求1所述的防热材料地面模拟烧蚀试验装置，其特征是：弧室包括电极和收缩段，电极的端部有挡板，电极上带有磁场线圈，电极和收缩段中有冷却水通道并有与高压水管相连的水管接头，收缩短与混合室相连。

3、根据权利要求2所述的防热材料地面模拟烧蚀试验装置，其特征是：供电设备由空心电抗器、真空开关、控制刀闸数字电压/流表连接组成，电抗器输入端直接与工业电网相连，输出端与三相交流电弧加热器的电极相连，真空开关由中央控制系统控制，电压/流表数据由采集系统采集。

4、根据权利要求3所述的防热材料地面模拟烧蚀试验装置，其特征是：供气子系统包括高压空气压缩机、精密过滤器、冷冻式空气干燥机、高压稳压器以及高压送气管路；高压送气管路上设置截止阀、减压稳压阀、旋涡流量计、压力变送器、电磁阀和音速管；音速管前后均设置压力传感器，在管路末端通过高压气管将高压、超音速气流输入到交流电弧加热器。

5、根据权利要求4所述的防热材料地面模拟烧蚀试验装置，其特征是：冷却子系统包括冷却水箱、水泵和管路连接组成；管路上设置截止阀、回水阀、流量计、压力变送器和测温热电偶，在管路的末端通过高压水管与交流电弧加热器的冷却水接头相连。