CN219145658U - 一种高效率分段电弧加热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种高效率分段电弧加热器，涉及飞行器防热结构考核地面模拟技术领域，包括：悬浮段，内部有气流通道，用于约束电弧弧柱通过；阳极，位于所述悬浮段的上游端，内部附着电弧的正极弧根；阴极，位于所述悬浮段的下游端，内部附着电弧的负极弧根；所述阳极和所述阴极外分别包裹有线圈，所述线圈用于调整电弧弧根的姿态。本实用新型的技术方案在阳极和阴极外缠绕线圈，利用通电时产生的磁场对电弧弧根产生洛伦兹力，帮助电弧弧根切向旋转，同时调节电弧弧根的轴向位置，使得电弧能够沿着气流通道中部旋转通过悬浮段，尽量少的接触气流通道内壁，从而减少了内壁面和冷却水造成的能量损失，有效提高了电弧加热器的热效率。

Description

一种高效率分段电弧加热器

技术领域

本实用新型涉及飞行器防热结构考核地面模拟技术领域，尤其是涉及一种高效率分段电弧加热器。

背景技术

电弧加热器是飞行器防热结构考核地面模拟试验设备，用于模拟飞行器在中低空高速飞行时遭遇的热环境。随着型号任务的发展，对气动热地面模拟试验中电弧加热器的运行参数要求越来越高，目前的应对策略主要是发展大功率电弧加热技术。但随着加热器功率越大，其所需要的各种配套设施，附属设备(如冷却设备等)，均需要大幅度升级改造，建设成本远远高于电弧加热器本身的成本。

需要发展大功率电弧加热的主要目的是，使电弧加热器的输出能量能够满足日益增长的高运行参数试验需要。现有技术基本都是通过提高电源、电流等以满足大功率电弧加热器要求的思路，例如CN106793440A-一种大功率超高焓电弧加热器，为了达到足够的参数，需要设置多个扩散阳极，其扩散段和阳极组件设置的特别大，才能允许更高的电流运行，以传送大功率电弧，这种设计虽然达到大功率超高焓的效果，但无疑其建造和配套成本都极高。

一种另外的思路是，可以通过提高电弧加热器的热效率(即有效输出的能量与输入的能量之比)来达到大功率电弧加热器的目的。对于电弧加热器来说，输入的能量和有效输出的能量之间的差值就是被受热部位的内壁面和冷却水带走的能量损失，如果能够通过各种途径有效降低这部分能量损失，那么就能在输入能量一定的情况下，更多的输出有效能量，同样能够起到大功率电弧加热器的效果，或者至少相较于现有的电弧加热器，能量利用率更高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种高效率分段电弧加热器，能够有效降低被受热部位的内壁面和冷却水带走的能量损失；

本实用新型提供一种高效率分段电弧加热器，包括：悬浮段，内部有气流通道，用于约束电弧弧柱通过；阳极，位于所述悬浮段的上游端，内部附着电弧的正极弧根；阴极，位于所述悬浮段的下游端，内部附着电弧的负极弧根；所述阳极和所述阴极外分别包裹有线圈，所述线圈用于调整电弧弧根的姿态。

进一步地，所述气流通道内沿轴向依次间隔设置若干进气环，所述进气环上沿周向均布若干贯穿至环内侧的进气孔。

进一步地，相邻两进气孔间，前一进气孔的出口朝向后一进气口的出口，若干进气孔的出口侧气流共同形成气膜。

进一步地，所述进气环嵌入所述气流通道中，所述进气环的内孔径大于所述气流通道的孔径。

进一步地，所述悬浮段包括沿轴向依次首尾相接的若干悬浮片，且相邻所述悬浮片之间分别通过绝缘片连接，所述进气环的外端嵌在相邻所述悬浮片的内侧之间。

进一步地，所述阳极和所述阴极与所述悬浮段的连接处分别设有所述绝缘片和所述进气环。

进一步地，所述线圈的前端与所述阳极的尾端平齐。

进一步地，所述阳极包括内壳和外壳，所述内壳位于所述外壳内，所述外壳远离所述悬浮段的一端设有隔热端盖，所述内壳远离所述悬浮段的一端设有隔热端头。

进一步地，所述线圈包括支架和螺线管，所述支架套设在所述外壳上，所述螺线管缠绕在所述支架上，所述螺线管前端与所述端头前端平齐。

进一步地，所述阳极、所述悬浮段和所述阴极均采用节水冷却结构。

本实用新型的技术方案在阳极和阴极外缠绕线圈，利用通电时产生的磁场对电弧弧根产生洛伦兹力，帮助电弧弧根切向旋转，同时调节电弧弧根的轴向位置，使得电弧能够沿着气流通道中部旋转通过悬浮段，尽量少的接触气流通道内壁，从而减少了内壁面和冷却水造成的能量损失，有效提高了电弧加热器的热效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施方式，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为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型的阳极结构示意图；

图3为本实用新型的单个悬浮片结构示意图；

图4为本实用新型的多个悬浮片组合结构示意图；

图5为本实用新型的进气环结构示意图；

图6为本实用新型的阴极结构示意图；

附图标记说明：

1-悬浮段、101-气流通道、102-悬浮片、2-阳极、201-端盖、202-端头、3-阴极、4-线圈、401-支架、402-螺线管、5-进气环、501-进气孔、6-绝缘片、7-外壳、8-内壳、9-导流槽、901-冷却通道；

具体实施方式

下面将结合实施例对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

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。在本实用新型的描述中，"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实用新型中的具体含义。

实施例1

本实用新型提供一种高效率分段电弧加热器，包括：悬浮段1，内部有气流通道101，用于约束电弧弧柱通过；阳极2，位于悬浮段1的上游端，内部附着电弧的正极弧根；阴极3，位于悬浮段1的下游端，内部附着电弧的负极弧根；阳极2和阴极3外分别包裹有线圈4，线圈4用于调整电弧弧根的姿态。

具体的，加热器主体由阳极2、悬浮段1和阴极3依次密封固定连接(如螺栓连接)组成。阳极2位于加热器上游端，作为加热器正极，电弧的正极弧根附着在阳极2内壁面；阴极3位于加热器下游端，作为加热器负极，电弧的负极弧根附着在阴极3内壁面。悬浮段1内部中空形成一狭长的气流通道101，主要作用是约束电弧弧柱。线圈4包裹在阳极2和阴极3外表面，通电时产生的磁场对电弧弧根产生洛伦兹力，帮助电弧弧根切向旋转，同时调节电弧弧根的轴向位置。使得电弧能够沿着气流通道101中部旋转通过悬浮段1，尽量少的接触气流通道101内壁，从而减少了内避免和冷却水造成的能量损失。阳极2、悬浮段1与阴极3总长度在悬浮段1内壁面(气流通道101)直径的10～20倍范围内，整个电弧热损失较少，容易产生较高的热效率和气流总比焓。阳极2、悬浮段1与阴极3冷却效果为保持冷却水温升30～40℃。

实施例2

本实施例2主要叙述通过进气环5辅助电弧旋转及形成气膜。

气流通道101内沿轴向依次间隔设置若干进气环5，进气环5上沿周向均布若干贯穿至环内侧的进气孔501。相邻两进气孔501间，前一进气孔501的出口朝向后一进气口的出口，若干进气孔501的出口侧气流共同形成气膜。进气环5嵌入气流通道101中，进气环5的内孔径大于气流通道101的孔径。

具体的，进气环5为一中空的环形件，其形状与气流通道101的形状配合。例如均为圆环或方形环等，进气环5上开设有由内环面至外环面贯穿的进气孔501。且这些进气孔501并不是沿直径方向开设的，而是与直径方向具有一定夹角，且若干进气孔501的倾斜方向相同，从而当这些进气孔501同时向环内送气时，在环内进一步促使电弧旋转，同时需要说明的是，线圈4产生的磁场，对电弧正极弧根的磁场力方向应与进气环5旋气方向一致，通过磁旋与气旋叠加的方式提高弧根的切向转速，减少弧根与内壳8的热传导。

另外，进气孔501中心到圆心的距离选取原则是，每个进气孔501喷出的气流刚好到达下一个进气孔501的出口，使进气环5内表面形成完整的圆形气膜，即前一进气孔501的出口朝向后一进气孔501的出口，这些进气孔501送出的气体就在环内形成了一层气膜。通常情况下进气环5内的送气为冷气，以免进气环5被烧坏，一方面，所形成的冷气膜能够防止电弧烧坏进气环5，提高进气环5使用寿命。另一方面，形成完整的圆形冷气膜可以减少电弧热量的散失。进气孔501的孔径大小和数量根据进气量决定。

另外，进气环5内有气膜，电弧以悬浮方式通过气流通道101，相较于电弧大面积的接触气流通道101内壁造成大量能量损失，本实施例2中，由于进气环5冷气膜约束，电弧少接触到气流通道101内壁，所以能量损失更小。

实施例3

本实施例3主要叙述悬浮段1的组成及连接关系。

悬浮段1包括沿轴向依次首尾相接的若干悬浮片102，且相邻悬浮片102之间分别通过绝缘片6连接，进气环5的外端嵌在相邻悬浮片102的内侧之间。阳极2和阴极3与悬浮段1的连接处分别设有绝缘片6和进气环5。

具体的，悬浮片102、进气环5和绝缘片6组成基本的悬浮单元，多个悬浮单元线性阵列并首尾相接组成悬浮段1。悬浮片102具有下斜设计，使通过进气环5进入加热器腔体的气流对电弧产生向下游旋转的推力，使电弧尽量延长。悬浮片102在绝缘片6和进气环5的相接位置有台阶设计，将绝缘片6与电弧弧柱隔绝，避免绝缘片6烧损。悬浮片102、进气环5和绝缘片6可以采用螺栓、密封圈、焊接等进行密封连接。

悬浮片102可以采用整体结构设计，选择高温合金钢材料、3D打印工艺加工，冷却水通道可以采用螺旋线形式，通道距离内壁面最近距离选择2～5mm，通道直径选择3～6mm。冷却原则是加热器满功率运行时，悬浮片102在冷却水的作用下内壁面温度保持在300～500℃。悬浮片102厚度不超过60mm。悬浮片102内壁面喷涂高温隔热材料，可以明显减少电弧弧柱部分的热量损失。进气环5内径比悬浮片102内径大8～12mm。

实施例4

本实施例4具体叙述线圈4结构。

线圈4的前端与阳极2的尾端平齐。阳极2包括内壳8和外壳7，内壳8位于外壳7内，外壳7远离悬浮段1的一端设有隔热端盖201，内壳8远离悬浮段1的一端设有隔热端头202。线圈4包括支架401和螺线管402，支架401套设在外壳7上，螺线管402缠绕在支架401上，螺线管402前端与端头202前端平齐。

具体的，阴极3线圈4包裹在阴极3的外表面，线圈4前端接近阴极3出口；阳极2线圈4包裹在阳极2的外表面，阳极2底部和线圈4前端平齐。阴极3和阳极2分别由外壳7和内壳8组成，外壳7和内壳8密封连接，使冷却水可以沿着设定轨迹流通，达到节水冷却的目的。线圈4由支架401和螺线管402组成，支架401采用绝缘材料，避免螺线管402与外壳7接触，螺线管402采用无氧铜材料，通电时产生磁场。线圈4采用单层螺线管402形式，缠绕6至8圈，产生的切向磁旋力和轴向磁旋力能够满足高效率运行的需求。

端盖201与外壳7密封连接，阻止热气流损失；端头202与端盖201连接，端头202采用陶瓷材料，降低正极弧根的热辐射损失；外壳7和内壳8密封连接，使冷却水可以沿着设定轨迹流通；进气环5和内壳8固定连接，使工作气体沿着切向进入加热器内部。

阳极2线圈4前端与端头202前端齐平，可以将正极弧根的轴向位置固定在设定区域，提高内壳8的利用率，减少热辐射损失。阴极3线圈4前端接近阴极3出口，可以将负极弧根的轴向位置固定在设定区域，提高内壳8的利用率，减少热辐射损失。

实施例5

阳极2、悬浮段1和阴极3均采用节水冷却结构。

具体的，阳极2和阴极3采用内外壳7结构，内壳8外表面均布导流槽9形成狭长的冷却通道901，悬浮段1采用整体3D打印结构，内部形成螺旋形冷却通道901。阳极2、悬浮段1与阴极3通过调节冷却水流量，保持冷却水温升30～40℃，冷却水带走的热量较小，有利于提高加热器的热效率。冷却水流速控制在25～35m/s，冷却效果满足安全运行需求，同时节约冷却水流量。

工作原理：

在阳极2和阴极3外缠绕线圈4，利用通电时产生的磁场对电弧弧根产生洛伦兹力，通过磁旋帮助电弧弧根切向旋转，同时调节电弧弧根的轴向位置；利用进气环5上若干进气孔501共同组成的气旋，与上述磁旋叠加提高弧根切向转速。使得电弧能够沿着气流通道101中部旋转通过悬浮段1，尽量少的接触气流通道101内壁，从而减少了内壁面和冷却水造成的能量损失，有效提高了电弧加热器的热效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种高效率分段电弧加热器，其特征在于，包括：

悬浮段，内部有气流通道，用于约束电弧弧柱通过；

阳极，位于所述悬浮段的上游端，内部附着电弧的正极弧根；

阴极，位于所述悬浮段的下游端，内部附着电弧的负极弧根；

所述阳极和所述阴极外分别包裹有线圈，所述线圈用于调整电弧弧根的姿态。

2.根据权利要求1所述的高效率分段电弧加热器，其特征在于，所述气流通道内沿轴向依次间隔设置若干进气环，所述进气环上沿周向均布若干贯穿至环内侧的进气孔。

3.根据权利要求2所述的高效率分段电弧加热器，其特征在于，相邻两进气孔间，前一进气孔的出口朝向后一进气口的出口，若干进气孔的出口侧气流共同形成气膜。

4.根据权利要求2所述的高效率分段电弧加热器，其特征在于，所述进气环嵌入所述气流通道中，所述进气环的内孔径大于所述气流通道的孔径。

5.根据权利要求4所述的高效率分段电弧加热器，其特征在于，所述悬浮段包括沿轴向依次首尾相接的若干悬浮片，且相邻所述悬浮片之间分别通过绝缘片连接，所述进气环的外端嵌在相邻所述悬浮片的内侧之间。

6.根据权利要求5所述的高效率分段电弧加热器，其特征在于，所述阳极和所述阴极与所述悬浮段的连接处分别设有所述绝缘片和所述进气环。

7.根据权利要求1所述的高效率分段电弧加热器，其特征在于，所述线圈的前端与所述阳极的尾端平齐。

8.根据权利要求7所述的高效率分段电弧加热器，其特征在于，所述阳极包括内壳和外壳，所述内壳位于所述外壳内，所述外壳远离所述悬浮段的一端设有隔热端盖，所述内壳远离所述悬浮段的一端设有隔热端头。

9.根据权利要求8所述的高效率分段电弧加热器，其特征在于，所述线圈包括支架和螺线管，所述支架套设在所述外壳上，所述螺线管缠绕在所述支架上，所述螺线管前端与所述端头前端平齐。

10.根据权利要求1所述的高效率分段电弧加热器，其特征在于，所述阳极、所述悬浮段和所述阴极均采用节水冷却结构。

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