一种加强交流电弧加热器弧根旋转的相位移装置及方法与流程

本发明涉及一种加强交流电弧加热器弧根旋转的相位移装置及方法，属于加强交流电弧加热器弧根旋转技术领域。

背景技术：

加强交流电弧加热器弧根旋转的相位移装置应用于航天地面试验交流电弧加热器的磁场线圈设计中。为了延长电极的使用寿命和最小限度的污染被加热的气体，必须使附着在电极内表面上的弧根高速旋转，除了使用气旋的方法外，还需要使用外加磁场的方法加速弧根按气流的方向旋转，一般电弧加热器为直流供电方式，主要优点是可控性好，通过改变磁场大小和方向，可以改变弧根旋转的方向和强度。对于直流电弧加热器来说，通过线圈的定常磁场使弧根按同一方向(气旋方向)旋转是很容易做到的，但交流电弧弧根的电流方向是交变的，采用定常磁场无法使弧根按同一方向旋转。同时，由线圈产生的交变磁场在电极上产生感应电流，其磁场方向与线圈磁场方向相反，所以电极内部磁场小于线圈磁场，同时与线圈磁场之间有相位移，在某段时间内导致弧根受电磁力方向与气旋的方向相反，阻碍了弧根的旋转。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种加强交流电弧加热器弧根旋转的相位移装置及方法，该装置采用双排电缆缠绕电极，实现磁旋强度大、使用寿命长、方便调节，满足航天各种交流加热器自由射流、风洞试验的需求。通过调整线圈缠绕和交流电压电流大小使得电磁力方向与气旋方向相同，对完成电弧加热器试验具有重要意义。

本发明的技术解决方案是：

一种加强交流电弧加热器弧根旋转的相位移装置，该装置包括三组电缆、混合室和三个极臂；每组电缆均为双排；

电缆的一端与交流电源系统中三相中的一相连接，另一端缠绕在极臂上后与交流电源系统的共地端连接；

极臂插接在混合室的侧面；

所述的混合室为空心圆柱；

所述的电缆为耐高压电缆；

极臂包括内层和外层，内层和外层均为空心圆柱，内层为由紫铜加工而成，外层为不锈钢加工而成，内层和外层之间形成空腔，空腔带有进水口和出水口，空腔内盛放有流动水；

三个极臂的中心轴相交于一点且该相交的点位于混合室的中心轴上。

当极臂内径为20mm时，每排电缆的线圈缠绕圈数为20；

一种加强交流电弧加热器弧根旋转的相位移方法，该方法的步骤包括：

(1)使用交流电源系统供电；

(2)在三个极臂内通过氩气进行引弧，然后在三个极臂内通入空气。

电缆的缠绕方向与圈数相同；

所述的双排电缆中施加的高压交变电流拥有一定阀值，使电磁场与电磁力相位移在同周期内促进增强。

所述的双排电缆中加以高压交变电流，电场所产生的交变磁场会使电弧在极臂内与加热器切向进气的旋转方向相同。

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)本发明通过交流供电方式实现起弧，由于不同于直流起弧方式，不存在正负极方向问题，在非风洞试验情况下，在极臂三相电极处加以足够大的电流，在电极内瞬间击穿空气，在线圈磁场和同向旋气的共同作用下，电弧在电极壁上高速旋转。

(2)本发明通过双排电缆缠绕，与普通交流加热器极臂电极单排电缆缠绕形成的磁力线圈相比，双排电缆线圈形成的磁场更强，对加强弧根旋转的相位移更加有效，同时，在给予交变电流时，阀值设定更加宽泛，更易调节电弧电流与磁场之间存在的相位移。

(3)本发明中电缆磁场线圈采用高压水冷方式进行冷却，对双排电缆实施充分的水冷，降低电极烧损，磁场电缆线圈同主回路串联连接，节省额外电源，高效利用供电系统。

(4)一种加强交流电弧加热器弧根旋转的相位移装置包括：弧根、电缆、电极、混合室、电流与磁场的关系，为了延长电极的使用寿命和最小限度的污染被加热的气体，必须使附着在电极内表面上的弧根高速旋转，除了使用气旋的方法外，还需要使用外加磁场的方法加速弧根按气流的方向旋转。交流电弧弧根的电流方向是交变的，通过外加和自励的方式调整电弧电流与磁场之间的相位移，达到延长电极寿命，减小污染被加热气体的目的，从而实现风洞流场的气体纯净。本发明主要应用于交流电弧加热器的三相电极，实现交流等离子点火，加强弧根旋转增加使用寿命和减小污染等。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由弧根1、电弧2、双排电缆3、混合室4和极臂5组成，在三组极臂5上的双排电缆3外端分别连接在交流电源系统中三相的其中一相，经过缠绕后另一端接由混合室4引出的电源系统共地端。在极臂5中其结构为内夹层水冷，由紫铜加工而成，侧面有切向进气孔，施加保护气体，与双排电缆3形成的电磁力共同作用促进弧根的旋转。

如图1所示，双排电缆3线圈缠绕圈数需通过计算极臂5内径，切向气流量，交流电源供电功率，以及混合室4腔体大小等因素共同作用，使产生的交变磁场不超过相位移阀值，保证电弧2电流与磁场之间的相位移在同一周期内波峰、波谷同向，达到电磁力始终促进弧根1、电弧2伴随切向气同向旋转的目的。

实施例

一种加强交流电弧加热器弧根旋转的相位移装置，该装置包括三组电缆3、混合室4和三个极臂5；每组电缆3均为双排；

电缆3的一端与交流电源系统中三相中的一相连接，另一端缠绕在极臂5上后与交流电源系统的共地端连接；

极臂5插接在混合室4的侧面；

所述的混合室4为空心圆柱；

所述的电缆3为耐高压电缆；

极臂5包括内层和外层，内层和外层均为空心圆柱，内层为由紫铜加工而成，外层为不锈钢加工而成，内层和外层之间形成空腔，空腔带有进水口和出水口，空腔内盛放有流动水；

三个极臂5的中心轴相交于一点且该相交的点位于混合室4的中心轴上。

当极臂5内径为20mm时，每排电缆3的线圈缠绕圈数为20；

一种加强交流电弧加热器弧根旋转的相位移方法，该方法的步骤包括：

(1)使用交流电源系统供电；

(2)在三个极臂5内通过氩气进行引弧，然后在三个极臂5内通入空气。

电缆3的缠绕方向与圈数相同；

所述的双排电缆3中施加的高压交变电流拥有一定阀值，使电磁场与电磁力相位移在同周期内促进增强。

所述的双排电缆3中加以高压交变电流，电场所产生的交变磁场会使电弧2在极臂5内与加热器切向进气的旋转方向相同。

本发明的具体结构说明和试验验证都证明了本发明具有的特点，能满足一般交流电弧加热器弧根旋转的加强要求，在航天交流加热器试验领域具有广泛的用途。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种加强交流电弧加热器弧根旋转的相位移装置及方法，属于加强交流电弧加热器弧根旋转技术领域。交流电弧弧根的电流方向是交变的，通过外加和自励的方式调整电弧电流与磁场之间的相位移，达到延长电极寿命，减小污染被加热气体的目的，从而实现风洞流场的气体纯净。本发明主要应用于交流电弧加热器的三相电极，实现交流等离子点火，加强弧根旋转增加使用寿命和减小污染等。

技术研发人员：林国胜;张荣国;武建英;陈海群
受保护的技术使用者：中国航天空气动力技术研究院
技术研发日：2018.12.13
技术公布日：2019.03.15