一种低污染电弧加热器的制作方法

本发明涉及高超声速飞行器试验设备技术领域，尤其涉及一种低污染电弧加热器。

背景技术：

电弧加热器是开展高超声速飞行器热环境模拟试验的重要地面设施，电弧加热器采用电弧放电加热空气形成高温高速流场进行试验。在加热空气时，将空气中的氮气和氧气离解，生成了氮氧化合物，氮氧化合物的存在导致试验介质偏离模拟飞行时的真实空气组分，对于气体介质要求严格的发动机燃烧和推力特性试验带来一定的影响。有研究认为，氮氧化合物的存在减少了试验介质中的氧的含量，因此造成燃烧反应释热减少。另外，电弧加热器的电极为铜制成，电弧弧根对电极的烧损会使铜进入流场，铜的杂质含量对试验气流带来较大的影响。

例如现有的输入功率为320kw的电弧加热器，仅仅通入空气后，不加装混合室的条件下，产生的氮氧化合物含量为10％，铜的含量为195ppm，二者含量指标均高。

因此，针对以上不足，需要提供一种低污染电弧加热器。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决电弧加热器电极的烧损带来的铜污染和氮氧化合物含量过高的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种低污染电弧加热器，包括负极、正极、电弧、绝缘块、混合室和喷管，电弧两端分别置入负极和正极内，绝缘块固连在负极与正极之间，混合室固连在正极出口端，喷管固连在混合室出口端，其中负极内通有氮气，负极与正极连接端处通有空气，正极内通有氮气，混合室内通有氧气。

通过采用上述技术方案，电弧将氮气加热到上万度的高温，虽然氮气离解，由于局部没有氧分子，因此气流中不存在大量的氮氧化物。为了匹配试验介质的组分，在电弧加热器中部通入富氧空气，与高温气流进入下游混气室充分混合后进行试验，这样气流中空气氧气和氮气组分的比例保持不变。电极在氮气的保护下，减少了铜的氧化烧损，降低了试验介质中铜的含量。因此，氮气+富氧空气的运行模式不仅减少了氮氧化合物的含量，也同时减少了铜的含量，对提高试验模拟介质的纯净度具有重要的作用。

作为对本发明的进一步说明，优选地，负极上沿管壁间隔开设有四个倾斜的负极气孔，负极气孔内通有氮气，负极气孔位于电弧弧根的上游。

通过采用上述技术方案，氮气从上游向下游流动时覆盖电弧弧根，保护电极减少铜的氧化和氮氧化合物的生成。

作为对本发明的进一步说明，优选地，负极气孔孔径为1～1.5mm，负极气孔轴线与负极轴线夹角为45°。

通过采用上述技术方案，切向进气小孔将氮气旋转引入不会引起弧根的轴向不稳定，还能保证电弧加热器内的氮气供应充足。

作为对本发明的进一步说明，优选地，负极和正极连接端设有弧室，弧室内径均大于负极和正极内径，弧室沿管壁间隔开设有四个倾斜的弧室气孔，弧室气孔内通有空气，并额外混入氧气，弧室气孔位于电弧中部且不与电弧接触。

通过采用上述技术方案，弧室引入富氧空气确保试验气流真实的空气组分含量。

作为对本发明的进一步说明，优选地，弧室气孔孔径为0.5～1mm，弧室气孔轴线与正极轴线夹角为45°，弧室气孔内的气体流量介于14～20g/s。

通过采用上述技术方案，切向进气小孔将空气气旋转引入不会引起弧根的轴向不稳定，还能避免氧气含量过高而引起电弧氧化。

作为对本发明的进一步说明，优选地，正极上沿管壁间隔开设有四个倾斜的正极气孔，正极气孔内通有氮气，正极气孔位于电弧弧根的上游。

通过采用上述技术方案，可保护正极处的弧根不被氧化，起到保护电极的作用。

作为对本发明的进一步说明，优选地，正极气孔孔径为1～1.5mm，正极气孔轴线与正极轴线夹角为60°。

通过采用上述技术方案，以使氮气形成气旋能均匀混入气流中，保证气体各处组分含量均匀。

作为对本发明的进一步说明，优选地，混合室上沿管壁间隔开设有六个倾斜的混合室气孔，混合室气孔内通有氧气，混合室气孔孔径为1～1.5mm，混合室气孔轴线与混合室轴线夹角为45°。

通过采用上述技术方案，设置混合室并混入冷气或富氧空气进入调节气流的组分、温度、压力及均匀性等，进一步降低电弧加热器排出气体的氮氧化物含量。

作为对本发明的进一步说明，优选地，负极气孔、弧室气孔、正极气孔和混合室气孔外均接有流量计、调压阀、截止阀。

通过采用上述技术方案，使每一个气管支路的流量、压力可以分别调节，以使电弧加热器排出的气体能够根据实际需要进行调节，提高电弧加热器的适用性。

作为对本发明的进一步说明，优选地，负极包括负电极和负极线圈，正极包括正电极和正极线圈，负电极和正电极均为金属圆管状，电弧两端的弧根分别抵接在负电极内壁和正电极内壁上，负极线圈固连在电弧弧根与负电极接触端外，正极线圈固连在电弧弧根与正电极接触端外。

通过采用上述技术方案，设置带有磁力的线圈控制电弧的弧根旋转，可有效减少电弧烧损。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明通过在电弧加热器各部分别通入氮气和富氧空气，既能保护电弧弧根不被氧化，同时减少气流中铜的含量，还可保证气流中空气氧气和氮气组分的比例保持不变，对提高试验模拟介质的纯净度具有重要的作用。

附图说明

图1是本发明的结构图；

图2是本发明的负极气孔位置结构图。

图中：1、负极；11、负电极；12、负极线圈；13、负极气孔；2、正极；21、正电极；22、正极线圈；23、弧室；24、弧室气孔；25、正极气孔；3、电弧；4、绝缘块；5、混合室；51、混合室气孔；6、喷管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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的一部分实施例，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的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。

一种低污染电弧加热器，结合图1、图2，包括负极1、正极2、电弧3、绝缘块4、混合室5和喷管6，正极2固连在负极1一侧，电弧3两端分别置入负极1和正极2内，绝缘块4固连在负极1与正极2之间，混合室5固连在正极2出口端，喷管6固连在混合室5出口端。

结合图1、图2，负极1包括负电极11和负极线圈12，正极2包括正电极21和正极线圈22，负电极11和正电极21均为金属圆管状，电弧3为铜制弯杆，电弧3两端的弧根分别抵接在负电极11内壁和正电极21内壁上，负极线圈12固连在电弧3弧根与负电极11接触端外，正极线圈22固连在电弧3弧根与正电极21接触端外，设置带有磁力的线圈控制电弧3的弧根旋转，可有效减少电弧3烧损。

结合图1、图2，负电极11上沿管壁间隔开设有四个倾斜的负极气孔13，负极气孔13孔径为1～1.5mm，负极气孔13轴线与负电极11轴线夹角为45°，负极气孔13内通有氮气，负极气孔13内的气体流量介于4～8g/s，负极气孔13位于电弧3弧根的上游，氮气从上游向下游流动时覆盖电弧3弧根，保护电极减少铜的氧化和氮氧化合物的生成，同时切向流入的负极气孔13将氮气旋转引入不会引起弧根的轴向不稳定，还能保证电弧加热器内的氮气供应充足。

结合图1、图2，负电极11和正电极21连接端设有弧室23，弧室23内径均大于负电极11和正电极21内径，弧室23用于正、负电极形成间隔，弧室23沿管壁间隔开设有四个倾斜的弧室气孔24，弧室气孔24孔径为0.5～1mm，弧室气孔24结构与负极气孔13相同，弧室气孔24轴线与正电极21轴线夹角为45°，弧室气孔24内通有空气，并额外混入氧气，弧室气孔24内的气体流量介于14～20g/s，混入氧气的流量为6～8g/s，弧室气孔24位于电弧3中部且不与电弧3接触，弧室23引入富氧空气确保试验气流真实的空气组分含量，同时切向进气小孔将空气气旋转引入不会引起弧根3的轴向不稳定，还能避免氧气含量过高而引起电弧3氧化。

结合图1、图2，正电极21上沿管壁间隔开设有四个倾斜的正极气孔25，正极气孔25孔径为1～1.5mm，正极气孔25结构与负极气孔13相同，正极气孔25轴线与正电极21轴线夹角为60°，正极气孔25内通有氮气，正极气孔25位于电弧3弧根的上游，正极气孔25内的气体流量介于4～8g/s，通入氮气可保护正电极21处的弧根不被氧化，起到保护电极的作用，且正极气孔25倾斜可使氮气形成气旋能均匀混入气流中，保证气体各处组分含量均匀。

结合图1、图2，混合室5上沿管壁间隔开设有六个倾斜的混合室气孔51，混合室气孔51内通有氧气，混合室气孔51孔径为1～1.5mm，混合室气孔51结构与负极气孔13结构相同，混合室气孔51轴线与混合室5轴线夹角为45°，混合室气孔内的气体流量不高于2g/s，设置混合室5并混入冷气或富氧空气进入调节气流的组分、温度、压力及均匀性等，进一步降低电弧加热器排出气体的氮氧化物含量。负极气孔13、弧室气孔24、正极气孔25和混合室气孔51外均接有流量计、调压阀、截止阀，使每一个气管支路的流量、压力可以分别调节，以使电弧加热器排出的气体能够根据实际需要进行调节，提高电弧加热器的适用性。

综上所述，本发明通过采用直径为1mm的负极气孔13，其气体流量为4g/s、直径为0.5mm的弧室气孔24，空气的气体流量为16g/s、氧气的气体流量为6.7g/s，直径为0.5mm的正极气孔25，其气体流量为6g/s(因测试需要，电弧加热器出口端未连接混合室5和喷管6)，采用tdlas测量系统对同和氮氧化物进行测试，电弧3将氮气加热到上万度的高温，虽然氮气离解，由于局部没有氧分子，因此气流中不存在大量的氮氧化物。为了匹配试验介质的组分，在电弧加热器中部通入富氧空气，与高温气流进入下游混气室充分混合后进行试验，这样气流中空气氧气和氮气组分的比例保持不变。电极在氮气的保护下，减少了铜的氧化烧损，降低了试验介质中铜的含量。因此，氮气+富氧空气的运行模式不仅减少了氮氧化合物的含量，也同时减少了铜的含量。同时使电弧加热器的输入功率也为320kw，在该状态下，加热气流的氮氧化合物约为6％，铜的含量为75ppm，相比现有的电弧加热器，大大降低二者含量，对提高试验模拟介质的纯净度具有重要的作用。

最后应说明的是：以上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精神和范围。