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        電弧風(fēng)洞真空氬氣起弧技術(shù)研究

        2014-03-29 08:02:06陳德江李澤禹
        實(shí)驗(yàn)流體力學(xué) 2014年2期
        關(guān)鍵詞:氬氣風(fēng)洞加熱器

        朱 超, 姚 峰, 陳德江, 周 瑋, 李澤禹

        (中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速所, 四川 綿陽(yáng) 621000)

        0 引 言

        電弧風(fēng)洞具有高焓、高熱流、長(zhǎng)時(shí)間、高空層流模擬能力,是進(jìn)行高超聲速飛行器熱防護(hù)與熱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)考核的重要地面試驗(yàn)設(shè)備之一[1-2]。主要由電弧加熱器、噴管、試驗(yàn)段、擴(kuò)壓器、冷卻器、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和水、氣、電附屬系統(tǒng)等組成。風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)高壓氣流經(jīng)電弧加熱器加熱,通過(guò)噴管膨脹加速,形成高溫射流,對(duì)安裝在噴管出口的試件進(jìn)行燒蝕試驗(yàn),試驗(yàn)后的氣流進(jìn)入擴(kuò)壓器減速,通過(guò)冷卻器冷卻至常溫后進(jìn)入真空容器。

        電弧加熱器是電弧風(fēng)洞的關(guān)鍵設(shè)備之一,它的起動(dòng)狀況關(guān)系到整個(gè)風(fēng)洞的起動(dòng)成敗,是風(fēng)洞正常運(yùn)行的前提[3-4]。良好的起動(dòng)方式對(duì)風(fēng)洞安全運(yùn)行和試驗(yàn)效率的提升至關(guān)重要。

        目前,國(guó)內(nèi)電弧風(fēng)洞一般采用金屬絲大電流熔融引弧的方法起動(dòng)電弧加熱器,但在使用過(guò)程中也暴露了一系列無(wú)法克服的問(wèn)題。如:(1) 準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng),每完成一次試驗(yàn)必須放掉試驗(yàn)段真空,安裝金屬絲完畢后重新抽真空;(2) 可靠性差,氣流量稍大,就會(huì)造成金屬絲虛接、吹斷;(3) 熔渣影響設(shè)備安全,未完全熔融的金屬絲落在電極之間,降低絕緣,導(dǎo)致局部放電,燒損設(shè)備;(4) 熔化后的金屬絲粉末堵塞測(cè)壓管道,影響參數(shù)測(cè)試。

        在國(guó)外,NASA Ames研究中心的Aerodynamic Heating Facility[5]和意大利SCIROCCO 70MW等離子風(fēng)洞[6]在20世紀(jì)90年代已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化程度較高的真空氬氣起弧技術(shù)起動(dòng)風(fēng)洞。該起動(dòng)方式在真空度達(dá)到試驗(yàn)要求時(shí)通入適量氬氣,觸發(fā)高壓直流電源即可起動(dòng),可靠性好、自動(dòng)化程度高,等待時(shí)間短,試驗(yàn)效率高。

        盡管在歐美國(guó)家該技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟,但是由于技術(shù)保護(hù)等原因,目前國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)該技術(shù)的應(yīng)用報(bào)道。因此,為了提高設(shè)備起動(dòng)的可靠性、穩(wěn)定性和自動(dòng)化程度,需要開(kāi)展真空氬氣起弧技術(shù)研究。下文分析該技術(shù)的技術(shù)難點(diǎn),對(duì)比研究起弧間距、進(jìn)氣方式和控制時(shí)序?qū)︼L(fēng)洞起動(dòng)特性的影響,成功實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

        1 真空氬氣起弧技術(shù)

        真空氬氣起弧技術(shù)基于Paschen定律,即擊穿電壓與電極間距和起弧壓力的乘積成正比。圖1為日本ISAS中心電弧加熱設(shè)備測(cè)試的氬氣擊穿電壓U與起弧壓力P0的關(guān)系[7],電極間距4mm,起弧壓力10kPa時(shí),擊穿電壓為780V;起弧壓力為102kPa時(shí),擊穿電壓為3000V。

        圖1 擊穿電壓與起弧壓力關(guān)系

        片式電弧加熱器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示,由陽(yáng)極、壓縮通道、陰極和噴管組成。加熱器運(yùn)行時(shí),電弧以相對(duì)固定的長(zhǎng)度維持在陰陽(yáng)極之間,加熱工作氣體。根據(jù)圖1數(shù)據(jù)推算,如果加熱器陰陽(yáng)電極間距達(dá)數(shù)米時(shí),至少需要上百萬(wàn)伏電壓才能直接起動(dòng)。這樣的要求在實(shí)際應(yīng)用中是無(wú)法滿足的,因此必須研究適合實(shí)際應(yīng)用條件的電弧起動(dòng)方法。

        圖2 片式電弧加熱器

        Paschen定律表明,相同起弧壓力,電極間距越小,擊穿電壓越低。為了使數(shù)米長(zhǎng)的電弧加熱器起動(dòng),采用一級(jí)觸發(fā)、逐級(jí)拉弧的起動(dòng)方式,首先以最佳的間距將氣體擊穿并建立穩(wěn)定的一級(jí)電弧,然后通過(guò)拉弧電路開(kāi)關(guān)的順序分段使電弧逐級(jí)擊穿腔內(nèi)工作氣體,最終在陰陽(yáng)極之間建立起穩(wěn)定的電弧,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的起動(dòng)。該起動(dòng)方式不需要配置單獨(dú)的起弧電源,直接利用電弧加熱器高壓直流電源提供的直流高壓將氣體擊穿,建立電弧,起動(dòng)加熱器。

        2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

        試驗(yàn)設(shè)備采用中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心(CARDC)的電弧風(fēng)洞。電弧電流I采用磁調(diào)制式直流比較儀測(cè)量,電弧電壓U采用高精度電阻分壓器測(cè)量。

        為方便試驗(yàn)對(duì)比,每次試驗(yàn)時(shí)真空度為100Pa,通入氬氣后,加熱器腔內(nèi)壓力為20kPa,開(kāi)車(chē)電流設(shè)定為2500A。通過(guò)調(diào)節(jié)陰極和電極I之間壓縮片的安裝數(shù)目,實(shí)現(xiàn)起弧間距的調(diào)整;通過(guò)進(jìn)氣管道閥門(mén)的開(kāi)關(guān),實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣方式的改變;通過(guò)修改電氣控制系統(tǒng)的參數(shù),實(shí)現(xiàn)起動(dòng)時(shí)序的調(diào)整。

        3 結(jié)果和討論

        3.1電極間距對(duì)風(fēng)洞安全起動(dòng)的影響

        試驗(yàn)對(duì)比分析了4種起弧間距對(duì)電弧風(fēng)洞起動(dòng)特性的影響。圖3為起弧間距d為3、25、160和200mm時(shí)的電流電壓曲線。結(jié)果表明,d為3、25和160mm時(shí),可以利用真空氬氣起弧技術(shù)獲得穩(wěn)定的電弧電流和電壓;電極間距d為200mm,只有空載電壓,無(wú)電流。

        圖3(a)為起動(dòng)電極間距d=3mm時(shí)電流電壓隨時(shí)間的變化關(guān)系。試驗(yàn)開(kāi)始,電流從零逐漸增大,0.15s出現(xiàn)1200A的電流平臺(tái),0.2s電流繼續(xù)增大,0.3s達(dá)到設(shè)定值2500A并維持恒定。觸發(fā)后0.3s內(nèi),平均電流為1150A,最高電流為2500A。電壓隨氬氣的擊穿、氣流量的變化先后出現(xiàn)500V、2200V、4000V、1500V共四個(gè)臺(tái)階。

        (a) d=3mm

        (b) d=25mm

        (c) d=160mm

        (d) d=200mm

        圖3(b)為電極間距d=25mm時(shí)電流電壓曲線,電流在0.1s出現(xiàn)500A電流平臺(tái),隨后繼續(xù)增加到850A,0.35s達(dá)到設(shè)定值2500A。觸發(fā)后0.3s內(nèi),平均電流為485A,最高電流為850A。電壓先后出現(xiàn)2000V、5000V、10000V共三個(gè)臺(tái)階。

        圖3(c)為電極間距d=160mm時(shí)電流電壓曲線,電流在0.15s增加到1250A,隨后降低到1000A并維持,0.5s繼續(xù)增大, 0.6s達(dá)到設(shè)定值2500A。觸發(fā)后0.3s內(nèi),平均電流為600A,最高電流為1250A。電壓先后出現(xiàn)11000V、4000V、2000V共三個(gè)臺(tái)階。

        表1為采用不同電極間距時(shí)風(fēng)洞起動(dòng)特性對(duì)比結(jié)果,表明電極間距為3mm時(shí),擊穿電壓最低,起動(dòng)時(shí)間最短,平均電流和最大起動(dòng)電流最高;電極間距為25mm時(shí),擊穿電壓2000V,平均電流和最大起動(dòng)電流最低;電極間距為160mm時(shí),擊穿電壓11000V,起動(dòng)時(shí)間最長(zhǎng),起動(dòng)平均電流較低。

        電極的燒損率正比于電流的二次方,電流越大,電極燒損越嚴(yán)重、壽命越短[8]。電極間距為25mm和160mm時(shí),起動(dòng)電流低、電極燒損小,但后者起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)且擊穿電壓高達(dá)11000V,對(duì)供電系統(tǒng)沖擊大,不利于設(shè)備安全。起動(dòng)間距為25mm時(shí)效果最好,運(yùn)行40余次,風(fēng)洞均能安全、可靠、穩(wěn)定起動(dòng)。

        表1 不同電極間距的起動(dòng)特性

        3.2進(jìn)氣方式對(duì)風(fēng)洞起動(dòng)的影響

        電弧加熱器的進(jìn)氣管多達(dá)數(shù)百根,進(jìn)氣分配方式多種多樣。采用何種方式進(jìn)氣直接影響設(shè)備運(yùn)行的便捷性和安全性??捎眠M(jìn)氣方式有:(1) 全部進(jìn)氣管道通氬氣,電弧穩(wěn)定后,氬氣逐漸切換成高壓空氣;(2) 部分管道通入氬氣,電弧穩(wěn)定后,再把氬氣切換成空氣;(3) 起動(dòng)時(shí)電極尾部進(jìn)氣管通入氬氣,其余全部通入空氣,起動(dòng)完畢后,關(guān)閉氬氣。

        經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)對(duì)比分析了以下兩種進(jìn)氣方式:(1) 陰極和電極I之間通氬氣,其余通空氣,起動(dòng)完畢后,氬氣切換成空氣;(2) 陰極尾部通氬氣,其余通空氣,起動(dòng)完畢后,關(guān)閉氬氣。兩種方式均可起動(dòng)電弧風(fēng)洞,但方式1需配置高壓空氣與氬氣轉(zhuǎn)換裝置和相應(yīng)控制系統(tǒng),增加了使用和維護(hù)成本,而方式2只需增加一根氬氣進(jìn)氣管即可實(shí)現(xiàn),操作方便、維護(hù)簡(jiǎn)單。

        3.3控制時(shí)序?qū)︼L(fēng)洞起動(dòng)的影響

        電弧風(fēng)洞正常起動(dòng)與否,控制時(shí)序也是至關(guān)重要的[9]。氬氣、輔氣和主氣的通斷時(shí)機(jī)和持續(xù)時(shí)間,開(kāi)關(guān)的延遲和動(dòng)作時(shí)機(jī)等均會(huì)影響到風(fēng)洞的正常起動(dòng)。圖4 為試驗(yàn)過(guò)程中采用的最佳起弧時(shí)序。供氣系統(tǒng)工作時(shí)序?yàn)椋?1) 在點(diǎn)火觸發(fā)前1s打開(kāi)氬氣閥和輔氣閥門(mén),氬氣和輔氣持續(xù)時(shí)間分別為3s和4s;(2) 點(diǎn)火觸發(fā)后1.2s,電弧從陰極拉至陽(yáng)極處,此時(shí)通入主氣;(3) 主氣在點(diǎn)火結(jié)束5s后關(guān)閉;(4) 點(diǎn)火觸發(fā)時(shí),電壓加載到陰極和開(kāi)關(guān)1,一級(jí)電弧建立;(5) 0.3s后開(kāi)關(guān)1斷開(kāi),電壓加載在陰極與開(kāi)關(guān)2,正極弧根前移,電弧加長(zhǎng);(6) 0.1s后開(kāi)關(guān)2斷開(kāi),電壓加載在陰極與開(kāi)關(guān)3,正極弧根繼續(xù)前移,電弧繼續(xù)加長(zhǎng);(7) 0.1s后開(kāi)關(guān)3斷開(kāi),電壓加載在陰極和陽(yáng)極之間,正極弧根到達(dá)陽(yáng)極,整根電弧建立,電弧加熱器起動(dòng)完畢。氣、電參數(shù)繼續(xù)保持穩(wěn)定,風(fēng)洞試驗(yàn)段流場(chǎng)建立,則電弧風(fēng)洞成功起動(dòng)。

        圖4 電弧加熱器起動(dòng)時(shí)序圖

        4 結(jié) 論

        通過(guò)對(duì)起弧間距、進(jìn)氣方式和控制時(shí)序等關(guān)鍵因素的分析和試驗(yàn)研究,成功利用真空氬氣起弧技術(shù)起動(dòng)了電弧風(fēng)洞,并獲得了最佳起動(dòng)參數(shù)。該起動(dòng)技術(shù)具有安全、可靠、穩(wěn)定、高效、便捷等優(yōu)點(diǎn),且對(duì)設(shè)備沖擊小、損耗低,目前已廣泛應(yīng)用于中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心(CARDC)同類(lèi)風(fēng)洞的起動(dòng)。主要結(jié)論如下:

        (1) 利用真空氬氣起弧技術(shù),采用一級(jí)觸發(fā)、逐級(jí)拉弧的起動(dòng)方式,實(shí)現(xiàn)了配置數(shù)米長(zhǎng)電弧加熱器的電弧風(fēng)洞安全、可靠、穩(wěn)定起動(dòng);

        (2) 起弧間距、進(jìn)氣方式和控制時(shí)序顯著影響風(fēng)洞的起動(dòng)特性,起弧間距25mm時(shí),起動(dòng)電流最低,電極燒損最?。魂帢O尾部通氬氣,節(jié)省了氬氣和空氣的切換裝置,操作維護(hù)更加簡(jiǎn)單方便;最佳的控制時(shí)序,也確保了起動(dòng)穩(wěn)定可靠。

        參考文獻(xiàn):

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        作者簡(jiǎn)介:

        朱超(1983-),男,陜西漢中人,碩士,助理研究員。研究方向:氣動(dòng)熱防護(hù)地面模擬試驗(yàn)研究工作。通信地址:四川綿陽(yáng)211信箱5分箱(621000)。E-mail: zcxjtu@gmail.com

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