電弧加熱器電極燒蝕的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電極燒蝕的監(jiān)測(cè)方法。更具體地說，本發(fā)明涉及一種電弧加熱器 電極燒蝕的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電弧加熱器因其可提供較為真實(shí)的氣動(dòng)加熱環(huán)境，自上世紀(jì)五十年代以來，一直 是飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)地面考核試驗(yàn)的首選設(shè)備。伴隨著未來新型飛行器的發(fā)展，電弧加熱 器的功率和被加熱氣體的焓值也不斷被提高，如國(guó)外電弧加熱器最大功率可達(dá)70MW，氣流 焓值可達(dá)35MJ/kg，這在大多數(shù)情況下不可避免地要和增加電弧電流聯(lián)系起來，電流的增長(zhǎng) 導(dǎo)致電極燒損加劇及燒蝕產(chǎn)物在通道內(nèi)的粘附，其后果將導(dǎo)致電極壽命減少，工作氣體中 金屬蒸氣含量加大，甚至燒損電弧加熱器，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失?，F(xiàn)在沒有任何一種電弧加 熱器可以避免電極的燒損，這是由單位表面積上的巨大熱流所引起的。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，通過弧 根傳給銅電極的熱流約為（〇. 6~2. 5) X 109W/m2,而與此同時(shí)，在銅制平板實(shí)際上可能帶走 的最大熱流為5X10 7W/m2。這就意味著，空氣介質(zhì)中（其他介質(zhì)中也是如此）銅電極靜止 弧根的情況下，要避免電極材料強(qiáng)烈熔化實(shí)際上是辦不到的。現(xiàn)在主要有兩種辦法來解決 提高電弧加熱器壽命的辦法，一是使弧根沿電極表面連續(xù)移動(dòng)，從而使弧根熱流分散到大 面積上，大大降低有效的熱流；二是把近電極區(qū)的電弧分開使電流分配到幾個(gè)單獨(dú)的電極 上去，減低各個(gè)電極上的電流密度。
[0003] 對(duì)電弧加熱器工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，由于涉及核心技術(shù)，公開報(bào)道資料極少。從有限的 文獻(xiàn)來看，目前主要有兩種途徑。一是當(dāng)電弧加熱器出現(xiàn)旁路擊穿或其他不正常運(yùn)行時(shí)，電 弧電壓會(huì)出現(xiàn)增加，但由此設(shè)計(jì)的故障判定總會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)關(guān)閉延遲，Joseph Sheeley根據(jù) 2003~2004年度AEDC H3疊片加熱器試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，結(jié)果顯示，經(jīng) 過訓(xùn)練的模型可以預(yù)測(cè)電弧加熱器各種條件下的正常啟動(dòng)及運(yùn)行的電弧電壓，通過比較預(yù) 測(cè)值和測(cè)量值，有可能發(fā)現(xiàn)電弧加熱器損壞前的一些非正?，F(xiàn)象。二是當(dāng)電弧加熱器電極 出現(xiàn)熔化有可能被燒穿時(shí)，高溫流場(chǎng)中銅粒子濃度會(huì)出現(xiàn)明顯增加，早期的銅粒子濃度主 要依靠稱重法，插入式探針直接測(cè)量，稱重法和插入式探針明顯是不適應(yīng)高溫流場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān) 測(cè)的，NASA-Ames中心Ronald等人與Stanford大學(xué)合作，研究了基于可調(diào)諧二極管激光吸 收光譜技術(shù)的電弧流場(chǎng)參數(shù)測(cè)試傳感器，其中利用中心波長(zhǎng)為793. 3nm激光測(cè)量了流場(chǎng)中 銅粒子的濃度及氣流溫度，結(jié)果顯示，在總電弧功率6. 8MW條件下，流場(chǎng)中銅粒子含量平均 為2ppm，而在20MW條件下，銅粒子含量高達(dá)13ppm，吸收光譜技術(shù)可以測(cè)量銅粒子濃度，但 其采用的吸收光譜系統(tǒng)包含激光器、控制器、探測(cè)器等很多附件，系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性差，且由 探測(cè)器采集的數(shù)據(jù)均需要后期進(jìn)行處理，難以實(shí)時(shí)反映銅粒子濃度的相對(duì)變化，也就不能 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電弧加熱器電極燒蝕狀況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的一個(gè)目的是解決至少上述問題，并提供至少后面將說明的優(yōu)點(diǎn)。
[0005] 本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一種簡(jiǎn)單、直接、快速、價(jià)廉、易于實(shí)現(xiàn)的電弧加熱器 電極燒蝕的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，系統(tǒng)可靠性更高，以實(shí)時(shí)評(píng)估電弧加熱器的健康狀態(tài)，提示運(yùn)行 人員進(jìn)行保養(yǎng)和維護(hù)，避免電弧加熱器出現(xiàn)電極燒穿等毀滅性事故，以最大限度地保證電 弧加熱器的運(yùn)行安全。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點(diǎn)，提供了一種電弧加熱器電極燒蝕的實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè)方法，所述電極為紫銅材質(zhì)，包括以下步驟：
[0007] 步驟一、電弧加熱器放電，對(duì)進(jìn)入其內(nèi)部的工作氣體進(jìn)行加熱，加熱后的高溫氣體 經(jīng)過超聲速噴管后形成高溫高速的氣體流場(chǎng)；
[0008] 步驟二、所述高溫氣體的光譜信息經(jīng)過安裝在所述電弧加熱器和所述超聲速噴管 之間的光譜測(cè)量疊片后，然后依次經(jīng)過設(shè)置在所述光譜測(cè)量疊片下端的窗口和與所述窗口 連接的Y型光纖被分成兩路信號(hào)，兩路信號(hào)分別經(jīng)過兩個(gè)不同中心波長(zhǎng)的窄帶濾光片后再 送入兩個(gè)光電倍增管，得到兩個(gè)光電倍增管輸出的實(shí)時(shí)電壓相對(duì)值，由該實(shí)時(shí)電壓相對(duì)值 判斷所述電弧加熱器的電極燒蝕狀況。
[0009] 當(dāng)電弧加熱器出現(xiàn)電極燒蝕時(shí)，其高溫流場(chǎng)的銅粒子含量會(huì)增加，利用兩個(gè)光電 倍增管監(jiān)測(cè)銅粒子特征光譜及相鄰背景光譜相對(duì)強(qiáng)度的變化，可以監(jiān)測(cè)高溫流場(chǎng)中銅粒子 含量的變化趨勢(shì)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電弧加熱器電極燒蝕情況，方法簡(jiǎn)單、直接、快速、價(jià)廉。
[0010] 優(yōu)選的是，所述的電弧加熱器電極燒蝕的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法中，兩個(gè)窄帶濾光片的中 心波長(zhǎng)分別為510nm和500nm，半寬均為8nm，直徑均為12. 5_。兩個(gè)窄帶濾光片用于有針 對(duì)性的選擇銅粒子和其背景的光譜信息，同時(shí)濾除其他雜質(zhì)粒子的光譜信息。
[0011] 優(yōu)選的是，所述的電弧加熱器電極燒蝕的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法中，所述光電倍增管輸出 的電壓信號(hào)由示波器或電腦進(jìn)行采集和分析，采集實(shí)時(shí)、分析準(zhǔn)確。
[0012] 優(yōu)選的是，所述的電弧加熱器電極燒蝕的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法中，所述光電倍增管為高 靈敏度光譜探測(cè)器，光譜范圍為400~600nm，靈敏度高，用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
[0013] 優(yōu)選的是，所述的電弧加熱器電極燒蝕的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法中，所述光譜測(cè)量疊片為 紫銅材質(zhì)，所述光譜測(cè)量疊片的側(cè)壁開設(shè)有直徑為3. 2mm的通孔，所述窗口安裝在所述通 孔中。紫銅疊片滿足強(qiáng)度和防熱的需要，通孔的開設(shè)便于窗口的安裝固定，且能匹配現(xiàn)有標(biāo) 準(zhǔn)SMA905光纖接頭，通用性好。
[0014] 優(yōu)選的是，所述的電弧加熱器電極燒蝕的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法中，所述窗口由K9石英玻 璃和一對(duì)0型密封圈組合而成。密封的窗口可以防止高溫氣體外泄以保護(hù)外部光纖接頭的 安全。
[0015] 優(yōu)選的是，所述的電弧加熱器電極燒蝕的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法中，所述Y型光纖為芯徑 1.0 mm的VIS/NIR多模階躍型石英光纖。Y型光纖用于收集和傳輸高溫氣體光譜信息到光 電倍增管。
[0016] 優(yōu)選的是，所述的電弧加熱器電極燒蝕的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法中，所述電弧加熱器為管 狀電弧加熱器、分段式電弧加熱器或疊片式電弧加熱器中的任一種。電弧加熱器用于加熱 工作氣體為高溫氣體。
[0017] 優(yōu)選的是，所述的電弧加熱器電極燒蝕的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法中，所述超聲速噴管為軸 對(duì)稱拉瓦爾噴管或矩形拉瓦爾噴管。超聲速噴管用于加熱高溫氣體以形成高溫高速流場(chǎng)。
[0018] 優(yōu)選的是，所述的電弧加熱器電極燒蝕的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法中，所述步驟一中的高溫 高速的氣體流場(chǎng)在流經(jīng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?，再?jīng)減速增壓和冷卻排入真空系統(tǒng)。
[0019] 本發(fā)明至少包括以下有益效果：本發(fā)明高溫氣體的光譜信息依次通過光譜測(cè)量疊 片、窗口、Y型光纖、兩個(gè)不同中心波長(zhǎng)的窄帶濾光片和兩個(gè)光電倍增管后，可實(shí)現(xiàn)電弧加熱 器高溫流場(chǎng)中銅粒子（A 1= 510nm)和其背景（λ 2= 500nm)的相對(duì)光譜強(qiáng)度的直接測(cè)量， 比現(xiàn)有稱重法、插入式探針和吸收光譜法測(cè)量銅粒子濃度更直接和快速。且本發(fā)明所述的 窄帶濾光片和光電倍增管工業(yè)產(chǎn)品成熟，較吸收光譜法系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低廉、對(duì)環(huán)境依賴程 度小，便于在電弧加熱器和電弧風(fēng)洞中實(shí)現(xiàn)，其系統(tǒng)可靠性更高。
[0020] 本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征將部分通過下面的說明體現(xiàn)，部分還將通過對(duì)本 發(fā)明的研究和實(shí)踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明的電弧加熱器加熱氣體的試驗(yàn)布局示意圖；
[0022] 圖2為本發(fā)明的電弧加熱器電極燒蝕的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法的示意圖；
[0023] 圖3為本發(fā)明的電弧加熱器試驗(yàn)中的銅粒子光譜數(shù)據(jù)；
[0024] 圖4為本發(fā)明的電弧加熱器試驗(yàn)中銅粒子及其背景的光譜絕對(duì)強(qiáng)度變化曲線；
[0025] 圖5為本發(fā)明的電弧加熱器試驗(yàn)中銅粒子及其背景的光譜相對(duì)強(qiáng)度變化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文 字能夠據(jù)以實(shí)施。
[0027] 應(yīng)當(dāng)理解，本文所使用的諸如"具有"、"包含"以及"包括"術(shù)語并不排除一個(gè)或多 個(gè)其它元件或其組合的存在或添加。
[0028] 本發(fā)明提供一種電弧加熱器電極燒蝕的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，所述電極為紫銅材質(zhì)，如 圖1所示，電弧加熱器1的出口連接超聲速噴管2的進(jìn)口，超聲速噴管的出口處連接試驗(yàn)段 3,試驗(yàn)?zāi)Ｐ?置于試驗(yàn)段中，試驗(yàn)段的出口處連接擴(kuò)壓段5,擴(kuò)壓段與真空系統(tǒng)6相連。試 驗(yàn)時(shí)，工作氣體經(jīng)過供氣系統(tǒng)進(jìn)入電弧加熱器，并利用其放電電弧加熱，加熱后的高溫氣體 經(jīng)超聲速噴管膨脹加速后在試驗(yàn)段形成高溫高速流場(chǎng)，對(duì)放置在超聲速噴管出口的試驗(yàn)?zāi)?型進(jìn)行防熱性能考核，流經(jīng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母邷馗咚贇饬髟跀U(kuò)壓段減速增壓并經(jīng)冷卻后排入之 后的真空系統(tǒng)。具體監(jiān)測(cè)方法包括以下步驟：
[0029] 步驟一、根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ图?