電弧風(fēng)洞真空氬氣起弧技術(shù)研究

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，但在使用過程中也暴露了一系列無法克服的問題。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，然后通過拉弧電路開關(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，開車電流設(shè)定為2500A。通過調(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；通過進(jìn)氣管道閥門的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣方式的改變；通過修改電氣控制系統(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打開氬氣閥和輔氣閥門，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關(guān)1，一級(jí)電弧建立；(5) 0.3s后開關(guān)1斷開，電壓加載在陰極與開關(guān)2，正極弧根前移，電弧加長(zhǎng)；(6) 0.1s后開關(guān)2斷開，電壓加載在陰極與開關(guān)3，正極弧根繼續(xù)前移，電弧繼續(xù)加長(zhǎng)；(7) 0.1s后開關(guān)3斷開，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??；陰極尾部通氬氣，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。

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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