姚 峰，朱 超，陳德江，周 瑋，黃禎君，何 敏

（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

電弧加熱器可以長(zhǎng)時(shí)間提供高壓高焓試驗(yàn)氣流，主要用來(lái)模擬高超聲速飛行器（如高超聲速導(dǎo)彈、空間進(jìn)入系統(tǒng)和再入飛行器）在飛行過(guò)程中所承受的高溫、高壓環(huán)境，是開展高超聲速飛行器防熱系統(tǒng)研究與考核的重要地面設(shè)備［1－2］。早在上世紀(jì)70年代，國(guó)外就已建成了60MW級(jí)電弧加熱試驗(yàn)設(shè)備（AMES IHF），隨后幾十年一直致力于更大功率設(shè)備的研制［3－6］，到20世紀(jì)末又建成了兩座70MW量級(jí)電弧加熱試驗(yàn)設(shè)備（如圖1所示）［7－12］。而國(guó)內(nèi)，目前還鮮有數(shù)十兆瓦級(jí)電弧加熱器的報(bào)道，根據(jù)中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心電弧加熱試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)推算，電弧功率達(dá)到70MW量級(jí)時(shí)，電弧電流至少達(dá)4500A。由于電極材料的限制，在如此高電流下，現(xiàn)有單電極運(yùn)行方式將無(wú)法正常工作。為解決大電流下設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題，國(guó)外發(fā)展了一種多電極運(yùn)行技術(shù)，即將電弧電流平均分配到多個(gè)電極上，降低單個(gè)電極的承載電流，確保大電流下電極運(yùn)行的可靠性［13－14］。美國(guó)航天局阿姆斯研究中心采用6對(duì)陰陽(yáng)電極承載5400A電弧電流實(shí)現(xiàn)電弧功率60MW，單個(gè)電極最大承載電流1000A，單次最大運(yùn)行時(shí)間為30min。盡管該技術(shù)在國(guó)外已相當(dāng)成熟，但由于技術(shù)保護(hù)等原因，國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)多電極運(yùn)行技術(shù)研究的報(bào)道。

本文通過(guò)對(duì)雙陰極／單陽(yáng)極和雙陰極／雙陽(yáng)極電弧加熱器的運(yùn)行調(diào)試，對(duì)比分析了鎮(zhèn)定電阻匹配方式、氣流參數(shù)和電流參數(shù)對(duì)電弧電流分配的影響，探尋了影響多電極穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。

圖1 電弧等離子設(shè)備發(fā)展時(shí)間表Fig.1 The development history of Aerospace plasma facility

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

圖2為試驗(yàn)采用的電弧加熱器原理圖，由陰極、壓縮通道、陽(yáng)極和噴管組成，壓縮通道由相互絕緣的壓縮片疊加組成，在高壓直流電場(chǎng)的作用下，電弧被穩(wěn)定維持在陰陽(yáng)極之間。該設(shè)備與傳統(tǒng)設(shè)備的區(qū)別在于陰陽(yáng)極由多個(gè)子電極組成，圖2（a）為雙陰極／單陽(yáng)極電弧加熱器，陰極由兩個(gè)子電極組成，圖2（b）為雙陰極／雙陽(yáng)極電弧加熱器，陰陽(yáng)極分別由兩個(gè)子電極組成。

為便于說(shuō)明，定義靠近壓縮段的陰極為內(nèi)陰極（IC），陽(yáng)極為內(nèi)陽(yáng)極（IA），反之則為外陰極（OC）和外陽(yáng)極（OA）。連接內(nèi)、外陰極和陽(yáng)極的鎮(zhèn)定電阻分別定義為RIC，ROC和RIA，ROA；通過(guò)內(nèi)外陰極和陽(yáng)極各個(gè)子電極的電流定義為IIC，IOC和IIA，IOA，通過(guò)陰極和陽(yáng)極的總電流為IC和IA。

加熱器多電極運(yùn)行時(shí)，陰極（或陽(yáng)極）內(nèi)外電極相當(dāng)于并聯(lián)，如果二者電位相同，電流會(huì)轉(zhuǎn)移到離壓縮片最近的內(nèi)陰極（內(nèi)陽(yáng)極）上，電弧電流將無(wú)法分配到其余各個(gè)子電極上，達(dá)不到多電極分配電流的目的。為阻止這種行為，電極上應(yīng)連接適量的鎮(zhèn)定電阻，使內(nèi)外電極形成一定的電勢(shì)差以維持電極之間的電弧放電。另外，氣流和電流等運(yùn)行參數(shù)的變化會(huì)引起加熱器運(yùn)行狀態(tài)的變化，可能影響電流分配的穩(wěn)定性和分配比例。因此，試驗(yàn)對(duì)比了鎮(zhèn)定電阻匹配方式、氣流參數(shù)和電流參數(shù)對(duì)多電極運(yùn)行的影響。

圖2 多電極電弧加熱器Fig.2 Arc heater with multiple electrodes

鎮(zhèn)定電阻采用水冷結(jié)構(gòu)，0.1～0.3Ω范圍內(nèi)阻值可調(diào)，額定電流1000A。該鎮(zhèn)定電阻采用多排不銹鋼管繞制而成，每排之間通過(guò)金屬滑塊連接，試驗(yàn)前調(diào)節(jié)滑塊位置獲得所需的鎮(zhèn)定電阻值。試驗(yàn)時(shí)，不銹鋼管中通入高壓去離子水強(qiáng)制冷卻，確保電阻在設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)鎮(zhèn)定電阻在額定電流下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠工作。

電弧加熱器運(yùn)行時(shí)，由于陰極往外發(fā)射電子，燒損最為嚴(yán)重，試驗(yàn)時(shí)首先對(duì)陰極由兩個(gè)電極，陽(yáng)極由一個(gè)電極組成的雙陰極／單陽(yáng)極加熱器進(jìn)行了調(diào)試，摸索了影響陰極各子電極電流分配的因素，最后對(duì)陰陽(yáng)極分別由兩個(gè)電極組成的雙陰極／雙陽(yáng)極加熱器進(jìn)行調(diào)試，對(duì)比分析了陰極和陽(yáng)極各個(gè)子電極電流分配的影響因素和分配規(guī)律。

試驗(yàn)時(shí)，采用磁調(diào)制式直流比較儀測(cè)量電弧電流，采用高精度電阻分壓器測(cè)量電弧電壓，采用孔板流量計(jì)測(cè)量氣體流量，采用惠斯通電橋測(cè)量鎮(zhèn)定電阻阻值。

2 結(jié)果與討論

2.1 雙陰極／單陽(yáng)極電弧加熱器多電極運(yùn)行調(diào)試結(jié)果分析

試驗(yàn)時(shí)電弧電流設(shè)定為1000A。表1為試驗(yàn)時(shí)采用的8種鎮(zhèn)定電阻匹配方式，S1～S6為外陰極鎮(zhèn)定電阻為零，內(nèi)外陰極鎮(zhèn)定電阻之差逐漸減?。籗7為內(nèi)外陰極鎮(zhèn)定電阻相同；S8為外陰極鎮(zhèn)定電阻不為零，內(nèi)外陰極鎮(zhèn)定電阻之差為0.4Ω。

表1 雙陰極單陽(yáng)極加熱器鎮(zhèn)定電阻匹配方式Table 1 Ballast resistor setting of arc heater witha dual cathode and single anode

圖3為電弧電流1000A、氣體流量320g／s時(shí)，8種不同電阻匹配方式下，內(nèi)陰極承載的電流情況。當(dāng)外陰極鎮(zhèn)定電阻等于零，且內(nèi)外陰極鎮(zhèn)定電阻之差大于0.40Ω時(shí)（即S1、S2和S3），內(nèi)陰極電弧電流為零，外陰極電弧電流1000A，此時(shí)電流并未分配到內(nèi)陰極上。當(dāng)內(nèi)外陰極鎮(zhèn)定電阻之差不大于0.40Ω時(shí)（即S4、S5和S6），內(nèi)陰極和外陰極均承載電流，總電流能夠分配到各個(gè)子電極上，平均穩(wěn)定電流分別為250A和750A，但電弧不穩(wěn)定，幾秒后外陰極電流消失，內(nèi)陰極承載全部電流。當(dāng)內(nèi)外陰極連接鎮(zhèn)定電阻相同時(shí)（即S7），開始幾秒電弧電流能夠分配到內(nèi)外陰極上，隨后外陰極電流消失，內(nèi)陰極承載全部電流。當(dāng)內(nèi)外陰極均連接鎮(zhèn)定電阻，并且內(nèi)外陰極鎮(zhèn)定電阻之差等于0.4Ω時(shí)（即S8），電弧電流能夠分配到內(nèi)外陰極且穩(wěn)定承載，平均穩(wěn)定電流分別為350A和650A。由此推測(cè)，只有在內(nèi)外陰極均連接鎮(zhèn)定電阻，并且滿足一定電阻差（RIC－ROC≤0.4Ω）時(shí)，總電流才能分配到各個(gè)電極上。

圖3 不同電阻匹配方式通過(guò)內(nèi)陰極的電流Fig.3 Arc current of inner cathode for different ballast resistor settings

圖4為總電流1000A、氣體流量320g／s、S8匹配方式時(shí)，各電極的電弧電流。在整個(gè)開車過(guò)程，內(nèi)外陰極均承載電流，內(nèi)陰極平均穩(wěn)定承載電流為350A，外陰極平均穩(wěn)定承載電流為650A，內(nèi)外陰極分配的電流之比為7∶13。

圖4 IA＝1000A，G＝320g／s電弧電流Fig.4 Arc current for the operation parameters at IA＝1000A，G＝320g／s

圖5為總電流1000A、氣體流量255g／s、S8匹配方式時(shí)，各電極的電弧電流。由圖可知，當(dāng)減小氣流量，電弧電流也可穩(wěn)定分配到各個(gè)電極上，內(nèi)、外陰極平均穩(wěn)定電流為300和700A，電流分配之比由7∶13變?yōu)?∶7。這一結(jié)果初步表明，在一定的匹配方式下，改變氣體流量參數(shù)，電弧電流可以穩(wěn)定分配到陰極的內(nèi)外兩個(gè)電極上，但電流分配比例將隨著氣體流量的改變而發(fā)生變化。

圖5 IA＝1000A，G＝255g／s電弧電流Fig.5 Arc current for the operation parameters at IA＝1000A，G＝255g／s

圖6為總電流1500A，氣體流量255g／s，S8匹配方式時(shí)，各個(gè)電極的電弧電流。如圖中曲線所示，當(dāng)增大電弧電流時(shí)，總電流可以穩(wěn)定分配到各個(gè)子電極上，內(nèi)、外陰極平均穩(wěn)定電流為450和1050A，電流之比為3∶7。這一結(jié)果初步表明，在一定匹配方式下，氣體流量不變，改變電流參數(shù)，總電流可以穩(wěn)定分配到陰極內(nèi)外兩個(gè)電極上，且各電極電流分配比例保持不變。

對(duì)比圖4、5和6中結(jié)果可知，在一定的電阻匹配方式下，電弧電流可以穩(wěn)定分配到各個(gè)子電極上。改變氣流參數(shù)和電流參數(shù)，各個(gè)子電極均可穩(wěn)定分配到電弧電流，改變氣體流量參數(shù)，內(nèi)外陰極電流分配比例發(fā)生變化，改變電流參數(shù)，電流分配比例保持不變。由此可見(jiàn)，影響雙陽(yáng)極單陰極電弧加熱器電流分配的關(guān)鍵因素是鎮(zhèn)定電阻匹配方式，只有在一定的匹配方式下，電弧電流才能穩(wěn)定分配到各個(gè)子電極上，而運(yùn)行參數(shù)如氣體流量和電流的變化對(duì)電弧電流分配影響較小。

圖6 IA＝1500A，G＝255g／s電弧電流Fig.6 Arc current for the operation parameters at IA＝1500A，G＝255g／s

2.2 雙陰極／雙陽(yáng)極電弧加熱器多電極運(yùn)行調(diào)試結(jié)果分析

表2為雙陰極雙陽(yáng)極電弧加熱器調(diào)試時(shí)采用的10種鎮(zhèn)定電阻匹配方式。其中S1～S4為內(nèi)陽(yáng)極鎮(zhèn)定電阻大于外陽(yáng)極，內(nèi)外陰極鎮(zhèn)定電阻取值不同；S5～S7為內(nèi)外陽(yáng)極均不連接鎮(zhèn)定電阻，內(nèi)外陰極鎮(zhèn)定電阻取值不同；S8～S10為內(nèi)陽(yáng)極鎮(zhèn)定電阻小于外陽(yáng)極，內(nèi)外陰極鎮(zhèn)定電阻取值不同。

表2 雙陰極雙陽(yáng)極加熱器鎮(zhèn)定電阻匹配方式Table 2 Ballast resistor settings of arc heater with a dual electrodes

表3為電弧電流1000A，氣體流量320g／s，不同鎮(zhèn)定電阻匹配方式下，各個(gè)電極承載的電弧電流。數(shù)據(jù)表明，試驗(yàn)采用的10種匹配方式除S7外，各個(gè)電極上均承載電弧電流，不同的匹配方式下，電流分配比例不同。因此，只要陰極各個(gè)子電極連接鎮(zhèn)定電阻，電弧電流均可以穩(wěn)定分配到陰陽(yáng)極各子電極上。

對(duì)比S1～S3結(jié)果可知，陽(yáng)極鎮(zhèn)定電阻不變，陰極變化時(shí)，陰極電流分配比例大幅變化，由1：3先后變?yōu)?：3和1∶1；而陽(yáng)極電流分配比例變化則較小，由1∶3，變?yōu)?∶13和2∶3。對(duì)比S3與S4結(jié)果可知，陰極鎮(zhèn)定電阻相同且同時(shí)減小時(shí)，內(nèi)外陰極電流分配比例減小，由1∶1變?yōu)?7：63，而陽(yáng)極電流分配比例保持不變。對(duì)比S3，S5與S10結(jié)果可知，改變陽(yáng)極鎮(zhèn)定電阻匹配方式，陰極電流分配比例會(huì)發(fā)生變化，由1∶1變?yōu)?∶11和3∶2，陽(yáng)極電流分配比例也隨之變化。由此可見(jiàn)，陰極電流分配對(duì)鎮(zhèn)定電阻匹配方式依賴性強(qiáng)，改變陰極鎮(zhèn)定電阻或陽(yáng)極的鎮(zhèn)定電阻，均可引起陰極電流分配比例的變化，利用這一特性可實(shí)現(xiàn)電流分配比例的可控調(diào)節(jié)。

對(duì)比S1～S10可知，陽(yáng)極連接鎮(zhèn)定電阻與否均可實(shí)現(xiàn)電流穩(wěn)定分配在內(nèi)外陽(yáng)極上，且分配的電流之比與陰陽(yáng)極鎮(zhèn)定電阻匹配方式有關(guān)。

表3 不同電阻匹配方式各電極承載的電弧電流Table 3 Arc current of separate electrode for arc heater with a dual electrode

對(duì)比雙陰極／單陽(yáng)極和雙陰極／雙陽(yáng)極電弧加熱器多電極運(yùn)行結(jié)果可知，多電極運(yùn)行時(shí)，陰極各個(gè)子電極必須同時(shí)連接鎮(zhèn)定電阻，才能實(shí)現(xiàn)電流的穩(wěn)定分配；對(duì)于單陽(yáng)極加熱器還需滿足一定的電阻差；而對(duì)雙陽(yáng)極加熱器，陽(yáng)極連接鎮(zhèn)定電阻與否，均可實(shí)現(xiàn)陰陽(yáng)電極的電流穩(wěn)定分配，且分配比例可大幅調(diào)節(jié)。因此，在電弧加熱器多電極運(yùn)行時(shí)，為了便于各個(gè)電極承載電流的穩(wěn)定分配和比例調(diào)節(jié)，陰陽(yáng)極最好成對(duì)出現(xiàn)。

2.3 鎮(zhèn)定電阻電能損耗分析

對(duì)于雙陰極／單陽(yáng)極電弧加熱器多電極運(yùn)行時(shí)，內(nèi)陰極需連接兩臺(tái)，外陰極需連接一臺(tái)鎮(zhèn)定電阻，最大損耗電功率為0.9MW，當(dāng)電弧功率數(shù)十兆瓦時(shí)，鎮(zhèn)定電阻電能損耗率不超過(guò)5%。對(duì)于雙陰陽(yáng)極電弧加熱器，內(nèi)外陰極連接一臺(tái)鎮(zhèn)定電阻，陽(yáng)極不連接鎮(zhèn)定電阻，電弧可穩(wěn)定分配到各個(gè)子電極上，最大損耗率為0.6MW，當(dāng)電弧功率數(shù)十兆瓦時(shí)，鎮(zhèn)定電阻電能損耗率為3%。

鎮(zhèn)定電阻最大電功率消耗將近1MW，因此，在多電極運(yùn)行時(shí)，確保電弧穩(wěn)定分配到各電極的情況下，選用電流分配均勻，且電能損耗最小的電阻匹配方式。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)電弧加熱器的多電極運(yùn)行調(diào)試，掌握了影響電流分配的關(guān)鍵因素，通過(guò)鎮(zhèn)定電阻匹配方式調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了多電極穩(wěn)定運(yùn)行。主要結(jié)論如下：

（1）鎮(zhèn)定電阻匹配方式是影響多電極運(yùn)行時(shí)電流分配的關(guān)鍵因素，在一定的匹配方式下，運(yùn)行參數(shù)的變化對(duì)電流的穩(wěn)定分配影響較小。

（2）多電極運(yùn)行時(shí)，陰陽(yáng)極成對(duì)出現(xiàn)，便于各個(gè)電極承載電流的穩(wěn)定分配和比例調(diào)節(jié)；陰極電流分配對(duì)鎮(zhèn)定電阻的依賴性強(qiáng)，要求內(nèi)外陰極同時(shí)連接鎮(zhèn)定電阻；而陽(yáng)極連接鎮(zhèn)定電阻與否，均能實(shí)現(xiàn)內(nèi)外陽(yáng)極電流的穩(wěn)定分配。

（3）多電極運(yùn)行時(shí)，宜選用電流分配均勻，電能損耗最小的電阻匹配方式。

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