專(zhuān)利名稱(chēng)：發(fā)汗電極控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由透氣性多孔材料制成的發(fā)汗電極的發(fā)汗電極控制裝置。
目前電弧加熱設(shè)備的電極是用水的對(duì)流冷卻使電極降溫，以便達(dá)到防止電極迅速燒毀的目的。電極是電弧的核心部件，冷卻水所攜帶的能量約為輸入電弧加熱裝置全部能量的一半，大量的熱能進(jìn)入冷卻池后則白白浪費(fèi)。發(fā)汗冷卻控制防燒蝕理論研究已進(jìn)行了十幾年的探索。從多種角度證實(shí)發(fā)汗冷卻不僅能有效控制結(jié)構(gòu)的溫度，而且能有效控制受熱表面的燒蝕。經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)仿真得到如下結(jié)果水對(duì)流冷卻的電極在
時(shí)，外表面溫度高達(dá)7700K，內(nèi)表面溫度高達(dá)6200K。此時(shí)由于外表面的熱要通過(guò)結(jié)構(gòu)一層一層向里傳，到達(dá)內(nèi)表面時(shí)水對(duì)流冷卻帶走的熱量非常有限。然而，發(fā)汗劑流經(jīng)結(jié)構(gòu)層時(shí)，帶走的熱量要容易的多。因此，發(fā)汗冷卻控制能使結(jié)構(gòu)層的溫度大大降低。對(duì)同一流量
和同一初始溫度(77°k)的冷卻劑，發(fā)汗冷卻能使熱層外表面溫度接近900K，內(nèi)表面接近880K，將上述兩組數(shù)據(jù)作比較，發(fā)汗控制的熱層溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水對(duì)流冷卻的熱層溫度。于是確信了發(fā)汗冷卻控制防熱的價(jià)值。數(shù)學(xué)模型如下
<p>本發(fā)明的目的是提供一種由透氣性多孔材料制成，且能使能量利用效率提高的發(fā)汗電極控制裝置。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種發(fā)汗電極控制裝置，該裝置由前電極6、后電極5、絕緣體9、壓縮電弧10、旋氣室11、強(qiáng)磁場(chǎng)線圈12和試驗(yàn)段13等組成，其中，后電極5和前電極6之間用絕緣體9加以絕緣。前后兩電極用透氣性多孔材料制成；發(fā)汗劑1和發(fā)汗劑2進(jìn)入后電極5的空腔后可以測(cè)得空腔壓力P1；發(fā)汗劑3和發(fā)汗劑4進(jìn)入前電極空腔后可測(cè)得空腔壓力P2；P1和P2為計(jì)算機(jī)的兩路控制參數(shù)；當(dāng)壓力P1和壓力P2大于試驗(yàn)段13處的壓力P0時(shí)，發(fā)汗劑1、2和發(fā)汗劑3、4就滲流通過(guò)后電極5和前電極6而流向試驗(yàn)段。當(dāng)前電極6和后電極5接通電源后，就在前后兩電極之間產(chǎn)生放電，放電造成對(duì)空氣7和空氣8的流入主氣流空氣產(chǎn)生電離。同時(shí)放電電弧和高溫離解氣體能造成前后兩電極的嚴(yán)重?zé)g。然而，前后兩電極通過(guò)滲流的發(fā)汗劑使電極的燒蝕能夠得到有效控制。同時(shí)，主氣流空氣7和空氣8是在圓周的切向流入，使高溫離解氣體和冷氣體在旋氣室得到充分混合；又在前電極部位外增加強(qiáng)磁場(chǎng)線圈，使帶電的高溫電離空氣再次旋轉(zhuǎn)混合。在前后電極上埋設(shè)了溫度傳感器和燒蝕傳感器，電極與外殼之間的空腔中放置了壓力傳感器。
控制上述發(fā)汗電極的方法如下(1)溫度傳感器和燒蝕傳感器的采樣信號(hào)經(jīng)變送，轉(zhuǎn)達(dá)給計(jì)算機(jī)。并在前電極的發(fā)汗劑空腔中安裝壓力傳感器，它作為控制參數(shù)反饋給計(jì)算機(jī)，當(dāng)上述兩種參數(shù)經(jīng)計(jì)算機(jī)控制軟件運(yùn)算后，如果發(fā)汗電極表面處于燒蝕狀態(tài)，計(jì)算機(jī)會(huì)發(fā)出提高壓力參數(shù)的指令；此時(shí)控制機(jī)構(gòu)隨即打開(kāi)閥門(mén)；打開(kāi)閥門(mén)組合數(shù)的大小由控制機(jī)構(gòu)的閥門(mén)組合與壓力關(guān)系的試驗(yàn)曲線確定(此曲線隨孔隙率的不同而變化)；于是電極表面的燒蝕得到控制；(2)上述傳感器可以提供采樣溫度T1和控制參數(shù)P1(或P2)的值。首先確定目標(biāo)溫度T0之值，并且初始控制參數(shù)選較大值，即全部打開(kāi)閥門(mén)以使在快速加熱條件下試件處于安全狀態(tài)。對(duì)壓力和溫度采樣，當(dāng)采樣溫度T1小于目標(biāo)溫度T0時(shí)，須降低控制參數(shù)P1的值，計(jì)算機(jī)指揮關(guān)閉閥門(mén)；但閥門(mén)關(guān)閉到什么程度，須控制軟件運(yùn)算結(jié)果確定。當(dāng)采樣溫度T1大于目標(biāo)溫度T0時(shí)，須提高控制參數(shù)P1的值，計(jì)算機(jī)指揮打開(kāi)閥門(mén)。
上述的壓力P和溫度T為耦合求解狀態(tài)。發(fā)汗劑流動(dòng)過(guò)程中，剛剛到達(dá)透氣性多孔材料處的發(fā)汗劑壓力P1用級(jí)數(shù)函數(shù)形式逼近。通過(guò)氣路閥門(mén)的開(kāi)關(guān)使控制參數(shù)壓力P1用級(jí)數(shù)函數(shù)形式逼近。通過(guò)氣路閥門(mén)的開(kāi)關(guān)使控制參數(shù)壓力P1處于可調(diào)整狀態(tài)；使壓力P與控制參數(shù)P1在內(nèi)邊界處連接；在外邊界處的溫度Ti為采樣溫度，也稱(chēng)反饋控制參數(shù)。目標(biāo)溫度為電極的燒蝕溫度T0；當(dāng)采樣溫度大于燒蝕溫度時(shí)，計(jì)算機(jī)指示提高控制參數(shù)壓力P1的值，即打開(kāi)閥門(mén)；當(dāng)采樣溫度小于燒蝕溫度時(shí)，計(jì)算機(jī)指示降低控制參數(shù)壓力P1的值，即關(guān)小閥門(mén)。另一特點(diǎn)是從不燒蝕的單方向逼近目標(biāo)溫度即當(dāng)給定控制參數(shù)P1時(shí)，進(jìn)行壓力P和溫度T的耦合求解得到的表面溫度TW一旦大于T0時(shí)就要特別小心，此時(shí)應(yīng)加大控制參數(shù)P1的值；加大的幅度為(此時(shí)壓力P1+(前刻壓力P1-此刻壓力P1)×0.618)，再進(jìn)行壓力P和溫度T的耦合求解；如果得到的表面溫度TW仍大于T0時(shí)，重復(fù)上述過(guò)程；這個(gè)過(guò)程最后一旦出現(xiàn)TW小于T0，控制系統(tǒng)將逼近平衡態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)處于閉合回路控制。所述的控制機(jī)構(gòu)的核心部分為閥門(mén)與孔板的組合類(lèi)型，即在每個(gè)控制分路上為一個(gè)閥門(mén)對(duì)應(yīng)一個(gè)孔板，一般在控制回路中分為八個(gè)分路，從1-8分路上的孔板面積為二進(jìn)制組合，即依次為20，21，22，23，24，25，26，27；它能使控制參數(shù)接近連續(xù)變化。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)①在飛行條件下的焓值3000大卡的駐點(diǎn)發(fā)汗防燒蝕試驗(yàn)研究；證實(shí)了發(fā)汗可以使高速飛行器駐點(diǎn)不出現(xiàn)燒蝕；②不銹鋼透氣電極在電流100A、電壓300V條件下的氮?dú)獍l(fā)汗電極模型防燒蝕試驗(yàn)研究；證實(shí)在上述條件下氮?dú)獍l(fā)汗可以防止放電電極的燒蝕；③不銹鋼和銅質(zhì)透氣電極在電流5000A，電壓5500V條件下的氮?dú)獍l(fā)汗電極模型防燒蝕試驗(yàn)研究；在如此惡劣的放電環(huán)境下氣發(fā)汗可以使放電電極不出現(xiàn)燒蝕或少燒蝕。以上三項(xiàng)試驗(yàn)研究均證實(shí)了發(fā)汗能有效控制電極燒蝕。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是發(fā)汗電極控制裝置的發(fā)汗電極閉合回路控制示意圖；圖2是圖1所示的閉合回路發(fā)汗冷卻控制原理框圖。
圖1為發(fā)汗電極控制裝置的閉合回路控制示意圖。后電極5和前電極6之間用絕緣體9加以絕緣。前后兩電極用透氣性多孔材料制成；發(fā)汗劑1和發(fā)汗劑2進(jìn)入后電極5的空腔后可以測(cè)得空腔壓力P1；發(fā)汗劑3和發(fā)汗劑4進(jìn)入前電極空腔后可測(cè)得空腔壓力P2；P1和P2為計(jì)算機(jī)的兩路控制參數(shù)；當(dāng)壓力P1和壓力P2大于試驗(yàn)段13處的壓力P0時(shí)，發(fā)汗劑1、2和發(fā)汗劑3、4就滲流通過(guò)后電極5和前電極6而流向試驗(yàn)段。當(dāng)前電極6和后電極5接通電源后，就在前后兩電極之間產(chǎn)生放電，放電造成對(duì)空氣7和空氣8的流入主氣流空氣產(chǎn)生電離形成高溫氣體。同時(shí)放電電弧和高溫離解氣體能造成前后兩電極的嚴(yán)重?zé)g。然而，前后兩電極通過(guò)滲流的發(fā)汗劑使電極的燒蝕能夠得到有效控制。同時(shí)，主氣流空氣7和空氣8是在圓周的切向流入，使高溫離解氣體和冷氣體在旋氣室得到充分混合；又在前電極部位外增加強(qiáng)磁場(chǎng)線圈，使帶電的高溫電離空氣再次旋轉(zhuǎn)混合，保證均勻的高溫氣體流向試件，增加試件模擬飛行的真實(shí)性。
在前電極的放電加熱的表面處(內(nèi)園表面)從前至后順序埋設(shè)一排溫度傳感器和燒蝕傳感器(燒蝕傳感器為監(jiān)測(cè)之用)。它們的采樣信號(hào)經(jīng)變送，轉(zhuǎn)達(dá)給計(jì)算機(jī)。并在前電極的發(fā)汗劑空腔中安裝壓力傳感器，它作為控制參數(shù)反饋給計(jì)算機(jī)。當(dāng)上述兩種參數(shù)經(jīng)計(jì)算機(jī)控制軟件運(yùn)算后，如果發(fā)汗電極表面處于燒蝕狀態(tài)，計(jì)算機(jī)會(huì)發(fā)出提高壓力參數(shù)的指令；此時(shí)控制機(jī)構(gòu)隨即打開(kāi)閥門(mén)；打開(kāi)閥門(mén)組合數(shù)的大小由控制機(jī)構(gòu)的閥門(mén)組合與壓力關(guān)系的試驗(yàn)曲線確定(此曲線隨孔隙率的不同而變化)；于是電極表面的燒蝕得到控制。這是前電極的一路閉合回路控制。另一路是后電極。同樣在后電極的放電表面埋設(shè)一系列溫度傳感器和燒蝕傳感器(燒蝕傳感器為監(jiān)測(cè)之用)；在空腔處放置壓力傳感器；使后電極也能實(shí)現(xiàn)燒蝕控制。
圖2是前電極和后電極兩路閉合回路控制中的其中一路原理圖。其中，標(biāo)號(hào)21為溫度和燒蝕傳感器，22為壓力傳感器，23為液氮。電極上埋設(shè)了溫度傳感器和燒蝕傳感器，電極與外殼之間的空腔中放置了壓力傳感器。這些傳感器可以提供采樣溫度T1和控制參數(shù)P1(或P2)的值。首先確定目標(biāo)溫度T0之值，并且初始控制參數(shù)選較大值，即全部打開(kāi)閥門(mén)以使在快速加熱條件下試件處于安全狀態(tài)。對(duì)壓力和溫度采樣，當(dāng)采樣溫度T1小于目標(biāo)溫度T0時(shí)，須降低控制參數(shù)P1的值，計(jì)算機(jī)指揮關(guān)閉閥門(mén)；但閥門(mén)關(guān)閉到什么程度，須控制軟件運(yùn)算結(jié)果確定。當(dāng)采樣溫度T1一旦大于目標(biāo)溫度T0時(shí)，須提高控制參數(shù)P1的值，計(jì)算機(jī)指揮打開(kāi)閥門(mén)；但閥門(mén)打開(kāi)到什么程度，仍須控制軟件運(yùn)算結(jié)果確定。依此反復(fù)，實(shí)現(xiàn)閉合回路控制。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)汗電極控制裝置，由前電極(6)、后電極(5)、絕緣體(9)、壓縮電弧(10)、旋氣室(11)、強(qiáng)磁場(chǎng)線圈(12)及試驗(yàn)段(13)等組成，其特征在于，后電極(5)和前電極(6)之間用絕緣體(9)加以絕緣，前后兩電極用透氣性多孔材料制成；發(fā)汗劑(1)和發(fā)汗劑(2)進(jìn)入后電極(5)的空腔后可以測(cè)得空腔壓力P1；發(fā)汗劑(3)和發(fā)汗劑(4)進(jìn)入前電極空腔后可測(cè)得空腔壓力P2；P1和P2為計(jì)算機(jī)的兩路控制參數(shù)；當(dāng)壓力P1和壓力P2大于試驗(yàn)段(13)處的壓力P0時(shí)，發(fā)汗劑(1)、(2)和發(fā)汗劑(3)、(4)就滲流通過(guò)后電極(5)和前電極(6)而流向試驗(yàn)段，當(dāng)前電極(6)和后電極(5)接通電源后，就在前后兩電極之間產(chǎn)生放電，放電造成對(duì)空氣(7)和空氣(8)的流入主氣流空氣產(chǎn)生電離形成高溫氣體，同時(shí)放電電弧和高溫離解氣體能造成前后兩電極的嚴(yán)重?zé)g，然而，前后兩電極通過(guò)滲流的發(fā)汗劑使電極的燒蝕能夠得到有效控制，同時(shí)，主氣流空氣(7)和空氣(8)是在圓周的切向流入，使高溫離解氣體和冷氣體在旋氣室得到充分混合；又在前電極(6)部位外增加強(qiáng)磁場(chǎng)線圈(12)，使帶電的高溫電離空氣再次旋轉(zhuǎn)混合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)汗電極控制裝置，其特征在于，在前后電極上埋設(shè)了溫度傳感器和燒蝕傳感器(21)，電極與外殼之間的空腔中放置了壓力傳感器(22)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)汗電極控制裝置，其特征在于，該發(fā)汗電極控制裝置的控制方法如下(1)溫度傳感器和燒蝕傳感器的采樣信號(hào)經(jīng)變送，轉(zhuǎn)達(dá)給計(jì)算機(jī)；并在前電極的發(fā)汗劑空腔中安裝壓力傳感器，它作為控制參數(shù)反饋給計(jì)算機(jī)，當(dāng)上述兩種參數(shù)經(jīng)計(jì)算機(jī)控制運(yùn)算后，如果發(fā)汗電極表面處于燒蝕狀態(tài)，計(jì)算機(jī)發(fā)出提高壓力參數(shù)的指令；此時(shí)控制機(jī)構(gòu)隨即打開(kāi)閥門(mén)；打開(kāi)閥門(mén)組合數(shù)的大小由控制機(jī)構(gòu)的閥門(mén)組合與壓力關(guān)系的試驗(yàn)曲線確定；于是電極表面的燒蝕得到控制；(2)上述傳感器可以提供采樣溫度TI和控制參數(shù)P1(或P2)的值，首先確定目標(biāo)溫度T0之值，并且初始控制參數(shù)選較大值，即全部打開(kāi)閥門(mén)以使在快速加熱條件下試件處于安全狀態(tài)，對(duì)壓力和溫度采樣，當(dāng)采樣溫度T1小于目標(biāo)溫度T0時(shí)，須降低控制參數(shù)P1的值，計(jì)算機(jī)指揮關(guān)閉閥門(mén)；當(dāng)采樣溫度T1大于目標(biāo)溫度T0時(shí)，須提高控制參數(shù)P1的值，計(jì)算機(jī)指揮打開(kāi)閥門(mén)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)汗電極控制裝置，其特征在于，所述的壓力P和溫度T為耦合求解狀態(tài)，發(fā)汗劑流動(dòng)過(guò)程中，剛剛到達(dá)透氣性多孔材料處的發(fā)汗劑壓力P1用級(jí)數(shù)函數(shù)形式逼近，通過(guò)氣路閥門(mén)的開(kāi)關(guān)使控制參數(shù)壓力P1處于可調(diào)整狀態(tài)，使壓力P與控制參數(shù)P1在內(nèi)邊界處連接；在外邊界處的溫度T1為采樣溫度，也稱(chēng)反饋控制參數(shù)，目標(biāo)溫度為電極的燒蝕溫度T0；當(dāng)采樣溫度大于燒蝕溫度時(shí)，計(jì)算機(jī)指示提高控制參數(shù)壓力P1的值，即打開(kāi)閥門(mén)；當(dāng)采樣溫度小于燒蝕溫度時(shí)，計(jì)算機(jī)指示降低控制參數(shù)壓力P1的值，即關(guān)小閥門(mén)；另一特征是從不燒蝕的單方向逼近目標(biāo)溫度即當(dāng)給定控制參數(shù)P1時(shí)，進(jìn)行壓力P和溫度T的耦合求解得到的表面溫度TW一旦大于T0時(shí)應(yīng)加大控制參數(shù)P1的值；加大的幅度為(此時(shí)壓力P1+前刻壓力P1-此刻壓力P1)×0.618)，再進(jìn)行壓力P和溫度T的耦合求解；如果得到的表面溫度TW仍大于T0時(shí)，重復(fù)上述過(guò)程；這個(gè)過(guò)程最后一旦出現(xiàn)TW小于T0，控制系統(tǒng)將逼近平衡態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)處于閉合回路控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)汗電極的控制裝置，其特征在于，所述的控制機(jī)構(gòu)的核心部分為閥門(mén)與孔板的組合類(lèi)型，即在每個(gè)控制分路上為一個(gè)閥門(mén)對(duì)應(yīng)一個(gè)孔板，在控制回路中分為八個(gè)分路，從1-8分路上的孔板面積為二進(jìn)制組合，即依次為20，21，22，23，24，25，26，27；它能使控制參數(shù)接近連續(xù)變化。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種發(fā)汗電極控制裝置,其特征在于,加熱電極設(shè)計(jì)成為透氣性多孔導(dǎo)電材料的發(fā)汗電極后,使電極的嚴(yán)重?zé)g得到有效控制。在氣發(fā)汗數(shù)字模型基礎(chǔ)上建立的分布參數(shù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了閉合回路自動(dòng)控制,同時(shí)具有單向逼近和處理控制反問(wèn)題的特點(diǎn),控制機(jī)構(gòu)為二進(jìn)制孔板閥門(mén)組合型,使控制參數(shù)接近連續(xù)變化。本發(fā)明能使發(fā)汗電極控制裝置的能量利用率增加近一倍。
文檔編號(hào)H05B7/00GK1246775SQ9912178
公開(kāi)日2000年3月8日 申請(qǐng)日期1999年10月12日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月12日
發(fā)明者楊學(xué)實(shí), 張嘉祥, 方玉誠(chéng), 王潔霞, 詹冬巧 申請(qǐng)人:楊學(xué)實(shí)