一种水冷可调节补偿热阴极装置

摘要

本发明公开了一种水冷可调节补偿热阴极装置。该装置包括安装在多重电极的中心轴线上的水冷电极，调节水冷电极伸入多重电极位置的位置调节装置，和安装在水冷电极前部的旋转进气装置。该装置中的镧钨电极插入多重电极中心，通过尾部密封连接的水冷装置实现电极冷却，通过位置调节装置调节伸入多重电极内部长度，通过镧钨电极前段周向表面均布螺旋刻槽与陶瓷筒配合实现高压氩气的旋转分流。镧钨电极在水冷、氩气保护和电弧灼烧的共同作用下，前端表面在3000℃以下较大温度范围内具有较好的电流承载能力，能够提高多重电极在高气压下电极分流能力，实现片式电弧加热器高压、大电流、长时间稳定运行，适于开展防热试验。

权利要求

1.一种水冷可调节补偿热阴极装置，其特征在于，所述的水冷可调节补偿热阴极装置包括安装在多重电极（9）的中心轴线上的水冷电极，调节水冷电极伸入多重电极（9）位置的位置调节装置，和安装在水冷电极前部的旋转进气装置；

水冷电极包括位于多重电极（9）的中心轴线上的镧钨电极（6），镧钨电极（6）为球头柱形体；镧钨电极（6）的前端为封闭端，封闭端采用球头封闭；后端为开口端，开口端安装有镧钨电极后端法兰（14）；前段设置有螺旋刻槽，螺旋刻槽上套装有陶瓷筒（8），陶瓷筒（8）位于多重电极（9）内腔，与多重电极（9）的电极片绝缘；后段设置有外螺纹，中心轴线上设置有空腔；进水管（1）从镧钨电极后端法兰（14）插入镧钨电极（6）的空腔，进水管（1）的外壁与镧钨电极（6）的空腔之间留有缝隙，进水管（1）的出口正对镧钨电极（6）的球头，进水管（1）外接冷却水；镧钨电极后端法兰（14）上设置有与镧钨电极（6）的空腔连通、并垂直于镧钨电极（6）的空腔的出水管道，出水管道连接出水管（10）；冷却水从进水管（1）流至镧钨电极（6）的球头，对镧钨电极（6）的球头进行冷却，再经过缝隙从出水管（10）流出；

位置调节装置包括连接法兰（5），镧钨电极后端法兰（14）通过连接螺钉（2）固定在连接法兰（5）的后端面上；连接法兰（5）的中心设置有内螺纹，内螺纹与镧钨电极（6）后段的外螺纹相匹配，连接法兰（5）通过螺纹连接安装在镧钨电极（6）的后段；连接法兰（5）的周向还设置有均匀分布的通孔，每个通孔内插入调节定位螺杆（11），调节定位螺杆（11）的前端固定在多重电极后盖法兰（13）上，调节定位螺杆（11）的后端伸出通孔，调节定位螺杆（11）通过位于连接法兰（5）两侧的调节定位螺母（4）定位、锁紧、固定镧钨电极（6）；主供电回路电缆与连接法兰（5）连接实现对镧钨电极（ 6 ） 供电；

旋转进气装置包括镧钨电极（6）前段周向设置的螺旋刻槽和外部套装的陶瓷筒（8）；螺旋刻槽与多重电极后盖法兰（13）的进气口相通，从进气口进入的工作气体沿螺旋刻槽喷出。

2.根据权利要求1所述的水冷可调节补偿热阴极装置，其特征在于，所述的工作气体为氩气。

3.根据权利要求1所述的水冷可调节补偿热阴极装置，其特征在于，所述的进水管（1）的进水口安装有进水嘴（15），出水管（10）的出口安装出水嘴（16）。

4.根据权利要求1所述的水冷可调节补偿热阴极装置，其特征在于，所述的连接法兰（5）与调节定位螺母（4）之间间隔有垫片（12）。

5.根据权利要求1所述的水冷可调节补偿热阴极装置，其特征在于，所述的镧钨电极（6）的前段与多重电极后盖法兰（13）之间通过密封圈Ⅱ（7）密封工作气体；镧钨电极（6）的后端与镧钨电极后端法兰（14）通过密封圈Ⅰ（3）密封冷却水。

6.根据权利要求1所述的水冷可调节补偿热阴极装置，其特征在于，所述的进水管（1）与镧钨电极后端法兰（14）之间采用焊接方式固定连接，出水管（10）与镧钨电极后端法兰（14）之间也采用焊接方式固定连接。

说明书

一种水冷可调节补偿热阴极装置

技术领域

[0001] 本发明属于航天飞行器气动防热地面试验设备技术领域，具体涉及一种水冷可调节补偿热阴极装置。

背景技术

[0002] 目前，随着高超声速飞行技术的飞速发展，高超声速飞行器热防护系统的地面防热试验考核对电弧加热设备的运行能力提出了越来越高的要求。片式电弧加热器是实现大
功率、高焓、长时间的地面防热试验考核的重要的加热设备之一；片式电弧加热器由喷嘴、
前后电极、若干水冷环状压缩片、进气环以及绝缘件串联组装而成，电弧连接前后电极，并
通过压缩片间的切向进气约束管状通道，经电弧电离的工作气体由喷嘴喷出形成高温、高
速试验流场。

[0003] 多重电极是片式电弧加热器的通用电极，多重电极通过多对电极均匀分流总电流，提高电极载流能力，实现大电流、高焓、大功率运行。但是，传统的叠片式多重电极在总
压1.7MPa以上时，由于电弧的高压聚集效应，无法有效分流大电流负载，限制了片式电弧加
热器的总压模拟范围。高压多重电极在传统的叠片式多重电极基础上进行了改进，利用电
极片内型面变化组合，调整不同电极放电区域与核心电弧之间的距离，可以拓宽电弧加热
器的总压模拟范围，但是随着尾部电极片内径减小，电磁场励磁作用降低，电弧旋转速度下
降，电极片承担电流能力以及寿命都会降低，限制了高压多重电极大电流运行能力发挥。

[0004] 当前，亟需发展一种水冷可调节补偿热阴极装置，提升多重电极尾部电极载流能力。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种水冷可调节补偿热阴极装置。

[0006] 本发明的水冷可调节补偿热阴极装置应用于高压片式电弧加热器多重电极组装，作为实现多重电极高气压运行时分担电流的主要部件，要求热阴极在纯氩、前端电弧高温
和内部水冷条件下表面保持较高的温度，维持电弧稳定，并在电极烧蚀情况下，通过调节装
置进行位置补偿，保持较长时间的电极使用寿命。

[0007] 本发明的水冷可调节补偿热阴极装置，其特点是，所述的水冷可调节补偿热阴极装置包括安装在多重电极的中心轴线上的水冷电极，调节水冷电极伸入多重电极位置的位
置调节装置，和安装在水冷电极前部的旋转进气装置；

[0008] 水冷电极包括位于多重电极的中心轴线上的镧钨电极，镧钨电极为球头柱形体；镧钨电极的前端为封闭端，封闭端采用球头封闭；后端为开口端，开口端安装有镧钨电极后
端法兰；前段设置有螺旋刻槽，螺旋刻槽上套装有陶瓷筒，陶瓷筒位于多重电极内腔，与多
重电极的电极片绝缘；后段设置有外螺纹，中心轴线上设置有空腔；进水管从镧钨电极后端
法兰插入镧钨电极的空腔，进水管的外壁与镧钨电极的空腔之间留有缝隙，进水管的出口
正对镧钨电极的球头，进水管外接冷却水；镧钨电极后端法兰上设置有与镧钨电极的空腔
连通、并垂直于镧钨电极的空腔的出水管道，出水管道连接出水管；冷却水从进水管流至镧
钨电极的球头，对镧钨电极的球头进行冷却，再经过缝隙从出水管流出；

[0009] 位置调节装置包括连接法兰，镧钨电极后端法兰通过连接螺钉固定在连接法兰的后端面上；连接法兰的中心设置有内螺纹，内螺纹与镧钨电极后段的外螺纹相匹配，连接法
兰通过螺纹连接安装在镧钨电极的后段；连接法兰的周向还设置有均匀分布的通孔，每个
通孔内插入调节定位螺杆，调节定位螺杆的前端固定在多重电极后盖法兰上，调节定位螺
杆的后端伸出通孔，调节定位螺杆通过位于连接法兰两侧的调节定位螺母定位、锁紧、固定
镧钨电极；主供电回路电缆与连接法兰连接实现对镧钨电极供电；

[0010] 旋转进气装置包括镧钨电极前段周向设置的螺旋刻槽和外部套装的陶瓷筒；螺旋刻槽与多重电极后盖法兰的进气口相通，从进气口进入的工作气体沿螺旋刻槽喷出。

[0011] 进一步地，所述的工作气体为氩气。

[0012] 进一步地，所述的进水管的进水口安装有进水嘴，出水管的出口安装出水嘴。

[0013] 进一步地，所述的连接法兰与调节定位螺母之间间隔有垫片。

[0014] 进一步地，所述的镧钨电极的前段与多重电极后盖法兰之间通过密封圈Ⅱ密封工作气体；镧钨电极的后端与镧钨电极后端法兰通过密封圈Ⅰ密封冷却水。

[0015] 进一步地，所述的进水管与镧钨电极后端法兰之间采用焊接方式固定连接，出水管与镧钨电极后端法兰之间也采用焊接方式固定连接。

[0016] 本发明的水冷可调节补偿热阴极装置中的镧钨电极与镧钨电极后端法兰连接，通过密封圈Ⅰ密封水腔，构成水冷电极。水冷电极采用中心进水、外环出水的方式，位于中心轴
线上的进水管插入镧钨电极内腔，直接冷却镧钨电极前端。

[0017] 本发明的水冷可调节补偿热阴极装置中的位置调节装置，通过调节定位螺杆分别与多重电极后盖法兰、镧钨电极后端法兰连接，多重电极后盖法兰与多重电极的电极片之
间通过密封圈Ⅱ密封绝缘，通过调节定位螺母实现电极伸入长度调整及固定。

[0018] 本发明的水冷可调节补偿热阴极装置中的旋转进气装置，将陶瓷筒套装在镧钨电极前段的柱段上，固定在镧钨电极与多重电极的尾端电极片之间，起到绝缘作用，再通过沿
着位于陶瓷筒内腔、镧钨电极表面上的螺旋刻槽高速螺旋喷出的高压氩气，促进镧钨电极
上的电弧旋转。

[0019] 本发明的水冷可调节补偿热阴极装置的镧钨电极插入多重电极中心，通过尾部密封连接的水冷装置实现电极冷却，通过位置调节装置调节伸入多重电极内部长度，通过镧
钨电极前段周向表面均布螺旋刻槽与陶瓷筒配合实现高压氩气的旋转。镧钨电极在水冷、
氩气保护和电弧灼烧的共同作用下，前端表面在3000℃以下较大温度范围内具有较好的电
流承载能力，能够提高多重电极在高气压下电极分流能力，实现片式电弧加热器高压、大电
流、长时间稳定运行。

[0020] 本发明的水冷可调节补偿热阴极装置放置在多重电极后端，镧钨电极伸入多重电极中心，旋转进气装置提供沿镧钨电极周向高速旋转纯氩气氛环境，在前端电弧高温和内
部水冷的双重作用下，镧钨电极的球头表面保持低于镧钨合金熔点的较高温度，达到热阴
极工作环境要求，提高了多重电极高压、大电流运行能力，同时提高了多重电极的使用寿
命，满足了片式电弧加热器多重电极高压、大电流、长时间运行的需要，适于开展防热试验。

附图说明

[0021] 图1为本发明的水冷可调节补偿热阴极装置的结构示意图。

[0022] 图中，1.进水管；2.连接螺钉；3.密封圈Ⅰ；4.调节定位螺母；5.连接法兰；6.镧钨电极；7.密封圈Ⅱ；8.陶瓷筒；9.多重电极；10.出水管；11.调节定位螺杆；12.垫片；13.多重电
极后盖法兰；14.镧钨电极后端法兰；15.进水嘴；16.出水嘴。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图和实施例详细说明本发明。

[0024] 如图1所示，本发明的水冷可调节补偿热阴极装置包括安装在多重电极9的中心轴线上的水冷电极，调节水冷电极伸入多重电极9位置的位置调节装置，和安装在水冷电极前
部的旋转进气装置；

[0025] 水冷电极包括位于多重电极9的中心轴线上的镧钨电极6，镧钨电极6为球头柱形体；镧钨电极6的前端为封闭端，封闭端采用球头封闭；后端为开口端，开口端安装有镧钨电
极后端法兰14；前段设置有螺旋刻槽，螺旋刻槽上套装有陶瓷筒8，陶瓷筒8位于多重电极9
内腔，与多重电极9的电极片绝缘；后段设置有外螺纹，中心轴线上设置有空腔；进水管1从
镧钨电极后端法兰14插入镧钨电极6的空腔，进水管1的外壁与镧钨电极6的空腔之间留有
缝隙，进水管1的出口正对镧钨电极6的球头，进水管1外接冷却水；镧钨电极后端法兰14上
设置有与镧钨电极6的空腔连通、并垂直于镧钨电极6的空腔的出水管道，出水管道连接出
水管10；冷却水从进水管1流至镧钨电极6的球头，对镧钨电极6的球头进行冷却，再经过缝
隙从出水管10流出；

[0026] 位置调节装置包括连接法兰5，镧钨电极后端法兰14通过连接螺钉2固定在连接法兰5的后端面上；连接法兰5的中心设置有内螺纹，内螺纹与镧钨电极6后段的外螺纹相匹
配，连接法兰5通过螺纹连接安装在镧钨电极6的后段；连接法兰5的周向还设置有均匀分布
的通孔，每个通孔内插入调节定位螺杆11，调节定位螺杆11的前端固定在多重电极后盖法
兰13上，调节定位螺杆11的后端伸出通孔，调节定位螺杆11通过位于连接法兰5两侧的调节
定位螺母4定位、锁紧、固定镧钨电极6；主供电回路电缆与连接法兰5连接实现对镧钨6电极
供电；

[0027] 旋转进气装置包括镧钨电极6前段周向设置的螺旋刻槽和外部套装的陶瓷筒8；螺旋刻槽与多重电极后盖法兰13的进气口相通，从进气口进入的工作气体沿螺旋刻槽喷出。

[0028] 进一步地，所述的工作气体为氩气。

[0029] 进一步地，所述的进水管1的进水口安装有进水嘴15，出水管10的出口安装出水嘴16。

[0030] 进一步地，所述的连接法兰5与调节定位螺母4之间间隔有垫片12。

[0031] 进一步地，所述的镧钨电极6的前段与多重电极后盖法兰13之间通过密封圈Ⅱ7密封工作气体；镧钨电极6的后端与镧钨电极后端法兰14通过密封圈Ⅰ3密封冷却水。

[0032] 进一步地，所述的进水管1与镧钨电极后端法兰14之间采用焊接方式固定连接，出水管10与镧钨电极后端法兰14之间也采用焊接方式固定连接。

[0033] 实施例1

[0034] 本实施例的镧钨电极6作为多重电极9的中心电极使用，利用镧钨电极6的抗烧蚀能力弥补中心电极表面电弧旋转速度低的不足，提高长时间运行能力，利用多重电极9核心
区电离子体高温辐射以及镧钨电极6承载电流后电弧灼烧产生的高温，提高镧钨电极6承载
电流能力，实现高气压环境下电弧稳定。镧钨电极6与多重电极后盖法兰13之间通过密封圈
Ⅱ7实现多重电极9内部高压工作气体密封。连接法兰5与镧钨电极6通过螺纹连接，镧钨电
极后端法兰14与连接法兰5通过连接螺钉2连接固定，镧钨电极后端法兰14与镧钨电极6后
端之间通过密封圈Ⅰ3密封水腔，冷却水从进水管1进入镧钨电极6内部，冷却镧钨电极6后沿
缝隙从出水管10流出。连接法兰5通过连接输电电缆接入主供电回路，实现镧钨电极6工作
时的持续供电。若干调节定位螺杆11连接多重电极后盖法兰13和连接法兰5，通过调节定位
螺杆11上的调节定位螺母4调节实现镧钨电极6的定位固定以及送进补偿。陶瓷筒8套装在
镧钨电极6前段，与镧钨电极6表面的螺旋刻槽形成高压氩气进气通道，喷出的高压氩气在
镧钨电极6球头周向形成高速旋转气流，旋转方向与电弧旋转方向一致。同时，陶瓷筒8介于
镧钨电极6和多重电极9的尾部电极片之间，起到绝缘作用。

[0035] 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离
本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，因此在不背离权利要求及等同范
围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。