電弧加熱器漏水故障時的漏水量測量方法與流程
2024-02-07 12:12:15 1
本發明屬於飛行器地面氣動熱試驗研究領域，具體涉及一種電弧加熱器漏水故障時漏水量測量方法。
背景技術：
電弧加熱器是研究氣動熱防護問題的重要試驗平臺，自上世紀五十年代以來，一直是飛行器熱防護系統地面考核試驗的首選設備。伴隨著未來新型飛行器的發展，電弧加熱器的功率和被加熱氣體的焓值也不斷被提高，而電弧加熱器功率的提升不可避免的要和增大電流聯繫起來。由於試驗中加載在電極上的巨大熱流，必然帶來電弧加熱器電極的燒蝕，而電流的增長直接導致電極燒損的加劇。為了延長電弧加熱器電極壽命及提高其工作穩定性，國內外普遍採用高壓水對電極進行強制冷卻。根據文獻報導，通過弧根傳給銅電極的熱流約為(0.6～2.5)×109W/m2，而與此同時，在銅製平板實際上可能帶走的最大熱流為5×107W/m2。這就意味著，空氣介質下(其他介質中也是如此)銅電極靜止弧根的情況下，要避免電極材料的燒蝕實際上是辦不到的，試驗中存在著由於電極燒穿漏水加熱器嚴重燒損的風險。若試驗中電極燒蝕量過大導致電極燒穿，高壓冷卻水會迅速進入電弧加熱器，造成加熱器內部短路進而導致其燒蝕急速擴大，在沒有及時停車的前提下甚至會造成加熱器燒毀，這不僅會造成巨大的經濟損失，還嚴重影響了試驗的進度。除此之外，加熱器本身密封失效或者冷卻水管堵塞等問題也極易導致加熱器局部熱燒蝕嚴重，進而導致加熱器燒穿漏水。
在上述背景之下，通過有效測量手段對電弧加熱器運行狀態實時監測，準確判斷電極微量漏水時刻及測量漏水量是非常有意義的。對電弧加熱器漏水故障的診斷和控制，由於涉及核心技術，公開報導資料極少。從有限的文獻來看，目前主要有兩種途徑。一是當電弧加熱器出現爬弧(wall arcing)或其他不正常運行時，電弧電壓會出現增加，但由此設計的故障判定總會出現系統關閉延遲，Joseph Sheeley根據2003～2004年度AEDC H3疊片加熱器試驗數據，利用人工神經網絡進行訓練，結果顯示，經過訓練的模型可以預測電弧加熱器各種條件下的正常啟動及運行的電弧電壓，通過比較預測值和測量值，有可能發現電弧加熱器損壞前的一些非正常現象。二是當電弧加熱器電極出現熔化有可能被燒穿時，高溫流場中銅粒子濃度會出現明顯增加，有關文獻指出，水冷銅電極和約束片所溶解蒸發的銅粒子會汙染等離子體流場，銅粒子濃度對電弧加熱來講是一個重要的參數。早期的銅粒子濃度主要依靠稱重法，發射光譜和插入式探針直接測量，NASA-Ames中心Ronald等人與Stanford大學合作，研究了基於可調諧二極體雷射吸收光譜技術的電弧流場參數測試傳感器，利用中心波長為793.3nm雷射測量了流場中銅粒子的濃度及氣流溫度，結果顯示，在總電弧功率6.8MW條件下，流場中銅粒子含量平均為2ppm，而在20MW條件下，銅粒子含量高達13ppm，吸收光譜技術可以及時快速地診斷流場成分，並可對電弧加熱器何時進行正常維修保養提供有用信息，但流場中銅粒子含量多少與電弧加熱器電極是否出現漏水故障不存在必然聯繫，不能直接用於電極漏水故障判定，更對評估漏水量無能為力。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是克服現有基於電弧電壓和吸收光譜法銅粒子濃度測量以判定電弧加熱器漏水故障的不足(特別是漏水量的定量測量方面國內外均無相關報導)，提出了一種簡單、直接、易於實現的基於原子發射光譜法的電弧加熱器漏水故障漏水量測量方法，一方面可通過漏水量的實時變化對加熱器燒損程度進行監測，另一方面還可與控制系統連鎖實現電弧加熱器漏水時的快速關停。
本發明的技術方案是：
電弧加熱器漏水故障時的漏水量測量方法，其包括以下步驟：
獲取高溫高速氣體的光譜信息，並根據所述光譜信息計算得到氫原子特徵譜線λH＝656.28nm和氧原子特徵譜線λO＝777.19nm強度比值IH/IO；
基於熱力學平衡條件，根據所述強度比值IH/IO和已知氧原子數密度nO計算得到氫原子數密度nH，並根據計算得到漏水量。
優選的是，所述的電弧加熱器漏水故障時的漏水量測量方法中，所述的氣體經過供氣系統進入電弧加熱器並利用其放電電弧加熱，經噴管膨脹加速後在試驗段形成高溫高速氣體，流經試驗模型後的高溫高速氣體被真空系統收集；高溫高速氣體的光譜信息通過光譜測量夾片透過窗口經透鏡收集後被光纖傳輸到光譜測量系統進行分析處理。
優選的是，所述的電弧加熱器漏水故障時的漏水量測量方法中，所述光譜測量夾片安裝在電弧加熱器和噴管之間，所述光譜測量夾片的材料為紫銅，且所述光譜測量夾片的側壁開設有用於收集光譜信息的孔。採用打孔冷卻結構，滿足強度和防熱的需要；側壁開孔用於收集流場光譜信息。
優選的是，所述的電弧加熱器漏水故障時的漏水量測量方法中，所述電弧加熱器為分段式電弧加熱器或疊片式電弧加熱器。
優選的是，所述的電弧加熱器漏水故障時的漏水量測量方法中，所述噴管為軸對稱拉瓦爾噴管或矩形拉瓦爾噴管。
優選的是，所述的電弧加熱器漏水故障時的漏水量測量方法中，所述噴管為超聲速噴管或亞聲速噴管。
優選的是，所述的電弧加熱器漏水故障時的漏水量測量方法中，所述光譜測量系統包括光譜儀、CCD、計算機和分析模塊，光譜儀和CCD的波長範圍600-800nm，光學解析度不低於1.0nm；分析模塊用於對採集的氫原子特徵譜線λH＝656.28nm和氧原子特徵譜線λO＝777.19nm積分強度比值IH/IO的實時處理以獲得漏水量。
優選的是，所述的電弧加熱器漏水故障時的漏水量測量方法中，所述窗口包括石英玻璃和設置在其內外的O型密封圈。高溫流場光譜可透過石英玻璃由光譜儀採集，窗口還可以防止高溫氣體外瀉以保護外部透鏡及光纖接頭的安全。
優選的是，所述的電弧加熱器漏水故障時的漏水量測量方法中，所述透鏡為直徑3mm、焦距8mm的石英透鏡。高溫流場光譜被其聚焦於光纖，可大大提高系統信噪比。
優選的是，所述的電弧加熱器漏水故障時的漏水量測量方法中，所述光纖為長度10米、芯徑0.8mm的VIS/NIR多模階躍型石英光纖。
氣體經過供氣系統進入電弧加熱器並利用其放電電弧加熱，經噴管膨脹加速後在試驗段形成高溫高速流場，流經試驗模型後的氣流被真空系統收集；高溫氣體的光譜信息通過安裝在電弧加熱器和噴管之間的光譜測量夾片透過窗口經透鏡收集後被光纖傳輸到光譜測量系統進行分析處理。由於電弧加熱器在運行過程中內部氣體靜溫高達6000K-9000K，在如此的高溫環境下，空氣中的O2完全離解生成氧原子，若電弧加熱器出現水冷電極燒穿或密封失效等故障導致漏水時，水會瞬間離解生成氫原子。利用光譜測量系統獲得的氫原子特徵譜線λH＝656.28nm及氧原子特徵譜線λO＝777.19nm強度比值IH/IO，基於熱力學平衡假設，在已知氧原子數密度nO的條件下，即可得到氫原子數密度nH，進而可實現漏水故障漏水量定量測量，即
本發明與現有技術相比的優點如下：
(1)本發明可實現電弧加熱器高溫流場中氫原子特徵光譜和氧原子特徵光譜強度比值的直接測量，在基於熱力學平衡假設條件下，可實現電弧加熱器漏水故障漏水量的定量測量，一方面可通過漏水量的實時變化對加熱器燒損程度進行監測，另一方面還可與控制系統連鎖實現電弧加熱器漏水時的快速關停。該方法比現有基於電弧電壓和銅粒子濃度測量方法判定加熱器漏水故障更直接和準確，且填補了目前國內外對於加熱器漏水故障漏水量難以定量測量的技術空白。
(2)本發明所述的原子發射光譜法較吸收光譜法試驗系統更為簡單、成本低廉、對環境依賴程度小，便於在電弧加熱器和電弧風洞中實現，其系統可靠性更高。
本發明的其它優點、目標和特徵將部分通過下面的說明體現，部分還將通過對本發明的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。
附圖說明
圖1是本發明提供的電弧加熱器漏水故障時的漏水量測量方法的結構示意圖；
圖2是圖1中的虛線處的剖面放大圖；
圖3是本發明提供的電弧加熱器漏水故障時的漏水測量方法的一個實施例中的高溫高速氣體的光譜圖；
圖4本發明一個實施例中的氫原子的發射光譜積分強度數據處理示意圖；
圖5本發明一個實施例中的氫原子的發射光譜積分強度數據處理示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。
應當理解，本文所使用的諸如「具有」、「包含」以及「包括」術語並不配出一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。
以60MW疊片加熱器為例，如圖1和圖2所示，一種電弧加熱器漏水故障漏水量測量方法包括：電弧加熱器1、噴管2、光譜測量夾片3、窗口4、透鏡5、光纖6和光譜測量系統7。試驗在電弧風洞裡進行，電弧加熱器1和噴管2用於提供作用於試驗模型的氣動加熱環境，光譜測量夾片3、窗口4、透鏡5和光纖6用於採集和傳輸高溫流場光譜信息到光譜測量系統7。
步驟如下：
(1)根據試驗模型及所提氣動熱參數(氣流總焓、表面冷壁熱流等)選擇合適電弧加熱器1、噴管2等設備，電弧加熱器1可以是分段式電弧加熱器或疊片式電弧加熱器；噴管2為軸對稱拉瓦爾噴管或矩形拉瓦爾噴管，既可以是超聲速噴管，也可以是亞聲速噴管。試驗時，氣體經過供氣系統進入電弧加熱器1並利用其放電電弧加熱，經噴管2膨脹加速後在試驗段形成高溫高速流場，流經試驗模型後的氣流被真空系統收集。
(2)如圖1所示，在電弧加熱器1和噴管2之間安裝光譜測量夾片3，高溫流場光譜信息透過窗口4被透鏡5聚焦到光纖6內，光纖6將光傳導到光譜測量系統7進行分光測量。
圖3給出了某漏水試驗中，漏水前後正常狀態下與漏水狀態下的高溫流場光譜，圖3中清晰可見漏水後有明顯氫原子656.28nm特徵發射譜線，而整個基線部分，特別是氧原子777.19nm特徵發射譜線與正常狀態相比基本沒有變化。上述現象說明，在漏水初始時刻，進入電弧加熱器內的水分子在高溫條件下瞬間離解生成H原子和O原子，另外由於漏水前期，漏水量非常小，對加熱器的運行工況尚未有明顯影響。
(3)電弧加熱器1在運行過程中內部氣體靜溫高達6000K-9000K，由於高溫氣體流動速度很低，氣流靜溫可近似等於總溫，而氣體總溫可根據氣體焓值查高溫氣體參數表獲得。在如此的高溫環境下，空氣中的O2完全離解生成氧原子，若電弧加熱器1出現水冷電極燒穿或密封失效等故障導致漏水時，水會瞬間離解生成氫原子。利用光譜測量系統7獲得的氫原子特徵譜線λH＝656.28nm及氧原子特徵譜線λO＝777.19nm強度比值IH/IO，基於熱力學平衡假設，在已知空氣進氣量的條件下(即已知氧原子數密度nO)，即可得到氫原子數密度nH，進而可實現漏水故障漏水量定量測量，即推導過程如下：
原子發射光譜強度I可表示為(文中高能級均採用「k」表示，低能級均採用「i」表示)
I＝hvkiAkink (1)
式中，h為普朗克常數，vki為躍遷波數，Aki為自發輻射愛因斯坦躍遷概率，nk為高能級粒子數，若氣體介質處於熱力學平衡狀態，處於各激發態和基態的原子數密度服從麥克斯韋-波爾茲曼分布規律，即
式中，n0是總的原子數，Q(T)為配分函數。gk為高能級電子簡併度，Ek為高能級能量，k為波爾茲曼常數。將式(2)代入到式(1)，可得
根據式(3)得到，H、O原子發射光譜強度比
圖4和圖5為某漏水試驗中氫、氧原子發射光譜積分強度數據處理示意圖。對擬合數據求積分即可獲得氫、氧原子發射譜線強度IH、IO。將試驗中測到的IH、IO代入到(4)式中，在已知進氣量(nO)和焓值(T)的基礎上，即可得到氫原子數密度nH，進而得到漏水量，即
儘管本發明的實施方案已公開如上，但其並不僅僅限於說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用於各種適合本發明的領域，對於熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同範圍所限定的一般概念下，本發明並不限於特定的細節和這裡示出與描述的圖例。