一种压力自动补偿式电弧加热装置冷却水供给系统 |
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| 申请号 | CN202311626929.0 | 申请日 | 2023-11-30 | 公开(公告)号 | CN117881028A | 公开(公告)日 | 2024-04-12 |
| 申请人 | 中国航天空气动力技术研究院; | 发明人 | 朱兴营; 刘祥; 陈海群; 欧东斌; 韩春华; 马百贺; 刘官; 陈广涛; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种压 力 自动补偿式 电弧 加热装置 冷却 水 供给系统，属于电弧加热技术领域，包括供水系统和补偿水系统，其中供水系统包括储水容器、冷却水 泵 、供水管路和加热装置回水管路；补偿水系统包括补偿水储水组件、加压系统、补偿水管路和储水组件补水管路，通过结构形式的巧妙设计，可以为不同电弧加热装置的降温冷却提供充足的冷却水，并且可以在补偿水系统的补偿水储水组件中储水量不足时，通过供水系统的储水容器为其补充冷却水；本发明通过加压系统实现了冷却水系统整体压力和流量的灵活调节，提升了冷却水供给系统对电弧加热装置功率和尺寸等变化的适用性；实现了冷却水压力(流量)的直接给定和灵活调整，保证电弧加热装置的冷却效果。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种压力自动补偿式电弧加热装置冷却水供给系统，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种压力自动补偿式电弧加热装置冷却水供给系统技术领域[0001] 本发明涉及一种压力自动补偿式电弧加热装置冷却水供给系统，属于电弧加热技术领域。 背景技术[0002] 电弧等离子体是目前工业应用中最常采用的一种气体放电电离的型式，即在两个电极间产生电弧，从电极缝隙间通过的工作气体在电弧产生的焦耳热的作用下发生电离从而形成等离子体，通过直流电弧对气体进行加热的装置称为电弧加热器。 [0003] 电弧加热器与混合室、喷管等功能性组件配套组成电弧加热器装置，在航空航天领域广泛应用于导弹、行星再入飞行器、高超声速飞机、军事/民用航天运载工具等高超声速飞行器防热材料与结构部件的地面加热考核。但电弧加热装置在工作中，一方面加热器电极需要承受较高的直流电流产生烧蚀，另一方面，电弧加热装置反应室内高温等离子体气流会对电极、混合室、喷管等产生很高的热流密度，若未进行有效冷却保护，电弧加热装置将在极短的时间内被高电流和高热流烧损失效。因此，在实际工业应用中，为实现电弧加热装置的长时间安全稳定工作，需要配套的冷却水供给系统，对电弧加热装置进行冷却保护。当电弧加热装置的功率发生变化(对应电流的变化)或尺寸等变化(对应冷却通道的变化)时，加热装置受到的热量发生变化，为保证冷却效果，往往需要对冷却水的压力和流量进行调整(增加或降低)，但传统冷却水供给系统配置的水泵扬程和流量是固定的，难以满足电弧加热装置功率或尺寸变化时对冷却水的调整需求，尤其是当需要增加冷却水的流量和压力时，靠固定参数的水泵无法实现，易产生冷却不充分，导致电弧加热装置存在安全风险等问题。 发明内容[0004] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种压力自动补偿式电弧加热装置冷却水供给系统，实现冷却水压力(流量)的直接给定和灵活调整，保证电弧加热装置的冷却效果。 [0005] 本发明的技术解决方案是： [0006] 一种压力自动补偿式电弧加热装置冷却水供给系统，包括： [0007] 供水系统，包括储水容器、冷却水泵、供水管路和加热装置回水管路，所述储水容器流出的冷却水由冷却水泵加压后经供水管路流至电弧加热装置，用于电弧加热装置的降温，吸热后的冷却水经加热装置回水管路流回储水容器；还用于为补偿系统的补偿水储水组件提供冷却水； [0008] 补偿水系统，包括补偿水储水组件、加压系统、补偿水管路和储水组件补水管路，所述加压系统在补偿水储水组件顶部加压，补偿水储水组件底部流出的冷却水经补偿水管路流至电弧加热装置，用于电弧加热装置的降温；补偿水储水组件储水量不足时，储水容器中的冷却水通过供水管路和储水组件补水管路流至补偿水储水组件，进行补水。 [0009] 在上述压力自动补偿式电弧加热装置冷却水供给系统中，所述加压系统包括高压气源管路、控制气管路、控制气调压阀、控制阀、先导气管路、先导气调压阀、加压气调压阀和控制器；其中控制气管路上游端连接高压气源管路，下游端连接先导气调压阀驱动部分，控制气管路为先导气调压阀提供驱动气体，控制阀布置在控制气管路上；先导气管路上游端连接高压气源管路，下游端连接加压气调压阀驱动部分，先导气管路为加压气调压阀提供驱动气体，先导气调压阀布置在先导气管路上；加压气调压阀上游端连接高压气源管路，下游出气端通过储水组件加压管路连接补偿水储水组件。 [0010] 在上述压力自动补偿式电弧加热装置冷却水供给系统中，所述加压系统为三级调压结构，控制气调压阀为一级调压阀，采用手柄驱动的活塞式调压阀，控制阀为电磁比例调节阀；先导气调压阀为二级调压阀，采用气室负载驱动的活塞式调压阀；加压气调压阀为三级调压阀，采用弹簧和气室结合驱动的活塞式调压阀。 [0011] 在上述压力自动补偿式电弧加热装置冷却水供给系统中，所述控制器为PID控制器，控制器与控制阀和终端水压传感器进行通讯，通过控制器设定供水压力，对控制阀进行控制，终端水压传感器为控制器提供水压反馈信号。 [0012] 在上述压力自动补偿式电弧加热装置冷却水供给系统中，所述加压系统满足以下至少一项： [0013] 所述控制气调压阀出气压力范围为0‑1.6MPa，出气质量流量≤10g/s； [0014] 所述先导气调压阀出气压力范围为0‑15MPa，出气质量流量≤20g/s； [0015] 所述加压气调压阀出气压力范围为0‑15MPa，出气质量流量≥4000g/s。 [0016] 在上述压力自动补偿式电弧加热装置冷却水供给系统中，还包括加热装置供水管路，所述供水管路下游端和补偿水管路下游端在汇流点汇合和连通后经加热装置供水管路为电弧加热装置的降温提供冷却水。 [0017] 在上述压力自动补偿式电弧加热装置冷却水供给系统中，所述加热装置供水管路上设有加热装置供水阀门和终端水压传感器，加热装置供水阀门用于控制供水管路中水流的通断，终端水压传感器用于测量加热装置供水管路的水压。 [0018] 在上述压力自动补偿式电弧加热装置冷却水供给系统中，所述终端水压传感器布置位置与电弧加热装置间的管道长度≤2m。 [0019] 在上述压力自动补偿式电弧加热装置冷却水供给系统中，所述补偿水储水组件由n个储水罐并联布置组成，n为1～20，可以根据需要增减储水罐的数量，单个储水罐容积V为3 5～20m。 [0020] 在上述压力自动补偿式电弧加热装置冷却水供给系统中，所述供水系统还包括设置在供水管路上的储水容器水过滤器和储水容器水单向阀，所述储水容器水过滤器用于过滤储水容器中冷却水的杂质，储水容器水单向阀用于控制供水管路中冷却水的流通方向，防止逆向流动。 [0021] 在上述压力自动补偿式电弧加热装置冷却水供给系统中，所述补偿水系统还包括设置在补偿水管路上的补偿水单向阀、补偿水过滤器、补偿水阀门，所述补偿水单向阀用于控制补偿水管路中冷却水的流通方向，防止逆向流动；所述补偿水过滤器用于过滤补偿水储水组件中冷却水的杂质；所述补偿水阀门用于控制补偿水管路中水流的通断。 [0022] 在上述压力自动补偿式电弧加热装置冷却水供给系统中，所述补偿水系统还包括设置在储水组件补水管路上的补偿水储水组件补水阀，用于控制补水管路中水流的通断，当储水容器中的冷却水通过供水管路和储水组件补水管路为补偿水储水组件补水时，补偿水储水组件补水阀打开，否则关闭。 [0023] 在上述压力自动补偿式电弧加热装置冷却水供给系统中，所述冷却水泵的流量Q3 为200‑300m/h，扬程H为100‑160m。 [0024] 本发明与现有技术相比至少包含以下优点： [0025] 本发明提供一种新型的冷却水供给系统，包括供水系统与补偿水系统，通过结构形式的巧妙设计，可以为不同电弧加热装置的降温冷却提供充足的冷却水，并且可以在补偿水系统的补偿水储水组件中储水量不足时，通过供水系统的储水容器为其补充冷却水，通过加压系统实现了冷却水系统整体压力和流量的灵活调节，提升了冷却水供给系统对电弧加热装置功率和尺寸等变化的适用性；本发明冷却水供给系统实现了冷却水压力(流量)的直接给定和灵活调整，保证电弧加热装置的冷却效果。附图说明 [0026] 图1为本发明实施例中压力自动补偿式电弧加热装置冷却水供给系统的示意图； [0027] 图2为本发明加压系统示意图； [0028] 图中标号：1‑储水容器；2‑供水管路；3‑冷却水泵；4‑储水容器水过滤器；5‑储水容器水单向阀；6‑补偿水单向阀；7‑补偿水过滤器；8‑补偿水阀门；9‑补偿水管路；10‑补偿水储水组件；11‑储水组件补水管路；12‑补偿水储水组件补水阀；13‑储水组件加压管路；14‑加压系统；15‑加热装置供水管路；16‑加热装置供水阀门；17‑终端水压传感器；18‑加热装置回水管路；19‑汇流点；141‑高压气源管路；142‑控制气管路；143‑控制气调压阀；144‑控制阀；145‑先导气管路；146‑先导气调压阀；147‑加压气调压阀；148‑控制器。 具体实施方式[0029] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的描述： [0030] 如图1所示，本发明实施例中压力自动补偿式电弧加热装置冷却水供给系统，包括储水容器1、储水容器供水管路2、冷却水泵3、储水容器水过滤器4、储水容器水单向阀5、补偿水单向阀6、补偿水过滤器7、补偿水阀门8、补偿水管路9、补偿水储水组件10、补偿水储水组件补水管路11、补偿水储水组件补水阀12、补偿水储水组件加压管路13、加压系统14、加热装置供水管路15、加热装置供水阀门16、终端水压传感器17、加热装置回水管路18和汇流点19。 [0031] 其中，储水容器1、储水容器供水管路2、冷却水泵3、储水容器水过滤器4、储水容器水单向阀5、加热装置回水管路18组成供水系统，储水容器1流出的冷却水由冷却水泵3加压后经供水管路2流至电弧加热装置，为电弧加热装置的降温提供冷却水，吸热后的冷却水经加热装置回水管路18流回储水容器1；并用于为补偿系统的补偿水储水组件10提供冷却水；储水容器水过滤器4用于过滤储水容器1中冷却水的杂质，储水容器水单向阀5用于控制用于控制供水管路2中冷却水流通方向，即向汇流点19方向流动，防止逆向流动。 [0032] 其中，补偿水单向阀6、补偿水过滤器7、补偿水阀门8、补偿水管路9、补偿水储水组件10、补偿水储水组件补水管路11、补偿水储水组件补水阀12、补偿水储水组件加压管路13和加压系统14组成补偿水系统，加压系统14在补偿水储水组件10顶部加压，补偿水储水组件10底部流出冷却水经补偿水管路9流至电弧加热装置，为电弧加热装置的降温提供补偿压力的冷却水。当补偿水储水组件10储水量不足时，储水容器1中的冷却水通过供水管路2和储水组件补水管路11为补偿水系统进行补水。补偿水单向阀6用于控制补偿水管路9中冷却水的流通方向，即向汇流点19方向流动，防止逆向流动，补偿水过滤器7用于过滤补偿水储水组件10中冷却水的杂质，补偿水阀门8用于控制补偿水管路9中水流的通断，补偿水储水组件补水阀12，用于控制补水管路11中水流的通断，当储水容器1中的冷却水通过供水管路2和储水组件补水管路11为补偿水组件10补水时，补偿水储水组件补水阀12打开，否则关闭。 [0033] 加热装置供水管路15上设有加热装置供水阀门16和终端水压传感器17，加热装置供水阀门16用于控制加热装置供水管路15中水流的通断，终端水压传感器17用于测量加热装置供水管路15的水压。 [0034] 一可选实施例中，终端水压传感器17布置位置与电弧加热装置间的管道长度≤2m。 [0035] 具体地，供水管路2上游端为储水容器1，冷却水泵3、储水容器水过滤器4、储水容器水单向阀5依次向下游布置在储水容器供水管路2上；补偿水管路9上游端为补偿水储水组件10，补偿水阀门8、补偿水过滤器7、补偿水单向阀6依次向下游布置在补偿水管路9上；储水容器供水管路2下游端和补偿水管路9下游端在汇流点19汇合和连通；加热装置供水管路15上游端为汇流点19，加热装置供水阀门16和终端水压传感器17向依次下游布置在加热装置供水管路15上，加热装置供水管路15下游端与电弧加热装置连接；加热装置回水管路 18上游端为电弧加热装置，下游端和储水容器1连接；补偿水储水组件补水管路11上游端为汇流点19，下游端与补偿水储水组件底部10连接，补偿水储水组件补水阀12布置在补偿水储水组件补水管路11。补偿水储水组件加压管路13两端分别与补偿水储水组件10和加压系统14连接。 [0036] 一可选实施例中，冷却水泵3流量Q为200‑300m3/h，扬程H为100‑160m。 [0037] 一可选实施例中，补偿水储水组件10由n个水罐并联布置组成，单个水罐为圆柱3 形，单个水罐容积为V；优选水罐数量n为：1‑20；单个水罐容积V为：5‑20m。 [0038] 一可选实施例中，加压系统14包括：高压气源管路141控制气管路142、控制气调压阀143、控制阀144、先导气管路145、先导气调压阀146、加压气调压阀147和控制器148。 [0039] 如图2所示，加压系统14为三级调压结构，控制气调压阀143为一级调压阀，采用手柄驱动的活塞式调压阀，控制阀144为电磁比例调节阀；先导气调压阀146为二级调压阀，采用气室负载驱动的活塞式调压阀；加压气调压阀147为三级调压阀，采用弹簧和气室结合驱动的活塞式调压阀。 [0040] 控制气管路142上游端连接高压气源管路141，下游端连接先导气调压阀146驱动部分，控制气管路142为先导气调压阀146提供驱动气体，控制阀144布置在控制气管路142上；先导气管路145上游端连接高压气源管路141，下游端连接加压气调压阀147驱动部分，先导气管路145为加压气调压阀147提供驱动气体，先导气调压阀146布置在先导气管路145上；加压气调压阀147上游端连接高压气源管路141，下游出气端连接补偿水储水组件加压管路13。 [0041] 控制器148为PID控制器，即加压系统14采用PID控制方式，控制器148与控制阀144和终端水压传感器17进行通讯，通过控制器148设定供水压力，对控制阀144进行控制，终端水压传感器17为控制器148提供反馈信号。 [0042] 一可选实施例中，控制气调压阀143出气压力范围为0‑1.6MPa，出气质量流量≤10g/s；先导气调压阀146出气压力范围为0‑15MPa，出气质量流量≤20g/s；加压气调压阀 147出气压力范围为0‑15MPa，出气质量流量≥4000g/s。 [0043] 补偿水储水组件10储水量不足时，电弧加热装置停止，关闭补偿水阀门8和加热装置供水阀门16，打开补偿水储水组件补水阀12，采用储水容器1中的水通过冷却水泵3、储水容器供水管路2和罐组补水管路11为补偿水储水组件10进行补水。 [0044] 本发明的工作原理如下： [0045] 由储水容器1流出的冷却水由固定流量和扬程的冷却水泵3加压后经过储水容器供水管路2以及储水容器水过滤器4、储水容器水单向阀5，在汇流点19进入电弧加热装置供水管路15，为电弧加热装置提供基础压力和流量的冷却水；但当电弧加热器装置功率和尺寸等发生变化，要求水压和流量较高时，冷却水泵3流量和扬程因无法调整难以满足要求，此时在加压系统中14设定供水压力，在补偿水储水组件10顶部通入高压空气对水罐内的水进行加压，自补偿水储水组件10底部流出的一定压力的冷却水经补偿水管路9和补偿水阀门8、补偿水过滤器7和补偿水单向阀，在汇流点19进入电弧加热装置供水管路15，为电弧加热装置提供补偿压力和流量的冷却水，加压系统14控制中的反馈信号取自电弧加热装置就地(管道距离≤2m)的终端压力传感器17测量值，实现了电弧加热装置供水压力的直接设定和自动补偿。自电弧加热装置流出的冷却水经加热装置回水管路18流入储水容器1。 [0046] 本发明实施例中采用固定扬程和流量的水泵为电弧加热装置提供基础压力和流量的冷却水，同时采用水罐水加压方式实现电弧加热装置冷却水供给系统压力和流量的自动补偿，由于补偿水储水组件加压系统可实现大范围的压力调节，实现了冷却水系统整体压力和流量的灵活调节，提升了冷却水供给系统对电弧加热装置功率和尺寸等变化的适用性； [0047] 本发明实施例中加压系统采用PID控制的三级调压结构，各级调压阀输出压力和流量逐级放大，实现了水压的精准控制；于此同时，第三级调压阀出气流量和压力调节范围广，实现了冷却水供给系统压力的大范围快速调节； [0048] 本发明实施例中以电弧加热装置就地的终端压力传感器测量值为加压系统的反馈值，实现了组合式供水(基础水和补偿水)条件下电弧加热装置终端供水压力的直接设定。 |
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