一种材料烧蚀测试用等离子体炬的制作方法

1.本实用新型属于热等离子体技术领域，具体涉及一种材料烧蚀测试用等离子体炬。


背景技术：

2.高速飞行器的表面材料及其防/隔热涂层，不仅要经受负压环境下的外流冲刷和烧蚀，还可能面临正压条件下高能流密度、高化学活性来流的冲刷。研究热防护材料在该类气流冲刷条件下的烧蚀、抗氧化行为对于选材及结构设计优化具有重要意义。
3.目前，国内外普遍将风洞烧蚀试验作为考核防热结构在近真实飞行环境下抗烧蚀能力的最终手段。然而，风洞运行成本高、测试周期长，不宜开展大量材料筛选实验和防热结构特性研究。
4.等离子体炬是小型等离子体烧蚀测试系统的关键设备。通常情况下，等离子体炬包括阴极和至少一个阳极，电弧在阴极和阳极之间产生，并由工作气体将电弧热能带出，形成等离子体射流。不同的应用领域对等离子体射流的要求不同。如等离子体切割要求射流速度快，强度高；等离子体废物处理要求射流截面积大，活性强。针对材料烧蚀测试应用，对等离子体炬的要求是射流的热流密度、压力、热焓等多个状态参数调制与匹配，保证流场的稳定性和均匀性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种适合在低气压下运行的材料烧蚀测试用等离子体炬，射流热焓、压力、热流密度等参数可调节，并提供外喷管和内喷管两种不同的工作模式。
6.本发明采用的技术方案：
7.一种材料烧蚀测试用等离子体炬，包括依次排列的阴极、触发极、过渡阳极和阳极；阴极位于阴极水冷套内部；触发极自身设有触发极冷却水环槽，外部套有触发极水冷套；过渡阳极位于过渡极水冷套内部；阳极位于阳极水冷套内部；所述阴极水冷套和触发极之间通过第一聚四氟绝缘体绝缘，第一聚四氟绝缘体支撑于阴极水冷套和触发极连接面的外圆周上；所述触发极与过渡阳极之间通过第二聚四氟绝缘体与触发极水冷套螺栓连接，第二聚四氟绝缘体支撑于触发极和过渡阳极连接面的外圆周上；所述过渡阳极与阳极通过过渡极水冷套与阳极水冷套螺栓连接，之间通过第三聚四氟绝缘体绝缘，第三聚四氟绝缘体支撑于过渡阳极和阳极连接面的外圆周上。
8.所述阴极包括钨电极和紫铜座，钨电极的后段镶嵌在紫铜座内部，前段为圆台与锥体结合；
9.所述触发极外侧面为与阴极水冷套半径相同的圆柱体，内部设有从触发极上底面通透至触发极下底面的触发区；所述触发区上端呈倒置的圆台形通道，下端呈圆柱形通道；触发区与触发极外侧面之间的侧壁是中空的形成触发极冷却水环槽；触发极水冷套外侧面较高的位置设有触发极冷却水入口，较低的位置设有触发极冷却水出口，二者均与触发极
冷却水环槽相通。
10.所述过渡阳极水冷套为所述过渡阳极等高中空圆柱体，其外侧面设有过渡阳极冷却水入口和过渡阳极冷却水出口。
11.所述阳极和阳极水冷套之间的空隙部分形成阳极冷却水通道。
12.所述第一聚四氟绝缘体内部沿平行于触发极上底面的方向设有连接触发区和设备外界的保护气体入口。
13.所述第二聚四氟绝缘体内部底面的方向设有工作气体入口，工作气体经过第二聚四氟绝缘体与过渡阳极之间的间隙进入，连通触发极出口与过渡阳极入口。
14.所述第三聚四氟绝缘体内部沿平行于阳极上底面的方向设有调节气体入口，调节气体经过过渡阳极与第三聚四氟绝缘体之间的间隙进入，连通过渡阳极出口与阳极入口。
15.所述触发极为紫铜复合件，所述过渡阳极和阳极为紫铜件。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
17.(1)本实用新型的等离子体炬可在低气压下稳定运行，各电极独立冷却，方便试压检漏，便于维护检修；
18.(2)过渡阳极的功能可作为内喷管，提高射流稳定性；
19.(3)阳极的功能可以作为外喷管，便于调节射流热焓、热流参数；
20.(4)过渡阳极和阳极外表面的螺旋流道设计，提高了冷却水与电极的热交换效果。
21.(5)操作相对简便、运行成本较低、可控性好，可有针对性地进行批量材料高温烧蚀特性检验，为材料的大规模筛选提供依据，适宜于开展材料高温性能演化机理研究。
附图说明
22.图1为材料烧蚀测试用等离子体炬示意图；
23.图2为外喷管工作模式示意图；
24.图3为内喷管工作模式示意图；
25.图中：1
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阴极冷却水出入口；2
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第一聚四氟绝缘体；3
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密封垫；4
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触发极水冷套；5
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触发极冷却水入口；6
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第二聚四氟绝缘体；7
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过渡极水冷套；8
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过渡阳极冷却水入口；9
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调节气体入口；10
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阳极水冷套；11
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阳极冷却水入口；12
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阳极；13
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阳极冷却水出口；14
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第三聚四氟绝缘体；15
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过渡阳极冷却水出口；16
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过渡阳极；17
‑
工作气体入口；18
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触发极；19
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触发极冷却水出口；20
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阴极；21
‑
阴极水冷套。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施例对本实用新型提供的一种材料烧蚀测试用等离子体炬作进一步详细说明。
27.如图1所示，本发明提供的一种材料烧蚀测试用等离子体炬，包括依次排列的阴极20、触发极18、过渡阳极16和阳极12；阴极20位于阴极水冷套21内部，阴极20包括钨电极和紫铜座，钨电极的后段镶嵌在紫铜座内部，前段为圆台与锥体结合；
28.触发极18自身设有触发极冷却水环槽，外部套有触发极水冷套4，所述触发极18外侧面为与阴极水冷套21半径相同的圆柱体，内部设有从触发极上底面通透至触发极下底面的触发区；所述触发区上端呈倒置的圆台形通道，下端呈圆柱形通道；触发区与触发极外侧
面之间的侧壁是中空的形成触发极冷却水环槽；触发极水冷套4外侧面较高的位置设有触发极冷却水入口5，较低的位置设有触发极冷却水出口19，二者均与触发极冷却水环槽相通。
29.过渡阳极16位于过渡极水冷套7内部，所述过渡阳极水冷套7为所述过渡阳极16等高中空圆柱体，其外侧面设有过渡阳极冷却水入口8和过渡阳极冷却水出口15；
30.阳极12位于阳极水冷套10内部，阳极12和阳极水冷套10之间的空隙部分形成阳极冷却水通道，阳极水冷套10为与所述阳极12等高的、半径大于触发极18半径的、上下底面均开放的中空圆柱体，其外侧面较高的位置设有阳极冷却水入口11，较低的位置设有阳极冷却水出口13；阳极12为中空的管道，其内部通道采用后拉瓦尔结构，自左而右包括阳极收缩段、阳极直段和阳极扩张段，其中，阳极收缩段为倒置的圆台形管道，阳极直段为圆柱形管道，阳极扩张段为正置的圆台形管道。
31.所述阴极水冷套21和触发极18之间通过第一聚四氟绝缘体2绝缘，第一聚四氟绝缘体2支撑于阴极水冷套21和触发极18连接面的外圆周上；所述阴极20与与阴极水冷套21通过螺纹密封连接，再与第一聚四氟绝缘体2组装为一体；第一聚四氟绝缘体2具有一定厚度，其内部沿平行于触发极18上底面的方向设有连接触发区和设备外界的保护气体入口。
32.所述触发极18与过渡阳极16之间通过第二聚四氟绝缘体6与触发极水冷套4螺栓连接，第二聚四氟绝缘体6支撑于触发极18和过渡阳极16连接面的外圆周上，其具有一定厚度，其内部底面的方向设有工作气体入口17，工作气体经过第二聚四氟绝缘体6与过渡阳极16之间的间隙进入，连通触发极18出口与过渡阳极16入口。
33.所述过渡阳极16与阳极12通过过渡极水冷套7与阳极水冷套10螺栓连接，之间通过第三聚四氟绝缘体绝缘，第三聚四氟绝缘体14支撑于过渡阳极16和阳极12连接面的外圆周上，其具有一定厚度，其内部沿平行于阳极上底面的方向设有调节气体入口9，调节气体经过过渡阳极16与第三聚四氟绝缘体14之间的间隙进入，连通过渡阳极16出口与阳极12入口。
34.所述过渡阳极16和阳极12的外表面均设有螺旋流道。
35.所述触发极18为紫铜复合件，所述过渡阳极16和阳极12为紫铜件。
36.等离子体炬可在低气压环境工作，绝对压力范围10
‑
20000pa。
37.外喷管工作模式。
38.结合附图1和附图2。设备工作时，在阴极20与触发极18之间充入氮气、氩气等保护气体，在触发极18与过渡阳极16之间通过工作气体入口17充入空气、氮气、氩气等工作气体，启动等离子体炬，在阴极20与触发极18之间施加1万伏以上的高压，将阴极20与触发极18之间的保护气体击穿，然后通过电源内的直流接触器断开触发极18，等离子体电弧就在阴极20与和过渡阳极16之间建立起来，并从阳极12出口喷出。调整保护气体、工作气体流量以及电弧电流，可以得到不同功率下稳定的等离子体射流。通过调节气体入口9充入适量空气，可以调节出口射流的热焓、热流密度、压力等参数。
39.内喷管工作模式。
40.结合附图1和附图3。设备工作时，在阴极20与触发极18之间充入氮气、氩气等保护气体，在触发极18与过渡阳极16之间通过工作气体入口17充入空气、氮气、氩气等工作气体，启动等离子体炬，在阴极20与触发极18之间施加1万伏以上的高压，将阴极20与触发极
18之间的保护气体击穿，然后通过电源内的直流接触器断开触发极18和过渡阳极16，等离子体电弧就在阴极20与阳极12之间建立起来，并从阳极12出口喷出。调整保护气体、工作气体流量以及电弧电流，可以得到不同功率下稳定的等离子体射流。通过调节气体入口9充入适量空气，可以调节出口射流的热焓、热流密度、压力等参数。
41.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。