ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ РАДИАЦИОННАЯ НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА
ELECTRIC RADIATION HEATING PLANT

Изобретение относится к техники нагревания, в частности к средствам воспроизведения температурных полей с использованием лучистого нагрева и предназначено для применения при статических и повторно-статических испытаниях авиационно-космических конструкций.
Современный летательный аппарат имеет весьма сложную конструкцию, которая при минимальном весе должна обладать необходимой прочностью. Приходится проводить специфические экспериментальные исследования в широком диапазоне воздействий, в том числе и температур. Воспроизведение полетных тепловых режимов крупных натурных конструкций в лабораторных условиях при создании новых современных объектов авиакосмической техники является чрезвычайно важной и сложной научно-технической задачей. Для этих целей используют специальные электрические радиационные нагревательные установки.
Широко известны электрические нагревательные установки, содержащие инфракрасный излучатель, через который пропускают электрический ток от источника питания для создания теплового потока. Для крупных и высокотемпературных объектов величина теплового потока от одного такого излучателя недостаточна.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому техническому решению является устройство, взятое в качестве прототипа, содержащее набор рядом расположенных электрических тепловых излучателей, подключенных параллельно к источнику питания [Авторское свидетельство №1785411, Кл. H05B 3/44, 1994]. Такая установка может обеспечивать необходимые достаточно большие тепловые потоки. Однако при своей работе излучатели этих установок создают значительные внешние электромагнитные поля, вызывающие недопустимые помехи для совместно использующегося при испытаниях измерительного оборудования.
Измерительное оборудование обязательно участвует как в процессе управления тепловым потоком нагревательной установки, так и в процессе анализа распределения температур на поверхности испытуемой конструкции. В качестве датчиков температуры используют здесь термопары, которые в силу специфики выдают очень малые полезные электрические сигналы (порядка 20 мВ). Получение необходимой точности измерения температуры термопарами в условиях использования рассматриваемых нагревательных установок является чрезвычайно трудной научно-технической задачей. Например, нагревательная установка мощностью в 60 кВт создает магнитное поле 520 А/м и вызывает тем самым в цепи термопары длиной 5 м и при расстоянии между проводами 2 мм на частоте 50 Гц напряжение помехи порядка 2 мВ [Серьезнов А.Н. и Цапенко М.П. Методы уменьшения влияния помех в термометрических цепях. М., «Энергия», 1968, с.3-6], что соответствует здесь погрешности 10%. Реально мощности нагревательных установок для крупных высокотемпературных объектов могут достигать величин порядка 7000 кВт, что соответственно вызывает недопустимые погрешности измерения температуры. Использование известных методов экранирования термопар при высоких (до 1800°C) температурах в зоне измерения просто невозможно. Кроме того, ситуация многократно ухудшается повсеместным применением силовых управляющих агрегатов с тиристорным управлением для регулирования мощности нагрева, которые через ток питания установки создают дополнительно мощные неизбежные импульсные помехи, что зачастую приводит даже к потере работоспособности измерительного оборудования.
Задачей настоящего изобретения является значительное уменьшение паразитного электромагнитного поля нагревательной установки в окружающем пространстве во время ее работы.
Техническим результатом изобретения является взаимная компенсация электромагнитных полей нескольких электрических тепловых излучателей.
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в электрической радиационной нагревательной установке, содержащей набор рядом расположенных электрических тепловых излучателей и источник питания, излучатели подключены к источнику питания с чередующейся полярностью, причем четные излучатели подключены к источнику питания разнополярно нечетным.
На фигуре 1 дана схема установки.
На фигуре 2 представлены результаты испытаний прототипа.
На фигуре 3 представлены результаты испытаний изобретения.
Установка содержит электрические тепловые излучатели 1 и источник питания 2 (см. Фиг.1). Излучатели 1 расположены в пространстве, как правило, в непосредственной близости друг к другу и параллельно. Источник питания 2 подключен к излучателям 1 таким образом, чтобы четные излучатели 1 на своих клеммах имели обратную полярность по отношению к нечетным.
Установка работает следующим образом.
Каждый излучатель 1 в процессе работы создает свое внешнее электромагнитное поле определенной направленности. Если они подключены к источнику питания 2 с одинаковой полярностью, то эти поля суммируются, создавая большое общее электромагнитное поле для всей установки в целом. Излучатели 1 же в заявляемой установке подключены к источнику питания 2 с чередующейся полярностью, и направленность электромагнитного поля излучателей 1 тоже будет чередоваться, взаимно компенсируясь. Общее внешнее электромагнитное поле, тем самым, значительно уменьшится.
Дополнительно следует заметить следующее.
Заявляемая нагревательная установка на испытательном стенде монтируется как обычно - с применением соответствующего каркаса, токоподводов и изоляторов, а в качестве источника питания 2 используют мощную электрическую сеть, например 220 В или 380 В частотой 50 Гц.
Подключение питания к излучателям может осуществляться как гибкими разнополярными токоподводами 3 и 4, так и жесткими шинами, например, медными. Поскольку излучатели, как правило, имеют трубчатую конструкцию с 2-мя токовыми клеммами на своих концах и расположены рядом параллельно в пространстве, возможно размещение с каждого конца по две разнополярных токовых шины, что удобно для подключения их в соответствии с заявляемыми соединениями установки, а именно с чередованием полярности. Подводка напряжения от источника питания 2 на эти шины может быть как гибкой, так и дополнительными жесткими шинами.
Кроме того, заявляемая конструкция установки имеет еще дополнительное существенное преимущество при испытаниях на температурах более 1200°C, при которых разогретый воздух в зоне нагрева начинает проводить электрический ток питания между клеммами излучателей, что вызывает дополнительные помехи в цепях термопар, а в ряде случаев проведение измерений температур становится невозможным. Так как разнополярные токоподводы для клемм излучателей в заявляемой установке должны быть расположены с каждого конца попарно, этот паразитный ток не протекает в зоне расположения термопар, а локализуется между разнополярными токоподводами в районе клемм излучателей.
В зависимости от профиля поверхности нагреваемой испытываемой конструкции излучатели 1 могут быть расположены параллельно в одной плоскости по криволинейной или круговой (цилиндрической) поверхности.
Предпочтительно выполнять заявляемую установку из четного количества излучателей. Для нечетного их количества (более 2-х) заявляемый эффект также реализуется, хотя и в меньшей степени.
В нагревательных установках, как правило, применяют излучатели, в которых излучатели расположены параллельно в один ряд и соединены своими выводами с токоподводящими шинами. Параллельное соединение выводов излучателей с токоподводящими шинами создает возможность создания больших тепловых потоков и обеспечивает более высокие температуры нагрева исследуемой конструкции.
По данному предложению на предприятии выполнены соответствующие теоретические и экспериментальные исследования по созданию конкретных устройств, которые подтверждают возможность реализации рассматриваемого технического решения и возможность получения заявленного технического результата. Испытания опытного образца такой установки мощностью 60 кВт показали уменьшение помех от влияния электромагнитного поля установки в 9 раз в отношении импульсных тиристорных помех и значительно большее в отношении помех промышленной частоты 50 Гц (см. Фиг.2 и Фиг.3).
Реализация предложения на тепловых испытательных стендах в авиакосмических отраслях науки и техники позволит значительно повысить точность выполнения программ испытаний и их результатов, а следовательно, надежность рекомендаций, выдаваемых промышленности, по совершенствованию испытываемых конструкций летательных аппаратов.