Переходим к описанию параметров плазмотрона "Звезда**. Боль­шинство экспериментов проведено на плазмотроне с профильными кон - фузорами с dQ = 20 мм и длиной / = 95 мм.

На рис. 5.4 представлены наиболее важные характеристики плаз­мотрона - зависимости температуры в смесительной камере Т (тем­пература определена расходным методом с погрешностью не более 5 %), давления р и удельного энерговклада Р от расхода газа G

при разных диаметрах критического сечения выходного сопла d. Они

получены при / = 600 А, что соответствует установленной мощности источника питания S = 6 MBA.

Удельный энерговклад определяли по формуле Р = Pj/Gj, где Р^ 0,9UI - мощность, выделяемая в дуге, G^ - расход газа через один

Рис. 5.4. Характеристики

плазмотрона "Звезда" при работе иа воздухе:

I * 600 A. dQ = 20 mm;

О 0 — d =14 mm; 0 0- кр

20 мм; A V — 30 mm

дуговой канал. Следует отметить, что при измере­нии напряжения U вводится поправочный коэффициент К на показания прибора, рав­ный 1,06 при измерении методом искусственной ну­левой точки и 0,61 при оп­ределении U по измеренному линейному напряжению. Наличие множителя 0,9 в формуле для обус­ловлено прямоугольной формой кривой u(t). Более подробная инфор­мация по этому вопросу, включая метод расчета поправочных коэффи­циентов, приведена в разд. 7.9.

На рис. 5.5 показаны зависимости термического КПД г? от С и d^. Рассмотрим прежде всего зависимость Р (G). При d = const

уд кр

увеличение G означает увеличение расходонапряженности pv в каждом сечении конфузора, что приводит к росту напряжения на дуге I/. В

0 32

разд. 5.4 показано, что U * G ' , т. е. напряжение увеличивается

медленнее, чем растет расход. Поскольку / = const, то Р^ падает с

ростом G. Если сравнить Р при одном значении расхода, но разных

d, то в этом случае, в первом приближении, можно считать,

Рис. 5.5. Термический КПД плазмо-
трона ^Звезда":

О — d = 14 мм; О — d =20 мм; кр кр

А — d = 30 мм кр

что v = const, а меняется только давление р. Но поскольку для

электрических дуг характерна зависимость U ~ рП, где п = 0,3...0,5 (см. например, разд. 5.4), то с ростом d значение Р умень­шается.

Характер зависимости Я (G, d ) определяет и ход кривых T(Gt

d ), т. е. чем выше Р, тем выше Г. В свою очередь, чем выше Г, кр уд

тем, в общем, меньше термический КПД.

Казалось бы, что, уменьшая G и d, можно получать все более

высокую температуру. Однако на самом деле этого сделать не уда­ется, так как начинается сначала частичное, а затем и полное за­мыкание дуги на конфузор, что приводит к снижению U и, следова­тельно, Р^ и Г. Этим объясняется резкое падение температуры при

d^ = 14 мм (см. рис. 5.4) в области малых расходов. Чтобы из­бежать этого, приходится увеличивать выходной диаметр конфузора

d, что приводит к снижению Р и Г. Таким образом, значение 0 уд

максимально достижимой температуры ограничивает явление замыкания дуги на конфузор.

Изложим теперь некоторые другие результаты исследования плаз­мотрона ’Звезда”. Одной из важнейших характеристик плазмотрона, предназначенного для аэродинамических исследований, является ка­чество полей температур и давлений на выходе из сопла. Проведенные измерения показали, что на срезе звукового сопла эти поля прак­тически однородны (погрешность измерений не хуже 5 %). Колебания давления в смесительной камере практически отсутствуют.

На рис. 5.6 показаны зависимости параметров плазмотрона от силы тока при d = 14 мм и С, р = const. Поскольку экспериментальных

5.6. Зависимость параметров

мотрона от силы тока:

d = 14 мм; d * 20 мм

кр 0
точек мало, то все зависимости условно показаны прямыми линиями, чтб справедливо только в рассматриваемом диапазоне изменения ве­личин. Видно, что вольт-амперная характеристика дуги имеет па­дающий характер. Аналитически эту зависимость приближенно можно

—1/3

записать в виде U ~ I (см. разд. 5.4). Отсюда следует, что удельная мощность, а следовательно, и Г должны увеличиваться с

2/3

ростом силы тока (Р ~ UI ~ I ), что подтверждает рис. 5.6. В

этих экспериментах расход и давление поддерживались постоянными с точностью соответственно ±2%и±5%и составляли G = 69,5 г/с, р = 0,925 МПа. Дальнейшее повышение силы тока привело бы, по - видимому, к замыканию дуг на конфузоры и снижению Т.

Напомним, что электроды плазмотрона снабжены катушками для создания магнитного поля. Более подробно организация вращения дуги переменного тока магнитным полем будет рассмотрена в гл. 6. Здесь же приведем некоторые данные о влиянии магнитного поля на характе­ристики плазмотрона.

При напряженности магнитного поля Н = 200...300 А/см и / <

< 600 А наличие магнитного поля, улучшая стойкость электродов, не

влияет на параметры плазмотрона. Однако при Н = 700...800 А/см температура нагреваемого газа снижается, а КПД несколько воз­растает.

Объясняется это тем, что при большой напряженности магнитного поля ножка дуги на электроде вращается с очень большой скоростью. Падение напряжения на этом участке дуги, а следовательно, и вкла­дываемая мощность возрастают, и происходит заметный нагрев газа еще до его поступления в конфузор. При этом в конфузоре дуга горит уже в относительно горячем газе, поэтому эффктивность конфузора как средства увеличения вкладываемой мощности снижается. Дейст­вительно, экспериментальные данные говорят о том, что при сильном магнитном поле напряжение на дуге и удельная мощность уменьшаются.

Приведем некоторые эксплуатационные характеристики плазмотрона ’’Звезда”. При нормальной работе он обеспечивает симметричную на­грузку трехфазной сети. Время выхода плазмотрона на стационарный режим по давлению в смесительной камере составляет 1,5...2 с. Продолжительность одного запуска лимитируется нагревом реакторов системы электропитания, намотанных относительно тонким проводом и не имеющих принудительного охлаждения, и составляет * 1 мин.

Предварительные исследования удельной эрозии электродов показали,

что она не превышает 10 г/К, поэтому можно ожидать, что ресурс электродов составит не менее 100 ч. Остальные узлы имеют сущест­венно больший ресурс.

Зависимость Т(1) (см. рис. 5 6) показывает, что за счет изме­нения тока нельзя эффективно регулировать температуру выходящего газа. С целью уменьшения Т применяется разбавление горячего газа холодным. Эксперименты показали, что подача холодного газа непо­средственно в смесительную камеру может нарушать замыкание дуг между собой. Поэтому для ввода холодного газа используется допол­нительная цилиндрическая камера, пристыкованная к смесительной камере и снабженная узлом струйной подачи холодного газа. На дру­гом конце дополнительной камеры расположено выходное сопло.

Длина трубы выбирается из условия достаточно полного перемеши­вания горячего и холодного газов. Преимущество такого способа под­мешивания холодного газа состоит в том, что оно никак не влияет на рабочий процесс в плазмотроне, а дополнительная подача газа экви­валентна уменьшению диаметра критического сечения выходного сопла.

Подачу холодного газа можно производить только при работе с соплом d >14 мм, в противном случае может нарушиться режим про­тягивания дуг через конфузоры с = 20 мм. Исходя из этого ус­ловия определяется и максимальный расход дополнительного холод­ного газа. Отношение давления к основному расходу через плаз­мотрон (p/G')max не должно превышать соответствующего значения при

работе плазмотрона с d = 14 мм и отсутствии дополнительного

расхода. Отсюда определяется и минимальная температура, которую можно получить путем подачи дополнительного расхода холодного газа.

Приведем пример. Пусть требуется получить минимально возможную температуру воздуха при давлении р = 1 МПа и при работе плазмо­трона с соплом d =20 мм. Из рис. 5.4 находим, что минимально

допустимый расход газа через плазмотрон при давлении 1 МПа со­ставляет G = 0,08 кг/с, а соответствующая температура Т = г г

= 5450 К. Если считать удельную теплоемкость постоянной, то сред­няя температура смеси Г = GT KG * G ), где индексы "г” и ”х”

ср Г Г Г X

относятся к горячему и холодному газам. Запишем формулу для рас-

Рис. 5.7. Характеристики плазмотрона

"Звезда" при работе на гелии:

/ = 600 A. d - 14 мм. d - 20 мм кр 0

qg хода газа через выходное сопло при на­личии скорости звука в критическом се - 0,4 чении [5]:

BpF

0 G ♦ <7 = . (5.1)

r х 2 JF

где р и Т - параметры перед входом в сопло; В * 4 (для воздуха). Подставив в формулу (5.1) вместо Т выражение для Т , получаем

ср

выражение

G-. = (4pF )2/G Т.

2. кр г г

Подставляя соответствующие значения, получаем Gт, = 0,36 кг/с, G = 0,28 кг/с, Т = 1200 К.

X ср

Таким образом, при использовании сопла с = 20 мм рабочий

диапазон температур составляет 4600... 1200 К. При необходимости получить «це более низкую температуру следует применять выходное сопло с большим критическим сечением.

Кроме воздуха в качестве рабочего тела в плазмотроне "Звезда” использовали азот, гелий и смесь N2 + Не + С02< Качественный ха­рактер соответствующих зависимостей остается таким же, как и при работе на воздухе. Для примера на рис. 5.7 показаны характеристики плазмотрона при работе на гелии.