Термический КПД монотонно растет с ростом секундного массового расхода рабочего тела. С точки зрения достижения максимальных значений КПД выгодно увеличивать массовый расход вплоть до значе­ний, при которых начинается неустойчивое горение. Однако в боль­шинстве практически важных случаев такое увеличение КПД лимити-

Т'10~3 К Рис. 4.21. Зависимость среднемассовой

температуры рабочего тела (азот), на

выходе из плазмотрона от расхода при

/ * 5000 А, d = const кр

температура рабочего тела непосредственно за разрядом растет с ростом отношения uju, что при одинаковых значениях силы тока и

магнитной индукции означает рост этой температуры с уменьшением массового расхода. Однако при поперечном обтекании разряда тем­пература непосредственно за разрядом может расти лишь до значений, близких к граничной температуре разряда. Граничная температура Г, в свою очередь, зависит от рода рабочего тела, поскольку она

гр

соответствует температуре, при которой электропроводность близка к нулю. При дальнейшем снижении массового расхода поперечный размер разряда увеличивается, расширяется зона его шунтирования и резко падает термический КПД как из-за роста потерь теплоты в зоне го­рения разряда, так и из-за относительного роста потерь теплоты в тракте истечения. Как следствие» снижается энтальпия на выходе.

Таким образом, при выборе режимов, соответствующих максимальным значениям выходной энтальпии Л^, не следует уменьшать расход

Приведенные рассуждения в принципе верны для всех плазмотронов с магнитной стабилизацией дугового разряда. Однако в зависимости от схемы плазмотрона максимальная температура может быть получена при различных значениях расхода газа. Так, в двухдуговом плазмо­троне потери теплоты существенно меньше из-за меньшей поверхности, обтекаемой горячим газом. При этом сам уровень термического КПД и уровень температур на близких режимах значительно увеличиваются, а максимум температуры достигается при меньших расходах. На двухду­говом плазмотроне (см. рис. 1.3) максимальная температура нагрева воздуха 6000 К достигалась при расходе 0,05 кг/с и диаметре кри­тического сечения сопла 20 мм. При этом давление в плазмотроне составляло 0,3 МПа.

Однодуговой плазмотрон с боковым выходом газа (см. рис. 1.9) по температуре нагрева воздуха и КПД несколько уступает двухдуговому плазмотрону. При расходе 30 г/с, силе тока 6 кА получен режим со средней температурой горячего газа 5500 К.

В однодуговом плазмотроне со смесительной камерой (см.

рис. 1.2, б) тепловые потери больше и максимальная температура нагрева воздуха составляет только 4500 К.

Увеличение магнитного поля ведет к росту скорости вращения разряда, что, в свою очередь, вызывает два противоположно дейст­вующих явления. С одной стороны, вследствие увеличения отношения тангенциальной скорости движения разряда к осевой скорости рабо­чего тела растет температура в зоне за разрядом. Но этот рост имеет место только до значения Лф0 = Л^. С другой стороны, с

ростом магнитного поля растут тепловые потоки от нагретого газа в стенки и, следовательно, падает термический КПД плазмотрона. В результате зависимость h(B) должна иметь характер, показанный на рис. 4.22, причем снижение магнитной индукции ограничено условием получения тангенциальных скоростей, обеспечивающих приемлемый тепловой режим электрода. В результате на относительно малых рас­ходах газа трудно достигнуть режимов, соответствующих максимальным значениям выходной энтальпии.

Рис. 4.22. Характер зависимости среднемас-
совой энтальпии рабочего тела иа выходе из
плазмотрона от индукции магнитного поля

О - / * 6000 А; А - / * 7000 А;

G * const, d * const кр

На рис. 4.23, 4.24 для сравнения с теоретически предполагаемой кривой h(B) приведены экспериментальные зависимости Т(В) и т*(В), хорошо подтверждающие справедливость изложенных выше соображений по поводу выбора оптимальных режимов плазмотрона.

На рис. 4.25, 4.26 представлены зависимости выходной темпера­туры от силы тока в разряде для плазмотронов с вихревой стабили­зацией разряда и для коаксиальных плазмотронов с магнитной стаби­лизацией разряда. В обоих случаях вначале с ростом силы тока тем­пература растет, поскольку увеличивается мощность в разряде. Этот

рост замедляется в области больших температур, так как начинают сказываться большие потери в стенку. Однако увеличение температуры с ростом силы тока в плазмотронах с магнитной стабилизацией раз­ряда меньше, чем в плазмотронах с вихревой стабилизацией разряда. Причина этого состоит в увеличении суммарной скорости газа, те­кущего вдоль стенок, и, как следствие, в увеличении тепловых по­терь от нагретого газа. Скорость же газа растет из-за большой скорости вращения дугового разряда при увеличении силы тока, так как при этом увеличиваются электродинамические силы, действующие на разряд (подробнее см. гл. 8).

Из вышеизложенного следует, что при определенном рабочем теле достижение оптимального режима плазмотрона (близкой к максимальной температуры на выходе и достаточно высокого термического КПД) связано^ с правильным выбором таких параметров, как сила тока раз­ряда, секундный массовый расход рабочего тела и индукция магнит­ного поля.