Метод расчета плазмотрона типа ’Звезда” удобнее всего изложить на конкретном примере. Пусть требуется рассчитать воздушный плаз­мотрон номинальной мощностью 5 = 70 MBA, питающийся от сети на-

н

пряжением = 10 кВ. Максимальное давление нагретого воздуха р =

= 10 МПа. Задачей расчета является определение максимального рас­хода G и температуры Г, а также выбор основных геометрических размеров.

1. Прежде всего выберем принципиальную схему плазмотрона. Если в качестве таковой выбрать обычную ’’трехлучевую звезду”, то но­минальная сила тока / = 5 /(Ги = 4 кА. При такой большой силе

н н н

тока трудно обеспечить стойкость электродов, тем более при задан­ном высоком давлении. Поэтому с целью снижения тока необходимо увеличить количество лучей ’’Звезды”. Чтобы уменьшить силу тока в 4 раза (т. е. до = 1000 А), можно принять схему 12-лучевой ’’Звез­ды”. Однако в такой схеме диаметр смесительной камеры оказывается весьма большим, что приводит, во-первых, к конструктивным труд­ностям и, во-вторых, ухудшает условия замыкания дуг между собой в нулевой точке в смесительной камере. Поэтому выберем принци­пиальную схему плазмотрона в виде двух шестилучевых ’’звезд” с общей смесительной камерой.

2. Исходя из значений / и р можно рассчитать диаметр электрода и напряженность магнитного поля Я, необходимые для обеспечения

стойкости электрода (см. гл. 8). Здесь мы не будем проводить этот расчет, а выберем d = 50 мм, Н = 300 А/см. Метод расчета пара­метров намотанных на электрод катушек для создания требуемого магнитного поля изложен в разд. 6.3.

3. Для расчета расхода через одну дуговую камеру воспользуемся формулой (5.3), из которой

G = 0,15Il/ ^ipd Г1,06. (5.6)

1 ср

Следует подчеркнуть, что согласно исходным данным необходимо определить максимальное значение G 9 т. е. то значение, при котором

напряжение на дуге равно максимальному напряжению срыва горения

U. В данном случае U = 0,84 Е = 0,84£ = 4,85 кВ, где ”л”

т J т ф л

и ”ф” - индексы линейного и фазного напряжений. (Напомним, что

согласно изложенному в разд. 5.3 это режим максимально возможной

вкладываемой в разряды мощности.) При выполнении этого условия

получим наиболее благоприятный режим работы плазмотрона с точки

зрения протягивания дуги через конфузор.

Учитывая целесообразность некоторого запаса по напряжению,

примем в формуле (5.6) = 4,6 кВ, а также положим dQ = 3 см,

тогда d ^ = 4 см. Получим = 0,35 кг/с, тогда полный расход газа

через плазмотрон С = 12 С = 4,2 .кг/с.

4. По формулам (5.4), (5.5) определяем температуру газа и термический КПД: Т = 4500 К, г? = 0,63.

Очевидно, что смесительная камера этого плазмотрона будет зна­чительно больше, чем у описанного выше плазмотрона "Звезда”. Поэтому, вообще говоря, приведенные в разд. 5.4 обобщенные данные о значениях Г и г? в рассматриваемом случае могут оказаться не­справедливыми. В связи с этим примем, что в первом приближении тепловые потери в стенки смесительной камеры пропорциональны от­ношению F /С, где F - тепловоспринимающая поверхность камеры. Для с с

плазмотрона ’’Звезда” на тех режимах работы, при которых t? =

2

= 0,5...0,6, отношение F /G = 2 см - с/г. Чтобы сохранить то же от-

С

ношение для проектируемого плазмотрона, необходимо положить F =

2 ^

= 0,8 м. Это значение F является вполне приемлемым для соз-

С

Дания конструктивно простой смесительной камеры. В этом случае можно ожидать, что реальные значения Т иг? окажутся не ниже рас­четных.

5. По заданному р и рассчитанным G и Т определяется площадь F

и диаметр d критического сечения выходного сопла. Ориентировочно

F можно определить по формуле (5.1). Для рассматриваемого случая КР 2

F = 7,5 см, d =3,1 см. Более точный расчет F должен учи-

кр кр кр

тывать реальные свойства газа с учетом диссоциации и ионизации и их изменения при течении в сопле.

На этом расчет данного режима работы плазмотрона заканчи­вается. Подобным образом можно произвести расчет других режимов, например G и Т при меньшем давлении р. Здесь целесообразно рассмотреть два случая. В первом случае давление можно умень­шить за счет снижения G при неизменном d. Однако можно по-

1 кр

ступить и другим путем, увеличив d и одновременно максимально

увеличив G. Первый случай соответствует работе плазмотрона на

режимах пониженной мощности, тогда как во втором случае можно обеспечить требуемое давление при работе плазмотрона в режиме максимальной мощности.

В качестве примера ниже приведены результаты расчетов для трех значений давления при работе плазмотрона в режиме максимальной мощности.

р.	G.	7	d.	V
		кр
МПа	кг/с	К	см
10	4.2	4500	3. 1	0.63
5	7.8	3700	5.6	0,70
2	21.6	2800	14.0	0,90

Очевидно, что с уменьшением давления расход и КПД растут, од­нако температура снижается, поэтому если требуется увеличить тем­пературу при заданном давлении (меньшем 10 МПа), то необходимо снижать расход газа при минимальном из приведенных значений d.

кр

Уменьшение температуры осуществляется путем дополнительной подачи холодного газа.

6. Определим теперь расход охлаждающей воды. Мощность тепловых потерь в стенки Р - Р{ 1 - tj) и зависит от режима работы плазмо-

ПОТ

трона. Если в качестве примера рассмотреть режим с р = 10 МПа, то

с учетом того, что Р = 0JS = 50 МВт, получим Р = 18,5 МВт. Вся

пот

эта мощность должна идти на нагрев охлаждающей воды. Если до­пустить нагрев воды на ДГ = 100 К (с учетом повышенного давления, вызывающего увеличение температур»! кипения), то расход воды со­ставит

G = Р /сДГ = 44 кг/с,

В ПОТ

где с - удельная теплоемкость воды.

Описанный в этом разделе плазмотрон был спроектирован, построен и испытан. Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами расчетов, приведенными выше.