1.3.1. Принципиальная схема

Схема наиболее часто встречающегося плазмотрона постоянного тока с магнитной стабилизацией дугового разряда приведена на рис. 1.2. Электрическая дуга зажигается между коаксиально распо­ложенными электродами. Наружный электрод 7 имеет форму трубы, обычно постоянного диаметра по внутреннему контуру. Внутренний электрод 6 также цилиндрической формы, но с уширением на концевой части. За счет этого уширения может изменяться расстояние между электродами, т. е. кратчайшее расстояние, на длине которого может гореть электрическая дуга.

Электрическая дуга в коаксиальном плазмотроне с магнитной ста­билизацией разряда имеет сложную, переменную по времени форму и не горит по кратчайшему расстоянию, но все же зависимость от рас­стояния I существует. Поэтому при переходе к режимам с повышенными расходами или высокими давлениями при ограниченном располагаемом напряжении источника питания приходится уменьшать расстояние I за счет увеличения диаметра внутреннего электрода. Внутренняя стенка наружного электрода и наружная стенка внутреннего электрода изго­товляются обычно из меди или другого материала, имеющего хорошую теплопроводность, и охлаждаются водой.

Задняя крышка 1 может быть выполнена целиком из изоляционного материала или частично из металла, но с изоляторами для разделения внутреннего и наружного электродов. Через заднюю крышку или через переходный фланец, установленный между задней крышкой и наружным электродом, подается газ или пар, который требуется нагреть. Газ лучше подавать через тангенциально расположенные отверстия в пе­реходном фланце. Это обеспечит омывание холодным газом внутренней стенки задней крышки, не позволит горячему газу, циркулирующему во внутреннем объеме, подходить к задней крышке и предотвратит раз­рушение изолятора, нагреваемого излучением электрической дуги. Передняя крышка 8 и сопло 9 также должны иметь внутренние охлаж­даемые стенки. При заданном расходе рабочего тела внутренний диаметр сопла выбирается так, чтобы обеспечить нужное давление

в плазмотроне.

Электрическая дуга поджигается между электродами специальным устройством 4 (например, с помощью проволочки).

Дуга перемещается между электродами с помощью продольного маг­нитного поля, создаваемого соленоидом 5. Это необходимо для равномерного нагрева газа, проходящего между коаксиально рас­
положенными электродами, а также для того, чтобы электричес­кая дуга в своих опорных пятнах не прожигала электроды. Взаи­модействие магнитного поля, имеющего вектор индукции в продольном направлении с радиальной составляющей силы тока разряда /

вызывает силу Ампера F, которая и перемещает разряд между электродами. В действительности на столб дугового разряда ока­зывают влияние и другие составляющие магнитного поля и тока. Сильное влияние оказывает также движение нагреваемого газа. Эти факторы сказываются на работоспособности плазмотрона, влияют на величину эрозии электродов. Изучение поведения дугового разряда в межэлектродном зазоре должно указывать пути улучшения схемы плазмотрона с магнитной стабилизацией дуги. Поэтому рассмотрим особенности горения электрической дуги, движущейся под действием магнитного поля, и ее поведение в межэлектродном зазоре плаз­мотрона с магнитной стабилизацией разряда. Будем считать, что канал электрической дуги непроницаем и поперечные размеры его существенно меньше длины дуги.

Если плазмотрон построен по схеме, приведенной на рис. 1.2, а, то выходящий из сопла горячий газ будет закручен. Наличие тан­генциальной составляющей скорости приводит к существенной нерав­номерности поля скоростей на выходе из сопла, которая зависит от режима работы плазмотрона. Для многих направлений использования плазмотрона такая неравномерность поля скоростей оказывается не­допустимой. Поэтому рассматриваемую схему дополняют смесительной камерой, как показано на рис. 1.2, б, или делают вывод горячего газа, как показано на рис. 1.2, в. Постановка смесительной камеры и удлинение наружного электрода для размещения на нем сопла при­водят к увеличению площади поверхностей, омываемых горячим газом, снижению КПД плазмотрона и, как следствие, к снижению температуры нагреваемого газа.

Для уменьшения тепловых потерь и получения равномерного ПОЛЯ скоростей на выходе из сопла Ю. В. Чудецким предложена схема двух­дугового плазмотрона с магнитной стабилизацией, приведен­ная на рис. 1.3.

В этом плазмотроне имеются два внутренних электрода и один наружный. Имеются два соленоида для вращения дуг. Холодный газ по­дается с двух сторон, и каждая половина его объема проходит через зону горения своей дуги. В центральной части на наружном электроде установлено сопло, обеспечивающее боковой вывод газа. Плазмотроны такой схемы более сложны конструктивно, но позволяют вдвое поднять расход нагреваемого газа и существенно поднять его температуру и термический КПД.