5.1. ОПТИМИЗАЦИЯ КОНФУЗОРНЫХ КАНАЛОВ

Для повышения температуры выходящего из плазмотрона газа необ­ходимо повысить температуру в дуговых разрядах путем увеличения плотности тока в дуге. Для этого надо уменьшить диаметр дуги при неизменной силе тока. Одним из способов достижения указанной цели является заключение дуги в достаточно узкий канал (дуга, стаби­лизированная стенками). Для нормальной работы этого плазмотрона необходимо протягивание дуги через такой канал с последующим за­мыканием дуг между собой. Если канал металлический сплошной, то протянуть дугу сквозь него трудно из-за механизма шунтирования. Если же канал составлять из отдельных секций, изолированных друг от друга и, как правило, охлаждаемых водой, то это вызывает существенные конструктивные трудности, снижает надежность и зна­чительно осложняет запуск плазмотрона.

Другой способ повышения плотности тока в разряде заключается в использовании сходящегося по потоку стабилизирующего канала (кон- фузора), например, конической формы. За счет радиальной состав­ляющей скорости газа в конфузоре происходит как бы вдув холодного газа в дугу, ее сжатие и повышение температуры.

В связи с использованием конфузорного канала возникают сле­дующие вопросы:

1) Действительно ли конфузор дает заметное увеличение удельной электрической мощности = P/G по сравнению с дугой в цилиндри­ческом канале без конфузора?

2) Если да, то какой профиль конфузора является оптимальным с точки зрения получения максимальной удельной мощности?

3) Каков наименьший диаметр выходного сечения конфузора, при котором обеспечивается уверенное протягивание дуги через конфузор в смесительную камеру, необходимое для нормальной работы плазмо­трона "Звезда”?

3

— коифузор; 5 — медная втулка;

6 — сопло; Д — дуга; G — рас­ход газа

Исследование этих вопросов непосредственно на плазмотроне и3везда” было нецелесообразно из-за большой трудоемкости изготов­ления набора различных охлаждаемых конфузорных каналов. Поэтому соответствующие эксперименты были проведены с неохлаждаемыми мед­ными конфузорами на модельном однофазном плазмотроне (рис. 5.1). Он содержит затыльник 1, передний и задний охлаждаемые электроды 2, 4 длиной 200 мм и внутренним диаметром 50 мм каждый, кони­ческий конфузор 3, медную втулку 5 и сопло 6 (диаметр критичес­кого сечения 10 мм). Ввод воздуха производится тангенциально че­рез изоляторы в процентном соотношении, указанном на рисунке. Сменные медные втулки служат для приближенного определения длины дуги по ее следам на внутренней поверхности втулки. За время эксперимента, которое не превышало 3 с, конфузор еще не начинал разрушаться, и в то же время все параметры достигали установив­шихся значений.

Эксперименты проводились с конусами, которые имели различные полууглы раскрытия у и диаметры выходного сечения d^. Для того

чтобы показать в принципе влияние конфузора на напряжение дуги при постоянной силе тока (т. е. влияние на удельную мощность, вклады­ваемую в газ, Р ), приведем следующее сравнение. В одном из экс­периментов с конусом у = 45°, dQ = 20 мм длина дуги составила

= 300 мм, а средняя напряженность электрического поля £ =

ср

= 63 В/см. В другом эксперименте конус отсутствовал, а длину зад­него электрода увеличили до 120 см. При прочих равных условиях (/, G, d^ « idem) длина дуги оказалась равной = 120 см, а средняя

напряженность поля £ =21 В/см, т. е. в 3 раза меньше, чем при

ср

наличии конуса. Поскольку длина самого конуса составляла 15 мм, то столь существенный рост £ можно объяснить только резким уве-

ср

личением £ в области внутри конуса.

Доказательствами влияния конуса на вкладываемую удельную мощ­ность являются следующие экспериментальные результаты.

На однофазном плазмотроне (см. рис. 5.1) были получены зави­симости напряжения на дуге U от расхода при / = 500 А для двух

О

конусов с = 45 , dQ = 20 и 30 мм (рис. 5.2). Общая длина дуги в

этих экспериментах оставалась приблизительно постоянной, что контролировали по следам дуги на медной втулке (положение зоны горения дуги на переднем электроде остается практически неизменным).

Если бы конус не оказывал влияния на характеристики дуги, то, естественно, значения V в этих двух случаях совпадали бы, так как все остальные условия одинаковы. Однако из сравнения кривых сле­дует, что конус с dg = 20 мм усиливает теплообмен между дугой и

рабочим газом.

Можно предположить, что вклад энергии в дугу Р зависит от

угла конуса. Однако проведенные эксперименты, в которых меняли от б до 45 , не выявили четкой зависимости Р от ч>. По-видимому,

это можно объяснить следующим образом. Напряжение на участке дуги в конусе зависит от двух факторов - длины конуса и значения ра­диальной компоненты скорости о.. Чем больше угол конуса, тем

меньше длина, но больше о, и наоборот. По-видимому, оба эти фак­тора компенсируют друг друга и обуславливают слабую зависимость

Р от <р. уд

Коническая форма конфузора, возможно, не является оптимальной с точки зрения получения максимальной удельной мощности. Строгое решение соответствующей вариационной задачи в настоящее время от-

Испытания такого конфузора показали, что удельная мощность оста­лась практически той же, что и в опытах с коническими конфузорами.

Таким образом, применение конфузоров в плазмотроне ’’Звезда’' позволяет повысить, а следовательно, и температуру газа Г. Но,

с другой стороны, для нормальной работы этого плазмотрона необхо­димо обеспечить протягивание дуги через конфузор в смесительную камеру, т. е. диаметр dQ нельзя выбирать произвольно малым. В

настоящее время невозможно теоретически рассчитывать минимальный диаметр d, еще обеспечивающий протягивание дуги через конус,

поэтому была разработана соответствующая методика эксперимен­тального определения d. . Опыты проводились на однофазном плаз-

мотроне, схема которого приведена на рис. 5.3. До выходного сече­ния конуса он аналогичен приведенному на рис. 5.1, а далее вместо заднего электрода пристыкован неохлаждаемый канал, состоящий из трех медных втулок - секций, разделенных изоляторами, и выходного сопла. Конус и секции имеют токопроводы с трансформаторами тока ТТ. Местонахождение дуги в каждый данный момент времени опреде­ляется по прохождению тока через ту или иную секцию, что фикси­руется на осциллографе.

Зная распределение значений силы тока по секциям в течение полупериода, можно вычислить или измерить среднюю по времени силу тока / , проходящего через данную секцию за подупериод. Определив

/ ., / и т. д., можно принять, что средняя по времени длина

ср 1 ср2

дуги соответствует горению на ту секцию, где среднее значение силы тока максимально.

Из рассмотрения осциллограмм, полученных в экспериментах с конусом ip = 6 , = 20 мм при разных значениях силы тока / и

расхода G, можно сделать следующие выводы. Основной результат заключается в том, что в исследованном диапазоне силы тока (380...500 А) и расхода (20... 140 г/с) дуга не замыкается на ко­нус, а протягивается через него в цилиндрический секционированный канал на расстояние, равное - 60 мм (3dQ). В то же время при

уменьшении с 20 до 15 мм дуга не протягивалась через конус даже

при уменьшении силы тока до 200 А. Таким образом, при / > 200 А диаметр конфузора в плазмотроне ’Звезда” не должен быть менее

20 мм. Аналогично можно определить d и при других значениях

силы тока дуги.

Осциллограммы показывают, что во всех экспериментах происходили колебания длины дуги в секционированном канале с частотой порядка 1...2 кГц вследствие электрических пробоев между дугой и стенкой канала (механизм шунтирования). Вид осциллограмм в пределах одного полупериода повторяется в полупериоды одного знака. Строгого совпадения кривых временных значений силы тока и напряжений по полупериодам одного знака ожидать нельзя из-за вероятностного характера пробоев промежутка дуга - стенка. Кривые, характери­зующие значения силы тока в смежных полупериодах (т. е. разных знаков), отличаются друг от друга. Это объясняется тем, что если дуга является катодом по отношению к стенке, то пробой промежутка дуга - стенка происходит при меньшем напряжении. Под действием разности потенциалов из дуги ’вытягиваются” электроны, что снижает электрическую прочность промежутка, поэтому средняя длина дуги оказывается меньше, чем в случае дуга - анод. Тем не менее анализ осциллограмм показывает, что влияние полярности на длину дуги невелико.

Рассмотрим теперь влияние расхода G = G' ♦ G" и силы тока / на длину участка дуги / в секционированном канале. Увеличение G при прочих равных условиях слабо влияет на /. Это объясняется сле­дующим образом. При увеличении расхода растет давление и, как следствие, возрастает электрическая прочность газового промежутка дуга - стенка. Однако одновременно растет напряжение на дуге, а следовательно, и разность потенциалов между дугой и стенкой в лю­бой точке дугового столба. В исследованном диапазоне изменения расхода эти два фактора, по-видимому, компенсируют друг друга и пробой происходит примерно в одном и том же сечении, т. е. длина дуги остается приблизительно постоянной. Однако очевидно, что должно существовать предельное значение расхода, ниже которого дуга вообще не будет протягиваться в секционированный кан^л.

Уменьшение эффективного значения тока приводит к увеличению длины дуги. Как и для дуг постоянного тока, это связано с умень­шением диаметра дуги и возрастанием электрической прочности про­межутка дуга - стенка. Если проследить за зависимостью длины дуги от мгновенного значения силы тока, то окажется, что при одной и той же малой мгновенной силе тока в начале и конце подупериода дуга в начале полупериода длиннее, чем в конце. Это говорит о том, что диаметр дуги не успевает следить за изменением тока, т. е. процесс не является квазистационарным.

Таким образом, эксперименты на модельных однофазных установках позволили обоснованно выбрать размеры конфузорного канала для плазмотрона ’Звезда**, а также установить некоторые особенности поведения дуги переменного тока в узком канале при наличии протока газа.