Спосіб формування дугового розряду в плазмотроні

1. Спосіб формування дугового розряду в плазмотроні, який включає розподілену подачу робочого тіла у вигляді газу по довжині нейтродів, виконаних у вигляді окремих трубчастих вставок, з осьовою й тангенціальною складовою швидкості й заданими витратами, збудження допоміжного розряду й запалювання робочої дуги, який відрізняється тим, що встановлюють задане значення напруги холостого ходу UXX джерела електроживлення, приймають оптимальну кількість нейтродів залежно від величини напруги холостого ходу, C2 2 (19) 1 3 Однак при великій кількості секцій МЕВ збільшуються труднощі, пов'язані з ущільненням міжсекційних поверхонь, підпалюванням дуги й розподілом газорідинних потоків, зростає турбулентність потоку, дуга горить нестабільно. Найбільш близьким по технічній сутності й результату, що досягається, (прототип) прийнятий спосіб стабілізації дугового розряду в плазмотроні із секціонованими міжелектродними вставками (МЕВ), при якому співвідношення геометричних розмірів вставок вибирають із умови l/d>15, де l довжина міжелектродної вставки; d - діаметр вставки. На обдування дуги через тангенціальні отвори по довжині секції подають приблизно 50-60% плазмоутворюючого газу, а іншу кількість розподіляли між потоками, що вводяться тангенціально через зазори між пусковою секцією МЕВ і між МЕВ і анодною вставкою. При цьому витрата захисного газу на обдування катода порівняно невелика. При запуску плазмотрона використовували регульований баластовий опір, величина якого дорівнює або більше, ніж опір електричної дуги. Допоміжна дуга між катодом і пусковою секцією ініціювалася високочастотним осцилятором і легко переносилася на анод при зазначеній величині баластового опору й співвідношенні газових потоків. Після запуску плазмотрона баластовий опір відключали [Генератори низькотемпературної плазми. Тези доповідей XI Всесоюзної конференції по генераторах низькотемпературної плазми. Частина 1., Академія наук СРСР. Сибірське відділення -Новосибірськ, 1989, с 82-83]. Істотним недоліком зазначеного способу є обмеження потужності дуги й температури газу, що нагрівається, внаслідок «явища шунтування» пробою газового проміжку між стовпом дуги й стінкою електрода. Щоб одержати високий рівень напруги на дузі, необхідно збільшувати довжину дуги (до декількох метрів), що приводить до зниження коефіцієнта корисної дії через значні втрати тепла за рахунок випромінювання й громіздкості конструкції плазмотрона. Іншим істотним недоліком є відсутність зв'язку між діаметром МЕВ і напругою холостого ходу. Якщо діаметр МЕВ (нейтродів) виконати як завгодно більшим, то плазмотрон, безумовно, буде запускатися, і дуга буде горіти досить стабільно. Однак варто тільки почати використовувати такий спосіб формування дугового розряду в плазмотроні для реалізації якої-небудь технології, як стабільність горіння дуги різко знижується й плазмотрон виходить із ладу. Це обумовлено тим, що при більших діаметрах каналів всі зовнішні збурювання починають проникати в розрядну камеру й дестабілізувати розряд. Тому дугу в плазмотроні необхідно формувати в каналі з мінімально можливим діаметром. В основу винаходу поставлене завдання вдосконалення способу формування дугового розряду в плазмотроні шляхом підвищення відношення Uxx і радіуса нейтрода відповідно до заданої напруги холостого ходу, що дозволяє поліпшувати теплові параметри плазмового струмені й енергетичні характеристики плазмотрона й за рахунок цього поліпшити стабільність горіння дуги, забез 86982 4 печити надійну й економічну роботу плазмотрона в технологічному агрегаті. Поставлене завдання вирішується тим, що в способі формування дугового розряду в плазмотроні, який включає розподілену подачу робочого тіла (газу) по довжині окремих трубчастих вставок (нейтродів) з осьовою й тангенціальною складовою швидкості й заданими витратами, збудження допоміжного розряду й запалювання робочої дуги, відповідно до винаходу, встановлюють задане значення напруги холостого ходу (UXX) джерела електроживлення, приймають оптимальну кількість нейтродів залежно від величини напруги холостого ходу, задають довжину першого нейтрода по потоку газу в межах довжини ламінарної ділянки дуги, а довжину кожного наступного нейтрода приймають в 1,3-2,2 раз менше довжини попереднього, вибирають порогове значення відношення напруги холостого ходу до радіуса нейтродів: при UXX до 600В порогове значення становить (70-80)×10-3В/м; при UXX до 1500В порогове значення становить (100-115)×10-3В/м; при UXX до 5000В порогове значення становить (200-220)×10-3В/м, і по встановлених порогових значеннях визначають радіус нейтродів для прийнятої величини напруги холостого ходу й після установлення робочих витрат газу й струму дуги запускають плазмотрон, а плазмотрон з одним нейтродом формують при величині напруги холостого ходу до 600В, із двома нейтродами - до 1500В, із чотирма нейтродами - до 5000В. Оскільки дуговий розряд на початковій ділянці має ламінарний режим горіння, то довжина першого по потоку газу трубчастого нейтрода, що примикає до закритого електрода, перебуває в межах ламінарної ділянки дуги. При високій температурі плазми гази збільшуються в об'ємі, тому кожна наступна секція міжелектродних вставок коротше попередньої, що забезпечує рівномірне обтиснення плазмового потоку й охолодження секцій. При дотриманні умови, що довжина наступного трубчастого нейтрода в 1,3-2,2 раз менше попереднього, подвійне дугоутворення в плазмотроні відсутнє, підвищується стійкість дуги. Довжина наступного трубчастого нейтрода не може бути менше граничної величини 1,3, оскільки знижується напруга горіння розряду, що приводить до зменшення терміну служби електродів і погіршенню енергетичних параметрів плазмотрона. При перевищенні величини верхньої границі незалежно від величини витрати газу, при незначному збільшенні струму дугового розряду, відбувається подвійне дугоутворення, що приводить до зниження терміну служби електродів і к.к.д. плазмотрона. Експериментальним шляхом були визначені оптимальні режими проведення операцій способу й параметри, що характеризують конструктивне виконання плазмотрона: діаметр розрядного каналу, кількість міжелектродних вставок, які задовольняють проведенню способу й визначаються потужністю плазмотрона й величиною напруги холостого ходу. 5 Запропоноване співвідношення геометричних параметрів елементів і режимних характеристик визначає енергетичні й технологічні параметри електричної дуги, стійкість і стабільність роботи плазмотрона при взаємодії її з газовим потоком і стінками нейтрода відповідно до заданої напруги холостого ходу. При цьому встановлено, що чим більше значення UXX, тим більше кількість нейтродів необхідно встановити для підвищення диференціального опору дуги. Так при UXX