Електродуговий підігрівник газу

Изобретение относится к конструкции электродуговых подогревателей газа (плаз-мотронов), которые могут быть использованы преимущественно в составе установок для плазменного напыления покрытий. Известен электродуговой плазмотрон [1], включающий корпус, внутри которого вдоль продольной оси расположены катододержатель c катодом и изолированный от него полый анод. обращенный к катоду. Анод выполнен с каналом цилиндрической формы. При охлаждении стенки около нее образуется тонкий слой относительно холодного газа, который вызывает нестабильность потока плазмы по диаметру капала плазмотрона. Известен электродуговой подогреватель газа [2], содержащий корпус, внутри которого по продольной оси расположены катододержатель с катодом и изолированный от него полый анод, обращенный к катоду входной участок анода выполнен с каналом цилиндрической формы, а выходной участок выполнен с переходящим в конфузор цилиндрическим каналом ступенчато большего диаметра, чем канал среднего участка, выполненный в виде плавно сопряженного с каналом входного участка диффузора. В выходном участке сопла анода сохраняется закрутка потока истекающего раскаленного газа. При этом прогретый до более высокой температуры и, соответственно, менее плотный центральный слой газа течет внутри газового вихря в зоне наименьшего давления. Неравномерность профиля температур и динамических напоров по поперечному сечению канала приводит к появлению поперечных колебаний струи и, соответственно, к ухудшению стабильности потока плазмы. Вихревое течение, высокая турбулентность обусловливают высокий (110-120 Дб) уровень шума. Указанные недостатки присущи всем плазмотронам, выполненным по двухэлектродной осевой схеме. В плазменных те хнологиях напыления защитных покрытий сфероидизации порошков, закалки и т.д.) требования увеличения производительности и качества тесно связаны с параметрами плазменной струи. Причем ограничения обусловлены как уровнем энтальпии и температуры на выходе из сопла, так и темпом их снижения вдоль потока. Повышение энтальпии и температуры на срезе сопла и увеличение протяженности плазменной струи позволяют увеличить производительность, расширяют технологические возможности плазмотрона - появляется возможность качественной обработки более тугоплавких материалов. Задачей изобретения является создание такого электродугового подогревателя газа, в котором путем улучшения экранировки плазменной струи обеспечивается высокое качество напыляемых им покрытий. Кроме того, благодаря снижению уровня турбулентности уменьшается уровень аэродинамического шума. Поставленная задача решена тем, что в электродуговом подогревателе газа, содержащем корпус, вн утри которого по продольной оси расположены катододержатель с катодом и изолированный от него анод, обращенный к катоду входной участок которого выполнен с каналом цилиндрической формы, а выходной участок выполнен с переходящим в конфузор цилиндрическим каналом ступенчато большего диаметра, чем канал среднего участка, выполненный в виде плавно сопряженного с каналом входного участка диффузора, согласно изобретению, на выходном участке анода в зоне конфузора выполнены эквидистантные относительно оси и параллельные ей сквозные отверстия, соединяющие канал ступенчато большего диаметра с выходным торцом анода. причем геометрические размеры выходного участка и отверстий выбраны в соответствии с соотношениями І1/d2 = 0,2-1, d 1/d2 = 1,5-3, nd 32/d 22= 0,1-0,5, s/d 2 = 0,3-0,7, На чертеже изображен предложенный электродуговой подогреватель газа в разрезе продольном и поперечном (фиг. 1 и 2). Он имеет цилиндрический корпус 1 с полостью для циркуляции охлаждающей воды. Внутри корпуса по продольной оси расположены катододержатель 2 с катодом 3 и изолированное от него медное водоохлаждаемое сопло-анод 4, имеющее три характерных последовательных участка: первый - обращенный к катоду входной участок, выполненный с каналом цилиндрической формы, средний с каналом, переходящим в диффузор с углом при вершине 12+140, и третий, выходной участок, выполненный с переходящим в конфузор цилиндрическим каналом ступенчато большего диаметра, чем канал среднего участка. На выходном участке анода в зоне конфузора выполнены эквидистантные относительно его оси и параллельные ей сквозные отверстия, соединяющие канал ступенчато большего диаметра с выходным торцом анода. В теле сопла-анода 4 со стороны внешней поверхности в зоне дополнительных отверстий выполнены продольные пазы, которые со стенкой корпуса 1 с минимальным зазором под участком с пазами образуют полости для прохода охладителя. К корпусу 1 со стороны цилиндрического канала сопла-анода 4 прикреплен изолятор 5 со ступенчатым отверстием и полостями для прохода охлаждающей воды и плазмообразующего газа. В изоляторе 5 размещена обойма катода 3, плотно вставленная в осевое отверстие меньшего диаметра этого изолятора. В обойме катода 3 установлена активная вставка 6 из циркония или гафния. Между торцевой стенкой корпуса 1, с одной стороны, и внутренней ступенчатой стенкой изолятора 5, с другой, расположено металлическое кольцо 7 с тангенциальными отверстиями для завихрителя плазмообразующего газа внутри осевого канала сопла-анода 4. Штуцеры 8 и 9 для подвода и отвода охлаждающей воды закреплены на катоде-держателе. Штуцер 10 для подачи плазмообразующего газа через сообщающиеся отверстия в катододержателе 2 и изоляторе 5 в кольцевую полость, образованную наружной поверхностью кольца 7, торцевой стенкой корпуса 1, плоской и кольцевой стенками ступенчатого осевого отверстия в изоляторе 5, также закреплен на катододержателе 1. Корпус 1 в области конфузора сопла-анода 4 охвачен соленоидом 11 для дополнительной крутки опорного анодного пятна дуги. Предлагаемый электродуговой подогреватель газа работает следующим образом. Через штуцер 8 подается и через штуцер 9 отводится о хлаждающая вода. которая последовательно омывает обойму катода и наружную поверхность сопла-анода 4 в зоне первого - с каналом цилиндрической формы и второго - с переходящим в диффузор каналом, участков, и проходит сквозь дополнительные полости на участке с дополнительными отверстиями. Предварительно подготовленную смесь воздуха с горючим газом подают через штуцер 10. Вытекая через тангенциальные отверстия кольца 7 закрученный газовый поток проходит последовательно через участки канала сопла-анода 4: цилиндрический, конфузор и цилиндрический ступенчато большего диаметра, далее газ разделяется на поток, который выходит в атмосферу через осевой канал с конфузором, и на побочные потоки, которые параллельно с осевым потоком выходят в атмосферу через дополнительные симметричные отверстия. Электрическая дуга постоянного тока возбуждается между активной вставкой катода 3 и соплом-анодом 4. Катодное опорное пятно зафиксировано на торце активной вставки 6. Далее дуга проходит через цилиндрическую, диффузорную часть и цилиндрический канал ступенчато большего диаметра сопла-анода 4. Анодное опорное пятно перемещается по поверхности конфузора под действием газодинамического потока плазмы и магнитного поля соленоида 11, что предотвращает привязку пятна и прогорание анода. Закрученный поток газа надежно стабилизирует дугу в цилиндрической и диффузорной части канала, поскольку она располагается на оси газового вихря в зоне наименьшего давления, совпадающей с геометрической осью плазмотрона. Периферийный слой непрогретого в дуге газа за диффузором отжимается центробежными силами к стенке канала ступенчато большего диаметра. Поскольку статическое давление у стенки канала ступенчато большего диаметра выше атмосферного, то периферийный слой непрогретого в дуге газа через дополнительные каналы отводится в атмосферу с подавлением крутки и приближением характера течения к ламинарному. Центральный слой дуговой плазмы, пройдя через осевой канал сопла-анода 4, вытекает в атмосферу, образуя плазменную струю. Поскольку сужающаяся поверхность дугового канала встречает поток раскаленных газов (уже без периферийного слоя), то в этой части необходимо интенсифицировать охлаждение для предотвращения прогорання анода. Поэтому в теле анода в зоне дополнительных отверстий (т.е. конфузора) выполнены полости для прохода охладителя. Плазмотрон испытан на опытной плазменной установке Института газа АН Украины и устойчиво работает в следующем диапазоне измерения параметров: Ток дуги 100-400 А Напряжение на дуге 150-400 В Расход плазмообразующего газа 5-30 м 3/ч Плазмообразующий газ Азот Воздух Воздух-метан d1, MM - диаметр канала большего диаметра 7-40 сопла-анода d2, MM - диаметр выходной части анода 6-12 l1, мм - длина ступенчато большего диаметра 1-14 сопла-анода d3, мм - диаметр дополнительного отверстия 0,5-2 n - количество отверстий 3-120 s, мм - расстояние между отверстиями 2-10 В таблицах 1, 2, 3 представлены результаты испытаний, проведенных при изменении определяющих геометрических параметров плазмотрона. Режим работы плазмотрона в примере, приведенном в таблице оставался неизменным: Ток дуги I¶ = 300A Напряжение на дуге U¶ = 220B Расход газа 6 м 3/ч Содержание СН4 10% в смеси с воздухом В качестве напыляемого порошка использовали Аl2О3 Длина ступенчато большего диаметра сопла-анода l1 и диаметр выходной части анода d2 связаны следующими соотношении ями размеров: l1/d2=0,2-1. При l1/d2 1 получить покрытие не удается, так как в этом случае привязка анодного опорного пятна дуги осуществляется на узком участке у входа в цилиндрическую часть с диаметром d2, и при этом резко снижается стойкость анода (таблица 1). Диаметр канала большего диаметра и диаметр выходной части анода связаны еле» дующими соотношениями размеров d1/d2 =1,5-3. При d1/d2 3 струйки газа, вытекающие из дополнительных отверстий, перестают экранировать плазменную струю, ее размеры сокращаются за счет подсоса атмосферного воздуха. При этом неоправданно растут габариты плазмотрона, качество получаемого покрытия резко ухудшается (таблица 2). Диаметр дополнительного отверстия связан с диаметром канала большего диаметра следующим nd 2 nd 2 3 3 соотношением: = 0,1 - 0,5 . При 0,5 в дополнительные каналы уходит и прогретый в дуге газ, из-за чего снижается температура струи. Кроме того, увеличивается эрозия анода из-за уменьшения скорости перемещения анодного опорного пятна по поверхности канала d2 (таблица 3). При s/d2 0,7 также снижается экранирующее действие стр уек газа, вытекающих из дополнительных отверстий, уменьшается размер плазменной струи. В обоих случаях увеличивается пористость напыленного слоя, уменьшается прочность сцепления покрытия с основой (таблица 4). Температуру воздушной плазмы определяли по абсолютной интенсивности молекулярной полосы иона азота N2+ с кантом 391,4 им, температур у плазмы продуктов сгорания - по отношению интенсивностей фиолетовой системы колебательных полос CN с неразрешенной вращательной структурой с кантом 288,3 нм. За характерную длину струи брали расстояние от среза сопла, на котором уровень температуры снизится вдвое. В предлагаемом техническом решении повышение стабильности работы и снижение уровня аэродинамического шума являются взаимообусловленными. Сброс периферийного непрогретого в дуге газа в атмосферу через дополнительные отверстия приводит к снижению скорости и повышению температуры соответственно вязкости плазмы на срезе сопла. Это обусловливает снижение общего уровня турбулентны х пульсаций. Дополнительное снижение уровня турбулентности обеспечивается за счет ослабления взаимодействия плазменной струи с окружающей атмосферой а пограничном слое, благодаря экранирующему действию газовых стр уек, вытекающих через дополнительные отверстия. В высокоскоростных плазменных стр уях аэродинамический шум имеет турбулентную природу. Снижение уровня турбулентности приводит к уменьшению уровня аэродинамического шума. Благодаря отличительным признакам изобретения, уровень шума снижается с 110-120 Дб до 60-80 Дб. Задача изобретения решена благодаря тому, что в заявляемом диапазоне соотношений геометрических размеров на срезе сопла плазмотрона формируется слабо турбулентная (либо ламинарная) плазменная струя из раскаленных газов теплового слоя дуги. Уменьшение уровня аэродинамического шума, а также снижения температуры, энтальпии вдоль струи замедляются в результате совместного действия ряда факторов: 1) снижения уровня турбулентных пульсаций, 2) формирования заполненного профиля струи, 3) снижения подсоса атмосферного воздуха, благодаря экранирующему действию газовых стр уек. вытекающих из дополнительных отверстий. Благодаря отличительным признакам изобретения температура на срезе сопла увеличивается с 4-6•103 К до 6-8•103 К, а протяженность струи - с 4-5 калибров до 7-9. Пористость покрытия уменьшается с 20-24% до 6-8%; прочность сцепления покрытия с основой увеличивается с 2-6 до 20-21 МПа.