СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ПЛАЗМОТРОНА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМОТРОН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2019 года по МПК H05B7/20 H05H1/24 H05H1/34 

Область техники

Настоящее изобретение относиться к электродуговым плазмотронам переменного тока, а более точно - к системам охлаждения соответственно однофазного/трехфазного высоковольтного электродугового плазмотрона переменного тока, а также к однофазному высоковольтному электродуговому плазмотрону переменного тока и трехфазному высоковольтному электродуговому плазмотрону переменного тока, имеющим такие системы охлаждения.

Изобретение может быть использовано для обеспечения непрерывной, безаварийной работы высоковольтного электродугового плазмотрона в течении длительного времени, например, при использовании плазмотрона в устройствах плазменной газификации, в том числе при воздействии на плазмотрон высоких температур от другого технологического оборудования, где температура внутри оборудования, в которое помещается рабочая часть плазмотрона, может достигать 1700^оС.

Предшествующий уровень техники

Известен трехфазный электродуговой плазмотрон (см., например, патент RU 2577332 C1, опубликован 20.03.2016), содержащий три дуговых камеры, каждая из которых содержит охлаждаемый электрод, конфузор, основной и дополнительный узлы ввода газа с тангенциальными соплами, при этом электроды подключены к трем различным фазам сети переменного тока. На каждом охлаждаемом электроде установлена электромагнитная катушка в виде соленоида. Дуговые камеры герметично соединены с общей смесительной камерой, имеющей выходное сопло, центральная продольная ось которого перпендикулярна центральным продольным осям дуговых камер. Основные и дополнительные узлы ввода газа выполнены металлическими. В каждой дуговой камере основной узел ввода газа соединен с охлаждаемым электродом через изолятор. На стороне основного узла ввода газа, обращенной внутрь дуговой

камеры, выполнен выступ, причем расстояние между выступом и торцом электрода выбрано так, что фазное напряжение питающей сети при включении плазмотрона достаточно для пробоя газа внутри дуговой камеры.

Предложен также способ запуска трехфазного электродугового плазмотрона, при котором включают охлаждение, подают расход газа в дуговые камеры и подают фазное напряжение, зажигают дуговые разряды. При этом после включения охлаждения в дуговые камеры плазмотрона сначала подают газ в предварительно заданном количестве, при котором подаваемое фазное напряжение достаточно для пробоя газа между выступом основного узла ввода газа и торцом электрода. А после зажигания дуговых разрядов обеспечивают подачу номинального количества газа в дуговые камеры.

Конфузоры, смесительная камера и ее выходное сопло имеют общий контур охлаждения, образованный последовательно соединенными каналами охлаждения и подключенный к входному и выходному коллекторам хладагента, все элементы контура заземлены. Электроды могут быть снабжены каналами охлаждения, соединенными с коллекторами хладагента независимо с помощью электроизоляционных трубопроводов. Такой контур охлаждения не обеспечивает достаточного охлаждения элементов плазмотрона, что может привести к перегреву. Отдельные магистрали для подвода и отвода охлаждающей жидкости увеличивают габариты всего устройства, увеличивают количество разъемных соединений, что приводит к уменьшению надежности плазмотрона.

Ближайшим аналогом заявленному изобретению рассматривается конструкция плазмотрона, раскрытая в патенте US 7411353 B1 (опубликован 12.08.2008). В указанном плазмотроне решается задача увеличения ресурса электродных узлов и обеспечения устойчивого запуска плазмотрона.

Плазмотрон для работы от трехфазной сети переменного тока (фиг.1, 2) содержит три цилиндрических полых электрода для генерации плазмы, соединенных с соплом, причем каждая плазмообразующая трубка имеет плазменный инициатор для формирования плазмы в полом цилиндрическом электроде. Полый цилиндрический электрод имеет по существу тангенциальные отверстия для ввода газа, которые обеспечивают вращение по спирали газа, попадающего в полый цилиндрический электрод. Каждый из полых цилиндрических электродов соединен только с одной из трех фаз источника питания переменного тока, так что, когда инициирующая плазма вводится в один из цилиндрических электродов, происходит плазменный разряд на пути от цилиндрического электрода через плазменную трубку к другому цилиндрическому электроду. Каждый цилиндрический электрод содержит газ, вводимый посредством спирального вращения, при этом эрозия поверхности цилиндрического электрода является однородной по всей поверхности и имеет минимальную эрозию в одном месте крепления дуги, поскольку пятно дуги постоянно перемещается, как предусмотрено при спиральной траектории газа, поступающего на электрод.

Представленный в патенте плазмотрон имеет три цилиндрических полых электрода, оси плазменных каналов практически параллельны друг другу, образуя небольшой телесный угол. Конструкция содержит рубашки охлаждения каждого цилиндрического электрода, рубашки охлаждения каждого дугового канала и рубашку охлаждения сопла. Все рубашки охлаждения имеют отдельные входы и выходы охлаждающей жидкости.

Среднемассовая температура плазмы внутри плазменного канала 2000-5000^оС. Температура плазмы в центре плазменного канала внутри электрической дуги может достигать 12000^оС.

Система охлаждения указанного плазмотрона имеет следующие существенные недостатки, не позволяющие указанному плазмотрону работать длительное время, и доставляющие неудобства при эксплуатации:

- плазмотрон содержит три цилиндрических плазменных канала, которые с одной стороны соединены с электродными узлами, а с другой стороны заканчиваются отверстиями для выхода плазмы. Отверстия для выхода плазмы всех каналов лежат в одной плоскости. Область этой плоскости, между выходными отверстиями плазменных каналов, является наиболее термически нагруженной. Система охлаждения не может обеспечить эффективного теплоотвода из этой области. Поэтому через непродолжительное время работы, элементы в области между выходными отверстиями перегреваются и разрушаются, точнее выгорают, что приводит к нарушению газодинамического режима работы плазмотрона, к разрушению элементов конструкции плазмотрона и выходу плазмотрона из строя. На фиг. 1 это место обозначено стрелкой.

- все охлаждаемые элементы имеют отдельные входы и выходы для охлаждающей жидкости (показано стрелками на фиг. 2) и соединяются с внешней системой охлаждения гибкой или жесткой трубопроводной арматурой либо последовательно, либо параллельно, что осложняет, а в отдельных случаях не допускает использование указанного плазмотрона в технологическом оборудовании, где поддерживаются высокие температуры. Так же следует указать, что вокруг плазмотрона необходимо место для прокладки гибкой или жесткой трубопроводной арматуры, большое количество трубопроводной арматуры, что уменьшает надежность системы.

Краткое изложение существа изобретения

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания системы охлаждения для однофазного или трехфазного высоковольтного электродугового плазмотрона переменного тока, которая позволит исключить разрушение элементов конструкции высоковольтного электродугового плазмотрона от перегрева или воздействия высоких температур, что в свою очередь увеличит срок работы высоковольтного электродугового плазмотрона, повысит надежность его работы, исключит нарушения газодинамического режима во время работы.

В основу настоящего изобретения поставлена также задача создания однофазного высоковольтного электродугового плазмотрона переменного тока, в котором конструкция системы охлаждения позволит исключить разрушение элементов конструкции плазмотрона от перегрева или воздействия высоких температур, что в свою очередь увеличит срок работы высоковольтного электродугового плазмотрона, повысит надежность его работы, исключит нарушения газодинамического режима во время работы.

В основу настоящего изобретения поставлена также задача создания трехфазного высоковольтного электродугового плазмотрона переменного тока, в котором конструкция системы охлаждения позволит исключить разрушение элементов конструкции плазмотрона от перегрева или воздействия высоких температур, что в свою очередь увеличит срок работы высоковольтного электродугового плазмотрона, повысит надежность его работы, исключит нарушения газодинамического режима во время работы.

Поставленная задача решена путем создания системы охлаждения трехфазного высоковольтного электродугового плазмотрона, которая содержит

три электродных узла, каждый из которых содержит цилиндрический полый электрод, имеющий вход для подключения к трехфазной сети, и размещенную на цилиндрическом полом электроде катушку для формирования электромагнитного поля, причем оси полых электродов расположены под углом от 1 до 40 град. угловых по отношению к центральной оси симметрии электродных узлов,

три составных металлических патрубка, образующих три дуговых канала, каждый из составных металлических патрубков одним концом соединен с соответствующим цилиндрическим полым электродом через изолирующую втулку, причем металлические патрубки каждого дугового канала соединены между собой посредством дополнительной изолирующей втулки, и каждая из изолирующих втулок содержит один или более каналов для подачи плазмообразующего газа в область между цилиндрическим полым электродом и металлическим патрубком и в область между смежными частями составного металлического патрубка, соответственно,

металлическую пластину, в которой выполнены три симметрично расположенных отверстия для герметичного закрепления других концов каждого из трех составных металлических патрубков,

три соединительных узла, в каждом из которых размещена одна часть составного металлического патрубка соответствующего дугового канала, предназначенная для прохода электрической дуги и плазмы от полого электрода до выхода из плазмотрона,

выходной узел, содержащий оболочку, в которой размещены другие части трех составных металлических патрубков, предназначенные для вывода плазмы из плазмотрона, причем торец оболочки герметично соединен по периметру с упомянутой металлической пластиной,

три шайбы, размещенные соответственно на торцах каждого полого электрода, содержащие каждая один или более каналов для подачи плазмообразующего газа в полость электрода и одно или более отверстий, служащих входами для подачи охлаждающей жидкости,

при этом система охлаждения трехфазного высоковольтного электродугового плазмотрона содержит

три составные рубашки охлаждения, каждая из которых содержит часть для охлаждения полого электрода и соответствующие части для охлаждения составных металлических патрубков, причем полости каждой из составных рубашек охлаждения сообщаются по потоку охлаждающей жидкости через одно или более отверстий, выполненных в соответствующих изолирующих втулках, а между торцом каждой из рубашек охлаждения и металлической пластиной имеется зазор для прохода охлаждающей жидкости из полостей рубашек охлаждения металлических патрубков в полость оболочки выходного узла,

при этом другой торец оболочки прикреплен к рубашкам охлаждения металлических патрубков, расположенных в выходном узле, в непосредственной близости от изолирующих втулок, и

узел вывода охлаждающей жидкости, размещенный на оболочке со стороны соединительных узлов.

Поставленная задача решена также путем создания системы охлаждения однофазного высоковольтного электродугового плазмотрона переменного тока, которая содержит

два электродных узла, каждый из которых содержит полый электрод, имеющий вход для подключения к однофазной сети переменного тока, и размещенную на цилиндрическом полом электроде катушку для формирования электромагнитного поля, причем оси полых электродов расположены под углом от 1 до 40 град. угловых по отношению к центральной оси симметрии электродных узлов,

два составных металлических патрубка, образующих два дуговых канала, каждый из составных металлических патрубков одним концом соединен с соответствующим цилиндрическим полым электродом через изолирующую втулку, причем металлические патрубки каждого дугового канала соединены между собой посредством дополнительной изолирующей втулки, и каждая из изолирующих втулок содержит один или более каналов для подачи плазмообразующего газа в область между цилиндрическим полым электродом и металлическим патрубком и в область между смежными частями составного металлического патрубка, соответственно,

металлическую пластину, в которой выполнены два симметрично расположенных отверстия для герметичного закрепления других концов каждого из двух составных металлических патрубков,

два соединительных узла, в каждом из которых размещена одна часть составного металлического патрубка соответствующего дугового канала, предназначенная для прохода электрической дуги и плазмы от полого электрода до выхода из плазмотрона,

выходной узел, содержащий оболочку, в которой размещены другие части двух составных металлических патрубков, предназначенные для вывода плазмы из плазмотрона, причем торец оболочки герметично соединен по периметру с металлической пластиной,

две шайбы, размещенные соответственно на торцах каждого полого электрода, содержащие каждая один или более каналов для подачи плазмообразующего газа в полость электрода и одно или более отверстий, служащих входами для подачи охлаждающей жидкости,

при этом система охлаждения однофазного высоковольтного электродугового плазмотрона содержит

две составные рубашки охлаждения, каждая из которых содержит часть для охлаждения полого электрода и соответствующие части для охлаждения составных металлических патрубков, причем полости каждой из составных рубашек охлаждения сообщаются по потоку охлаждающей жидкости через одно или более отверстий, выполненных в соответствующих изолирующих втулках, а между торцом каждой из рубашек охлаждения и металлической пластиной имеется зазор для прохода охлаждающей жидкости из полостей рубашек охлаждения металлических патрубков в полость оболочки выходного узла,

при этом другой торец оболочки прикреплен к рубашкам охлаждения металлических патрубков, расположенных в выходном узле, в непосредственной близости от изолирующих втулок, и

узел вывода охлаждающей жидкости, размещенный на оболочке со стороны соединительных узлов.

Поставленная задача решена путем создания трехфазного высоковольтного электродугового плазмотрона с системой охлаждения по п. 1, содержащего

три электродных узла, каждый из которых содержит

снабженный рубашкой охлаждения цилиндрический полый электрод, имеющий вход для подключения к трехфазной сети, причем оси полых электродов расположены под углом от 1 до 40 град. угловых по отношению к центральной оси симметрии указанных электродных узлов,

размещенную на цилиндрическом полом электроде катушку для формирования электромагнитного поля, и

шайбу, размещенную на торце цилиндрического полого электрода и содержащую один или более каналов для подачи плазмообразующего газа в полость электрода и одно или более отверстий, служащих входами для подачи охлаждающей жидкости,

три составных металлических патрубка, образующих три дуговых канала, каждый из составных металлических патрубков снабжен рубашкой охлаждения и одним концом соединен с соответствующим цилиндрическим полым электродом через изолирующую втулку, причем металлические патрубки каждого дугового канала соединены между собой посредством дополнительной изолирующей втулки, и каждая из изолирующих втулок содержит один или более каналов для подачи плазмообразующего газа в область между цилиндрическим полым электродом и металлическим патрубком и в область между смежными частями составного металлического патрубка, соответственно, и один или более каналов для подачи охлаждающей жидкости,

при этом полости каждой из составных рубашек охлаждения, включая часть для охлаждения полого электрода и соответствующие части для охлаждения составных металлических патрубков сообщаются по потоку охлаждающей жидкости через одно или более отверстий в соответствующих изолирующих втулках,

три соединительных узла, в каждом из которых размещена одна часть составного металлического патрубка соответствующего дугового канала, предназначенная для прохода электрической дуги и плазмы от полого электрода до выхода из плазмотрона,

выходной узел, содержащий

оболочку, в которой размещены другие части трех составных металлических патрубков с рубашкой охлаждения, предназначенные для вывода плазмы из плазмотрона,

металлическую пластину, в которой выполнены три симметрично расположенных отверстия для герметичного закрепления других концов каждого из трех составных металлических патрубков,

причем один торец оболочки герметично соединен по периметру с упомянутой металлической пластиной, а другой торец оболочки прикреплен к рубашкам охлаждения металлических патрубков, расположенных в выходном узле, в непосредственной близости от изолирующих втулок,

при этом между торцом каждой из рубашек охлаждения и металлической пластиной имеется зазор для прохода охлаждающей жидкости из полостей рубашек охлаждения металлических патрубков в полость оболочки выходного узла,

узел вывода охлаждающей жидкости, размещенный на оболочке со стороны соединительных узлов.

Предпочтительно, чтобы полые цилиндрические электроды были выполнены из меди, сплава меди или материала из группы, состоящей из железа, вольфрама, графита, гафния.

Предпочтительно, чтобы трехфазный высоковольтный электродуговой плазмотрон дополнительно содержал узел регулирования расхода газа, подаваемого в плазмотрон, соединенный с каждым из каналов для подачи плазмообразующего газа в шайбе на торце цилиндрического полого электрода, и обеспечивал подачу от 10 до 30% от всего расхода газа через плазмотрон.

Предпочтительно, чтобы в трехфазном высоковольтном электродуговом плазмотроне узел регулирования расхода газа, подаваемого в плазмотрон, был дополнительно соединен с каналами для подачи плазмообразующего газа изолирующих втулок, расположенных между цилиндрическим полым электродом и составным металлическим патрубком, и обеспечивал подачу от 10 до 30% от всего расхода газа через плазмотрон.

Предпочтительно, чтобы узел регулирования расхода газа, подаваемого в плазмотрон, был дополнительно соединен с каналами для подачи плазмообразующего газа изолирующих втулок, расположенных между смежными частями составного металлического патрубка, и обеспечивал подачу от 70 до 90% от всего расхода газа через плазмотрон.

Поставленная задача решена путем создания однофазного высоковольтного электродугового плазмотрона с системой охлаждения по п. 2, содержащего

два электродных узла, каждый из которых содержит

снабженный рубашкой охлаждения цилиндрический полый электрод, имеющий вход для подключения к трехфазной сети, причем оси полых электродов расположены под углом от 1 до 40 град. угловых по отношению к центральной оси симметрии указанных электродных узлов,

размещенную на цилиндрическом полом электроде катушку для формирования электромагнитного поля, и

шайбу, размещенную на торце цилиндрического полого электрода и содержащую один или более каналов для подачи плазмообразующего газа в полость электрода и одно или более отверстий, служащих входами для подачи охлаждающей жидкости,

два составных металлических патрубка, образующих два дуговых канала, каждый из составных металлических патрубков снабжен рубашкой охлаждения и одним концом соединен с соответствующим цилиндрическим полым электродом через изолирующую втулку, причем металлические патрубки каждого дугового канала соединены между собой посредством дополнительной изолирующей втулки, и каждая из изолирующих втулок содержит один или более каналов для подачи плазмообразующего газа в область между цилиндрическим полым электродом и металлическим патрубком и в область между смежными частями составного металлического патрубка, соответственно, и один или более каналов для подачи охлаждающей жидкости,

при этом полости каждой из составных рубашек охлаждения, включая часть для охлаждения полого электрода и соответствующие части для охлаждения составных металлических патрубков сообщаются по потоку охлаждающей жидкости через одно или более отверстий в соответствующих изолирующих втулках,

два соединительных узла, в каждом из которых размещена одна часть составного металлического патрубка соответствующего дугового канала, предназначенная для прохода электрической дуги и плазмы от полого электрода до выхода из плазмотрона,

выходной узел, содержащий

оболочку, в которой размещены другие части двух составных металлических патрубков с рубашкой охлаждения, предназначенные для вывода плазмы из плазмотрона,

металлическую пластину, в которой выполнены два симметрично расположенных отверстия для герметичного закрепления других концов каждого из двух составных металлических патрубков,

причем один торец оболочки герметично соединен по периметру с упомянутой металлической пластиной, а другой торец оболочки прикреплен к рубашкам охлаждения металлических патрубков, расположенных в выходном узле, в непосредственной близости от изолирующих втулок,

при этом между торцом каждой из рубашек охлаждения и металлической пластиной имеется зазор для прохода охлаждающей жидкости из полостей рубашек охлаждения металлических патрубков в полость оболочки выходного узла,

узел вывода охлаждающей жидкости, размещенный на оболочке со стороны соединительных узлов.

Предпочтительно, чтобы полые цилиндрические электроды выполнены из меди, сплава меди или материала из группы, состоящей из железа, вольфрама, графита, гафния.

Предпочтительно, чтобы однофазный высоковольтный электродуговой плазмотрон дополнительно содержал узел регулирования расхода газа, подаваемого в плазмотрон, соединенный с каждым из каналов для подачи плазмообразующего газа в шайбе на торце цилиндрического полого электрода, и обеспечивал подачу от 10 до 30% от всего расхода газа через плазмотрон.

Предпочтительно, чтобы узел регулирования расхода газа, подаваемого в плазмотрон, был дополнительно соединен с каналами для подачи плазмообразующего газа изолирующих втулок, расположенных между цилиндрическим полым электродом и составным металлическим патрубком, и обеспечивал подачу от 10 до 30% от всего расхода газа через плазмотрон.

Предпочтительно, чтобы узел регулирования расхода газа, подаваемого в плазмотрон, был дополнительно соединен с каналами для подачи плазмообразующего газа изолирующих втулок, расположенных между смежными частями составного металлического патрубка, и обеспечивал подачу от 70 до 90% от всего расхода газа через плазмотрон.

Технических эффект заявленного изобретения заключается в следующем.

Предложенная конструкция заявленной системы охлаждения однофазного/трехфазного высоковольтного электродугового плазмотрона обеспечивает:

- намного более интенсивный теплообмен, что позволяет защитить от перегрева элементы плазмотрона, находящиеся в области, расположенной рядом и между выходами плазмы, тем самым обеспечивается необходимый температурный режим во время работы плазмотрона в условиях интенсивного теплового потока в стенки дуговых каналов, увеличивается срок службы плазмотрона;

- благодаря тому, что рубашки охлаждения элементов плазмотрона не имеют отдельных внешних соединительных выходов, обеспечивается компактность плазмотрона и упрощается монтаж и размещение на технологическом оборудовании, благодаря отсутствию множества подводящих и отводящих трубопроводов охлаждающей жидкости, поскольку плазмотрон имеет три узла ввода охлаждающей жидкости, один на каждом электродном блоке, и один узел вывода охлаждающей жидкости, расположенный на выходном блоке.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает схематично плазмотрон (продольный разрез), согласно уровню техники;

Фиг. 2 изображает схематично схему охлаждения плазмотрона (продольный разрез), согласно уровню техники;

Фиг. 3 изображает общий вид трехфазного высоковольтного электродугового плазмотрона переменного тока (частичный вырыв одного из каналов), согласно изобретению;

Фиг. 4 вид по стрелке А на фиг. 3;

Фиг. 5 изображает схематично трехфазный высоковольтный электродуговой плазмотрон, согласно изобретению;

Фиг. 6 изображает вид по стрелке В на фиг. 3,

Фиг. 7 изображает канал для прохода охлаждающей жидкости из полостей рубашек охлаждения металлических патрубков в полость оболочки выходного узла, согласно изобретению;

Фиг. 8 изображает узел выхода трехфазного высоковольтного электродугового плазмотрона (продольный разрез), показан путь прохода охлаждающей жидкости, согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения.

Согласно изобретению, трехфазный высоковольтный электродуговой плазмотрон 1 (фиг. 3) содержит три электродных узла 2,3,4. Каждый из электродных узлов 2,3,4 содержит цилиндрический полый электрод 5,6,7, соответственно, и каждый электрод 5,6,7 имеет вход 8,9,10, соответственно, для подключения к трехфазной сети переменного тока. На каждом цилиндрическом полом электроде 5,6,7 размещена катушка 11,12,13 соответственно, для формирования электромагнитного поля. На фиг. 3 показан частичный вырыв электродного узла 2, где показана катушка 11, размещенная на электроде 5.

Оси а-а полых электродов 5,6,7 расположены под углом α от 1 до 40 град. угловых по отношению к центральной оси 0-0 симметрии электродных узлов 2, 3, 4. На фиг. 4 показан вид по стрелке А на фиг. 3, где показаны торцы электродных узлов 2,3,4 и показаны торцы электродов 5,6,7. На торце каждого электрода 5,6,7 установлена шайба 14,15,16, соответственно, содержащая один или более каналов 17,18,19 для подачи охлаждающей жидкости.

Трехфазный высоковольтный электродуговой плазмотрон 1 (показан схематично на фиг. 5) содержит три составных металлических патрубка 20,20', 21,21', 22,22' образующих три дуговых канала 23,24,25, соответственно. На фиг. 3 показан один дуговой канал 23 и составной металлический патрубок, содержащий смежные части 20 и 20'.

На фиг. 5 показан схематично трехфазный высоковольтный электродуговой плазмотрон 1. Каждый из составных металлических патрубков 20,20', 21,21', 22,22' одним концом 26,27,28 соответственно, соединен с соответствующим цилиндрическим полым электродом 5,6,7 через изолирующую втулку 29,30,31, соответственно. Смежные части металлических патрубков 20,20', 21,21', 22,22' каждого дугового канала 23,24,25 соединены между собой посредством дополнительной изолирующей втулки 32,33,34. Каждая из изолирующих втулок 29-34 содержит один или более каналов 35,36,37,38,39,40, соответственно, для подачи плазмообразующего газа в область между цилиндрическим полым электродом 5,6,7 и металлическим патрубком 20,21,22 и в область между смежными частями 20,20', 21,21', 22,22' составного металлического патрубка, соответственно.

Трехфазный высоковольтный электродуговой плазмотрон 1 содержит три соединительных узла 41,42,43 (фиг. 3), в каждом из которых размещена одна часть 20,21,22 составного металлического патрубка соответствующего дугового канала 23,24,25, предназначенная для прохода электрической дуги и плазмы от полого электрода 5,6,7 к выходу плазмотрона.

Трехфазный высоковольтный электродуговой плазмотрон 1 содержит выходной узел 44, содержащий оболочку 45, в которой размещены другие части трех составных металлических патрубков 20',21',22', предназначенные для вывода плазмы из плазмотрона 1.

Выходной узел 44 содержит также металлическую пластину 46, в которой выполнены три симметрично расположенных отверстия 47,48,49 (фиг.6) для герметичного закрепления других концов 50,51,52 каждого из трех составных металлических патрубков 20,20', 21,21', 22,22'.

Один торец 53 оболочки 45 герметично соединен по периметру с упомянутой металлической пластиной 46.

Трехфазный высоковольтный электродуговой плазмотрон 1 (фиг. 5) содержит систему охлаждения, содержащую три составные рубашки 54,55,56 охлаждения, каждая из которых содержит часть 54', 55', 56' для охлаждения полого электрода 5, 6, 7, соответственно, и соответствующие части 54'', 55'', 56'', 54''', 55''', 56''' для охлаждения составных металлических патрубков 20,20', 21,21', 22,22'.

Каждая из упомянутых шайб 14,15,16 содержит одно или более отверстий 57, 58, 59, соответственно, служащих входами для подачи плазмообразующего газа в полости электродов 5,6,7.

В изолирующих втулках 29-31 и 32-34, выполнены отверстия 60,61,62 и 63, 64, 65 соответственно, для прохода охлаждающей жидкости. Полости каждой из составных рубашек 54,55,56 охлаждения сообщаются по потоку охлаждающей жидкости (фиг. 5) через указанные отверстия 60-65. Между торцом 67, 68, 69 каждой из рубашек 54,55,56 охлаждения и металлической пластиной 46 (фиг.6) имеется зазор 70, образующий канал для прохода охлаждающей жидкости из полостей рубашек 54-56 охлаждения металлических патрубков в полость 71 оболочки 45 выходного узла 44.

Благодаря указанному зазору 71 обеспечивается интенсивное охлаждение концов 50,51,52 каждого из трех составных металлических патрубков 20,20', 21,21', 22,22', не допуская перегрева и разрушения высоковольтного электродугового плазмотрона 1.

Другой торец 72 оболочки 45 прикреплен к рубашкам 54''', 55''', 56''' охлаждения металлических патрубков 20',21',22', расположенных в выходном узле 44, в непосредственной близости от дополнительных изолирующих втулок 32,33,34.

Узел 73 вывода охлаждающей жидкости из полости 71 размещен на оболочке 45 со стороны соединительных узлов 41,42,43.

В трехфазном высоковольтном электродуговом плазмотроне, согласно изобретению, полые цилиндрические электроды 5,6,7 выполнены из меди, сплава меди или материала из группы, состоящей из железа, вольфрама, графита, гафния.

Трехфазный высоковольтный электродуговой плазмотрон дополнительно содержит узел 74 (фиг.3) регулирования расхода газа, подаваемого в плазмотрон, соединенный с каждым из каналов 57,58,59 для подачи плазмообразующего газа в шайбе 14,15,16 на торце цилиндрического полого электрода, и обеспечивающий подачу от 10 до 30% от всего расхода газа через плазмотрон.

Узел 74 регулирования расхода газа, подаваемого в плазмотрон, дополнительно соединен с каналами 35-37 для подачи плазмообразующего газа изолирующих втулок 29-31, расположенных между цилиндрическим полым электродом 5-7 и составным металлическим патрубком 20-22, т.е. между электродным узлом 2-4 и соединительным узлом 41-43, и обеспечивает подачу от 10 до 30% от всего расхода газа через плазмотрон.

Узел 74 регулирования расхода газа дополнительно соединен с каналами 38,39,40 для подачи плазмообразующего газа изолирующих втулок 32-34, расположенных между составными металлическими патрубками 20-22, т.е. между соединительными узлами 41-43 и выходным узлом 44, и обеспечивает подачу от 70 до 90% от всего расхода газа через плазмотрон.

Оболочка 45 (фиг. 3) выполнена составной, части соединены посредством фланцевого соединения 75, посредством которого осуществляется установка высоковольтного электродугового плазмотрона в рабочие емкости и существенно упрощается обслуживание плазмотрона, замена, при необходимости, вышедших из строя элементов плазмотрона.

Конструкция однофазного высоковольтного электродугового плазмотрона отличается от конструкции трехфазного высоковольтного электродугового плазмотрона тем, что содержит два электродных узла, конструкция которых аналогична конструкции электродных узлов трехфазного высоковольтного электродугового плазмотрона.

Система охлаждения однофазного высоковольтного электродугового плазмотрона переменного тока также аналогична системе охлаждения трехфазного высоковольтного электродугового плазмотрона, т.е. система охлаждения обеспечивает охлаждение двух электродов однофазного высоковольтного электродугового плазмотрона переменного тока (не показана).

Работа системы охлаждения трехфазного высоковольтного электродугового плазмотрона 1 осуществляется следующим образом.

Перед подачей напряжения на клеммы плазмотрона, осуществляют подачу охлаждающей жидкости в рубашки охлаждения.

На фиг. 8 показан путь прохода охлаждающей жидкости (показан стрелкой) на самом теплонагруженном участке плазмотрона.

Инициация (зажигание) электрической дуги происходит в момент подачи напряжения холостого хода от источника питания (не показан) к соответствующим входам электродов 5,6,7.

Как указано выше, каждый из электродов соединен с металлическим патрубком 20,21,22 посредством изолирующей втулки 29-31, т.е. между каждым цилиндрическим полым электродом 5,6,7 и соответствующим металлическим патрубком 20,21,22 имеется зазор в виде изолирующей втулки 29, 30, 31, также имеется зазор между частями составных металлических патрубков 20,21,22. Размеры зазоров определяются толщиной изолирующих втулок 29-34. Подача газа из изолирующих втулок 29-34 осуществляется в область зазоров.

В каждом канале происходит пробой зазоров с возникновением двух локальных внутриканальных электрических дуг. Первая дуга зажигается между кромкой электрода 5,6,7 и соответствующим концом составного металлического патрубка 20,21,22.

Вторая дуга зажигается между соответствующими частями составного металлического патрубка 20,21,22, разделенными изолирующей втулкой 32,33,34, т.е. между патрубком в соединительном узле 41,42,43 и патрубком в выходном узле 44.

Под действием газодинамических и электромагнитных сил конец первой дуги одной из фаз перемещается с кромки полого электрода в область рабочей части полого электрода 5,6,7, которая находится в геометрическом объеме катушки 11,12,13, соответственно. Второй конец первой дуги под действием газодинамических и электромагнитных сил скользит по внутренней поверхности составного металлического патрубка, расположенного в соединительном узле, в сторону выходного отверстия 47,48,49.

Одновременно с этим один конец второй дуги под действием газодинамических и электромагнитных сил скользит по внутренней поверхности составного металлического патрубка, расположенного в соединительном узле 41,42,43, в сторону полого электрода 5,6,7.

Второй конец второй дуги скользит по внутренней поверхности составного металлического патрубка в выходном узле 44 в направлении выходного отверстия 47,48,49, при этом электрически замыкается через металл составных металлических патрубков 20,21,22 выходного узла 44 с таким же концом второй дуги другой фазы на внутренней поверхности составного металлического патрубка другой фазы. Затем указанные концы дуг выходят за пределы объема плазмотрона и замыкаются в пространстве за выходными отверстиями, т.е. снаружи плазмотрона.

Одновременно с этим процессом происходит встречное движение концов дуг, движущихся по внутренней поверхности составного металлического патрубка в соединительном узле с последующим замыканием дуг в объеме составного металлического патрубка соединительного узла. После окончания процесса инициации концы дуг двигаются только по рабочей поверхности полого цилиндрического электрода 5,6,7. Других мест замыканий электрических дуг к внутренним и внешним частям плазмотрона нет.

Питание каждого электрода 5,6,7 осуществляется от фазы высоковольтной электрической сети напряжением не менее 10 кВ последовательно через катушку 11,12,13 для формирования магнитного поля. Для управления рабочим током в каждую фазу цепи питания плазмотрона включены токоограничивающие индуктивности.

Охлаждающая жидкость проходит через рубашки 54',55', 56' охлаждения электродов 5,6,7, а затем в рубашки 54'', 54''', 55'',55''', 56'', 56''' охлаждения составных металлических патрубков. Осуществляется охлаждение электродов и составных металлических патрубков дуговых каналов, расположенных в соединительных узлах 41,42,43 и выходном узле 44.

Рубашки охлаждения дуговых каналов сконструированы таким образом, что поток охлаждающей жидкости поступает к наиболее теплонагруженным областям металлических патрубков 20,21,22 и металлической пластине 46, на которой расположены выходы плазмы.

Далее охлаждающая жидкость попадает в полость 71 (фиг. 8) оболочки 45 выходного блока 44, обеспечивая охлаждение наружной поверхности металлических патрубков выходного блока, и внутренней поверхности оболочки выходного блока 44, и выходит из плазмотрона через узел 73 вывода охлаждающей жидкости.

Изобретение относится к области плазменной техники. Система охлаждения высоковольтного электродугового плазмотрона содержит в одном варианте три электродных узла, каждый из которых содержит цилиндрический полый электрод с катушкой, три составных металлических патрубка, образующих три дуговых канала, каждый из которых соединен с соответствующим полым электродом через изолирующую втулку, а металлические патрубки каждого дугового канала соединены между собой посредством дополнительной изолирующей втулки. Каждая из изолирующих втулок содержит канал для подачи плазмообразующего газа в область между цилиндрическим полым электродом и металлическим патрубком и в область между смежными частями составного металлического патрубка. Имеется металлическая пластина для герметичного закрепления других концов металлических патрубков, три соединительных узла, в каждом из которых размещена часть патрубка соответствующего дугового канала, предназначенная для прохода электрической дуги и плазмы от полого электрода до выхода из плазмотрона. Выходной узел содержит оболочку, в которой размещены другие части патрубков, предназначенные для вывода плазмы из плазмотрона, причем торец оболочки герметично соединен по периметру с упомянутой металлической пластиной. На торцах каждого полого электрода размещены шайбы с каналами для подачи плазмообразующего газа в полость электрода и отверстиями для подачи охлаждающей жидкости. Система охлаждения высоковольтного электродугового плазмотрона содержит три составные рубашки охлаждения, причем полости каждой из рубашек охлаждения сообщаются по потоку охлаждающей жидкости через отверстия, выполненные в изолирующих втулках, а между торцом каждой из рубашек охлаждения и металлической пластиной имеется зазор для прохода охлаждающей жидкости из полостей рубашек охлаждения металлических патрубков в полость оболочки выходного узла. Торец оболочки прикреплен к рубашкам охлаждения металлических патрубков в выходном узле в непосредственной близости от изолирующих втулок. Узел вывода охлаждающей жидкости размещен на оболочке со стороны соединительных узлов. Заявлен также вариант системы охлаждения высоковольтного электродугового плазмотрона, содержащего два электродных узла. Технический результат - повышение надежности работы высоковольтного электродугового плазмотрона. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

1.Система охлаждения высоковольтного электродугового плазмотрона переменного тока, содержащая:

три электродных узла, каждый из которых содержит цилиндрический полый электрод, имеющий вход для подключения к трехфазной сети, и размещенную на цилиндрическом полом электроде катушку для формирования электромагнитного поля, причем оси полых электродов расположены под углом от 1 до 40 град. угловых по отношению к центральной оси симметрии электродных узлов,

три составных металлических патрубка, образующих три дуговых канала, каждый из составных металлических патрубков одним концом соединен с соответствующим цилиндрическим полым электродом через изолирующую втулку, причем металлические патрубки каждого дугового канала соединены между собой посредством дополнительной изолирующей втулки, и каждая из изолирующих втулок содержит один или более каналов для подачи плазмообразующего газа в область между цилиндрическим полым электродом и металлическим патрубком и в область между смежными частями составного металлического патрубка, соответственно,

металлическую пластину, в которой выполнены три симметрично расположенных отверстия для герметичного закрепления других концов каждого из трех составных металлических патрубков,

три соединительных узла, в каждом из которых размещена одна часть составного металлического патрубка соответствующего дугового канала, предназначенная для прохода электрической дуги и плазмы от полого электрода до выхода из плазмотрона,

выходной узел, содержащий оболочку, в которой размещены другие части трех составных металлических патрубков, предназначенные для вывода плазмы из плазмотрона, причем торец оболочки герметично соединен по периметру с упомянутой металлической пластиной,

три шайбы, размещенные соответственно на торцах каждого полого электрода, содержащие каждая один или более каналов для подачи плазмообразующего газа в полость электрода и одно или более отверстий, служащих входами для подачи охлаждающей жидкости,

при этом система охлаждения высоковольтного электродугового плазмотрона содержит

три составные рубашки охлаждения, каждая из которых содержит часть для охлаждения полого электрода и соответствующие части для охлаждения составных металлических патрубков, причем полости каждой из составных рубашек охлаждения сообщаются по потоку охлаждающей жидкости через одно или более отверстий, выполненных в соответствующих изолирующих втулках, а между торцом каждой из рубашек охлаждения и металлической пластиной имеется зазор для прохода охлаждающей жидкости из полостей рубашек охлаждения металлических патрубков в полость оболочки выходного узла,

при этом другой торец оболочки прикреплен к рубашкам охлаждения металлических патрубков, расположенных в выходном узле, в непосредственной близости от изолирующих втулок, и

узел вывода охлаждающей жидкости, размещенный на оболочке со стороны соединительных узлов.

2. Система охлаждения высоковольтного электродугового плазмотрона переменного тока, содержащая:

два электродных узла, каждый из которых содержит полый электрод, имеющий вход для подключения к однофазной сети переменного тока, и размещенную на цилиндрическом полом электроде катушку для формирования электромагнитного поля, причем оси полых электродов расположены под углом от 1 до 40 град. угловых по отношению к центральной оси симметрии электродных узлов,

два составных металлических патрубка, образующих два дуговых канала, каждый из составных металлических патрубков одним концом соединен с соответствующим цилиндрическим полым электродом через изолирующую втулку, причем металлические патрубки каждого дугового канала соединены между собой посредством дополнительной изолирующей втулки, и каждая из изолирующих втулок содержит один или более каналов для подачи плазмообразующего газа в область между цилиндрическим полым электродом и металлическим патрубком и в область между смежными частями составного металлического патрубка, соответственно,

металлическую пластину, в которой выполнены два симметрично расположенных отверстия для герметичного закрепления других концов каждого из двух составных металлических патрубков,

два соединительных узла, в каждом из которых размещена одна часть составного металлического патрубка соответствующего дугового канала, предназначенная для прохода электрической дуги и плазмы от полого электрода до выхода из плазмотрона,

выходной узел, содержащий оболочку, в которой размещены другие части двух составных металлических патрубков, предназначенные для вывода плазмы из плазмотрона, причем торец оболочки герметично соединен по периметру с металлической пластиной,

две шайбы, размещенные соответственно на торцах каждого полого электрода, содержащие каждая один или более каналов для подачи плазмообразующего газа в полость электрода и одно или более отверстий, служащих входами для подачи охлаждающей жидкости,

при этом система охлаждения высоковольтного электродугового плазмотрона переменного тока содержит

две составные рубашки охлаждения, каждая из которых содержит часть для охлаждения полого электрода и соответствующие части для охлаждения составных металлических патрубков, причем полости каждой из составных рубашек охлаждения сообщаются по потоку охлаждающей жидкости через одно или более отверстий, выполненных в соответствующих изолирующих втулках, а между торцом каждой из рубашек охлаждения и металлической пластиной имеется зазор для прохода охлаждающей жидкости из полостей рубашек охлаждения металлических патрубков в полость оболочки выходного узла,

при этом другой торец оболочки прикреплен к рубашкам охлаждения металлических патрубков, расположенных в выходном узле, в непосредственной близости от изолирующих втулок, и

узел вывода охлаждающей жидкости, размещенный на оболочке со стороны соединительных узлов.

3. Bысоковольтный электродуговой плазмотрон переменного тока с системой охлаждения по п. 1, содержащий:

три электродных узла, каждый из которых содержит

снабженный рубашкой охлаждения цилиндрический полый электрод, имеющий вход для подключения к трехфазной сети, причем оси полых электродов расположены под углом от 1 до 40 град. угловых по отношению к центральной оси симметрии указанных электродных узлов,

размещенную на цилиндрическом полом электроде катушку для формирования электромагнитного поля, и

шайбу, размещенную на торце цилиндрического полого электрода и содержащую один или более каналов для подачи плазмообразующего газа в полость электрода и одно или более отверстий, служащих входами для подачи охлаждающей жидкости,

три составных металлических патрубка, образующих три дуговых канала, каждый из составных металлических патрубков снабжен рубашкой охлаждения и одним концом соединен с соответствующим цилиндрическим полым электродом через изолирующую втулку, причем металлические патрубки каждого дугового канала соединены между собой посредством дополнительной изолирующей втулки, и каждая из изолирующих втулок содержит один или более каналов для подачи плазмообразующего газа в область между цилиндрическим полым электродом и металлическим патрубком и в область между смежными частями составного металлического патрубка, соответственно, и один или более каналов для подачи охлаждающей жидкости,

при этом полости каждой из составных рубашек охлаждения, включая часть для охлаждения полого электрода и соответствующие части для охлаждения составных металлических патрубков, сообщаются по потоку охлаждающей жидкости через одно или более отверстий в соответствующих изолирующих втулках,

три соединительных узла, в каждом из которых размещена одна часть составного металлического патрубка соответствующего дугового канала, предназначенная для прохода электрической дуги и плазмы от полого электрода до выхода из плазмотрона,

выходной узел, содержащий

оболочку, в которой размещены другие части трех составных металлических патрубков с рубашкой охлаждения, предназначенные для вывода плазмы из плазмотрона,

металлическую пластину, в которой выполнены три симметрично расположенных отверстия для герметичного закрепления других концов каждого из трех составных металлических патрубков,

причем один торец оболочки герметично соединен по периметру с упомянутой металлической пластиной, а другой торец оболочки прикреплен к рубашкам охлаждения металлических патрубков, расположенных в выходном узле, в непосредственной близости от изолирующих втулок,

при этом между торцом каждой из рубашек охлаждения и металлической пластиной имеется зазор для прохода охлаждающей жидкости из полостей рубашек охлаждения металлических патрубков в полость оболочки выходного узла,

узел вывода охлаждающей жидкости, размещенный на оболочке со стороны соединительных узлов.

4. Высоковольтный электродуговой плазмотрон по п.3, в котором полые цилиндрические электроды выполнены из меди, сплава меди или материала из группы, состоящей из железа, вольфрама, графита, гафния.

5. Высоковольтный электродуговой плазмотрон по п.3, дополнительно содержащий узел регулирования расхода газа, подаваемого в плазмотрон, соединенный с каждым из каналов для подачи плазмообразующего газа в шайбе на торце цилиндрического полого электрода, и обеспечивает подачу от 10 до 30% от всего расхода газа через плазмотрон.

6. Высоковольтный электродуговой плазмотрон по п.3 или 5, в котором узел регулирования расхода газа, подаваемого в плазмотрон, дополнительно соединен с каналами для подачи плазмообразующего газа изолирующих втулок, расположенных между цилиндрическим полым электродом и составным металлическим патрубком, и обеспечивает подачу от 10 до 30% от всего расхода газа через плазмотрон.

7. Высоковольтный электродуговой плазмотрон по п.6, в котором узел регулирования расхода газа дополнительно соединен с каналами для подачи плазмообразующего газа изолирующих втулок, расположенных между смежными частями составного металлического патрубка, и обеспечивает подачу от 70 до 90% от всего расхода газа через плазмотрон.

8. Высоковольтный электродуговой плазмотрон переменного тока с системой охлаждения по п. 2, содержащий:

два электродных узла, каждый из которых содержит

снабженный рубашкой охлаждения цилиндрический полый электрод, имеющий вход для подключения к однофазной сети, причем оси полых электродов расположены под углом от 1 до 40 град. угловых по отношению к центральной оси симметрии указанных электродных узлов,

размещенную на цилиндрическом полом электроде катушку для формирования электромагнитного поля, и

шайбу, размещенную на торце цилиндрического полого электрода и содержащую один или более каналов для подачи плазмообразующего газа в полость электрода и одно или более отверстий, служащих входами для подачи охлаждающей жидкости,

два составных металлических патрубка, образующих два дуговых канала, каждый из составных металлических патрубков снабжен рубашкой охлаждения и одним концом соединен с соответствующим цилиндрическим полым электродом через изолирующую втулку, причем металлические патрубки каждого дугового канала соединены между собой посредством дополнительной изолирующей втулки, и каждая из изолирующих втулок содержит один или более каналов для подачи плазмообразующего газа в область между цилиндрическим полым электродом и металлическим патрубком и в область между смежными частями составного металлического патрубка, соответственно, и один или более каналов для подачи охлаждающей жидкости,

при этом полости каждой из составных рубашек охлаждения, включая часть для охлаждения полого электрода и соответствующие части для охлаждения составных металлических патрубков, сообщаются по потоку охлаждающей жидкости через одно или более отверстий в соответствующих изолирующих втулках,

два соединительных узла, в каждом из которых размещена одна часть составного металлического патрубка соответствующего дугового канала, предназначенная для прохода электрической дуги и плазмы от полого электрода до выхода из плазмотрона,

выходной узел, содержащий:

оболочку, в которой размещены другие части двух составных металлических патрубков с рубашкой охлаждения, предназначенные для вывода плазмы из плазмотрона,

металлическую пластину, в которой выполнены два симметрично расположенных отверстия для герметичного закрепления других концов каждого из двух составных металлических патрубков,

причем один торец оболочки герметично соединен по периметру с упомянутой металлической пластиной, а другой торец оболочки прикреплен к рубашкам охлаждения металлических патрубков, расположенных в выходном узле, в непосредственной близости от изолирующих втулок,

при этом между торцом каждой из рубашек охлаждения и металлической пластиной имеется зазор для прохода охлаждающей жидкости из полостей рубашек охлаждения металлических патрубков в полость оболочки выходного узла,

узел вывода охлаждающей жидкости, размещенный на оболочке со стороны соединительных узлов.

9. Высоковольтный электродуговой плазмотрон по п.8, в котором полые цилиндрические электроды выполнены из меди, сплава меди или материала из группы, состоящей из железа, вольфрама, графита, гафния.

10. Высоковольтный электродуговой плазмотрон по п.8, дополнительно содержащий узел регулирования расхода газа, подаваемого в плазмотрон, соединенный с каждым из каналов для подачи плазмообразующего газа в шайбе на торце цилиндрического полого электрода, и обеспечивает подачу от 10 до 30% от всего расхода газа через плазмотрон.

11. Высоковольтный электродуговой плазмотрон по п.8 или 10, в котором узел регулирования расхода газа, подаваемого в плазмотрон, дополнительно соединен с каналами для подачи плазмообразующего газа изолирующих втулок, расположенных между цилиндрическим полым электродом и составным металлическим патрубком, и обеспечивает подачу от 10 до 30% от всего расхода газа через плазмотрон.

12. Высоковольтный электродуговой плазмотрон по п.11, в котором узел регулирования расхода газа дополнительно соединен с каналами для подачи плазмообразующего газа изолирующих втулок, расположенных между смежными частями составного металлического патрубка, и обеспечивает подачу от 70 до 90% от всего расхода газа через плазмотрон.