Сопло плазмотрона Советский патент 1992 года по МПК B23K10/00 

Изобретение относится к плазмотехнике и может быть использовано для воспламенения топливовоздушной смеси в камерах сгорания и цилиндрах двигателей внутреннего сгорания и топках энергетических установок.

Целью изобретения является повышение надежности в работе и увеличение ресурса работы плазмотрона.

На чертеже показан плазмотрон, разрез.

Плазмотрон состоит из корпуса 1, внутри которого аомещены сопло (анод) 2, катод

3, изолятор 4 между ними. Корпус выполнен с отверстиями 5 и кольцевым зазором 6 для подачи плазмообразующего газа. . .

Сопло 2 выполнено в виде цилиндрической втулки с переменным электросопротивлением, составляющим на участке прилегающем к входному отверстию, (0,5-1,2)-10 Ом-см, на среднем участке b -(0,5-5)10 Ом-см, и на участке с, прилегающем к выходному отверстию- 1,0 (10 ) Ом-см. При этом длина участков соответственно равна fa (0,5- 5,0) d, 1Ь (0,1-2,0)d, Сс-(0,01-1,0)d, где d-диаметр выходного отверстия сопла.

Сопло изготовлено из оксикарбонитридной керамики с,добавками на участке b тугоплавкого металла, например молибдена, в количестве 5-40 мас.%.

Сопло плазмотрона работает следующим образом.

Подают напряжение от источника питания. Одновременно через отверстия 5 и кольцевой зазор 6 подают плазмообразующий газ. Между катодом и соплом (анодом) возникает электрическая дуга. Поток плазмоббразующего газа перемещает ее вдоль катода до участка b с низким удельнь1м электросопротивлением, где дуга надежно щунтируется.

Удельное сопротивление стенок участка а (0,5-1,2) 10 Ом -см обеспечивает зажигание дуги, исключает электрический пробой дуга-сте.нка и крупномасштабное ее шунтирование. При удельном сопротивлении стенок участка а, больше 1,2 10 Ом -см наблюдается срыв плазменного разряда и вынос его из плазмотрона плазмообразующим газом, а при значениях удельного электросопротивления, меньше 0,510 Ом-см, возникают пульсации дуги, что затрудняет ее стабилизацию. Низкое удельное электросопротивление (0,5-5,0)-10 Ом-см участка в обеспечивает надежную фиксацию дуги. Удельное сопротивление 5-10 Ом-см соответствует добавке молибдена в количестве 5 мас.%, удельное сопротивление, меньшее 0,5 10 Ом -см, соответствует повышению содержания тугоплавкого металла свыше 40 мас,%.

Снижение электросопротивления участка Ь ниже 0,5-10 Ом-см путем повышения содержания молибдена больше 40 мас.% приводит к резкому возрастанию эрозии анода при работе в кислородсодержащих средах в присутствии паров воды, что значительно снижает ресурс сопла. Повышение на 3-5% от удельного электросопротивления участка Ь выше 5-10 ОмСМ приводит к повышению средней температурыстенок сопла на 68°С, что увеличивает термонапряженность стенок сопла и снижение надежности работы плазмотрона. На участке а происходит интенсивная турбулизация потока за счет спутной крутки вдуваемого газа, малая электропроводность участка а предупреждает срыв дуги потоком, 4е допускает электропробой дуга-стенка, крупномасштабное шунтирование, что повышает стабильность в работе.

При удельном электросопротивлении участка с, меньше 1,2-10 Ом-см, происходит вынос пятна шунтирования дуги на торец сопла, вынос газом петли дуги за

пределы канала электрода, что повышает пульсации тока и напряжения дуги, а также снижает тепловой КПД плазмотрона. Верхняя граница сопротивления участка с определяется сопротивлением керамики

без тугоплавкого металла и составляет 1-10 Ом-см.

В таблице приведены результаты подбора длин и сопротивлений участков анода при значениях напряжения, подводимого

на электроды, (150-200) В, тока (5,0 ± 0,5) А, диаметр выходного отверстия сопла плазмотрона d 5 мм.

Положительный эффект при указанном исполнении плазмотрона в широком диапазоне изменения тока и расхода плазмообразующего газа реализуется за счет снижения потерь тепла в стенке сопла-анода, повышения энтальпии плазмы, теплового и электрического КПД плазмотрона, а высокое

электросопротивление торцового участка электрода исключает привязку дуги на торец и его разрушение.

Применение оксикарбонитридной керамики в качестве материала анода с добавлением тугоплавкого металла на участке Ь, позволит обеспечить неизменной среднюю длину дуги в широком диапазоне изменений расхода газа и тока. Таким образом, обеспечивается повышение ресурса плазмотрона

и его надежность в работе.

Формула изобретения

1.Сопло плазмотрона, выполненное в виде цилиндрической втулки, отличающ е е с я тем, что, с целью повышения надежности в работе и увеличение ресурса работы плазмотрона, втулка выполнена с переменным удельным электросопротивлением, составляющим соответственно на

участке, прилегающем к входному отверстию, (0,5-1,2)-10 Ом-см, на среднем участке - (0,5-5)10 Ом-см, на участке, прилегающем к выходному отверстию, 1,0 ( Ом-см, при этом длина участков соответственно равна (0,5-5,0) d, (1-2) d и (0,01-1,0) d, где d - диаметр выходного отверстия сопла.

2.Сопло по П.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно выполнено из оксикарбонитридной керамики с добавками тугоплавкого металла на среднем участке. 0,009d О,Old 1,1d О,Id 0,09d 2,d (0,1-., 1,4d 5, Id 0,9 (0,01-0 х102 0,17-10 5,12-10 (0,5-5, Q, Наблюдается пробой высокоомного покрытия торца сопла и Ликсация в торец. Плазмотрон работает неустойчиво, так как резко падает ресурс сопла, угол раскрытия потока плазмы возрастает, длина факела сокращается, ; Плазмотрон работает устойчиво, анодное пятно дуги подвижно„. . Наблюдается повышение температуры выходного электрода более чем -на , что говорит о повышении потока тепла в сопле (анод) и снижение теплового КПД плазмотрона, надежность работы снижается Плазмотрон работает устойчиво без изменения режимных параметров плазмы . Анодное пятно имеет больший размер, чем длина участка Ь, в результате возрастает плотность тока, что приводит к резкому падению ресурса . Наблюдается заметная пульсация длины дуги, что приводит к пульсации тока, стабильность работы плазмотрона снижается. стойчивая работа плазмотрона без изменения режимных параметров плазмЫо Заметно повышается пульсация длины дуги из-за возрастания длины участка Ь при фиксированной общей длине, что приводит к снижению стабильности работы плазмотрона. Срыв дуги в начальный период фиксации вследствие превышения максимально допустимого сопротивления участка. Начало крупномасштабного шунтирования дуги, потеря устойчивости работы плазмотрона. Устойчивая работа плазмотрона с диффузионной привязкой дуги Срыв дуги вследствие превышения падения напряжения по .сравнению с максимальным.. Соответствует добавке тугоплавкого металла меньше 5 мас.%, Возрастает температура стенок сопла (анода), снижается подвижность анодного пятна, заметно возрастает эрозия стенок анода. Устойчивая стабильная работа плазмотрона с подвижным анодным пятном дуги Соответствуетповышению содержания тугоплавкого материала, (молибдена) мас.. Наблюдается возрастание эрозии анода при работе в кислородсодержащих средах, а также в присутствии паров воды, в результате снижается ресурс ее ла (анода).

456/1

/3 /2 ,а Б

Изобретение относится к плазмотехни- ке и может быть использовано для воспламенения топлиеовоздушной смеси в камерах сгорания, и цилиндрах двигателей внутреннего сгорания и топках энергетических установок. Цель изобретения - повышение надежности плазмотрона в работе и увеличение ресурса работы. Плазмотрон содержит корпус с отверстиями для подвода- и закрутки плазмообразующего газа. Внутри корпуса расположены изолированные одно от, другого сопло и катод. Сопло имеет последовательно расположенные по ходу газа участки а, b и с различной длины и с различным электрическим сопротивлением, что снижает потери тепла в сопле и исключают привязку дуги к торцу сопла. Сопло может быть изготовлено из оксикарбонит- ридной керамики с добавлением на участке b тугоплавкого металла, например молибдена, 1 з.п. ф-лы, 1 ил.СОс