Анод электродугового плазмотрона Советский патент 1993 года по МПК H05B7/22 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к генераторам низкотемпературной плазмы и может. . применяться в металлургической, машиностроительной и других отраслях народного хозяйства,

Известен однокамерный плазмотрон, содержащий катод и выходной электрод- анод. В плазмотронах такого типа длина электрической дуги не фиксирована и зависит как от расхода плазмообразующего газа так и от значений ее электрических параметров. Для такой дуги характерны пульсации длина и напряжения на ней, что является негативным фактором, не способствующим широкому гфименению таких плазмотронов для технологических целей, например, плазменной наплавки, напыления и т.д. Кроме того, в таких плазмотронах анодное пятно, как правило, локализовано в какой-либо области периметра проходного сечения дугового канала, что вызывает интенсивное

несимметричное разрушение поверхности анода.

Известны плазмотроны, в которых осуществляется перемещение анодного пйтна по периметру проходного сечения канала с помощью магнитного поля. Однако недостатком таких плазмотронов является наличие сложных и громоздких систем магнитного управления дугой, интенсивная закрутка газоплазменного потока на выходе из плзмотрона, что чаще всего является нежелательным (например, при его использовании для газотермического нанесения покрытий),

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является электродуговойплазмотрон, содержащий водоохлаждаемый катод, выходной электрод- анод, дуговой канал которого имеет участок с внезапно расширенным проходным сечением и выходное сопло. В известном плазмот- роне длина дуги фиксирована, а областью

J

00

Ov О О

ю

шунтирования дуги является зона дугового канала за уступом. Фиксирование длины дуги снижает пульсации тока и напряжения на ней, однако привязка дуги, характерная для данного типа каналов, как правило, в определенной зоне расширенного участка, вызывает интенсивное разрушение поверхности электрода, что снижает ресурс работы плазмотррна и ухудшает стабильность газовой струи.

Кроме того, все рассмотреннныё типы плазмотронов характеризуются высоким уровнем тепловых потоков в анод, что отрицательно сказывается на их энергетических показателях и в общем случае способствует снижению ресурсов работы плазмотронов.

Целью изобретения является повышение стабильности горения дуги, снижение тепловых потерь с анода и увеличение его эрозионной стойкости.

Поставленная цель достигается тем, что по длине соплового отверстия анода выполнены поперечные проточки в форме части поверхности эллиптического тора, диаметр которого равен соответствующему диаметру сопла, большая полуось тора равна 0,1- 0,3 диаметра сопла и направлена вдоль его оси, малая полуось тора выбрана равной 0,4-0,9 большой, а расстояние между проточками равно 2,3-2,8 большой полуоси,

На фиг. 1 представлен продольный разрез заявляемого анода плазмотррна; на фиг, 2 - увеличенное изображение разреза анода в месте расположения проточки.

Заявляемый анод электродугового плазмотрона содержит водоохлаждаемый корпус 1 с дуговым каналом 2, в котором располагается электрическая дуга 3. По длине дугового канала 2 анода выполнейы поперечные проточки 4, имеющие форму части поверхности эллиптического тора, диаметр которого D равен соответствующему диаметру Do дугового канала, большая полуось тора А равна 0,1-0,3 диаметра дугового канала и направлена вдоль его оси, а малая полуось тора В составляет 0,4-0,9 от ее величины, при это расстояние между проточками 4 составляет 2,3-2,8 величины большой полуоси тора.

Анод заявляемого электродугового плазмотрона работает следующим образом.

После поджига электрической Длуги 3 она располагается в соответствующих каналах плазмотрона, в том числе в другом канале 2 анода, в котором осуществляется электрическа я привязка дуги к его внутренней поверхности. При этом через дуговой канал проходит поток высокотемпературного газа, омывающий дугу и стенки канала. В

процессе взаимодействия этого газового потока с газом, находящимся в объеме кольцевых проточек, в них образуются кольцевые газовые вихри. В этих вихрях газовая

среда имеет меньшую температуру, чем в основном осевом потоке. Конфигурация проточек и их взаимное расположение способствует образованию вдоль стенок анодной части дугового канала, самой

0 теплонапряженной его части, своевременной динамической газовой завесы, отстраняющейцентральныйвысокотемпературный поток от стенок анода, в связи с чем снижаются тепловые поте5 ри в одной из самых ответственных конструктивных частей плазмотрона, снижается уровень эрозии стенок анода. Кроме тего, привязка дуги в таком аноде осуществляется к одному из кольцевых выступов

0 между проточками, а не располагается где- то в зоне за уступом, как это происходит в известных плазмотронах. Это способствует стабилизации длины дуги и условий ее горения в плазмотроне. Наличие системы коль5 Цевых вихрей, расположенных вдоль оси дугового канала, также способствует повышению стабильности горения дуги и как следствие - повышению стабильности генерируемого газоплазменного потока.

0 Заявляемое расположение и форма проточек в предлагаемом аноде обеспечивают оптимальные условия для достижения поставленной в изобретении цели.

Действительно, если диаметр эллипти5 ческого тора, форму поверхности которого имеют проточки, будет отличаться от диаметра дугового канала в месте их расположения, то заявляемые проточки будут либо чрезмерно углублены в тело анода, либо

0 иметь недостаточную глубину для образования в них и части пространства дугового канала устойчивых вихревых структур. При равенстве же рассматриваемых диаметров одна половина вихря располагается в теле

5 анода, а вторая - в пространстве дугового канала, чем обеспечивается как его гидродинамическая устойчивость, так и оптимальное расположение в дуговом канале.

Заявляемые параметры эллиптичности

0 тора обеспечивают устойчивость образующихся вихрей в соседстве со сносящим осевым высокотемпературным газовым потоком. Если большую полуось сечения эллиптического тора выбрать меньшей 0,1 ди5 аметра дугового канала, то размер проточки, определяемые величиной этой полуоси, будет недостаточным для образования устойчивого вихревого образования тороидального типа, а следовательно, не будет наблюдаться снижение тепловых потоков в стенки анода. Если же величина большой полуоси проточки будет большей 0,3 диаметра дугового канала, то размер проточек будет необосновано велик, что вызовет увеличение тепловых потерь и повышенную эрозию анода. Размер малой полуоси свя- зан с размером большой полуоси и составляет 0,4-0,9 его величины. Если это соотношение будет меньше значения 0,4, то проточка будет иметь недостаточную глубину для образования устойчивого газового вихря, в связи с чем увеличатся тепловые потоки в анод и его эрозия. Если же это соотношение будет большим 0,9, то форма поверхности проточки будет приближаться к круговой, что в условиях взаимодействия образующегося в ней вихря с осевым сносящим потоком не будет способствовать достаточнойгидродинамическойустойчивости вихря с уже отмеченными ранее отрицательными последствиями на характеристики айодз плазмотрона.

Последовательное расположение про- тоЧек вдоль дугового канала обеспечивает снижение тепловых потерь с анода и его эрозии по своей длине рабочей части анода.

Если разместить проточки на расстоянии, меньшем 2,3 величины большой полуоси тора, то Соседние вихри будут взаимодействовать между собой, что отрицательно скажется на их устойчивости. Если же это расстояние будет большим, чем 2,8 соответствующего размера, то отдельные проточки будут размещены на большом расстоянии друг от друга и между ними образуются открытые незащищенные участки поверхности анода. Как в первом, так и во втором случае при этом увеличатся тепловые потоки в анод и возрастает степень его эрозии.

Пример конкретного выполнения. В условиях лаборатории ДМетИ были изготовлены и испытаны для сопоставления результатов анод-прототип и заявляемый анод электродугового плазмотрона. Для по-; следнего было изготовлено несколько типоразмеров анода, соответствующих заявляемым соотношениями геометрических размеров проточек и за их пределами.

Диаметр анодной части дугового канала для прототипа и заявляемого решения был

20 мм. Режимы испытаний были следующие: ток дуги I 250A, напряжение U 120В, расход воздуха Q 1,2 л/с. В зависимости от размеров проточек их выполнялось 5 в сопловой части анода от 3 до 5 шт. При одних и тех же режимах работы плазмотро- нов определялись аэрозия анодов и тепловые потери через них. Испытание на эрозию проводили в течение 3-х часов работы плаз0 мотронрв с каждым исследуемым анодом. О тепловых потерях судили по изменению температуры воды, используемой для охлаждения анода, при фиксации ее расхода. По этим величинам определялась целе5 сообразность использования именно заявляемых пределов изменения соотношений геометрических размеров дополнительных проточек.

Результаты испытаний сведены в табли0 цу.

Результаты испытаний показывают, что эрозия поверхности анода заявляемого плазмотрона в 1,5-2,0 раза меньше по сравнению с прототипом. Величина тепловых

5 потоков в анод снизилась на 20-30%. Кроме того, он выгодно отличается от прототипа по газодинамическим характеристикам образуемого плазменного потока, что особенно важно при ведении процессов, например,

0 нанесения покрытий.

Таким образом, применение заявляемого анода в совокупности плазменного оборудования позволит повысить ресурс его работы и улучшить технологические харак5 теристики плазменных процессов.. Формула изобретения Анод электродугового плазмотрона, выполненный в виде корпуса с выходным соплом, о тлйчающийся тем, что, с целью

0 повышения стабильности горения дуги, снижения тепловых потерь с анода и увеличения его эрозионной стойкости, по длине соплового отверстия выполнены поперечные проточки в форме части поверхности

5 эллиптического тора, диаметр которого равен соответствующему диаметру сопла, большая полуось тора равна 0,1-0,3 Диаметра сопла и направлена вдоль его оси, малая полуось тора выбрана равной 0,4-0,9 боль0 шой, а расстояние между проточками равно 2,3-2,8 большой полуоси.

№./

Фи г. г

Анод выполнен в виде корпуса с выходным соплом. По длине соплового отверстия выполнены поперечные проточки в форме части поверхности эллиптического тора, диаметр которого равен соответствующему диаметру сопла. Большая полуось тора равна 0,1-0,3 диаметра сопла и направлена вдоль оси, малая полуось тора выбрана равной 0,4-0,9 большой, а расстояние между проточками равно 2,3-2,8 большой полуоси. 2 ил. 1 табл. ё