Электродуговой плазматрон Советский патент 1982 года по МПК H05B7/22 H05H1/34 

1

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическому нагреву газов дуговым разрядом, и может быть использовано в плазматронах при проведении различных технологических процессов, а также научных исследований высокотемпературных процессов.

Известны плазматроны, содержащие концентричные водоохлаждаемые внутренний и выходной электроды, каналы для подачи рабочего газа в разрядную камеру плазматрона и изоляторы, в которых для уменьшения пульсаций тока и напряжения и, тем самым, для увеличения мощности дуги и температуры рабочего газа, выходной электрод выполнен одноступенчатым |1.

Недостатками таких плазматронов являются сравнительно малые КПД из-за больщих суммарных тепловых потерь за уступом, а также существенные потери тепла в зоне срыва. Область привязки дугового разряда подвержена повышенной эрозии материала электрода, а неравномерность тепловых потоков по длине увеличивает требования к системе охлаждения выходного электрода.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является плазматрон, содержащий соосно расположенные

центральный стержневой электрод и выходной наружный электрод, выполненный Б виде охватывающего стержневой электрод нерабочего цилиндрического участка,

переходящего в расширяющийся сопловой участок 2.

В этом плазматроне, предназначенном для получения сверхзвукового потока, газ, температура которого уже возросла на

участке дуги после внутреннего электрода, резко ускоряется при входе в горловину сопла, плотность тока и напряженность электрического поля заметно возрастают, а дуга имеет тенденцию привязываться

непосредственно за горловиной, уменьщая надежность работы плазматрона; при этом возникающие пульсации тока и напряжения приводят к ограничению температуры газа на выходе из плазматрона, которая

находится на уровне 3000°К.

Целью изобретения является повыщение надежности плазматрона путем увеличения стабильности горения дуги.

Указанная цель достигается тем, что

внутренняя поверхность соплового электрода выполнена с криволинейным профилем, причем угол между касательной к этой поверхности и осью электрода выполнен изменяющимся по длине электрода

в направлении выхода от 9° до 2°, а рабочий торец стержневого электрода расположен в плоскости наименьшего сечения сопловой части выходного электрода.

На чертеже схематически изображен вариант нлазматрона постоянного тока с с газовой стабилизацией дуги.

Плазматрон содержит внутренний электрод 1 с наконечником 2 из торированного или лантанированного вольфрама, являющийся катодом, вихревую камеру с каналами 3 для тангенциальной подачи рабочего газа, изолятор 4 и выходной электрод 5, выполняющий функции сопла-анода. Катод и апод охлаждаются водой.

Плазматрон работает следующим образом.

Включается подача охлаждающей воды и рабочего газа, поступающего в канал 3. Затем подается напрялсение между катодом 1 и анодом 5 и одним из известных способов зажигается дуга между ними.

Профилирование внутренней стенки сопла анода выполнено из условия постоянства динамического напора газа рУ по длине канала выходного электрода (р и У - среднемассовые плотность и скорость потока, определенные для данного сечения). Постоянный динамический напор обеснечивает более однородные условия для горения электрической дуги, плавное изменение параметров дуги по длине канала и, соответственно, лучшую стабилизацию дуги, в том числе стабильное вращение области привязки дуги к выходному электроду под действием тангенциальной подачи рабочего газа или электродинамических сил, возникающих при взаимодействии тока с внешним магнитным полем.

Конец внутреннего электрода раснолагается в плоскости наименьшего сечения выходного электрода для того, чтобы весь положительный столб дуги находился г. области постоянного динамического наиора потока газа. В противном случае, когда конец катода не доходит до горловины выходного электрода, условия горения дуги в этой области сильно отличаются изза разных значений динамического напора, горловина становится диафрагмой, суживающей положительный столб, увеличивается местное значение напряженности электрического поля и облегчаются условия пробоя между столбом и выходным электродом в области непосредственно за горловиной. В случае значений указанных углов менее 2° на выходе и более 9° на входе еопловой части выходного электрода для различных рабочих газов в сопле плазматрона не будет достигн т равномерный динамический нанор. Профилирование сопла выходного электрода и расположение торца внутреннего электрода в горловине сопла обеспечивают равномерный динамический напор, однородность параметров и стабилизацию дуги по всей длине ее положительного столба, стабильность работы и лучший теплообмен иа начальном участке дуги.

Тепловой ноток становится более равномерным по длине выходного электрода, поэтому увеличивается надежность покрытия его внутренней поверхности высокотемнературным материалом, стойкого к среде рабочего газа и нанесенного с целью уменьшения тенловых потерь и увеличения тем самым коэффициента полезного действия плазматрона.

Устройство быть вынолнено и с использованнем магнитного поля для стабилизации дуги, а также для работы на аеременном токе.

Данный Плазматрон обладает высокой

эрозионной стойкостью выходного электрода и отсутствием заметных пульсаций тока и напряжения дуги при работе.

Формула изобретения

Электродуговой плазматрон, содержащий соосно расположенные центральный стержневой электрод и выходной наружный электрод, выполненный в виде охватывающего стержневой электрод нерабоче10 цилиндрического участка, переходящего и расширяющийся к выходу сопловой участок, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы плазматрона путем увеличения стабильности горения

дуги, внутренняя поверхность соплового

электрода выполнена с криволинейным

профилем, причем угол между касательной

к этой иоверхпости и осью электрода выполней изменяющимся по длине электрода в направленин к выходу от 9 до 2°, а рабочий торец стержневого электрода расположен в плоскости наименьшего сечения сопловой части выходного электрода.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Коротеев В. А. и Урюков Б. А. Прикладная динамика и термическая плазма.

М., «Наука, 1975, с. 14-18.

2.Патент США Л 3106633, кл. 219- 75, 1963 (прототип).

/ J

8oi}a

Boffa