2018-03-09
133
В плазмотронах линейной схемы с целью увеличения ресурса работы электродов, а также для поддержания постоянной средней длины дуги используется магнитное управление ее радиальными участками. Один из способов магнитного управления состоит в наложении на заданный участок электрода внешнего аксиального магнитного поля, постоянного во времени. Осевая составляющая такого поля, взаимодействуя с радиальным участком дуги, заставляет его перемещаться в азимутальном направлении. Это приводит в конечном итоге к сокращению времени, когда пятно дуги остается неподвижным и, следовательно, к уменьшению локального перегрева поверхности под пятном, к снижению удельной эрозии электродного материала, а также к равномерному распределению эрозии по поверхности.
Магнитная фиксация привязки электрической дуги в заданном сечении электрода, производимая с целью поддержания средней длины дуги постоянной, требует наличия существенно неоднородного вдоль оси магнитного поля. Устройства, создающие такие поля, называются магнитными линзами. При этом должны быть согласованы взаимные направления тока на замыкающем участке дуги и магнитного поля линзы с тем, чтобы возникающая при их взаимодействии пондеромоторная сила 
, действующая на элемент дуги длиной 
, была направлена к середине линзы /1/. При наличии сравнительно слабых магнитных полей это требование выполняется, если соблюдается следующее простое правило:
- направление внешнего магнитного поля на оси линзы должно совпадать на катоде с направлением поступательного движения левого винта при вращении его в сторону газового вихря, на аноде - с направлением поступательного движения правого винта при вращении его также в сторону газового вихря.
Таким образом, направления магнитных полей, созданных катодным и анодным соленоидами, должны быть взаимно противоположными.
При проектировании магнитных систем необходимо знать оптимальные значения напряженности магнитных полей, которые необходимо накладывать на электроды в местах привязки дуги. Экспериментальные исследования показывают, что при давлениях в канале плазмотрона, близких к атмосферному, и использовании в качестве рабочего газа воздуха, аргона, азота, водорода и гелия минимальная величина эрозии наблюдается в диапазоне токов 200…1000 А при магнитной индукции на оси электрода (магнитной системы) порядка 0,04…0,08 Тл.
При повышенных давлениях порядка 100×105 Н/м2 и более положительные результаты дает применение поля с индукцией на оси электрода 0,2…0,3 Тл.
Указанные значения магнитной индукции могут быть получены с помощью соленоида, расположенного на внешней поверхности электрода, либо с помощью кольцевого постоянного магнита, имеющего продольную намагниченность. Применение постоянного магнита позволяет получать поля с индукцией до 0,05 Тл, а соленоиды позволяют охватить весь возможный диапазон.
При проектировании плазмотрона после разработки его конструкции можно задать внутренний радиус соленоида 
и оценить его возможные размеры: наружный радиус 
и длину 
(см. рис. 7).
При определении размеров соленоида необходимо задаться диаметром трубки 
,(
– для однослойного соленоида), разместить витки вдоль оси соленоида 
, оценить количество слоёв витков соленоида 
и величину плотности тока в нём.
Необходимо определить коэффициент заполнения сечения соленоида s, равный отношению площади проводника к полной площади поперечного сечения обмотки соленоида. В целях лучшего охлаждения соленоида рекомендуется коэффициент заполнения приблизительно равный 0,5.
Расчет соленоида или постоянного магнита сводится к определению напряженности поля на его оси в зависимости от конструктивных размеров и величины тока, либо (при заданной напряженности магнитного поля) - к определению конструктивных размеров соленоида. Если соленоид включается последовательно с дугой, то величина тока в соленоиде оказывается уже задана. Напряженность поля в центре (на оси) однослойного соленоида 
, (96)
где 
- ток в витках соленоида; l - длина соленоида, 
- средний радиус соленоида, 
- напряженность магнитного поля в центре магнитной системы, n - число витков соленоида.
В случае многослойного соленоида (рис. 7) с постоянной по сечению плотностью тока 
формула (96) видоизменяется:
, (97)
где 
- плотность тока в сечении соленоида, (98)
Плотность тока в соленоиде ограничена величиной тепловой мощности, которая может быть отведена от системы без чрезмерного ее перегрева. Для соленоидов без принудительного охлаждения эта величина должна быть не более 5×104 А/м2. Поэтому, как правило, в плазмотронах применяются соленоиды с водяным охлаждением.
Задачей теплового и гидравлического расчета соленоида является определение необходимого количества охлаждающей воды, теплового режима проводника и гидравлических потерь в системе охлаждения. Ниже приведена схема расчета токопровода с равномерным по всей длине тепловыделением.
Исходными являются тепловые потери, выделяемые при протекании тока через соленоид 
, (99)
где сопротивление проводника 
зависит от температуры обмотки, которая в начале расчета неизвестна. Поэтому можно определить ее величину для 20°C с последующей корректировкой по результатам расчета. Здесь 
- длина и площадь сечения проводника соленоида, 
- удельное электрическое сопротивление материала обмотки соленоида (для меди = 0,0175×10-6 Ом×м при 20°C).
Вначале должна быть задана температура воды на входе в соленоид 
и допускаемый подогрев воды 
. Тогда расход охлаждающей воды определяется из соотношения
, (100)
где 
- удельная теплоемкость воды, а скорость жидкости равна 
, (101)
где 
- проходное сечение канала, 
- плотность воды.
При необходимости следует провести расчет охлаждения соленоида аналогично расчету охлаждения электродов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Приведенная методика позволяет определить проектные размеры всех основных элементов конструкции и основные характеристики плазмотронов с газовой стабилизацией разряда для рассмотренных схем организации процесса и рассмотренных рабочих тел. Методика может быть использована для других рабочих тел, если появятся соответствующие обобщённые зависимости для ВАХ и других процессов. Методика также может быть, в принципе, использована и для расчёта плазмотронов с другими способами стабилизации разряда при использовании характерных для них математических моделей.
Методика базируется на обобщённых математических моделях процессов и позволяет определить основные характеристики плазмотрона в целом. При необходимости на базе полученных характеристик могут быть использованы модели более высокого уровня для боле детального расчёта и оптимизации отдельных элементов конструкции и процессов.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица 1.1
Вольт-амперные характеристики однокамерных плазмотронов со стержневым (торцевым) катодом и цилиндрическим анодом
| Рабочее вещество | Схема 1. Однокамерный;
Катод – стержневой;
Анод – цилиндрический
| Условия определения зависимости | Источник |
| Воздух | 
|
| 4, 5 |
| |||
| |||
| Азот | 
|  
| 3 |
| Аргон | 
| 
| 2, 3 |
| 
| 3 | |
| Водород | 
|   
| 4, 5 |
|
| 3 | |
| Гелий | 
|
| 3 |
| Водяной пар | 
|
Таблица 1.2
Вольт-амперные характеристики однокамерных плазмотронов со цилиндрическим катодом и цилиндрическим анодом
| Рабочее вещество | Схема 2. Однокамерный; Катод - цилиндрический; Анод - цилиндрический.
| Условия определения Зависимости | Источник |
| Воздух | 
|  
| 3 |
| Азот | 
| Те же | 5 |
| - " - | 3 | |
| Аргон | 
| - " - | 3 |
| Водород | 
| - " - | 3 |
| Гелий | 
|  
| 3 |
| Метан |  ; 
|   
| 4 |
|   
| 4 | |
| Кислород | 
|  
| 3 |
Расход 
в формулах для метана – объемный в 
, т.е. в «нормальных» кубометрах (при нормальном давлении p = 105 Па) в секунду.
Таблица 1.3
Вольт-амперные характеристики двухкамерных плазмотронов со цилиндрическим катодом и цилиндрическим анодом
| Рабочее вещество | Схема 3. Двухкамерный; Катод - цилиндрический; анод - цилиндрический.
| Условия определения зависимости | Источник |
| Воздух | 
|
| 4 |
|
Таблица 2
Напряженность электрического поля в гладком канале плазмотрона
| Рабочее вещество | Расчетная зависимость | Условия определения зависимости | Источник |
| Воздух | 
| 
| 1 |
| Азот |  
| 
| |
| Аргон |  
| 
|
|
| 
| ||
| Водород |  
| 
| |
| Гелий |  
| 
| |
| Водяной пар |  
|    
| 5 |
Таблица 3
Характеристики конвективного теплообмена
| Рабочее вещество | Расчет удельного теплового потока q по критерию Стантона St | Расчет удельного теплового потока q по критерию Нусельта Nu /7/ |
|  
| |
| Воздух |  
  ; /6/
  .
| 
|
| Азот |  
|
|
| Аргон | 
|
|
| Водород | 
| |
| Гелий |
| |
 – длина анода или элемента плазмотрона, для которого определяется 
| d – по диаметру канала f – при среднемассовых параметрах (на выходе) |
Таблица 4
Характеристики катодов /2/
| Характеристики | Катод цилиндрический; Шифр 1;
| Катод торцевой; Шифр 2;
| Катод торцевой; Шифр 2;
| Катод стержневой; Шифр 3;
| ||||||
| Материал | Cu | Сталь | W | W+La | W+Th | Zr | Hf | W | W+La | W+Th |
| 
| 
|
|
|
| |||||
| 2...3 | 1...3 | 1...3 | 1...3 | ||||||
|
|
|
|
| ||||||
Падение потенциала 
| 12...13 | 16...17 | 25...8 | 7...8 | 7...8 | 25...8 | 7...8 | |||
Вольтов эквивалент 
| 5...8 | 2,5 - воздух, He 3,0 - Ar | 2,3 | 1,0...1,5 (3,0) | ||||||
Удельная эрозия 
|
|
|
|
| ||||||
- диаметр канала катода.
- длина вставки.
Таблица 5
Характеристики анодов
| Параметр | Схемы анодов | ||
цилиндрический; шифр 1;
 - диаметр канала;
 - диаметр анода; - длина анода.
| диффузор; шифр 2;
- диаметр анода;
 - диаметр на выходе;
- длина анода.
| конфузор; шифр 3;
- диаметр анода;
- диаметр на выходе;
- длина анода.
| |
| 
| 
|
|
| 
| 
| 
|
| 
| 
| 
|
| 8…17 | 8…17 | 8…17 |
| 6…7 | 6…7 | 6…7 |
| 10-9…10-10 | 10-9…10-10 | 10-9…10-10 |
Таблица 6
Характеристики анодов в различных газах
| Рабочее вещество |
|
|
|
| ||||
| Медь | Сталь | Медь | Сталь | Медь | Сталь | Медь | Сталь | |
| Воздух | 9…11 | 6…8 | 5…7 | 6…8 | 10-9…10-10 | 22…24 | 22…26 | |
| Азот | 17 | 6 | 10-9…10-10 | |||||
| Аргон | 9…12 | 6 | 10-10 | |||||
| Водород |
| 6…16 | 10-9…10-10 | |||||
| Гелий |
| 6 | 10-10 | |||||
Таблица 7
Значения коэффициента 
/11/
|
|
| ||||||||
| 1 | 2 | 5 | 10 | 15 | 20 | 30 | 40 | 50 | |
| 1×104 | 1,65 | 1,50 | 1,34 | 1,23 | 1,17 | 1,13 | 1,07 | 1,03 | 1,00 |
| 2×104 | 1,51 | 1,40 | 1,27 | 1,18 | 1,13 | 1,10 | 1,05 | 1,02 | 1,00 |
| 5×104 | 1,34 | 1,27 | 1,18 | 1,13 | 1,10 | 1,08 | 1,04 | 1,02 | 1,00 |
| 1×105 | 1,28 | 1,22 | 1,15 | 1,10 | 1,08 | 1,06 | 1,03 | 1,02 | 1,00 |
| 1×106 | 1,14 | 1,11 | 1,08 | 1,05 | 1,04 | 1,03 | 1,02 | 1,01 | 1,00 |
