Электродуговые плазмотроны: разработки, применение

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 24 Февраля 2014 в 10:49, реферат

Описание работы

− Первые плазмотроны, предназначенные для исследования газодинамических па-
раметров, параметров тепло- и массообмена, механизмов разрушения металли-
ческих и композиционных материалов конструкций были разработаны в 60-х го-
дах прошлого столетия в СССР и США и получили достаточно широкое распро-
странение в ракетно-космической промышленности.
Принцип действия плазмотрона достаточно простой: поскольку электрическая
дуга имеет очень высокую температуру, достигающую десятков тысяч градусов, то
при взаимодействии дуги с рабочим газом происходит его интенсивный нагрев.
Для электропитания дуги может использоваться как постоянный, так и пере-
менный ток. В настоящее время подавляющее большинство плазмотронов работает
на постоянном токе.

Скачать архив (168.93 Кб) Сколько стоит заказать работу?
Файлы: 1 файл

plazmotron.pdf

— 235.93 Кб (Скачать файл)
Page 1
Электродуговые плазмотроны: разработки, применение.
Андрей Голиков, начальник сектора, к. т. н.
Юрий Кочетков, начальник отделения, д. т. н.
Юрий Свирчук, ведущий научный сотрудник, д. т. н.
Владимир Федотов, ведущий инженер.
− Первые плазмотроны, предназначенные для исследования газодинамических па-
раметров, параметров тепло- и массообмена, механизмов разрушения металли-
ческих и композиционных материалов конструкций были разработаны в 60-х го-
дах прошлого столетия в СССР и США и получили достаточно широкое распро-
странение в ракетно-космической промышленности.
Принцип действия плазмотрона достаточно простой: поскольку электрическая
дуга имеет очень высокую температуру, достигающую десятков тысяч градусов, то
при взаимодействии дуги с рабочим газом происходит его интенсивный нагрев.
Для электропитания дуги может использоваться как постоянный, так и пере-
менный ток. В настоящее время подавляющее большинство плазмотронов работает
на постоянном токе. Эта ситуация обусловлена тем фактором, что дуга постоянного
тока в принципе горит более устойчиво по сравнению с дугой переменного тока. Дей-
ствительно, протекающий через дугу переменный ток два раза за период проходит
через нуль. Иными словами, можно считать, что дуга периодически погасает и зажи-
гается вновь. Поэтому для устойчивого горения дуги переменного тока необходимо
обеспечить условия для ее повторного зажигания после перехода тока через нуль.
Самым распространенным способом обеспечения устойчивого горения дуги пере-
менного тока является включение последовательно с дугой катушки индуктивности.
В то же время идея питания дуги в плазмотроне переменным током выглядит
весьма привлекательной по следующим причинам:
• Источниками постоянного тока являются, как правило, выпрямительные уст-
ройства, снабженные специальными электронными регуляторами, которые
обеспечивают устойчивое горение дуги. Для плазмотронов мегаваттного и муль-
тимегаваттного уровней такие устройства превращаются в очень сложные и
главное, дорогие сооружения, стоимость которых намного превышает стоимость
самих плазмотронов. Плазмотроны переменного тока не требуют для питания
никаких специальных устройств, они подключаются к промышленной трехфаз-
ной сети через катушки индуктивности. Коммутационная аппаратура этих сетей
проста и надежна, а их мощность практически не ограничена.
• Известно, что в плазмотронах постоянного тока ресурс катода обычно в не-
сколько раз ниже ресурса анода. В плазмотронах переменного тока катод и анод
меняются местами с частотой сети (50Гц), поэтому при прочих равных условиях
ресурс электродов плазмотрона переменного тока примерно в два раза выше ре-
сурса электродов плазмотрона постоянного тока.
ФГУП «Исследовательский центр им. М.В. Келдыша» разрабатывает и изго-
тавливает плазмотроны типа «Звезда». Такие плазмотроны выполнены по модульно-
му принципу и по сути состоят из трех отдельных однодуговых плазмотронов, объе-
диненных общей смесительной камерой с выходным соплом, что наглядно демонст-
рирует фотография такого плазмотрона мощностью 1МВт. Каждый плазмотрон пита-
ется от одной фазы трехфазной сети. Одинаковые условия горения каждой дуги обес-
печивают равномерную загрузку трехфазной сети. Основной отличительной особен-
ностью плазмотронов типа «звезда» является то, что все три дуги замыкаются между
собой в центре смесительной камеры по схеме «звезда», образуя плазменную нуле-
Page 2

вую точку. Таким образом, в этом плазмотроне горят три дуги, однако он содержит
только три электрода вместо шести.
Все узлы плазмотрона охлаждаются водой.
Дальнейшим развитием плазмотронов этого типа является схема «шестилуче-
вая звезда». Такой плазмотрон состоит из шести отдельных однофазных плазмотро-
нов, объединенных общей смесительной камерой, внутри которой все шесть дуг за-
мыкаются между собой. Преимущество такой схемы заключается в том, что при оди-
наковой мощности величина тока в каждой дуге шестилучевого плазмотрона вдвое
меньше по сравнению с трехлучевой схемой.
Основные преимущества плазмотронов типа «Звезда» следующие:
• Однородные распределения температур и давлений в выходном сечении со-
пла.
• Симметричная загрузка трехфазной сети.
• Модульная конструкция позволяет увеличивать мощность плазмотрона за
счет роста числа модулей.
В процессе создания и отработки плазмотронов «Звезда» был решен ряд про-
блем, обеспечивающих их устойчивую работу в широком диапазоне выходных пара-
метров.
1) Была изучена задача о вращении приэлектродного участка дуги (ножки ду-
ги) под действием магнитного поля катушки. Показано, что электромагнитная сила,
возникающая при взаимодействии постоянного магнитного поля катушки с перемен-
ным током дуги, каждый полупериод дуги меняет знак. При этом меняется направле-
ние вращения ножки дуги. В те полупериоды, когда ножка дуги и газовый вихрь вра-
щаются в разные стороны, действующая на ножку аэродинамическая сила возрастает
и замедляет ее вращение вплоть до ее остановки. Такое встречное взаимодействие
может приводить к ослаблению газового вихря и ухудшению стабилизации дуги на
оси.
2) Исследовалась газодинамическая структура потока как внутри камеры
смешения, так и за срезом сопла. Показано, что при движении в соседних электродах
потоков воздуха, вращающихся в противоположных направлениях, суммарное дви-
жение в камере смешения формируется в виде парных вихрей и является устойчивым.
При одинаковом направлении вращения возникает режим интенсивного перемешива-
ния потоков, что в определенных случаях приводит к срыву дуги.
При организации устойчивого течения в камере смешения формируется ус-
тойчивая выходная струя. При этом в процессе эксперимента наблюдается четкая
стационарная система скачков уплотнения.
Рис 1. Плазмотрон мощностью 1 МВт
Page 3

Рис 2. Плазмотрон мощностью 20 МВт
На рис. 1 и 2 представлены фотографии плазмотронов мощностью 1 МВт и 20
МВт соответственно.
В таблице для иллюстрации приведены некоторые значения параметров, по-
казывающие диапазон характеристик плазмотронов типа «звезда» Центра Келдыша.
Характеристики плазмотронов типа «звезда».
№
п/п
U
 с
 кВ
I
кА
S
МВт
N
МВт
G
кг/с
P
МПа
Т
К
η
 t
 d
см
10
6
0,13 1,35
0,2
0,03
0,3
3700 0,77
1,4
3
14
6
0,62
6,4
1,0
0,05
0,3
4600 0,42
2,0
3
15
6
0,69
7,2
1,6
0,07
0,9
5700 0,46
1,4
3
31
10
0,73 12,6
5,9
0,69
1,6
3900 0,66
3,0
3
60
10
0,73 26,5 11,4 0,36
4,2
4500 0,22
1,4
6
64
10
0,92 33,4 15,0 0,97 10,5 4000 0,28
1,4
6
88
10
0,77 28,0 14,2 1,63 11,5 3800 0,48
1,7
6
93
10
0,83 30,2 14,6 1,93
4,3
3700 0,56
3,0
6
Здесь U
 c
 – линейное сетевое напряжение; I – ток дуги; S=
 3
 U
 c
 I – полная
мощность; N – суммарная мощность, вкладываемая в дуговые разряды; G – суммар-
ный расход рабочего газа; Р – давление в смесительной камере; Т – температура газа
в смесительной камере; η
 t
 – термический КПД (отношение тепловой мощности вы-
ходной струи к вкладываемой мощности); d – диаметр горла выходного сопла; n –
число дуговых камер.
В настоящее время в мире наметилась тенденция использования плазмотро-
нов для переработки промышленных, бытовых и медицинских отходов. За счет высо-
кой температуры, которую обеспечивают плазмотроны, можно значительно улучшить
глубину переработки отходов и снизить количество вредных выбросов. Применение
плазмотронов "Звезда" для этих целей является весьма перспективным. В Центре
Келдыша проводятся работы в этом направлении и создан прототип соответствующей
установки для переработки отходов.
Page 4

На рис. 3 представлена фотография установки для плазмохимической перера-
ботки экологически опасных отходов.

Информация о работе Электродуговые плазмотроны: разработки, применение