ВЫСОКОВОЛЬТНАЯ ГАЗОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ РАЗВЯЗКА ТРАКТА ПОДАЧИ РАБОЧЕГО ТЕЛА ПЛАЗМЕННОГО УСКОРИТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)
HIGH-VOLTAGE GAS-ARC ISOLATION OF PLASMA ACCELERATOR ACTUATING MEDIUM SUPPLY TRACK (VERSIONS)

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к системам подачи рабочего тела, и может быть использовано в пневматических трактах доставки самых разнообразных газообразных рабочих тел (РТ) плазменным ускорителям и двигателям на их основе, а также в технологических источниках плазмы, применяемых для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в вакууме.
th
пр
Создание многорежимных плазменных двигателей большой мощности, способных работать в широком диапазоне параметров и характеристик, связано, кроме прочего, и с обеспечением их надежного функционирования на режимах с высоким удельным импульсом, что достигается при работе на высоковольтных режимах с разрядными напряжениями от 400 В и выше [Kristi de Gys, Christopher Rayburn, Fred Wilson, Jack Fisher, Lance Werthman and Vadim Khayms "Multi-Mode 4.5 kW BPT-4000 Hall Thruster Qualificatio Status", Presented at the 39 AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Huntsville, Alabama, 20-23 July 2003, AIAA-2003-4552]. При функционировании таких плазменных двигателей надежность их работы зависит в первую очередь от электрической изоляции и ее прочности разных электрических цепей как низковольтных, так и высоковольтных, находящихся во время работы под большой разностью их потенциалов. Наиболее критичным элементом конструкции плазменных ускорителей является газоэлектрическая развязка, размещаемая, прежде всего, в трактах подачи газообразного РТ различным компонентам и узлам, и имеющих большую разность потенциалов. К такой газоэлектрической развязке предъявляется ряд требований, одним из которых является обеспечение электрической разобщенности - прерывания электрической проводимости между входом и выходом герметичного металлического трубопровода магистрали подачи РТ. Одновременно с этим она должна удовлетворять требованию и по обеспечению электрической прочности тракта во время прохождения по нему РТ и надежно предохранять конструкцию от электрических пробоев, возникновение которых возможно между различными элементами конструкции, имеющими большую разность потенциалов. Возникновение электрических пробоев наиболее вероятно по газовой среде, протекающего потока РТ по внутренней полости тракта подачи, где напряжение пробоя зависит от давления газа в тракте подачи РТ и расстояния между электрически разобщенными электродами по зависимости U=f(pd) в соответствии с законом Пашена [М.Д.Гуревич, М.Д.Гуревич. Электровакуумные приборы. М., Военное издательство Министерства обороны Союза ССР, 1960, с.330-338].
Известна газоэлектрическая развязка тракта подачи рабочего тела плазменного ускорителя, содержащая пару изоляторов, на плоских торцах которых выполнены коаксиальные кольцевые проточки для прохода РТ, сообщающиеся по радиальным пазам, и одно сквозное отверстие в каждом из изоляторов, диэлектрическую проставку, размещенную между изоляторами, которые вместе заключены в металлическом корпусе, магистрали подачи и отвода РТ, а также металлические стержни, рассекающие канал прохода РТ на несколько подканалов [Белан Н.В. и др. Стационарные плазменные двигатели. Харьков, ХАИ, 1989, с.284].
Известная газоэлектрическая развязка тракта подачи РТ имеет ряд существенных недостатков:
- большие потери давления вследствие больших коэффициентов трения из-за поперечного расположения внутренних каналов в изоляторах, которые представляют собой крутоизогнутые участки относительно основного направления потока газа по тракту подачи РТ;
- низкие запасы электрической стойкости конструкции и, как следствие, ограниченность области применения по напряжениям разряда;
- недостаточная надежность из-за высокой вероятности возникновения электрических пробоев по газу в местах негерметичности стыков соединений между плоскими поверхностями неметаллических элементов конструкции (изоляторов) вследствие грубой шероховатости их поверхностей, обусловленной структурой исходного материала, процессом производства и трудностями по их последующей доводке таких поверхностей из-за высокой твердости материала;
- усложненность конструкции из-за большого количества элементов и, как результат, большая масса всей сборки.
Известна высоковольтная газоэлектрическая развязка тракта подачи рабочего тела плазменного ускорителя, принятая за прототип, содержащая по меньшей мере два изолятора с каналами прохода рабочего тела, размещенные в разрыве тракта подачи рабочего тела и соединенные между собой металлической проставкой [Патент РФ №2191289, кл. 6 Н05Н 1/54, F03Н 1/00].
Некоторые недостатки, присущие известному аналогу газоэлектрической развязки, частично устранены в выбранном прототипе. Так, за счет выполнения соединений металлических деталей и изоляторов из керамических материалов при помощи высокотемпературной вакуумной пайки [см., например, Патент РФ №2047665, кл. 6 С23С 4/10] удалось повысить надежность сборки путем обеспечения необходимой герметичности всех соединений развязки в целом.
Однако и такая газоэлектрическая развязка тракта подачи рабочего тела плазменного ускорителя имеет некоторые недостатки.
Во-первых, низкая надежность известной газоэлектрической развязки из-за недостаточных запасов электрической прочности изоляции при ее функционировании в расходном режиме газа, а одновременно с этим входная и выходная части тракта, относящиеся к разобщенным электрическим цепям и находящиеся под различными потенциалами, имеют большую разность потенциалов.
Во-вторых, сложность конструкции из-за избыточности деталей и элементов деталей узкоспециального назначения, к которым относятся:
- специальная дроссельная шайба, размещенная на выходе из газоэлектрической развязки и предназначенная для ограничения расхода газа и обеспечения перепада давления, способствующего снижению вероятности возникновения электрического пробоя в развязке;
- поперечная перегородка в проставке с проходными отверстиями, выполненными со смещением относительно продольной оси развязки, предназначенная для рассекания общего потока РТ на несколько частей и искривляющая таким образом движение газа на данном участке для исключения прямоточности протекания РТ между разнопотенциальными частями тракта, что наиболее критично для деталей, находящихся в прямой видимости относительно друг друга, которая зачастую предопределяется прямолинейной геометрией тракта РТ, что в конечном итоге позволяет придать движению газа зигзагообразность и тем самым увеличить протяженность траектории его протекания по внутреннему тракту с целью увеличения запасов электрической стойкости конструкции от электрических пробоев по газу.
Кроме того, недостатком такой конструкции является повышенное гидравлическое сопротивление тракта подачи РТ в целом из-за больших потерь давления газа, проходящего через смещенные отверстия от продольной оси в поперечной перегородке проставки вследствие больших коэффициентов трения потока газа, изгибающей его направление под углом 90° [И.Е.Идельчик. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. Ленинград, Госэнергоиздат, 1960 г., раздел.6].
При создании изобретения решались задачи по повышению надежности высоковольтной газоэлектрической развязки, концы которой при работе имеют большую разность потенциалов, функционирующую в широком диапазоне расходов газообразного рабочего тела и повышенных тепловых воздействиях, а также снижению гидравлических потерь потока РТ и трудоемкости изготовления.
Указанный технический результат достигается тем, что в высоковольтной газоэлектрической развязке тракта подачи рабочего тела плазменного ускорителя, содержащей по меньшей мере два изолятора с каналами прохода рабочего тела, размещенные в разрыве тракта подачи рабочего тела и соединенные между собой проставкой, согласно изобретению последующим по потоку рабочего тела размещен изолятор с меньшей площадью поперечного сечения канала для прохода рабочего тела в сравнении с предшествующим. Кроме того, в предшествующем изоляторе по потоку рабочего тела могут быть выполнены со смещением в радиальном направлении от продольной оси изолятора по меньшей мере два канала с суммарной площадью их поперечных сечений, большей по сравнению с площадью поперечного сечения по меньшей мере одного канала последующего изолятора.
1
2
1
2
Последовательное размещение нескольких изоляторов, чередующихся с электропроводящей проставкой, имеющих сквозные каналы с различной площадью их поперечных сечений, при котором последующим по потоку рабочего тела размещен изолятор с меньшей площадью поперечного сечения канала для прохода РТ в сравнении с предшествующим изолятором, что позволяет решить задачу по повышению ее надежности путем создания в локальной зоне развязки положительного градиента плотности газа по его потоку и снижения, тем самым, рисков возникновения электрических пробоев по газу - в направлении отрицательного градиента плотности газа, за счет организации на данном участке перепада давления газа (ΔР=Р-Р), где Р - давление газа на входе развязки, а Р - давление газа на ее выходе, что улучшает электрическую стойкость конструкции. Кроме того, такая сборка из последовательно соединенных изоляторов позволяет отдалить разнопотенциальные элементы конструкции, при которой может быть значительно увеличена суммарная протяженность вдоль внешних поверхностей элементов, что также снижает риски возникновения электрического пробоя во внешней области вдоль поверхностей газоэлектрической развязки.
Также для повышения надежности работы предназначена и электропроводящая проставка, как электрически активный элемент конструкции, но изолированный от всех других деталей и находящийся таким образом при работе под плавающим - постоянно изменяющимся по величине электрическим потенциалом, величина которого зависит от потенциала окружающей среды. Когда при работе входная и выходная части тракта подачи РТ находятся под различными потенциалами, то расположенная между ними проставка, являясь электропроводящим элементом, способна приобретать некоторый электростатический заряд, который способен перетекать через окружающую среду, например, по газу от близлежащего элемента электрической цепи с большим потенциалом, стремясь к выравниванию их потенциалов, что приводит к уменьшению исходной разницы потенциалов и вероятность электрического пробоя снижается.
Кроме того, выполнение в предшествующем изоляторе, расположенным первым по потоку рабочего тела, двух каналов со смещением их в радиальном направлении от продольной оси изолятора с суммарной площадью их поперечных сечений большей в сравнении с площадью поперечного сечения одного канала последующего изолятора, расположенного вторым по потоку газа, позволяет решить задачу по дополнительному увеличению запасов электрической стойкости конструкции газоэлектрической развязки, предназначенной для работы при больших разрядных напряжениях.
Уменьшение же количества деталей и упрощение их конфигурации позволяет решить задачи по минимизации габаритных размеров газоэлектрической развязки в целом и массы, а также повышению технологичности процессов изготовления деталей и ее сборки.
Указанный технический результат также достигается тем, что по другому варианту в высоковольтной газоэлектрической развязке тракта подачи рабочего тела плазменного ускорителя, содержащей по меньшей мере два изолятора с каналами прохода рабочего тела, размещенные в разрыве тракта подачи рабочего тела и соединенные между собой проставкой, согласно изобретению последующим по потоку рабочего тела размещен изолятор с большим гидравлическим сопротивлением в сравнении с предшествующим, при одинаковых в поперечных сечениях типоразмерах каналов изоляторов.
Основным преимуществом конструкции по другому варианту исполнения высоковольтной газоэлектрической развязки является простота обеспечения необходимого перепада давления, даже при одинаковом количестве каналов и их диаметров в обоих изоляторах, который может быть обеспечен за счет различной кривизны каналов или их ориентации относительно потока газа, что определяет их гидравлическое сопротивление. Данный эффект достигается за счет того, что во-первых, в первом по потоку газа изоляторе может быть выполнен соосный сквозной канал, реализующий простую схему прямоточного истечения газа, и во-вторых, во втором по потоку газа изоляторе канал может быть расположен с наклоном под углом относительно продольной оси развязки или выполнен в виде лабиринта с его кривизной в радиальном направлении, имеющей небольшие углы наклона относительно направления потока газа, который реализуется, например, при спиралеобразной форме канала с углом наклона менее 45° и большей протяженности при неизменных габаритных размерах изоляторов, при которой потери давления будут с одной стороны больше в сравнении с прямоточной схемой истечения сквозь первый изолятор, но при этом значительно меньше в сравнении с кривизной, равной или близкой к 90° реализованной в прототипе, что с точки зрения минимизации потерь давления проходящего газа является более предпочтительным.
Таким образом, реализация высоковольтной газоэлектрической развязки в трактах подачи газообразного рабочего тела плазменных ускорителей предлагаемых конструкций, согласно изобретению позволит обеспечить надежное функционирование более мощных плазменных двигателей на базе плазменных ускорителей, работающих в режимах высоких разрядных напряжениях.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На Фиг.1 показан продольный осевой разрез высоковольтной газоэлектрической развязки, размещенной в тракте подачи РТ на базе двух изоляторов с различными диаметрами их внутренних цилиндрических каналов для прохода РТ с соотношением ⌀d<⌀D и расположенные по потоку газа последовательно таким образом, что первым размещен изолятор с большим типоразмером внутреннего канала.
На Фиг.2 представлен продольный осевой разрез высоковольтной газоэлектрической развязки, установленной в тракте подачи РТ с двумя изоляторами с одинаковыми диаметрами их внутренних каналов для прохода РТ (⌀d'), но имеющих, из-за разного количества каналов, различную суммарную площадь поперечного сечения и расположенных по потоку газа последовательно таким образом, что первым размещен изолятор с большей суммарной площадью поперечных сечений внутренних каналов по сравнению с площадью поперечного сечения одного канала, имеющего кривизну, например, спиралеобразной формы [Патент РФ №2091990, кл. 6 Н05Н 1/54, F03Н 1/00].
Другой вариант конструкции аналогичен представленному на Фиг.2, отличающийся тем, что в каждом из изоляторов выполнено по одному каналу РТ с одинаковым типоразмером d', но имеющих различную кривизну относительно входящего потока газа.
Высоковольтная газоэлектрическая развязка тракта подачи рабочего тела плазменного ускорителя содержит последовательно размещенные два изолятора: первый по потоку газа (предшествующий) 1 и второй по потоку газа (последующий) 2, с каналами для прохода РТ 3 (с типоразмером ⌀D) и 4 (с типоразмером ⌀d), соответственно, которые последовательно размещены в разрыве тракта 5 подачи РТ и соединены между собой через проставку 6, электрически нейтральную в исходном неработающем состоянии устройства.
В другом варианте высоковольтная газоэлектрическая развязка тракта подачи рабочего тела плазменного ускорителя также содержит последовательно размещенные два изолятора 1 и 2 по одному каналу в каждом для прохода РТ 3 и 4 и одинаковым типоразмером ⌀d'.
Высоковольтная газоэлектрическая развязка тракта подачи РТ при работе плазменного ускорителя функционирует следующим образом.
В тракт подачи рабочего тела 5 поступает рабочий газ, который последовательно проходит сквозь элементы газоэлектрической развязки. Газ подводится со стороны входной части тракта 5а и попадает в больший канал 3 (⌀D) первого по потоку газа изолятора 1 (предшествующий). После чего газ попадает в полость проставки 6, находящейся при работе плазменного ускорителя под плавающим потенциалом окружающей среды. Минуя полость проставки 6, газ поступает далее в более меньший канал 4 (⌀d) во втором по потоку газа изолятора 2 (последующий), на выходе из которого газ через выходную часть тракта 5б уходит к потребителям РТ плазменного ускорителя.
В другой конструкции газоэлектрической развязки, когда в предшествующем изоляторе 1 выполнено несколько каналов (d′), смещенных от продольной оси развязки, входящий поток газа рассекается на несколько частей, на выходах из которых потоки газа попадают в объединяющую их вновь полость проставки 6. После чего газ проходит через спиралеобразный канал 4 изолятора 2, пройдя через который выходит, направляясь к потребителям.
При функционировании плазменного ускорителя часть тракта 5б, имея электрическую связь с анодом плазменного ускорителя, будет находиться соответственно под анодным потенциалом, который также при работе одновременно выполняет функцию и газораспределителя подаваемого газа в разрядный (ускорительный) канал, тогда как часть тракта 5а остается под потенциалом корпуса ускорителя, что, как правило, делается для безопасной организации подачи РТ от внешних источников подачи и хранения РТ. Наличие же проставки 6, электрически изолированной от всех других элементов конструкции и находящейся таким образом во время работы плазменного ускорителя под плавающим потенциалом, затрудняет возникновение и распространение электрических пробоев между различными элементами высоковольтных и низковольтных цепей.
При другом варианте исполнения конструкции высоковольтной газоэлектрической развязки, когда в разных изоляторах 1 и 2 выполнены по одному каналу одного типоразмера d', но с различной кривизной относительно потока газа для реализации разных схем истечения газа для обеспечения различных гидравлических сопротивлений, работа осуществляется аналогично описанной для предыдущего устройства.
Промышленная реализуемость предложенного изобретения экспериментально подтверждена изготовлением опытных образцов различных вариантов исполнений высоковольтных газоэлектрических развязок, надежно функционирующих при напряжениях до 1500 В и выше, что достигнуто за счет существенного увеличения суммарной протяженности канала для прохода РТ через несколько последовательно соединенных изоляторов при относительно небольших геометрических размерах всей сборки такой развязки.