ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ТРЕХФАЗНЫЙ ПЛАЗМОТРОН
THREE-PHASE ELECTRIC ARC PLASMATRON

Изобретение относится к области электрофизики, а именно к электродуговым устройствам для получения низкотемпературной плазмы (плазмотронам).
Плазменные технологии, основанные на использовании трехфазных электродуговых плазмотронов в качестве источников низкотемпературной плазмы, являются весьма перспективными для многих отраслей промышленности, так как они позволяют увеличить рабочую температуру технологического процесса по сравнению с традиционными источниками тепла (топливные горелки) и тем самым повысить его эффективность.
Однако обязательным условием успешного внедрения плазменных технологий является обеспечение непрерывной работы плазмотрона (т.е. ресурса) в течение сотен, а иногда и тысяч часов. Это является весьма трудной задачей, так как электроды подвержены эрозии под действием опорных пятен дуги.
Прототипом предлагаемого изобретения является известный трехфазный плазмотрон типа «Звезда» (Плазмотроны: конструкции, характеристики, расчет / А.С. Коротеев, М.В. Миронов, Ю.С. Свирчук. - М.: Машиностроение, 1993). Этот плазмотрон содержит три дуговые камеры, каждая из которых содержит цилиндрический электрод, крышку, конфузор, электромагнитную катушку, основной завихритель рабочего газа, обеспечивающий положение дуги на оси плазмотрона, и дополнительный завихритель, расположенный вблизи торца электрода. Дуговые камеры через конфузоры (конические каналы) объединены смесительной камерой с выходным соплом. К дуговым камерам подводятся три фазы питающей электрической сети. В этом плазмотроне каждая дуга одним концом (ножкой) привязана к своему электроду, а другие концы дуг замыкаются между собой в нулевой точке в плазме, расположенной в центре смесительной камеры.
В плазмотронах этого типа ножка дуги вращается внутри электрода под действием газового вихря, образующегося внутри электрода при тангенциальной подаче рабочего газа через завихрители. Это приводит к уменьшению эрозии электрода и увеличению его ресурса. Однако, как показала практика эксплуатации таких «вихревых» плазмотронов, вращение ножки дуги газовым вихрем не может обеспечить приемлемый ресурс для плазмотронов большой мощности, например, 100 кВт и более из-за низкой скорости вращения ножки дуги.
Увеличение скорости вращения ножки дуги достигается за счет наложения осевого магнитного поля с помощью расположенной на электроде магнитной катушки и электромагнитного взаимодействия ножки дуги с магнитным полем. Однако при этом ножка дуги непрерывно бегает по узкому кольцу на электроде, что приводит к образованию канавки и отрицательно влияет на ресурс электрода.
Целью предлагаемого изобретения является увеличение ресурса электродов в электродуговом трехфазном плазмотроне.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в обеспечении равномерного возвратно-поступательного движения вдоль оси электрода ножки дуги с одновременным ее вращением.
Для достижения поставленной цели и обеспечения технического результата предлагается электродуговой трехфазный плазмотрон, содержащий три осесимметричные дуговые камеры, объединенные общей смесительной камерой, снабженной соплом, и коллектор подачи рабочего газа. Каждая дуговая камера содержит цилиндрический электрод, крышку, конфузор, электромагнитную катушку, основной и дополнительный завихрители для тангенциальной подачи рабочего газа. Плазмотрон содержит распределительное устройство, соединенное посредством трубопроводов одной стороной с коллектором подачи рабочего газа, другой стороной с дополнительными завихрителями дуговых камер. Причем распределительное устройство выполнено с возможностью плавного изменения расхода газа, подаваемого в дополнительные завихрители дуговых камер.
Распределительное устройство может быть выполнено в виде герметичного цилиндрического корпуса, внутри которого перпендикулярно его оси и соосно друг другу установлены перегородка в виде диска с двумя расположенными напротив друг друга дугообразными щелями и прижатый к перегородке обтюратор. Обтюратор содержит две симметрично расположенные лопасти в виде секторов с углом раскрытия 90° и выполнен с возможностью вращения. При этом длина каждой щели не превышает ј длины окружности перегородки.
Распределительное устройство может быть выполнено в виде герметичного цилиндрического корпуса, внутри которого перпендикулярно его оси и соосно друг другу установлены перегородка в виде диска с отверстиями, расположенными на одной окружности двумя противолежащими группами, и прижатый к перегородке обтюратор. Обтюратор содержит две симметрично расположенные лопасти в виде секторов с углом раскрытия 90° и выполнен с возможностью вращения, при этом каждая группа отверстий занимает не более ј длины окружности перегородки.
Перегородка и обтюратор могут быть выполнены из антифрикционного материала.
Обтюратор может быть соединен с электродвигателем.
На Фиг. 1 показана схема предлагаемого плазмотрона.
На Фиг. 2 показано принципиальное исполнение распределительного устройства.
На Фиг. 3 представлена перегородка распределительного устройства.
На Фиг. 4 показан обтюратор распределительного устройства.
Электродуговой трехфазный плазмотрон содержит три осесимметричные дуговые камеры, объединенные общей смесительной камерой 1, снабженной соплом (не показано), и коллектор 2 подачи рабочего газа. К дуговым камерам подводятся три фазы питающей электрической сети А, В, С. Каждая дуговая камера содержит цилиндрический электрод 3, крышку 4, конфузор 5, электромагнитную катушку 6, основной 7 и дополнительный 8 завихрители для тангенциальной подачи рабочего газа. Плазмотрон содержит распределительное устройство 9, соединенное посредством трубопроводов одной стороной с коллектором 2 подачи рабочего газа, другой стороной с дополнительными завихрителями 8 трех дуговых камер (см. Фиг. 1). Причем распределительное устройство 9 выполнено с возможностью плавного изменения расхода газа, подаваемого в дополнительные завихрители дуговых камер.
Распределительное устройство 9 представляет собой цилиндрический корпус 10, закрытый с торцов фланцами 11 со штуцером 12 для ввода и штуцерами 13 для вывода газа. Корпус 10 разделен на две полости неподвижной перегородкой 14 в виде диска. В первом варианте исполнения распределительного устройства в диске выполнены две расположенные напротив друг друга дугообразные щели 15, расположенные, например, на одной окружности и занимающие не более ј длины окружности перегородки 14 каждая. Во втором варианте исполнения распределительного устройства в диске выполнены две противолежащие группы отверстий 16, расположенные на одной окружности, причем каждая группа отверстий занимает не более ј длины окружности перегородки 14. Геометрические параметры каждой щели 15 или отверстия 16 выбираются из условия, чтобы изменение расхода газа, подаваемого в дополнительный завихритель 8 в течение цикла, не превышало 20%.
К неподвижной перегородке 14 прижат, например, пружиной 17 обтюратор 18 с двумя симметрично расположенными лопастями 19 в виде секторов с углом раскрытия 90°. Обтюратор 18 выполнен с возможностью вращения относительно перегородки 14, например, с помощью электродвигателя 20. Полость корпуса с обтюратором 18, соединена через штуцер 12 и трубопровод с коллектором 2 подачи рабочего газа, причем давление в коллекторе 2 поддерживается постоянным. Другая полость корпуса через штуцеры 13 и трубопроводы соединена с дополнительными завихрителями дуговых камер.
Устройство работает следующим образом.
Сначала включается водяное охлаждение всех теплонапряженных узлов. Затем рабочий газ из коллектора подается через основные завихрители, а также последовательно через распределительное устройство и дополнительные завихрители.
Попадая в распределительное устройство, рабочий газ заполняет полость корпуса распределительного устройства с обтюратором. Обтюратор распределительного устройства вращается и в течение каждого полуоборота плавно открывает щели или отверстия в перегородке, при этом расход газа через дополнительный завихритель каждой дуговой камеры увеличивается. Затем обтюратор плавно закрывает щели или отверстия, и расход газа уменьшается. Далее процесс повторяется.
Таким образом, распределительное устройство периодически плавно изменяет расход газа, подаваемый в дополнительный завихритель каждой дуговой камеры. При этом в каждый данный момент времени ножка дуги в каждой дуговой камере располагается в зоне встречи потоков газа от двух завихрителей, где осевая скорость газа близка к нулю. Периодическое плавное изменение расходов газа через завихрители приводит к равномерному возвратно-поступательному движению ножки дуги вдоль оси электрода в сочетании с ее непрерывным вращением, при этом существенно уменьшается эрозия электрода и, следовательно, увеличивается его ресурс.
Далее на электроды подается трехфазное рабочее напряжение, и с помощью системы поджига одновременно включаются дуги (дуговые разряды) во всех трех электродах. Процесс установления стационарного режима работы продолжается не более 1-2 с.
Образовавшиеся после поджига дуговые разряды движутся под действием потока газа и выдуваются в смесительную камеру, где замыкаются между собой, образуя нулевую точку в плазме. Затем через сопло смесительной камеры поток плазмы направляется потребителю.
Для уменьшения нагрева обтюратора и перегородки за счет трения при вращении обтюратора оба этих элемента выполняются из материала с низким коэффициентом трения - антифрикционного материала, например фторопласта. Кроме того, повышение температуры нагрева регулируется силой прижатия обтюратора к перегородке, создаваемой пружиной.
Конструкция предлагаемого изобретения помимо вращения ножки дуги обеспечивает ее возвратно-поступательное движение вдоль оси электрода, при этом существенно уменьшается эрозия электрода, а следовательно, увеличивается его ресурс.