ТРЕХФАЗНЫЙ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМОТРОН И СПОСОБ ЕГО ЗАПУСКА
THREE-PHASE ELECTRIC ARC PLASMA GENERATOR AND METHOD FOR START-UP THEREOF

Предлагаемая группа изобретений относится к области электрофизики, а именно к устройствам для нагрева газов с получением низкотемпературной плазмы (плазмотронов) и способам их запуска. Предлагаемый трехфазный плазмотрон предназначен для нагревания газов до высоких температур в дуговых разрядах, которые, будучи подключены к трем фазам высоковольтной сети переменного тока, замыкаются между собой, образуя, таким образом, соединение электрических нагрузок в звезду. В качестве рабочего тела плазмотрона могут использоваться как чистые газы (азот, аргон, гелий, углекислый газ и др.), так и смеси газов - в частности, воздух. Плазмотрон может использоваться в различных высокотемпературных технологических процессах, которые требуют больших расходов газа и, соответственно, больших мощностей нагрева. Также сферой возможного использования являются технологии, которые требуют таких температур, которые не могут быть получены в омических нагревателях газа или при сжигании различного рода топлив. Кроме того, плазмотрон способен обеспечивать большие тепловые потоки, которые необходимы при испытании теплозащитных материалов, в частности, в аэрокосмической отрасли.
Известен принцип работы и конструктивное исполнение трехфазного плазмотрона переменного тока, они описаны, в частности, в книге «Плазмотроны: конструкции, характеристики, расчет/А.С. Коротеев, М.В. Миронов, Ю.С. Свирчук. - М.: Машиностроение, 1993» (с. 35-39, 59-60) - прототип. Известный плазмотрон содержит три дуговые камеры и одну общую смесительную камеру. Каждая дуговая камера включает электрод - цилиндрический участок и сужающийся участок - конфузор. Электрод и конфузор соединены через основной узел ввода газа, одновременно являющийся изолятором, в котором имеются сопла для тангенциального подвода рабочего газа. Кроме того, основной узел ввода газа выполнен таким образом, что через него в дуговую камеру может проходить электрод для поджигания дуговых разрядов от независимого высоковольтного источника. На электродах установлены магнитные катушки для вращения ножки дугового разряда по внутренней поверхности электрода. Дуговые камеры присоединены к смесительной камере, а с другой стороны закрыты фланцем (затыльником), который соединен с электродом через второй изолятор, одновременно являющийся дополнительным узлом ввода газа. Дополнительный узел ввода газа также снабжен соплами для тангенциального подвода рабочего газа. К смесительной камере по оси, перпендикулярной осям дуговых камер, с одной стороны присоединено выходное сопло, а с другой стороны - заглушка, в которой имеется отверстие для измерения давления в камере (заборник давления). Электроды, конфузоры, смесительная камера, выходное сопло, заборник давления независимо подключены к системе водяного охлаждения.
Из указанного источника известен также способ запуска плазмотрона, который заключается в следующем: сначала включают охлаждение независимо каждого теплонапряженного узла (электродов, конфузоров, смесительной камеры, выходного сопла) и подачу рабочего газа. Затем на электроды подают напряжение и одновременно в каждой дуговой камере от специального источника поджигают вспомогательный высокочастотный маломощный разряд между конфузором и игольчатым вольфрамовым электродом, вводимый через основной узел подачи газа. Высокочастотный разряд замыкает промежуток электрод - конфузор, и под действием приложенного высоковольтного напряжения происходит пробой этого промежутка с образованием дугового разряда (дуги).
Известная конструкция трехфазного плазмотрона переменного тока имеет ряд недостатков:
1) большое количество шлангов водяного охлаждения, находящихся под различными потенциалами, снижает удобство эксплуатации плазмотрона и надежность его работы, поскольку возрастает риск электрических пробоев;
2) требуется дополнительный высоковольтный источник для зажигания дуг плазмотрона; вспомогательный электрод, через который идет зажигание, является ненадежным элементом конструкции, так как он подгорает;
3) изолятор, который одновременно является завихрителем для ввода газа, имеет прочность ниже металлических узлов плазмотрона и не позволяет плазмотрону работать при больших давлениях в камере;
4) плазмотрон не позволяет достаточно точно и в широких пределах регулировать температуру газа на выходе: например, при увеличении расхода газа при том же токе разряда возрастает дуговая мощность и температура меняется незначительно.
Кроме указанных недостатков, весьма критичным является способ герметичного соединения отдельных узлов плазмотрона. Распространенное в известных конструкциях применение стягивающих шпилек приводит, при наличии термодеформаций, к необратимому изменению размеров зажатых между шпильками деталей. Особенно опасно это для смесительной камеры, так как делает ее непригодной для использования и может привести к серьезным авариям.
Технической задачей, решение которой обеспечивает предлагаемая группа изобретений, заключается в обеспечении удобства эксплуатации с возможностью регулирования выходных параметров газа в широких пределах.
Технический результат предлагаемой группы изобретений заключается в повышении надежности работы плазмотрона.
Для решения указанной технической задачи и обеспечения технического результата предлагается трехфазный электродуговой плазмотрон, включающий три дуговые камеры, каждая из которых содержит охлаждаемый электрод, конфузор, основной и дополнительный узлы ввода газа с тангенциальными соплами (завихрители), при этом электроды подключены к трем различным фазам сети переменного тока. На каждом охлаждаемом электроде установлена электромагнитная катушка в виде соленоида, дуговые камеры герметично соединены с общей смесительной камерой, имеющей выходное сопло, центральная продольная ось которого перпендикулярна центральным продольным осям дуговых камер. Основные и дополнительные узлы ввода газа (завихрители) выполнены металлическими. В каждой дуговой камере основной узел ввода газа соединен с охлаждаемым электродом через изолятор, на стороне основного узла ввода газа, обращенной внутрь дуговой камеры, выполнен выступ, причем расстояние между выступом и торцом электрода выбрано так, что фазное напряжение питающей сети при включении плазмотрона достаточно для пробоя газа внутри дуговой камеры.
Конфузоры, смесительная камера и ее выходное сопло могут иметь общий контур охлаждения, образованный последовательно соединенными каналами охлаждения и подключенный к входному и выходному коллекторам хладагента, причем все элементы данного контура заземлены. Электроды могут быть снабжены каналами охлаждения, соединенными с коллекторами хладагента независимо с помощью электроизоляционных трубопроводов.
Диаметры сопел основного узла подачи газа могут быть выбраны так, что вводимый через него расход газа составляет 70-90% от суммарного расхода газа, подаваемого в дуговую камеру.
Плазмотрон может иметь дополнительную камеру, выполненную с возможностью установки за соплом смесительной камеры. Причем дополнительная камера снабжена выходным соплом и технологическими отверстиями для подачи газа.
Смесительная камера может быть выполнена в виде полого цилиндра из единой металлической заготовки, в которой выполнены каналы охлаждения. На торцевых поверхностях смесительной камеры могут быть независимо закреплены уплотнительные элементы для герметизации газовой полости и полости хладагента смесительной камеры.
Каждый электрод может быть снабжен рубашкой охлаждения, содержащей силовой фланец со стороны, обращенной к смесительной камере, при этом дуговые камеры соединены со смесительной камерой с помощью шпилек с резьбой, вставляемых в отверстия в указанных силовых фланцах через электроизоляционные втулки.
Предложен также способ запуска указанного выше трехфазного электродугового плазмотрона, при котором включают охлаждение, подают расход газа в дуговые камеры и подают фазное напряжение, зажигают дуговые разряды. При этом после включения охлаждения в дуговые камеры плазмотрона сначала подают предварительный расход газа, при котором подаваемое фазное напряжение достаточно для пробоя газа между выступом основного узла ввода газа и торцом электрода. А после зажигания дуговых разрядов подают номинальный расход газа в дуговые камеры.
В предлагаемой конструкции плазмотрона отсутствует блок высоковольтного зажигания, горение дуговых разрядов начинается непосредственно при подаче предварительного расхода газа и фазного напряжения. Разделение функций завихрителя и изолятора и выполнение завихрителя из металла повышает прочность плазмотрона и позволяет надежно работать при высоких давлениях. Кроме того, металлический завихритель устойчив к радиационным тепловым потокам, которые увеличиваются при росте давления в плазмотроне.
Предлагаемый способ запуска плазмотрона также обеспечивает надежность его работы, поскольку при его осуществлении не требуется дополнительный высоковольтный источник для зажигания дуг плазмотрона, цепь зажигания которого ненадежна - в ней, в частности, подгорает электрод, возможны нежелательные шунтирования высокого напряжения.
Измененная конструкция системы охлаждения плазмотрона, в которой хладагент последовательно проходит конфузоры, сопло, смесительную камеру и заборник давления позволяет резко сократить количество шлангов системы охлаждения и отделить в пространстве высоковольтные зоны от узлов с потенциалом земли.
Подача основной массы газа (70-90%) в основной завихритель, расположенный между электродом и конфузором, позволяет получать более длинные дуги, тем самым увеличивается мощность нагрева газа.
В предлагаемой конструкции плазмотрона использовано независимое друг от друга закрепление различных узлов на смесительной камере. Это позволяет обеспечивать герметичность конструкции при термодеформациях камеры, а также избежать появления пластических деформаций.
Оснащение плазмотрона дополнительной камерой, которая установлена за выходным соплом основной смесительной камеры, позволяет осуществлять балластирование расхода газа, идущего через дуговые разряды, дополнительным расходом холодного газа. Это позволяет точно и в широких пределах регулировать параметры газового потока на выходе. Кроме того, дополнительная камера может использоваться для испытаний в ней материалов и решения различных технологических задач, что расширяет функциональные возможности плазмотрона. Дополнительная камера имеет собственную систему охлаждения, что позволяет измерять тепловые потоки в стенке данной камеры.
На фигуре показана одна из трех симметрично расположенных дуговых камер плазмотрона. Дуговая камера состоит из электрода 1 (цилиндрический участок) и конфузора 2 (сужающийся участок). Дуговые камеры соединены со смесительной камерой 3. На смесительную камеру установлено сопло 4, которое служит для вывода нагретого газа. Для вращения ножек дуговых разрядов магнитным полем на электродах установлены магнитные катушки 5. Электроды отделены от конфузоров и смесительной камеры изоляторами 6. Для подачи газа в дуговые камеры в них имеются основной 7 и дополнительный 8 узлы ввода газа (завихрители), в которые вставлены тангенциально расположенные сопла 9. На обращенной внутрь дуговой камеры стороне основного узла ввода газа 7 выполнен выступ 10, благодаря которому обеспечивается зажигание дуговых разрядов напряжением подключенных к электродам фаз электрической сети.
Для охлаждения узлов плазмотрона в конструкции организован последовательный контур охлаждения 11, которым соединены конфузоры 2, смесительная камера 3, ее сопло 4 и фланец 12, к которому подключен канал измерения давления. К электродам 1 охлаждение подключено независимо через электроизоляционные шланги 13. На фланец 14 сопла 4 смесительной камеры установлена дополнительная охлаждаемая камера 15, которая снабжена собственным выходным соплом 16 и технологическими отверстиями 17, которые могут быть использованы для подачи дополнительного газа. Сопло 4 смесительной камеры и фланец 12 с каналом измерения давления закреплены на камере независимо с помощью крепежа 18. Для независимого крепления электродов 1 к камере рубашка охлаждения каждого из них снабжена силовым фланцем 19, в котором имеются отверстия с электроизоляционными втулками.
Плазмотрон работает следующим образом.
Сначала задают необходимые для работы плазмотрона давления охлаждающей воды и рабочего газа на входе плазмотрона, что обеспечивается с помощью редукторов внешней пневмогидравлической схемы. Для рабочего газа необходимо задать два уровня давлений, которые будут включаться последовательно при запуске плазмотрона: сначала включается давление, соответствующее режиму зажигания электрических дуг (предварительный режим), а затем - давление, соответствующее номинальному режиму работы (он определяется задачей, для которой плазмотрон используется). После включения расходов воды и рабочего газа на предварительном режиме производят включение трехфазного высокого напряжения. Фазы высоковольтной сети соединены с электродами плазмотрона через электродные катушки. Происходит пробой газа между выступом, выполненным на основном узле ввода газа, и торцом электрода, возникает дуговой разряд. Так как подача газа осуществляется через тангенциально расположенные сопла (с закруткой потока), дуговой разряд центрируется по оси дуговой камеры, то есть происходит вихревая стабилизация дугового разряда. При наличии всех трех дуговых токов система управления плазмотроном выдает команду на включение номинального расхода газа. При этом поднимается давление в камере плазмотрона, растут напряжения на дуговых разрядах и дуговые мощности. Плазмотрон переходит на номинальный режим работы, который не меняется далее до выключения плазмотрона.
Для точного регулирования температуры газа на выходе, за соплом смесительной камеры может быть установлена дополнительная камера, в которую подают холодный газ с таким расходом, чтобы средняя энтальпия выходящего потока соответствовала требуемой температуре.
Далее приведен пример реализуемых параметров предлагаемого плазмотрона при питании от трехфазной сети напряжением 10 кВ и использовании воздуха в качестве рабочего газа. Расход газа на режиме запуска плазмотрона (предварительный режим) составляет 30-50 г/с. При таком расходе газа оптимальное расстояние между торцевой поверхностью электрода и выступом на обращенной внутрь дуговой камеры поверхности узла ввода газа составляет 2-2,5 мм. Действующее значение напряжения пробоя газа при этом находится в диапазоне 4-6 кВ, что меньше фазного напряжения при отсутствии тока, но превышает рабочее напряжение на дуговом разряде.
При установленном выходном сопле (это сменный узел) диаметром 14 мм и дуговых токах 380 А плазмотрон развивает дуговую мощность примерно 4 МВт на номинальном расходе воздуха 450 г/с. При этом обеспечиваются следующие параметры газа в камере: давление - 4,5 МПа, температура - 4000 K. С этим же выходным соплом при номинальном расходе воздуха 700 г/с можно получить давление в камере 7 МПа.
При установке выходного сопла диаметром 20 мм и увеличении номинального расхода воздуха до 840 г/с, а дуговых токов до 530 А, предлагаемый плазмотрон развивает дуговую мощность примерно 6 МВт, обеспечивая температуру газа 3500 K при давлении 4 МПа.
Эффективность использования дуговой мощности для нагрева газа в конструкции предлагаемого плазмотрона составляет около 0,8, остальное тепло отводится в систему охлаждения.