Исследование электрического разряда между коаксиальными электродами в магнитном поле

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И Т о м II 1971

№ 5

УДК 537.523.6.562.766

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА МЕЖДУ КОАКСИАЛЬНЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

В. И. Алферов, О. Н. Витковская, Б. В. Пономарев, Ю. С. Устинов, Г. И. Щербаков

Приведены результаты экспериментальных исследований электрического разряда между коаксиальными электродами в магнитном поле. Эксперименты проводились при давлении р = 0,5 -+• 6 ama, магнитной индукции В = 0-i-1,5 в£/л<2 и силе тока / = 450-¡-600 а; расход воздуха через разряд <2 = 7 г/сек. Во время экспериментов велись скоростная киносъемка движения разряда и осциллографиро-вание его тока и напряжения.

Показано, что при графитовых неохлаждаемых электродах в зависимости от различных параметров могут существовать несколько форм разряда: контрагированная дуга, система из нескольких одновременно существующих дуг, диффузный разряд. При движении разряда в магнитном поле между металлическими холодными электродами обнаружено возникновение элементарных каналов в холодном пограничном слое, соединяющих поверхность электродов с размытым столбом разряда.

При создании различных магнитогазодинамических машин необходимо знать физические процессы, происходящие в электрическом разряде в сильном магнитном поле. Теоретический анализ этих процессов чрезвычайно сложен из-за обилия факторов, влияющих на разряд, а экспериментальные исследования связаны с техническими трудностями.

Некоторые характеристики электрического разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях (условия отшнуровывания разряда, характер протекания тока через холодный подслой пограничного слоя, скорость установившегося движения и фронта ионизации) могут быть исследованы при изучении электрического разряда между коаксиальными электродами в осевом магнитном поле. Такие исследования проводили при создании электродуговых подогревателей газа [1] —[8]. Были определены некоторые свойства электрического разряда; с ростом напряженности магнитного поля уменьшаются колебания тока и напряжения разряда, а также эрозия электродов, изменяется форма разряда. Эти исследования относятся либо к области малой магнитной индукции В<С0,3 вб/мъ, либо малых давлений р ^ 1 ama.

В статье приведены результаты экспериментальных исследований электрического разряда в кольцевом зазоре при В = 0-г-1,5 b6¡m2 и р = 0,5 — 6 ama.

Методика проведения эксперимента. Эксперименты проводились на установке, подробное описание которой приведено в работе [4], с графитовыми и медными электродами при расходе воздуха через установку G — 1 г/сек и давлении /? = 0,5-^-6 ama, при этом варьировались величины магнитного поля, ток разряда и полярность

электродов. Во время экспериментов измерялись расход газа, давление в форкамере установки, ток и напряжение разряда, а также производилась киносъемка разряда.

В схеме измерения тока использовался шунт, составленный из двух стандартных шунтов LLI-5 в виде петли, рассчитанных на ток в 100 а. Это позволило уменьшить частотные искажения и довести полезный сигнал до 900 мв при силе тока через подогреватель 600 а. Для записи электрических параметров применялись два осциллографа: Н-004М и ОК-17М, В осциллографе Н-004М были использованы

вибраторы типа М001-35 собственной частотой 3500 гц. В осцилло-

графе ОК-17М напряжение подавалось на пластины I канала, а ток записывался с помощью усилителя II канала.

Во всех измерительных цепях использовался коаксиальный кабель. Скоростная киносъемка производилась аппаратом СФР-1М с объективом /= 750 мм с частотой кадров п = 62 500 и 125 000 кадр/сек, так как ожидаемая скорость движения разряда примерно 103 м/сек. Чтобы исключить многократное экспонирование пленки, вместо стандартного электродинамического затвора камеры СФР использовали центральный затвор типа „Момент“ с выдержкой 1/250 сек и электромагнитным приводом.

Схема измерения и синхронизации приведена на фиг. 1. Запуск аппаратуры осуществлялся от блока запуска. Первоначально включался осциллограф Н-004М, через 0,05—0,1 сек срабатывал затвор „Момент“, при открытии затвора выдавался инициирующий импульс, от которого срабатывал осциллограф ОК-17М и через блок синхронизации момент включения ОК-17М фиксировался на осциллографе Н-004М.

Результаты экспериментов. Было выяснено, что разряд надежно зажигался и занимал устойчивое положение, когда центральный электрод являлся анодом, при противоположной полярности разряд практически не зажигался даже при малой величине магнитной индукции (0,2 вб/м2). Следы анодных и катодных пятен разряда, видные на электродах, свидетельствуют о том, что разряд держится строго в зоне максимума магнитного поля.

Результаты скоростной киносъемки разряда между графитовыми неохлаждаемыми электродами приведены на фиг. 2. Видно, что при малом магнитном поле существует несколько каналов разряда (см. фиг. 2, а, б), причем возможно образование шунтирующих каналов (см. фиг. 2, в), с увеличением магнитной индукции происхо-

S

Фиг. 1

дит слияние отдельных светящихся зон разряда (см. фиг, 2, в, г, д). При больших значениях магнитной индукции разряд размывается и может занимать весь кольцевой промежуток (см. фиг. 2, <?)*.

3 -

Í1 л~ СС5*У; > ; / «/'Сл

X)J-

Фиг. 2

По движению переднего фронта светящейся зоны были определены скорости движения разряда в прианодной, прикатодной и средней частях межэлектродного зазора. Погрешность определения скорости примерно 20%. Оказалось, что скорость движения прикатодной, средней и прианодной областей разряда различна и уменьшается от катода к аноду. Это, возможно, связано с изменением магнитной индукции в радиальном направлении, величина которой у катода в 1,25 раза больше, чем в прианодной области.

На фиг. 3 приведена зависимость скорости движения V переднего фронта средней зоны разряда от величины магнитной индукции для силы тока разряда /=450 и 600 а при давлении р^4-¡-5 ama в форкамере установки. С ростом напряженности магнитного поля скорость движения разряда увеличивается и при 5^1,5 вб/м2 не превышает 350 м/сек. Измеренные скорости значительно выше рассчитанных для соответствующих условий по формуле работы [5]

V = 0,4-10-* I/----------------

V (1—(-0,4 Н )2 р2 v '

и удовлетворительно согласуются с расчетными значениями, полученными по эмпирической формуле работы [6]

V=0,0382 • ]/Н.

Здесь Н — напряженность магнитного поля, р — плотность.

* Две взаимно перпендикулярные темные области, видные на фотографиях, образованы штуцерами, подающими и отводящими воду, охлаждающую центральный электрод.

Экспериментальные значения скорости вращения разряда удовлетворительно согласуются с результатами экспериментов работы [3]. Однако необходимо отметить, что формулы (1) и (2) получены по экспериментальным данным исследования разряда между параллельными электродами, а в работе [3] не указано, при каких давлениях проводились эксперименты.

Полученные экспериментальные результаты можно показать на следующей схеме процесса разряда.

Под действием осевой составляющей магнитного поля разряд вращается в плоскости, перпендикулярной оси электродов. С ростом магнитного поля первоначально контрагированный разряд размывается в направлении вра-

щения, сжимаясь в поперечном направлении, скорость движения разряда увеличивается. Разряд становится диффузным. При диффузном разряде протекание тока

200

700

1/сем] • >

8 о г

• • 1 о • • 1=450 а о 600 а

%

05 1}0 Я[36/мг]

Фиг. 3

Центральный злелтрад-аяад

я)

¿у) /\-&Г /J<р

Центральный злентрвд-катод

между коаксиальными электродами в известной степени аналогично протеканию тока в линейном МГД-канале с бесконечными электродами. В этом случае эффект Холла, обусловленный проскальзыванием электронов в направлении действия силы Лоренца, приводит к появлению тока Холла, плотность которого

и =~<»ехе ¡п

где у9 — -й компонент плотности тока, )г — г-й компонент плотности тока, (вете — параметр Холла.

Следовательно, ток Холла растет при увеличении Вх, /, и уменьшении давления газа.

На фиг. 4 показаны осевые силы, действующие на диффузный разряд. Под действием силы РХ = }9ВГ разряд будет втягиваться в область максимума магнитного поля,если центральный электрод анод, и выталкиваться, если центральный электрод катод. Изменение направления магнитного поля рассмотренных эффектов не меняет. Величина осевых сил, удерживающих разряд в максимуме Магнитного поля, зависит от конфигурации поля и величины магнитной индукции.

На фиг. 5 приведен кадр скоростной киносъемки разряда между медными охлаждаемыми электродами. Картина разряда несколько отличается от приведенной выше на фиг. 2 для графитовых электродов. Вблизи поверхности катода (внешний электрод)отчетливо заметны элементарные контрагированные каналы, соединяющие область основного столба разряда с катодом. Это, по-видимому, обусловлено тем, что температура поверхности медных электродов существенно меньше температуры поверхности графитовых электродов. Сравнительно низкая температура электродов приводит к образованию холодного, электрически непроводящего подслоя пограничного слоя. Возможным механизмом протекания тока через такой подслой являются квазистационарные элементарные дуги, что было замечено в работах [7] и [8].

В этой связи картина протекания тока между охлаждаемыми электродами может быть следующей. Под действием силы Лоренца контрагированная часть разряда вытягивается и в некотором месте шунтируется элементарной дугой, находящейся в холодном подслое пограничного слоя. По мере продвижения канала разряда в зазоре протекание тока через холодный подслой обеспечивается последовательно возникающими элементарными дугами, которые, возможно, перемещаются по электродам. Отмечено, что с увеличением силы тока число элементарных дуг в холодном подслое растет.

В сильном магнитном поле, когда разряд занимает весь кольцевой промежуток, протекание тока в холодном подслое пограничного слоя осуществляется через элементарные дуговые каналы, расположенные более или менее равномерно по поверхности электродов. Время существования отдельных дуг в холодном подслое оказалось порядка 10~2 —10~4 сек.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вопросы ракетной техники, № 5, стр. 17—33, 1963.

2. Боулдмэн Д. Р. Исследование дуги постоянного тока, горящей в атмосфере азота и вращаемой магнитным полем. „Ракетная техника и космонавтика“, т. 1, № 4, 1963.

3. Щ а болт ас А. С. „Инженерно-физический журнал“, т. 17,

№ 3, 1969.

4. А л ф е р о в В. И., В и т к о в с к а я О. Н., Устинов Ю. С., Щербаков Г. И. „Теплофизика высоких температур“, т. 9, № 2,

1971.

5. Бр он О. Б. Электрическая дуга в аппаратах управления. М., Госэнергоиздат, 1954.

6. Словецкий Д. И. „Теплофизика высоких температур“, т. 5,

№ 3, 1967.

7. Алферов В. И., Устинов Ю. С. Исследование физической картины разряда между холодными электродами в сверхзвуковой струе плазмы с присадками, МЖГ, № 2, 1968.

8. Р и т т е н х а у с А. Е., В о р и к Д. М. Физическая модель электрического разряда с холодными электродами в сверхзвуковом потоке плазмы с присадкой. Сб. „Прикладная магнитная гидро- и газодинамика“, М., .Наука“, 1968.

Рукопись поступила 1411 1970 г. Переработанный вариант поступил 27¡IV 1971 г.