Вихревой эффект и газодинамика в полом электроде плазмотрона
Работа направлена на изучение основных газодинамических характеристик плазмотрона с полым катодом, что, в конечном итоге, должно привести к созданию высокоресурсного металлургического плазмотрона. Показана взаимосвязь вихревого эффекта и газодинамики полого электрода плазмотрона. Дано описание физич...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Современная электрометаллургия |
|---|---|
| Datum: | 2013 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2013
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96718 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Вихревой эффект и газодинамика в полом электроде плазмотрона / К.А. Цыкуленко, В.В. Шаповалов, В.В. Степаненко, Д.М. Жиров // Современная электрометаллургия. — 2013. — № 4 (113). — С. 47-53. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96718 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Цыкуленко, К.А. Шаповалов, В.А. Степаненко, В.В. Жиров, Д.М. 2016-03-19T18:39:31Z 2016-03-19T18:39:31Z 2013 Вихревой эффект и газодинамика в полом электроде плазмотрона / К.А. Цыкуленко, В.В. Шаповалов, В.В. Степаненко, Д.М. Жиров // Современная электрометаллургия. — 2013. — № 4 (113). — С. 47-53. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96718 669.187.58 Работа направлена на изучение основных газодинамических характеристик плазмотрона с полым катодом, что, в конечном итоге, должно привести к созданию высокоресурсного металлургического плазмотрона. Показана взаимосвязь вихревого эффекта и газодинамики полого электрода плазмотрона. Дано описание физической модели плазмотрона с полым электродом для исследования распределения в нем газовых потоков. Показано, что на выходе из завихрителя пристеночный поток представляет собой несколько отдельных спирально закрученных жгутов, направленных как в электрод, так и в сопло. В результате в центральной части полости формируется область пониженного давления. Определено изменение давления пристеночного вихревого потока на стенку полого электрода по мере удаления этого потока от камеры завихрителя в зависимости от глубины полости электрода и давления газа, подаваемого в камеру завихрителя. Исследовано распределение давления выходящего потока газа по сечению сопла модели плазмотрона. На основании анализа литературных данных и собственных предварительных экспериментов предложена гипотетическая схема движения потоков газа в плазмотроне с полым электродом. The work is aimed at studying the main gasdynamic characteristics of hollow cathode plasmatron that should eventually lead to development of metallurgical plasmatron with longer service life. Interrelation between the eddy effect and gas dynamics of plasmatron hollow electrode is shown. The paper gives a description of physical model of a plasmatron with a hollow cathode for investigation of gas flow distribution in it. It is shown that the near-wall flow at vortex exit consists of several separate spirally twisted braids, directed both into the electrode, and into the nozzle. As a result, a lower pressure area forms in the central part of the cavity. Change of pressure of near-wall eddy flow on the hollow electrode wall at this flow moving away from the vortex chamber is determined, depending on the depth of electrode cavity and pressure of gas fed into the vortex chamber. Distribution of pressure of gas outflow across the section of plasmatron model nozzle is determined. Proceeding from published data analysis and our own preliminary experiments, a hypothetic scheme of gas flow motion in the plasmatron with a hollow electrode is proposed. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Плазменно-дуговая технология Вихревой эффект и газодинамика в полом электроде плазмотрона Eddy effect and gas dynamics in plasmatron hollow electrode Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Вихревой эффект и газодинамика в полом электроде плазмотрона |
| spellingShingle |
Вихревой эффект и газодинамика в полом электроде плазмотрона Цыкуленко, К.А. Шаповалов, В.А. Степаненко, В.В. Жиров, Д.М. Плазменно-дуговая технология |
| title_short |
Вихревой эффект и газодинамика в полом электроде плазмотрона |
| title_full |
Вихревой эффект и газодинамика в полом электроде плазмотрона |
| title_fullStr |
Вихревой эффект и газодинамика в полом электроде плазмотрона |
| title_full_unstemmed |
Вихревой эффект и газодинамика в полом электроде плазмотрона |
| title_sort |
вихревой эффект и газодинамика в полом электроде плазмотрона |
| author |
Цыкуленко, К.А. Шаповалов, В.А. Степаненко, В.В. Жиров, Д.М. |
| author_facet |
Цыкуленко, К.А. Шаповалов, В.А. Степаненко, В.В. Жиров, Д.М. |
| topic |
Плазменно-дуговая технология |
| topic_facet |
Плазменно-дуговая технология |
| publishDate |
2013 |
| language |
Russian |
| container_title |
Современная электрометаллургия |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Eddy effect and gas dynamics in plasmatron hollow electrode |
| description |
Работа направлена на изучение основных газодинамических характеристик плазмотрона с полым катодом, что, в конечном итоге, должно привести к созданию высокоресурсного металлургического плазмотрона. Показана взаимосвязь вихревого эффекта и газодинамики полого электрода плазмотрона. Дано описание физической модели плазмотрона с полым электродом для исследования распределения в нем газовых потоков. Показано, что на выходе из завихрителя пристеночный поток представляет собой несколько отдельных спирально закрученных жгутов, направленных как в электрод, так и в сопло. В результате в центральной части полости формируется область пониженного давления. Определено изменение давления пристеночного вихревого потока на стенку полого электрода по мере удаления этого потока от камеры завихрителя в зависимости от глубины полости электрода и давления газа, подаваемого в камеру завихрителя. Исследовано распределение давления выходящего потока газа по сечению сопла модели плазмотрона. На основании анализа литературных данных и собственных предварительных экспериментов предложена гипотетическая схема движения потоков газа в плазмотроне с полым электродом.
The work is aimed at studying the main gasdynamic characteristics of hollow cathode plasmatron that should eventually lead to development of metallurgical plasmatron with longer service life. Interrelation between the eddy effect and gas dynamics of plasmatron hollow electrode is shown. The paper gives a description of physical model of a plasmatron with a hollow cathode for investigation of gas flow distribution in it. It is shown that the near-wall flow at vortex exit consists of several separate spirally twisted braids, directed both into the electrode, and into the nozzle. As a result, a lower pressure area forms in the central part of the cavity. Change of pressure of near-wall eddy flow on the hollow electrode wall at this flow moving away from the vortex chamber is determined, depending on the depth of electrode cavity and pressure of gas fed into the vortex chamber. Distribution of pressure of gas outflow across the section of plasmatron model nozzle is determined. Proceeding from published data analysis and our own preliminary experiments, a hypothetic scheme of gas flow motion in the plasmatron with a hollow electrode is proposed.
|
| issn |
0233-7681 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96718 |
| citation_txt |
Вихревой эффект и газодинамика в полом электроде плазмотрона / К.А. Цыкуленко, В.В. Шаповалов, В.В. Степаненко, Д.М. Жиров // Современная электрометаллургия. — 2013. — № 4 (113). — С. 47-53. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT cykulenkoka vihrevoiéffektigazodinamikavpolomélektrodeplazmotrona AT šapovalovva vihrevoiéffektigazodinamikavpolomélektrodeplazmotrona AT stepanenkovv vihrevoiéffektigazodinamikavpolomélektrodeplazmotrona AT žirovdm vihrevoiéffektigazodinamikavpolomélektrodeplazmotrona AT cykulenkoka eddyeffectandgasdynamicsinplasmatronhollowelectrode AT šapovalovva eddyeffectandgasdynamicsinplasmatronhollowelectrode AT stepanenkovv eddyeffectandgasdynamicsinplasmatronhollowelectrode AT žirovdm eddyeffectandgasdynamicsinplasmatronhollowelectrode |
| first_indexed |
2025-11-26T21:10:23Z |
| last_indexed |
2025-11-26T21:10:23Z |
| _version_ |
1850775351809015808 |
| fulltext |
УДК 669.187.58
ВИХРЕВОЙ ЭФФЕКТ И ГАЗОДИНАМИКА
В ПОЛОМ ЭЛЕКТРОДЕ ПЛАЗМОТРОНА
К.А. Цыкуленко, В.А. Шаповалов, В.В. Степаненко, Д.М. Жиров
Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины.
03680, г. Киев, ул. Боженко 11. E-mail: office@paton.kiev.ua.
Работа направлена на изучение основных газодинамических характеристик плазмотрона с полым катодом, что, в
конечном итоге, должно привести к созданию высокоресурсного металлургического плазмотрона. Показана взаимо-
связь вихревого эффекта и газодинамики полого электрода плазмотрона. Дано описание физической модели плаз-
мотрона с полым электродом для исследования распределения в нем газовых потоков. Показано, что на выходе из
завихрителя пристеночный поток представляет собой несколько отдельных спирально закрученных жгутов, направ-
ленных как в электрод, так и в сопло. В результате в центральной части полости формируется область пониженного
давления. Определено изменение давления пристеночного вихревого потока на стенку полого электрода по мере
удаления этого потока от камеры завихрителя в зависимости от глубины полости электрода и давления газа,
подаваемого в камеру завихрителя. Исследовано распределение давления выходящего потока газа по сечению сопла
модели плазмотрона. На основании анализа литературных данных и собственных предварительных экспериментов
предложена гипотетическая схема движения потоков газа в плазмотроне с полым электродом. Библиогр. 13, ил. 7.
Ключ е вы е с л о в а : ресурс работы плазмотрона; полый электрод; вихревой эффект; модель плазмотрона;
давление потока газа; область пониженного давления; схема движения газовых потоков
Газодинамические характеристики плазмотрона с
полым электродом (чаще всего катодом) определя-
ют надежность его работы и существенно влияют
на срок службы. Повышение ресурса работы плаз-
мотронов, особенно металлургических с токовой на-
грузкой 1...10 кА, продолжает оставаться актуаль-
ной задачей [1, 2]. Эта работа посвящена изучению
указанных характеристик.
Ресурс работы полого электрода плазмотрона
определяется износом его внутренней поверхности,
который в свою очередь (при прочих равных усло-
виях) зависит от площади подвергаемой износу по-
верхности и тепловых условий работы. Привязка
дуги может быть диффузной и контрагированной.
С целью повышения ресурса работы, особенно с
учетом относительно небольшой толщины стенки
полого электрода, целесообразно обеспечить при-
вязку дуги к ней в диффузном виде, что представ-
ляет основную задачу специалистов, работающих
над созданием новых конструкций высокоресурс-
ных металлургических плазмотронов [1, 2]. Пока
еще нет четких критериев, позволяющих предви-
деть тип привязки дуги. В числе влияющих факто-
ров называются форма, материал и интенсивность
охлаждения электрода; значение и плотность тока;
состав и давление плазмообразующего газа; харак-
тер распределения и скорость газовых потоков, обу-
словливающих образование локальных зон пони-
женного давления, в которых может образовывать-
ся объемный разряд [1—8]. В случае формирования
контрагированной привязки перемещением пятна
дуги по внутренней поверхности полого электрода
можно целенаправленно управлять с помощью раз-
лично направленных, в том числе вихревых, газо-
вых потоков. При быстром перемещении пятна дуги
уменьшается тепловая нагрузка и, следовательно,
износ внутренней поверхности электрода [1, 9].
Кроме того, с помощью газовых потоков можно соз-
давать дополнительное (наряду с водяным) охла-
ждение стенки электрода [1, 10].
Изучение характера распределения и динамики
вихревых газовых потоков в полом электроде тако-
го плазмотрона по существу является исследовани-
ем вихревых потоков в трубках Ранка—Хилша. При
движении вихревого потока газа по внутренней по-
верхности трубки (полого электрода) у стенки обра-
зуется область повышенных, а в центре полости –
область пониженных значений температуры и дав-
ления [11, 12].
Вихревой эффект несмотря на довольно про-
должительный срок исследований до сих пор не
имеет научного объяснения. Несмотря на это со-
здаются различные конструкции и аппараты, осно-
ванные на вихревом эффекте. Применительно к ус-
тройствам для плазменной техники в высокочастот-
ных плазмотронах используются газовихревая изо-
ляция стенки камеры и стабилизация плазмы на
оси, разработаны конструкции дуговых плазмотро-
© К.А. ЦЫКУЛЕНКО, В.А. ШАПОВАЛОВ, В.В. СТЕПАНЕНКО, Д.М. ЖИРОВ, 2013
47
нов с полым катодом и различные способы вихревой
подачи газа [1, 9, 10, 13], однако ресурс работы
дуговых плазмотронов, предназначенных для плав-
ки металлов, все еще недостаточно высок.
Рассматривая множество существующих теорий,
объясняющих эффект Ранка—Хилша [11, 12], мож-
но заключить следующее. В настоящее время уже
никто не подвергает сомнению (как это было при
его открытии) существование самого эффекта, сос-
тоящего в разделении подаваемого потока газа на
периферийную (горячую) и центральную (холод-
ную) закрученные спирали. Однако некоторые ис-
следователи отмечают, что вращение центрального
и периферийного потоков, происходит в одну и ту
же сторону, другие – в разные стороны, что, по-
видимому, связано с условиями проведения экспе-
риментов (скоростью подачи газа в трубку, геоме-
трическими размерами и профилем самой трубки,
степенью дросселирования и пр.).
Применительно к работе дугового плазмотрона
отметим, что основное отличие газодинамики плаз-
мотрона с полым электродом и вихревой трубки
Ранка—Хилша состоит в том, что в дуговом плаз-
мотроне имеется только один канал для выхода га-
зов – сопло. Если в процессе закрутки и происхо-
дит разделение потоков газа, то при выходе из сопла
эти потоки должны каким-то образом смешиваться.
Кроме того, само сопло можно рассматривать как
вторую (хотя и более короткую) трубку Ранка—
Хилша, установленную в обратном направлении к
первой трубке (полому электроду). Подключение
такого плазмотрона к источнику питания и создание
плазменно-дугового разряда еще больше усложняет
картину течения газовых потоков.
С учетом приведенных соображений для разра-
ботки высокоресурсного металлургического плаз-
мотрона с полым электродом необходимо опреде-
лить распределение газовых потоков и его газоди-
намические характеристики. Представляет интерес
изучение возможности управления перемещением
пятна привязки дуги по внутренней поверхности
полого электрода, а также создания условий для
формирования диффузионного типа привязки.
Определенные исследования в этом направле-
нии проведены в Новосибирском институте теорети-
ческой и прикладной механики СО РАН [1, 9],
которые, однако, содержали довольно много неяс-
ностей и противоречий.
В Институте электросварки им. Е.О. Патона для
изучения распределения газовых потоков в полом
электроде плазмотрона были проведены собствен-
ные исследования. Для них изготовили модель
плазмотрона, где с целью имитации различной дли-
ны полого электрода предусмотрено перемещение
специального поршня (рис. 1).
В завихритель газ (сжатый воздух) поступает
по двум диаметрально расположенным патрубкам
при одинаковом давлении в каждом (рис. 2, а). Из
завихрителя в камеру (в полость электрода и сопло)
газ подается через восемь тангенциально направ-
ленных каналов диаметром 3 мм. Расход газа и об-
щая площадь входных отверстий в вихревой камере
влияют на протяженность первой циркуляционной
зоны. В плазмотронах с полым катодом, в отличие
от трубок Ранка—Хилша, как правило, предусмот-
рена подача газа не через один, а через несколько
тангенциальных каналов для более равномерного
распределения пристеночного потока. Однако про-
стое увеличение количества каналов в завихрителе
не может обеспечивать равномерное распределение
этого потока на внутренней поверхности полого
электрода плазмотрона.
На выходе из завихрителя пристеночный поток,
по всей видимости, представляет собой несколько
(в соответствии с количеством тангенциальных ка-
налов) отдельных спирально закрученных жгутов.
Скорость потока в каждом из них определяется при
всех прочих равных условиях давлением газа на
выходе из канала. На рис. 2 представлена схемы
движения потоков в используемом завихрителе и
диаграмма давлений в направляющем кольцевом за-
зоре напорного коллектора. Применение завихри-
теля подобной конструкции предполагало обеспе-
чение равномерного распределения подаваемого по-
тока газа по внутренней поверхности полого элек-
трода. Однако, как показали эксперименты, даже
при давлении подаваемого газа до Р0 = 4,9⋅105 Па
в направляющем кольцевом зазоре зафиксирована
некоторая неравномерность вихревого потока, вы-
званная двумя факторами – существованием от-
дельных вихревых жгутов и возможной разницей
значений давления в них.
Рис. 1. Схема модели плазмотрона и измерения давления в ней:
1 – полый электрод; 2 – сопло; 3 – поршень; 4 – датчики
пристеночного давления; 5 – направление перемещения изме-
рительной трубки; 6 – измерительная трубка; 7 – вакуумный
шланг; 8 – водяной манометр; 9 – область пониженного дав-
ления; 10 – затягивание компактных предметов; 11 – вращение
легких длинномерных предметов; P1...Pi – давление у стенки
48
Наличие вихревых жгутов обусловлено спосо-
бом подачи газа через отдельные тангенциальные
каналы. Теоретически такие жгуты будут существо-
вать до тех пор, пока по мере продвижения присте-
ночного вихревого потока вдоль оси полого элек-
трода, снижения давления и расширения диаметра
самого жгута они не сольются в один поток равной
плотности. Чем меньше диаметр тангенциального
канала завихрителя, а также меньшее количество та-
ких каналов и большее расстояние между ними, тем
позже при прочих равных условиях сформируется
равномерный пристеночный поток. Разница значе-
ний давления газа в отдельных жгутах обусловлена
расположением того или иного тангенциального ка-
нала относительно внешних подводящих газ пат-
рубков. Как правило, вихревая камера плазмотрона
имеет один или два таких патрубка. В условиях
эксперимента чем ближе к внешнему патрубку рас-
полагали тангенциальный канал завихрителя, тем
выше поднималось давление в нем. Причем при оди-
наковом расстоянии от внешнего патрубка давление
выше в сонаправленном с потоком канале. Возмож-
но, при более высоком давлении подаваемого газа,
когда потери давления в кольцевом зазоре за счет
расхода через тангенциальные каналы будут незна-
чительны, удастся обеспечить более равномерное
распределение потоков газа и добиться примерно
равных значений давления в каждом жгуте.
При выходе из кольцевого зазора напорного кол-
лектора завихрителя происходит разделение газо-
вого потока. Одна часть формирует пристеночный
вихревой поток в полом электроде диаметром 45 мм
(d2), другая – в сопле диаметром 41 мм (d1). Оба
этих вихревых потока из-за высоких скоростей
вращения создают в центральной части полости
разряжение и формируют общую область пони-
женного давления (рис. 1). Именно существова-
ние этой области может обеспечить диффузную
привязку дуги к электроду, что повысит ресурс
работы плазмотрона.
Небольшие легкие и компактные предметы
(клочки бумаги, щепки), размещенные на оси моде-
ли плазмотрона, в области выхода и разделения
газовых потоков под действием центробежных сил
мгновенно затягиваются в щелевой зазор. Если эти
предметы разместить на оси, но вне этой области
(в условиях эксперимента протяженность указан-
ной области по оси модели плазмотрона составила
15...20 мм), то они смещались к стенке и уносились
соответствующим вихревым потоком (в сопло или
полость электрода). Длинномерные легкие предме-
ты, например карандаш, размещенные на оси моде-
ли таким образом, что их центр тяжести расположен
в области А (рис. 1), под действием разнонаправ-
ленных вихревых потоков зависают внутри модели
и вращаются вокруг оси у стенок полого электрода
и сопла. Если центр тяжести такого предмета выхо-
дит за пределы указанной области, то предмет под-
хватывается и перемещается соответствующим по-
током. Регулируя давление подаваемого газа, мож-
но управлять положением (высотой расположения)
предмета в полости электрода. Чтобы оценить уро-
вень подъемной силы вихревого пристеночного по-
тока, в полость электрода вместо запирающего то-
рец поршня помещали шайбу из оргстекла, которая
под воздействием потока газа могла свободно пере-
мешаться внутри. При давлении газа на входе в
завихритель 3,2⋅105 Па вихревой поток, направлен-
ный в полость электрода, удерживал шайбу с уста-
новленной на ней гирькой, общая масса которых
составила 185 г, у верхнего торца полого электрода
на высоте h = 420 мм.
Пристеночный вихревой поток, направленный в
полость электрода, стремясь под действием центро-
бежных сил расшириться, оказывает давление на
его стенку. Для оценки его значения по всей высоте
полого электрода установили датчики давления.
Изменение давления пристеночного вихревого по-
тока на стенку полого электрода по мере удаления
этого потока от камеры завихрителя определяли в
зависимости от глубины полости электрода
(рис. 3).
При небольшой глубине полости электрода hэ,
примерно 0,5d2, изменение уровня пристеночного
Рис. 2. Схема потоков газа в завихрителе (а) и диаграмма давлений в направляющем кольцевом зазоре напорного коллектора (б);
N – номера каналов
49
давления не зафиксировано. В случае увеличения
глубины полости электрода до 2d2 и более по мере
продвижения вихревого потока к торцу электрода
отмечено снижение давления потока на стенку. При-
чем наиболее резкое изменение давления в условиях
эксперимента происходило на высоте 20...30 мм.
Можно предположить, что профиль указанных зна-
чений давления в какой-то мере отражает профиль
зоны разряжения в осевой полости электрода.
Учитывая, что в полости электрода, как и в труб-
ке Ранка—Хилша, возможно разделение вихря на
горячий и холодный потоки, с помощью пирометра
замеряли температуру поверхности стального элек-
трода, которая перед продувкой по показаниям
пирометра составляла 18 °С, а подаваемого в зави-
хритель газа – 19...20 °С. На рис. 4 представлены
результаты замеров температуры различных участ-
ков наружной поверхности полого стального элек-
трода (толщина стенки 1,5 мм) в зависимости от
давления газа, подаваемого в завихритель и време-
ни продувки.
Полученные данные свидетельствуют о том, что
пристеночный вихревой поток по мере его продви-
жения к торцу полого электрода ослабевает, уро-
вень оказываемого давления на стенку снижается.
Потеря энергии потоком объясняется потерями на
трение о стенку полого электрода, а также сниже-
нием плотности потока за счет расширения газа и
резким сокращением (или вообще исчезновением)
области пониженного давления. Чем выше давление
подаваемого в завихритель газа, тем больше давле-
ние вихревого пристеночного потока на стенку элек-
трода, температура поверхности электрода увели-
чивается. Сопоставляя графики давления и темпе-
ратуры (рис. 3, 4) отметим, что температура повер-
хности электрода возрастает не только из-за повы-
шения времени продувки, но и по мере продвиже-
ния пристеночного вихревого потока к его торцу.
Снижение давления потока на стенку должно было
бы приводить к уменьшению сил трения и, следо-
вательно, к снижению температуры поверхности.
Конечно, в процессе совместного трения нагрева-
ются оба тела (поверхность электрода и газ присте-
ночного вихревого потока). Однако такое заметное
повышение температуры поверхности по мере про-
движения потока к торцу электрода вряд ли можно
объяснить только одним ростом температуры самого
пристеночного потока.
Снижение температуры поверхности у торца элек-
трода (на расстоянии 350 мм от среза сопла) объя-
сняется влиянием массивного стального поршня,
контактирующего с тонкой стенкой электрода и вы-
полняющего в данном случае роль холодильника.
Пока нет единого мнения о том, каким образом
формируется возвратный поток. Одним из вариан-
тов является отражение пристеночного потока от
торцевой поверхности полости электрода (этот ме-
ханизм вероятен при сравнительно небольшой глу-
бине полости электрода), другим – возникновение
осевого градиента давления (этот механизм возмо-
жен при большой глубине полости электрода). По
всей видимости, в общем случае имеется совместное
влияние обоих этих факторов, степень которого оп-
ределяется давлением подаваемого газа и геометри-
ческими размерами полости электрода.
Практически все исследователи вихревого эф-
фекта в трубках Ранка—Хилша изображают воз-
Рис. 3. Изменение давления пристеночного вихревого потока в
зависимости давления газа, подаваемого в камеру завихрителя,
и удаления от камеры завихрителя (глубина полости электрода
hэ равна 108 (а) и 390 мм (б) при P0⋅10
5
, Па: 1 – 4,9; 2 – 4,8;
3 – 4,6; 4 – 4,4; 5 – 3,85; 6 – 3,0; 7 – 2,0
Рис. 4. Изменение температуры полого электрода при подавае-
мом давлении 4,8⋅10
5
Па и времени продувки 420 (1); 180 (2);
60 с (3) (а); при времени продувки 180 с и подаваемом давлении
4,8⋅10
5
(4); 3,85⋅10
5
(5); 2,0⋅10
5
Па (6) (б)
50
вратный поток, как вихревой осевой [11, 12]. При
исследовании газодинамики плазмотронов с полым
катодом возвратный поток также является осевым
[1, 9], однако не ясен его характер – прямоточный
или вихревой. При анализе схемы распределения
газовых потоков в полом катоде плазмотрона во-
зникает вопрос, что происходит с возвратным осе-
вым потоком, когда он проходит сквозь область по-
ниженного давления.
В общем случае пониженное давление должно
способствовать расширению этого потока и его рас-
пределению по всему сечению электрода. Однако
следует учитывать следующее. Область пониженно-
го давления не равномерна, формируется под дейст-
вием центробежных сил вихревого пристеночного
потока, а максимальное разрежение достигается
на оси плазмотрона. Если возвратный поток
сформировался под воздействием осевого гра-
диента давления и имеет прямоточный характер,
то именно туда должен быть направлен возврат-
ный поток газа. Если принять, что осевой воз-
вратный поток имеет вихревой характер движе-
ния, то как и в случае пристеночного потока цен-
тробежные силы должны растягивать его к стен-
кам электрода. Другими словами, возвратный по-
ток должен иметь форму не цилиндра, располо-
женного на оси плазмотрона, а конуса.
Для оценки расположения возвратного потока
проведено исследование распределения давления
выходящего потока газа по сечению сопла модели
плазмотрона. Измеряли давление на локальных
участках с помощью водяного манометра в радиаль-
ном направлении непосредственно у среза сопла.
На рис. 1 представлена схема измерений, а на
рис. 5 – график значений давления в относитель-
ных единицах (по положению водяного столба в
манометре). Внутренний диаметр трубки, исполь-
зуемой для замеров локального давления, состав-
лял 2 мм.
Из полученных данных следует, что при холод-
ных продувках весь поток выходящего из сопла
плазмотрона газа сосредоточен у стенки сопла. Тол-
щина пристеночного слоя газа составляла всего не-
сколько миллиметров. Во всей остальной области
зафиксировано разрежение. Возвратного осевого
потока (т. е. потока газа, идущего из полости элек-
трода) на выходе из сопла не обнаружено. При не-
большом давлении подаваемого в завихритель газа
во всей центральной области сопла фиксировали
примерно одинаковое разрежение. Только при
3⋅105 Па удалось обнаружить в осевой области не-
которое снижение уровня разрежения.
Отсутствие осевого потока, выходящего из сопла
плазмотрона, объясняется тем, что сопло также
представляет собой трубку Ранка—Хилша, установ-
ленную в обратном направлении к полому электро-
ду. Как и в полости электрода, в сопле из части
газа, поступающего из завихрителя, формируется
пристеночный вихревой поток (рис. 6), который
создает разрежение в центральной части сопла и
способствует образованию встречного возвратного
потока газа, втягиваемого в сопло из окружающей
атмосферы. Зафиксированное в осевой области не-
которое снижение уровня разрежения объясняется
влиянием возвратного потока газа, поступающего из
полости электрода. Для оценки взаимодействия
двух встречных возвратных потоков необходимо
провести более тщательные исследования распре-
Рис. 5. Эпюра значений давления потоков газа на выходе из
сопла модели плазмотрона с полым электродом
Рис. 6. След от вихревого пристеночного потока, оставленный
влажным загрязненным воздухом на выходе из направляющего
кольцевого зазора напорного коллектора и в сопле модели плаз-
мотрона
51
деления давления по сечению на уровне камеры за-
вихрителя и полости электрода.
В целом на данном этапе работ схема распреде-
ления газовых потоков в плазмотроне с полым элек-
тродом в общем случае может быть представлена
следующим образом. Газ, выходящий из направляю-
щих каналов завихрителя, разделяется на два пото-
ка, один из которых направлен в полость электрода,
а другой – в сопло. Вначале каждый из потоков
представляет собой несколько отдельных жгутов
(по количеству направляющих каналов завихрите-
ля), расположенных у стенок и закрученных по
спирали в соответствующую полость. Шаг между
витками спирали определяется соотношением зна-
чения давления в направляющем канале и геоме-
трическими размерами полости.
Поток газа, направленный в сопло, практически
сразу выносится за пределы плазмотрона. Из-за вы-
сокой скорости этого потока под действием центро-
бежных сил в осевой области образуется разряже-
ние, что приводит к формированию возвратного по-
тока сопла (рис. 7). Поток газа, движущийся в по-
лость электрода, имеет более сложный характер
распределения. По мере продвижения этого потока
вдоль электрода оказываемое им давление на стенку
ослабевает. Это может быть результатом как повы-
шения скорости потока за счет раскручивания в
вихре, так и естественного расширения газа в от-
дельных жгутах и постепенного слияния их в общий
пристеночный поток.
Расширение газа и постепенное выравнивание
плотности потока может происходить не только по
поверхности электрода, но и внутрь – к оси элек-
трода. В зависимости от давления подаваемого газа
и глубины полости (при всех прочих равных усло-
виях) у глухого торца полого электрода может обра-
зовываться вращающийся поток с равной по всему
сечению полости электрода плотностью. Если же
падение давления связано преимущественно с повы-
шением скорости пристеночного потока, то возврат-
ный осевой поток электрода может быть сформи-
рован за счет отражения от торцевой поверхности
и в начале его продвижения к соплу вообще не со-
прикасаться с пристеночным потоком.
Оставляя пока открытым вопрос о том, где и
как формируется возвратный поток полого элект-
рода, отметим лишь, что такой поток существует и
имеет, по всей видимости, вихревой характер дви-
жения. В проведенных на модели плазмотрона экс-
периментах на торцевой поверхности поршня заме-
чены следы потоков, свидетельствующие о формиро-
вании именно вихревого возвратного потока.
Если принять, что возвратный поток полого
электрода имеет вихревой характер движения, то
по мере продвижения к завихрителю, как и присте-
ночный поток под действием центробежных сил, он
должен расширяться и стремиться к стенкам элек-
трода. Здесь происходит взаимное проникновение
пристеночного и возвратного потоков. Возможные
срывы потоков и возникающие турбулентности мо-
гут не оказывать существенного влияния на харак-
тер потоков в целом, если учитывать наличие от-
дельных жгутов, неравномерность плотности пото-
ков, а также допустить, что вращение возвратного
потока происходит в обратном направлении к при-
стеночному потоку. Именно в этом случае пересече-
ние двух встречных вихревых потоков и возникаю-
щие в результате их столкновений турбулентности
будут минимальными.
Сразу за электродом при входе возвратного по-
тока электрода в сопло расположена еще одна об-
ласть пересечения встречных потоков (рис. 7, об-
ласть 7). Здесь происходит пересечение не только
пристеночного и возвратного потоков, но и двух
встречных (в сопло и электрод) потоков. По всей
видимости, оба возвратных потока затягиваются в
кольцевой зазор напорного коллектора между от-
дельными вихревыми жгутами, где происходит их
перераспределение. Одна часть возвратного пото-
ка электрода может подхватываться пристеноч-
ным потоком и снова уноситься в электрод, а дру-
гая (рис. 7, область 8) – смешиваться с присте-
ночным потоком сопла и выноситься за пределы
плазмотрона.
Правомочность предложенной гипотетической
схемы распределения газовых потоков в плазмот-
роне с полым электродом без учета влияния плаз-
менно-дугового разряда предстоит проверить, ис-
пользуя различные способы визуализации газовых
потоков.
Рис. 7. Гипотетическая схема распределения газовых потоков в
плазмотроне с полым электродом: 1 – полый электрод; 2 –
сопло; 3, 4 – пристеночные (соответственно в электрод и сопло);
5, 6 – возвратные (соответственно электрода и сопла); 7 –
область пересечения встречных потоков; 8 – смешение потоков
52
Следует отметить, что проведенные исследова-
ния являются предварительными, оценочными.
Они должны быть продолжены, что позволит со-
здать мощный, надежный, с высоким ресурсом ме-
таллургический плазмотрон с полым электродом.
Выводы
1. Показано, что газ, поступающий из завихрителя
плазмотрона с полым электродом, разделяется на
пристеночные вихревые потоки сопла и полого
электрода. В осевой зоне полого электрода фор-
мируется возвратный поток газа. В осевой зоне
от сопла до завихрителя образуется область по-
ниженного давления, в результате чего возникает
поток газа, втягиваемый в сопло из окружающей
атмосферы.
2. Установлено, что возвратный поток полого
электрода имеет форму конуса и проникает в при-
стеночный поток. Возвратные потоки как полого
электрода, так и сопла затягиваются в кольцевой
зазор напорного коллектора и перераспределяются
в пристеночные потоки.
3. Для повышения ресурса плазмотрона даль-
нейшие исследования должны быть направлены на
создание благоприятных условий для увеличения
протяженности зоны пониженного давления и сте-
пени ее разрежения, которая сможет обеспечить
контролируемую диффузионную привязку пятна
плазменной дуги.
1. Электродуговые генераторы термической плазмы /
М.Ф. Жуков, И.М. Засыпкин, А.Н. Тимошевский и
др. – Новосибирск: Наука, 1999. – 712 с.
2. Кривцов В.С., Планковский С.И. Проблемы создания вы-
сокоресурсных сильноточных электродуговых плазмотро-
нов // Авиационно-космическая техника и техноло-
гия. – 2005. – № 7. – С. 7—20.
3. Митрофанов Н.К., Школьник С.М. Две формы привяз-
ки атмосферной дуги постоянного тока в аргоне к термо-
эмиссионному катоду // Журн. техн. физики. –
2007. – 77, № 6. – С. 34—44.
4. Атаманюк В.И. Разработка путей и средств повышения
стабильности формирования швов при сварке непла-
вящимся электродом: Автореф. дис. ... канд. техн.
наук. – Волгоград, 2008. – 19 с.
5. Мухаева Д.В. Электро- и энергоперенос в прикатодной
области дугового разряда: Автореф. дис. ... канд. техн.
наук. – М., 2011. – 20 с.
6. Меркулов В.В. Исследование тепловых и электрических
характеристик плазмотрона с самоустанавливающейся
длиной дуги: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. – Улан-
Удэ, 2005. – 20 с.
7. Гриценко А.А. Разработка и обоснование характеристик
плазмотрона косвенного действия для обработки биотка-
ни: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. – М., 1992. –
16 с.
8. А.с. 1748616 СССР, МПК Н 05 В 7/22. Анодный узел
электродугового плазмотрона / М.Ф. Жуков, С.П. Ва-
щенко, Г.-Н.Б. Дандарон, Х.Ц. Заятуев. – Опубл.
10.09.95; Бюл. № 25.
9. Жуков М.Ф., Коротеев А.С., Урюков Б.А. Прикладная
динамика термической плазмы. – Новосибирск: Наука,
1975. – 298 с.
10. ВЧ- и СВЧ-плазмотроны / С.В. Дресвин, А.А. Бобров,
В.М. Лелевкин и др. – Новосибирск: Наука, 1992. –
319 с.
11. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в тех-
нике. – М.: Машиностроение, 1969. – 182 с.
12. Вихревые аппараты / А.Д. Суслов, С.В. Иванов,
А.В. Мурашкин, Ю.В. Чижиков. – М.: Машинострое-
ние, 1985. – 256 с.
13. Мощный неравновесный вихревой СВЧ разряд большого
объема на воздухе атмосферного давления / А.А. Бобров,
И.К. Киселев, В.М. Лелевкин и др. // Плазмохимия-
91. – М.: ИНХС АН СССР, 1991. – С. 88—118.
The work is aimed at studying the main gasdynamic characteristics of hollow cathode plasmatron that should eventually
lead to development of metallurgical plasmatron with longer service life. Interrelation between the eddy effect and gas
dynamics of plasmatron hollow electrode is shown. The paper gives a description of physical model of a plasmatron with
a hollow cathode for investigation of gas flow distribution in it. It is shown that the near-wall flow at vortex exit
consists of several separate spirally twisted braids, directed both into the electrode, and into the nozzle. As a result, a
lower pressure area forms in the central part of the cavity. Change of pressure of near-wall eddy flow on the hollow
electrode wall at this flow moving away from the vortex chamber is determined, depending on the depth of electrode
cavity and pressure of gas fed into the vortex chamber. Distribution of pressure of gas outflow across the section of
plasmatron model nozzle is determined. Proceeding from published data analysis and our own preliminary experiments,
a hypothetic scheme of gas flow motion in the plasmatron with a hollow electrode is proposed. Ref. 13, Figures 7.
K e y w o r d s : plasmatron service life; hollow electrode; eddy effect; plasmatron model; gas flow pressure; lower
pressure area; schematic of gas flow motion
Поступила 12.07.2013
53
|