基于相似理论的超音速等离子体炬电热特研究.doc

精品文档阳极结构对直流非转移型等离子体射流特性的影响程昌明*程昌明（1971），男，四川简阳人，硕士研究生，高级工程师，1993年毕业于成都科学技术大学，现从事低温等离子体应用研究。 电子邮箱： 唐德礼 赵杰（核工业西南物理研究院，成都 610041）摘要：本文介绍了自行研制的直流非转移型等离子体炬的结构和工作原理，研究了拉瓦尔喷管结构的阳极压缩角、通道直径、阳极长度对等离子体射流的伏安特性和效率的影响，利用侧向垂直送气对射流的速度进行了定性研究。结果表明，阳极结构对等离子体射流特性的影响较大，弧压随着阳极压缩角的增大而下降，较小压缩角的射流稳定性更好；通道直径较小的等离子体射流刚性更强；阳极加长后，在同等电流和工作气体量下，电弧的电压有所提高，平均提高了约20V，炬功率提高了2-3kW，弧压增加有利于延长电极的使用寿命。关键词：等离子体炬，等离子体射流，阳极压缩角，伏安特性1 引言热等离子体射流具有高温、高焓、高能量密度以及气氛可控等特点，已经在切割、焊接、喷涂、材料制备、废物处理等领域得到广泛应用1。直流非转移型等离子体炬是工业应用中最为广泛的一种，工业应用对等离子体炬的要求是高稳定性、高效率和长寿命，因而对于等离子体射流电热特性的研究就显得至关重要。等离子体射流的特性包括电特性（伏安特性）、热特性（效率）、流动状态（层流或湍流）、热力学特性以及输运特性等等，与等离子体炬的结构、工作气体类型、运行参数等密切相关。同一个等离子体炬，在不同的运行参数下会产生层流或湍流状态的射流2，不同的电极结构可以得到不同流速的射流3,4，研究者对于等离子体射流的脉动特性也进行了比较深入的探讨5,6。等离子体炬阳极喷嘴结构是影响等离子体射流特性的重要因素之一，通常情况下，圆柱形通道的喷嘴易于产生温度较高的亚音速射流，而类似于拉瓦尔结构的收缩扩张形喷嘴可以获得音速甚至超音速的射流，这在某些行业如喷涂、点火等有着重要的用途。本文根据我们自行研制的拉瓦尔喷嘴直流非转移型等离子体炬，通过改变阳极喷嘴的压缩角、通道直径和长度，对等离子体射流的伏安特性及射流形貌进行了研究分析，并利用侧向送风的方法，比较了不同喷嘴结构等离子体射流的平均速度。实验结果可以作为我们优化等离子体炬设计和开发不同用途的等离子体炬的参考。2 实验装置及方法本实验系统如图1所示，主要由中频逆变开关电源、等离子体炬、供气（氮气和空气）、冷却水以及测量几部分组成。电源采用全中频逆变的新型开关电源技术，配有高频触发系统，采用恒流控制方式，并设有过流、过热等保护措施。图1 实验系统示意图等离子体炬是我们自己研制的直流非转移电弧等离子体炬，属于固定弧长型，主要由阴极、触发极和阳极三大部分组成，阴极材料为铈钨，镶嵌于紫铜座内，触发极和阳极材料为紫铜，电极之间的绝缘材料选用聚四氟乙烯，水冷通道及连接件选用不锈钢材料。阴极和阳极的水冷通道均采用螺旋结构，增加了热交换面积。阳极通道采用拉瓦尔喷管结构，可以提高射流的速度，加快弧斑的旋转，提高阳极的使用寿命。首先在阴极与触发极之间施加高达10000伏左右的触发电压，利用高压脉冲击穿它们之间的气隙，产生电弧，然后断开触发极，电弧就在阴极与阳极之间建立起来。炬的阴极保护气体为氮气，由氮气瓶提供，在阴极与触发极之间供给；工作气体是空气，由空气压缩机提供，在触发极与阳极之间供给；保护气体与工作气体均采用切向进气方式。电极的冷却水为自来水，相对独立，可以根据需要调节各电极的冷却水流量。测量参数主要包括弧电压、弧电流、气体流量、水流量、水温等。弧电流和弧电压可以在电源控制柜上直接读出；气体流量由流量计测得；实验过程中用容积法计算冷却水的流量，用温度计直接测量冷却水的进出口温度。在距等离子体炬出口15mm，中心线上方60mm的位置设置一个垂直于等离子体射流的送气管道，管道出口截面为0.79mm，用流量计测量送气量，可以计算得到管道出口平均风速，改变送气量，观察侧向送气对射流形貌的影响。主要的等离子体炬运行参数见表1。表1 等离子体炬主要运行参数炬功率（千瓦）3050 弧电流（安培）100150 弧电压（伏特）250350 氮气流量（升/分）2535 空气流量（升/分）80120热效率70%3 实验结果与分析实验中研究了四种不同通道尺寸的阳极，阳极结构如图2所示，在阳极长度L为256mm时，通过改变压缩段尺寸X来改变压缩角，选择了两个通道最小直径d，分别对不同压缩角和最小通道直径的阳极进行了调试，并对实验结果进行了分析。在改变压缩角和通道直径的同时，出口段扩张角的变化范围为79之间，因而忽略了扩张角的影响。不同阳极的尺寸见表2。图2 阳极结构示意图表2 阳极的压缩角和通道直径序号压缩角通道直径d40124016151611163.1 压缩角对等离子体射流特性的影响对、三种不同压缩角的阳极分别进行调试，并对射流的伏安特性进行了比较，结果见图3，图中实线为空气流量2.7810-3kg/s，虚线为空气流量3.1410-3kg/s的实验结果。图3压缩角对等离子体射流伏安特性的影响从图3可以看出，等离子体射流的伏安特性总体呈下降趋势，弧压随着电流的增加而降低，随着工作气体气体流量的增大而升高；在相同的电流和气体流量下，弧电压随着阳极压缩角的增大而减小。电流增加，弧柱温度升高，使得空气的电导率增大，从而阻抗下降，并且阻抗的下降速率大于电流的增加速率，最终导致电压下降；而气体流量增加，对电弧的压缩冷却作用加剧，降低了弧柱的温度，增大了阻抗，导致弧压升高。压缩角是随着压缩段长度的增加而减小的，较小压缩角的阳极，其压缩段长度更长，而弧斑一般是工作在阳极扩张段，随着压缩角的减小，弧斑将向阳极出口移动，最终导致弧压的升高。图4是在电流120A，空气流量2.7810-3kg/s时不同压缩角阳极的射流形貌。可以看出随着压缩角的减小，弧长变短，但是电弧的稳定性更好。40 15 11图4不同压缩角的射流形貌3.2 阳极通道直径对等离子体射流特性的影响对、两种通道直径的阳极分别在不同的工作气体流量下进行调试，并对射流的伏安特性进行了比较，结果见图5。图中虚线表示的是通道直径12mm的阳极，实线为通道直径16mm的阳极的实验结果。图5 阳极通道直径对射流伏安特性的影响从图5可以看出，弧压随着电流的增加而降低，随着气体流量的增大而升高。在工作气体流量较低时，阳极的弧压比阳极的高，而当气体流量增大后，两种阳极结构的射流伏安特性变得基本一致。这可以解释为同样的气体流量下，当阳极通道直径较小时，气体的旋转速度更快，对射流的冷却作用也更强，射流的速度更快，这将导致弧压更高；当气体流量较大时，阳极弧斑落到扩张段，两种阳极在扩张段的尺寸基本相同，工作气体的流动状态也相似，所以它们的伏安特性基本一致。3.3 侧向气流对等离子体射流的影响选择通道直径不同的阳极和，在电流140A，空气流量2.6710-3kg/s条件下产生等离子体射流，在无侧向送气和侧向风速26、44、88m/s时，观察侧向送风对等离子体射流形貌的影响，结果见图6，图中红色箭头方向为最大偏转角度。图6 侧向风速对等离子体射流形貌的影响从图6可以看出，没有侧向送风时，通道直径较小时产生的射流形状比较规则；而通道直径大的射流较发散，尾部明显有发黄的火焰。侧向气流使得射流发生偏转，随着风速的增大，射流偏转角度明显增加，在同等侧向风速下，阳极产生的射流偏转角明显小于阳极，说明射流的平均速度大于射流，这是由于通道直径减小后，阳极内壁对等离子体射流的压缩加剧，导致射流的速度增大。3.4 阳极长度对等离子体射流的影响为了适应我们的工艺和安装要求，将阳极的总长增加了240mm。压缩角选定为40度，与表2中的号阳极相同，出口直径没有改变，随着长度的增加，扩张段的角度减小了。阳极通道最小直径为16mm。加长后的等离子体炬的启动条件与以前相比没有多大改变，同样的工作参数下，等离子体射流长度变短，伏安特性也发生了变化，测试结果见图7。从图7中可以看出，阳极加长后，同等电流和工作气体量下，电弧的电压有所提高，平均提高了约20V，炬的功率也就提高了2-3kW，弧压增加有利于延长电极的使用寿命，因为相同的使用功率下可以降低电流。阳极加长后电压提高主要是因为扩张段的角度变小后，对电弧的压缩作用加强，而且水冷内壁对电弧的冷却作用加剧，进一步压缩了电弧，使得电弧的截面变小，阻抗增大，因而导致电弧的电压升高。图7 不同阳极长度的等离子体炬伏安特性比较4、结论本文对自行研制的拉瓦尔喷嘴直流非转移型等离子体炬中阳极结构对等离子体射流特性的影响进行了实验研究，重点研究了阳极压缩角、通道直径和长度对等离子体射流的伏安特性、射流形貌的影响，并对射流的速度进行了定性的比较分析，基于我们的等离子体炬结构及运行参数，得出如下结论：（1）对于拉瓦尔喷管结构的阳极，伏安特性呈下降趋势；相同条件下，随着压缩角的增加，弧压会降低；压缩角较小时，射流长度变短，但稳定性更好，可以获得更高的弧压，在同等功率下可以延长电极的使用寿命。（2）通道直径的改变将对等离子体射流的特性和形貌产生较大的影响。通道直径较小的阳极，产生的射流刚性较好，速度更快；工作气体流量较低时，较小的通道直径可以获得较高的弧压。（3）阳极加长后，在同等电流和工作气体量下，电弧的电压有所提高，平均提高了约20V，炬的功率也就提高了2-3kW，弧压增加有利于延长电极的使用寿命。（4）我们设计的不同结构的阳极可以应用于不同的场合。射流速度较高，刚性较好，适合于喷涂、等离子体点火应用，而射流的截面积较大，适合于废物处理应用。参考文献1 Pfender E. Plasma Chem. Plasma Process, 1999, 19(1) : 1-312 潘文霞, 孟显, 陈熙,等. 工程热物理学报, 2006, 27(3): 499-501PAN Wenxia, MENG Xian, CHEN Xi, et al. Journal of engineering thermophysics, 2006, 27(3) : 499-5013 Chang O H, Kaminska A and Dudeck M. J.Phys. France, 1997, 7(6):1361-13754 Cao M, Gitzhofer F, Gravelle D V, et al. Plasma Sources Sci. Technol., 1997, 6(1): 39-455 严建华, 屠昕, 马增益, 等. 物理学报, 2006, 55(7): 3