- Вестник КазНТУ

УДК. 621.365.2
К.А. Утеулина, Г.К. Турлыбекова
(КазНТУ им. К.И. Сатпаева, Алматы, Республика Казахстан)
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАЗМОТРОНА КОАКСИАЛЬНОГО ТИПА
Аннотация. Дан анализ потоков и процессов переноса энергии в плазматроне с коаксиальными
электродами. Исследуется механизм возникновения неустойчивости в плазматронах коаксиального типа и
устанавливается критерий устойчивости для плазматрона по отношению к пульсациям температуры.
Предлагается расчетная модель, которая позволяет получить достаточные и полные сведения о тепловых,
газодинамических и электрических характеристиках электрической дуги в различных газовых средах.
Ключевые слова: Коаксиальный плазматрон, турбулентность, дуговой разряд, электрическое
сопротивление плазмы.
Электрическая дуга является газообразным чрезвычайно подвижным проводником тока.
Магнитное поле, действующее на дугу, создает силу, пропорциональную индукции поля и току в
дуге, которая перемещает элементы дуги в пространстве, создается так называемое магнитное
дутье. Наибольшая мощность получена в плазмотронах с коаксиальными электродами. В них ток
дуги протекает в радиальном направлении по относительно малому (по поперечному сечению)
токовому каналу. Дуга движется по окружности электродов под влиянием взаимодействия тока с
создаваемым соленоидами магнитным
полем, которому придаётся такая форма, чтобы
стабилизировать положение дуги в осевом направлении. Известно, что на токоведущую часть
действуют силы, которые стремятся увеличить электромагнитную энергию контура. Поскольку
энергия пропорциональна индуктивности, то дуга под действием своего собственного поля
стремится образовывать витки, петли, так как при этом возрастает индуктивность цепи. Эта
способность дуги тем сильнее, чем больше ее длина. При движении дуги в среде газа с большой
скоростью возникает расслоение дуги на отдельные параллельные волокна. Чем длиннее дуга, тем
сильнее происходит расслоение электрической дуги. Движущаяся в воздухе дуга преодолевает
аэродинамическое сопротивление воздуха, которое зависит от диаметра электрической дуги,
расстояния между электродами, плотности газа и скорости движения. Опыт показывает, что во
всех случаях в равномерном магнитном поле электрическая дуга движется с постоянной
скоростью.
Следовательно,
электродинамическая
сила
уравновешивается
силой
аэродинамического сопротивления. С целью создания эффективного охлаждения, дуга с помощью
магнитного поля втягивается в узкую (диаметр дуги больше ширины щели) щель между стенками
из дугостойкого материала с высокой теплопроводностью. Из-за увеличения теплоотдачи стенкам
щели градиент напряжения в столбе дуги при наличии узкой щели значительно выше, чем у
электрической дуги, свободно перемещающейся между электродами. Это дает возможность
сократить необходимую для гашения длину и время гашения.
Цель воздействия на столб возникающей в аппарате электрической дуги состоит в
увеличении её активного электрического сопротивления вплоть до бесконечности, когда
коммутационный орган переходит в изоляционное состояние. Практически всегда это достигается
путем интенсивного охлаждения столба электрической дуги, уменьшения её температуры и
теплосодержания, в результате чего снижается степень ионизации и количество носителей
электричества и ионизированных частиц и повышается электрическое сопротивление плазмы.
Теплообмен в коаксиальных плазмотронах характеризуется рядом особенностей: наличие
диссоциации и частичной ионизации в газе; наличие магнитного поля; передача энергии от
высокотемпературного газа в стенки не только за счет конвекции и теплопроводности, но и
излучением; наличие развитой турбулентности в зоне
горения разряда и в зоне истечения
плазмы. Определяющее воздействие на теплообмен плазмы со стенками оказывает не начальная
скорость, а скорость, приобретаемая в результате взаимодействия рабочего тела с разрядом,
поскольку при этом взаимодействии рабочему телу передается количество движения, приводящее
к появлению тангенциальной составляющей скорости, большей по величине, чем осевая
составляющая скорости. Для расчета коэффициента трения C f и теплообмена S t могут быть
использованы известные методы теории пограничного слоя, а также применение закона
сохранения момента количества движения. Замкнутая система уравнений и аналитический расчет
с учетом особенностей горения позволяет определить также термический к.п.д. и выходную
энтальпию.
Течение газа в цилиндрическом канале с электрической дугой описывается системой
уравнений энергии, импульса и непрерывности в следующем виде:

E  I 2   (r )rdr 
 0

1
Здесь E - напряженность электрического поля, постоянная по сечению дуги, I - ток дуги,

S
 (s )
E 2
P  P0  E 
 (t )tdtds 

s
2
0
0
2
2
1 r


(
t
)
dt
 
 ,
r
 0

P0 – давление газа вне столба дуги, два других слагаемых в правой части данного уравнения
обусловлены взаимодействием электрического тока в магнитном поле дуги. Остальные
обозначения: z, r – цилиндрические координаты, – магнитная постоянная, u,  – аксиальная и
радиальная компоненты скорости, Т–температура,
,
– теплопроводность,
турбулентная вязкость, электропроводность, излучательная способность. Последние параметры
полагаются известными функциями температуры и давления.
Система уравнений предполагает, что процесс стационарный, существует локальное
термодинамическое равновесие, излучение объемное, имеется вращательная симметрия.
Граничные условия: z=0;
, T=T0 (r) , u=v=0
z=r,
= 0, r = rw, T=Tw, u=v=0
При работе коаксиального плазмотрона иногда наблюдаются случаи смещения зоны
вращения дугового разряда с рабочих участков электродов. Причиной данного явления являются
электродинамические силы, возникающие при взаимодействии тангенциальной составляющей
тока дуги I  и радиальной составляющей индукции магнитного поля Br . Трактория движения
дуги по коаксиалу будет представлять собой вращательно-колебательное движение и при этом
возможно образование в дуге одного вихря как целого или основного и второго по размерам
гораздо меньшем первого в кормовой точке, на границе дуга и обтекающий газ. Для повышения
жесткости фиксации зоны вращения разряда необходимо скомпенсировать разность
электродинамических сил и обеспечить среднестатистическую форму столба дуги, т.е.
газодинамические силы должны быть больше электродинамических сил, обусловленных
разностью
в прианодной и прикатодной областях.
Наиболее теплонапряженными участками для электродов являются места соприкосновения
их поверхности с опорными пятнами электрической дуги- катодным и анодным. С целью
снижения эрозии, электроды интенсивно охлаждаются, время привязки дуги уменьшается так,
чтобы исключить сплавление поверхности, добиваются этого путем быстрого перемещения
опорного пятна по поверхности электродов. При этом тепловой поток от дугового пятна как бы
«размазывается» по поверхности электродов, по некоторой замкнутой «полосе». В случае
коаксиального плазмотрона –указанная область представляет собой цилиндрический пояс,
ширина которого определяется размахом колебаний дуги.
ЛИТЕРАТУРА
1. Безруков И.А., г. Новосибирск, «Центр электротехнологий», НГТУ, ce_nstu@mail.ru;
2. Малышев С.Н., г. Новосибирск, кафедра АЭТУ НГТУ, malushef@mail.ru;
3. Утеулина К.А., Турлыбекова Г.К. Вестник КазНТУ, 2013, №2
REFERENCS
1. Besrukov I.A., Novosibirsk c. «Centre electrotechnology» NGTU, ce_nstu@mail.ru;
2. Malyshev S.N., Novosibirsk c., department AETU NGTU, malushef@mail.ru;
3. Uteulina K.A., Turlybekova G.K., Vestnik KazNTU, 2013, №2
Өтеулина Қ.Ә., Тұрлыбекова Г.Қ.
Коаксиал түрдегі плазматронның сипаттамаларын зерттеу
Түйіндеме. Мақалада коаксиал түрдегі плазматрондағы энергия ағыны және оның тасымалдануы
процестеріне талдау келтірілген. Жұмыста плазмалық қондырғылардағы орнықсыздықтың пайда болу
механизмдері және коаксиал түрдегі плазматрон үшін температураның өзгерісімен байланысты орнықтылық
критерийлері анықталады. Сонымен қатар, әртүрлі газдық орталардағы электр доғасының жылулық,
газодинамикалық және электрлік сипаттамалары туралы жеткілікті, әрі толық мәлімет алуға мүмкіндік
беретін есептеу моделі ұсынылған.
Кілт сөздер: Коаксиалды плазматрон, турбуленттік, доғалық разряд, плазманың электрлік кедергісі.
Утеулина К.А., Турлыбекова Г.К.
Исследование характеристик плазматрона коаксиального типа
Резюме. Статья представляет собой анализ потоков и процессов переноса энергии в плазматроне с
коаксиальными электродами. В работе исследуется механизм возникновения неустойчивости в
плазматронах коаксиального типа и устанавливается критерий устойчивости для плазматрона по
отношению к пульсациям температуры. Предлагается расчетная модель, которая позволяет получить
достаточные и полные сведения о тепловых, газодинамических и электрических характеристиках
электрической дуги в различных газовых средах.
Ключевые слова: Коаксиальный плазматрон, турбулентность, дуговой разряд, электрическое
сопротивление плазмы.
Uteulina K.A., Turlybekova G.K.
Research of Coaxial – type Plasmatron Characteristics
Summary. Paper presents an analysis of processes and threads of energy transport in the Plasmatron with
coaxial electrodes. A mechanism of instability in the Coaxial-type Plasmatron is researched and the stability
criterion for Plasmatron towards the temperature fluctuations is established. The calculation model is proposed,
which allows to obtain a sufficient and complete information about the thermal, gas dynamic and electrical
characteristics of the electric arc in various gas media.
Key words: Coaxial Plasmatron, turbulence, arc discharge, electrical resistivity of the plasma.