Генераторы плазмы

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
Г.К. Клименко, А.А. Ляпин
ГЕНЕРАТОРЫ ПЛАЗМЫ
Методические указания
к выполнению курсового проекта
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2010

УДК 621.791
ББК 31.252
К49
Рецензенты: И.П. Назаренко, Д.А. Ягодников
К49
Клименко Г.К.
Генераторы плазмы : метод. указания к выполнению курсового проекта / Г.К. Клименко, А.А. Ляпин. – М.: Изд-во МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 2010. – 62, [2] с. : ил.
Представлена методика расчета основных характеристик генератора плазмы (плазмотрона), приведены справочный материал и примеры, предложена универсальная схемная модель плазмотрона.
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по специальностям «Плазменные энергетические установки», «Электроракетные
двигатели и энергетические установки» и «Приборы и системы лучевой энергетики».
Методические указания рекомендованы Учебно-методической комиссией НУК Э.
УДК 621.791
ББК 31.252
c
⃝МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010

ВВЕДЕНИЕ
Генераторы плотной плазмы — плазмотроны — нашли широкое
применение в разных отраслях промышленности. Наиболее распространены электродуговые нагреватели газа. Эти плазмотроны
нашли применение в машиностроении, металлургии, плазмохимической и других отраслях промышленности, в научных исследованиях для нагрева разных рабочих сред в широких диапазонах
мощностей и параметров плазмы, однако возможности их применения далеко не исчерпаны.
Среди электродуговых генераторов плазмы наибольшее распространение получили плазмотроны с газовой стабилизацией разряда. Достоинствами этих плазмотронов являются высокая эффективность при реализации разных технологических процессов и
относительная простота конструкции. В то же время рабочий процесс в таких плазмотронах отличается сложностью и многообразием физических процессов — электрических, плазмодинамических,
тепловых, гидравлических, которые связаны между собой, а также
с внешними системами, обеспечивающими работу плазмотрона.
Существует большое количество схем рабочего процесса с газовой стабилизацией разряда. Для некоторых схем разработаны
методики расчета и проектирования [1], однако они не охватывают
все разнообразие возможных вариантов использования.
Авторы предлагают достаточно универсальную методику проектного расчета большинства возможных вариантов плазмотронов
с газовой стабилизацией, принципиально пригодную и для расчета
плазмотронов с другими способами стабилизации разряда.
3

Методика позволяет определить основные конструктивные размеры плазмотрона выбранной схемы и рабочие параметры процесса в нем или провести поверочный расчет плазмотрона с известными размерами.
На основании полученных размеров и характеристик процессов могут быть проведены более детальные расчеты отдельных
элементов конструкции или процессов, которые не входят в представленную методику.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНА
ЧЕНИЙ
И ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ
Сокращения
СУД — самоустанавливающаяся дуга
МЭВ — межэлектродная вставка
уст — уступ
ВАХ — вольт-амперная характеристика
Переменные
Обозначение
Единица
измерения
Наименование
a
м/с
Скорость звука при условиях для газа на выходе
a0
м/с
Скорость газа (холодного) на входе в канал
Aист
–
Коэффициент использования напряжения источника питания
cp
Дж/(кг∙K)
Удельная теплоемкость воды (хладагента)
Cd
А/м
Соотношение между током разряда и диаметром сопла
CG
А∙с/кг
Соотношение между током разряда и расходом газа
d
м
Диаметр выходного канала самоустанавливающейся дуги
dа
м
Диаметр выходного электрода за уступом —
диаметр анода
dг
м
Гидравлический диаметр охлаждающего канала (рубашки охлаждения)
5

Обозначение
Единица
измерения
Наименование
dкр
м
Диаметр канала, при котором достигается
критическая скорость и происходит тепловое
запирание потока
dк
м
Диаметр внутреннего электрода: диаметр термоэмиссионной вставки для торцевого катода
или диаметр канала для трубчатого катода
dотв
м
Диаметр одного отверстия для ввода газа в
камеру плазмотрона
dс
м
Диаметр канала сопла
dтр
м
Диаметр трубки соленоида
Eр
В/м
Средняя напряженность поля в столбе дуги
при давлении р
Ecр
В/м
Средняя напряженность поля в столбе дуги
Eн
В/м
Средняя напряженность поля в столбе дуги на
начальном участке дуги плазмотрона на воздухе
Eт
В/м
Средняя напряженность поля в столбе дуги
на турбулентном участке дуги плазмотрона на
воздухе
f
–
Коэффициент увеличения охлаждаемой поверхности
FS
м2
Площадь сечения проводника соленоида
Fа
м2
Площадь «горячей» поверхности анода
Fв
м2
Площадь поперечного сечения охлаждающего
канала (рубашки охлаждения)
Fк
м2
Площадь «горячей» поверхности трубчатого
катода
Fотв
м2
Площадь отверстий для ввода газа в камеру
Fохл
м2
Площадь поверхности, охлаждаемой водой
Fс
м2
Площадь поверхности сопла, обращенной к
катоду
gа
кг/Кл
Удельная эрозия выходного электрода (анода)
6

Обозначение
Единица
измерения
Наименование
gк
кг/Кл
Удельная эрозия внутреннего электрода (катода)
G
кг/с
Расход рабочего газа
GS
кг/с
Расход воды, охлаждающей соленоид
Gv
м3(норм)/с
Объемный расход в «нормальных» кубометрах (при нормальном давлении p = 105 Па)
в секунду
Gв
кг/с
Расход охлаждающей воды (хладагента)
Gохл
а
кг/с
Расход воды (хладагента) для охлаждения
анода
Gохл
к
кг/с
Расход воды (хладагента) для охлаждения катода
h
Дж/кг
Cреднемассовая энтальпия газа (на выходе)
hw
Дж/кг
Энтальпия газа при температуре стенки
H
А/м
Напряженность магнитного поля магнитной
системы (соленоида)
H0
А/м
Напряженность магнитного поля в центре
магнитной системы (соленоида)
h0
Дж/кг
Энтальпия газа на входе
I
А
Ток дуги (разряда)
IS
А
Ток в витках соленоида
jа
А/м2
Средняя плотность тока на аноде
jк
А/м2
Средняя плотность тока на катоде
jа max
А/м2
Максимальная плотность тока на поверхности выходного электрода (аноде)
jк max
А/м2
Максимальная плотность тока на поверхности внутреннего электрода (катоде)
jS
А/м2
Плотность тока в сечении соленоида
κ
–
Показатель адиабаты
Kу
–
Коэффициент удлинения дуги
7