CC BY
74
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц АГ И Т о м IV 197 3
№ 1
УДК 629.7.018.1:533.6.071:62 -69
ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПОДОГРЕВАТЕЛЬ СО СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ДУГИ СВЕРХЗВУКОВЫМ ПОТОКОМ ВОЗДУХА, С ОХЛАЖДАЕМЫМ ЦЕНТРАЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОДОМ ИЗ ТЕРМОСТОЙКИХ МАТЕРИАЛОВ
В. И. Блохин, В. А. Конотоп, В. А. Лебсак
Приведены результаты экспериментального исследования элект-родугового подогреватетя с охлаждаемым центральным электродом с запрессованной в нем активной вставкой из тугоплавкого материала (гафния, циркония, гексаборида лантана). Получены вольт-ам-перные характеристики и определены величины вольтова эквивалента тепловых потерь в катод.
Одной из наиболее перспективных конструктивных схем электродугового подогревателя для получения высокоэнтальпийной газовой струи является, по-видимому, схема со сверхзвуковым обдувом дуги, исследованная, в частности, в работах [1—3]. В создании такого подогревателя одной из важных проблем является выбор конструкции центрального электрода, поскольку электродное пятно на нем неподвижно или перемещается в ограниченной зоне на торце электрода. Если не применять принудительного вращения дугового пятна с помощью магнитного поля или газового вихря, то в качестве электродов могут быть использованы лишь термостойкие материалы. В настоящее время в элект-родуговых подогревателях, так же как и в дуговых лампах, используется вольфрам или графит.
В подогревателе, описанном в работе [1], центральный электрод выполнен из вольфрама и заключен в специальную камеру, куда подаётся нейтральный газ (аргон, азот), предохраняющий вольфрамовый электрод от разрушения при контакте с воздухом. Это усложняет конструкцию, а главное, в рабочий газ попадает примесь аргона, что в некоторых случаях является нежелательным.
В работе [3] описан электродуговой подогреватель с центральным электродом из графита. В этом случае в защите электрода нет необходимости и можно применять как прямую, так и обратную полярность электродов. Однако рабочий поток загрязняется продуктами выгорания графита, что несколько ограничивает область применения такого подогревателя. Этот недостаток может быть устранен применением в качестве катода тугоплавкого материала, не окисляющегося в кислородной среде.
Попытки изготовления электрода целиком из тугоплавкого материала (циркония) положительных результатов не дали [4], так как вследствие высоких тепловых потоков в районе катодного пятна электрод прогорает. Снять тепловой поток порядка 1000 вт с тонкого стержня при помощи воды практически невозможно.
Увеличение размеров охлаждаемого электрода из тугоплавких материалов не спасает положения, так как из-за низкой теплопроводности этих материалов местные тепловые потоки имеют ту же величину, что и в неохлаждаемом
10 — Ученые записки ЦАГИ № 1
133
Воздух
ОхлажИа-
ЮщаяНШ.
электроде. Задача может быть решена применением охлаждаемого водой электрода с вставкой из тугоплавкого металла. Охлаждение активной вставки производится методом контактного теплообмена: вставка запрессовывается в теплопроводную оболочку из материала, у которого работа выхода электронов больше, чем у материала активной вставки. В этом случае катодное пятно будет располагаться на активной вставке.
Ниже приведены некоторые результаты испытания подогревателя, конструкция которого в основном подобна конструкции, описанной в работе[3]. Отличие состоит в том, что охлаждаемый катод выполнен из меди с вставкой из термостойкого материала, на которую опирается дуга.
Основной целью испытаний была проверка работоспособности катода с вставкой из гафния, циркония и гексаборида лантана,-получение вольт-ампер-ных характеристик подогревателя в целом и определение вольтова эквивалента тепловых потерь в катод. Кроме того, было получено распределение потенциала по длине дугового столба, характеризующее распределение вкладываемой мощности по длине дуги. . ; '■!
Подогреватель (фиг. 1) состоит из следующих основных элементов: камеры, центрального электрода, стабилизирующего сопла, электродного сопла и электромагнитной катущки. Медный центральный электрод (йа1*6д) 7 имеет запрессо-
. ванную-в торец активную вставку
• Охлаждающая Ьда 2, выполненную в виде диска диа-
метром 5 мм, толщиной 3 мм, и располагается внутри камеры 3. Стабилизирующее сопло состоит из трех медных диафрагм 4, изолированных друг от друга фторопластовыми кольцами 5 и миллиметровым воздушным зазором. Медный электродный отсек сопла 7 изолирован ■; от стабилизирующих диафрагм '4"втулкой из алюмонитрида’ бора $. Центральный электрод, камера, стабилизирующие диафрагмы, электродное сопло и магнитная катушка 8 охлаждаются водой под давлением 18 атм.
Внутренний контур камеры, стабилизирующих диафрагм, изолятора из алю-„монитрида бора и электродного сопла образует сверхзвуковое коническое сопло х удлиненной горловиной диаметром 7 мм и углом ири вершине конуса, равным 9°,5. На рабочем режиме дуга горит, опираясь одним концом на активную . вставку центрального электрода, а другим на электродное сопло. Электродное сопло охватывается электромагнитной катушкой 8, включенной последовательно в цепь дуги. Магнитное поле катушки вращает анодное пятно по контуру электродного сопла, что предохраняет сопло от прогорания.
Воздух из баллонов под давлением Ю атм через- критическое сечение расходомерного сопла попадает в форкамеру подогревателя, далее, проходя через стабилизирующее сопло, нагревается дугой и вытекает в рабочую часть установки, откуда отсасывается системой эжекторов.
В процессе испытаний измерялись расход воздуха Ов по давлению перед мерным соплом, давление в форкамере подогревателя /»0,-сила тока дуги /д, напряжение на дуге 0Л, расход воды через охлаждаемые элементы, прирост темпера-.туры воды в охлаждаемых элементах. Все измеряемые во время испытаний параметры регистрировались на двух шлейфовых осциллографах Н-004. В некоторых испытаниях измерялось распределение потенциала изолированных отсеков стабилизирующего сопла относительно катода с помощью лампового вольтметра.
Исследование подогревателя было проведено в следующих диапазонах изменения основных параметров: расход воздуха Ов = 5,520 г/сек, давление воздуха в форкамере р0 = 1.1-5-3,7 атм, сила тока /д = 130 500.а, напряжение на дуге
,£/д = 180 350 в. Длительность пуска 5—15 сек. В указанных диапазонах были
реализованы устойчивые рабочие режимы. : - •••■•
Основная масса испытаний (80 пусков) проведена с: активной вставкой из Гафния при токах до 500 а. С цирконием (10 пусков),. гексаборидом лантана (6 пусков) и вольфрамом (3 пуска) были проведены только проверочные испытания, чтобы выяснить пригодность этих материалов для использования в качестве активных вставок.
На фиг. 2 приведены фотографии медного охлаждаемого катода с активной тугоплавкой вставкой. На фиг. 2, а показан электрод,..с гафниевой вставкой до использования, на фиг. 2, 6 — медный катоде гафниевой ..вставкой после 20 пусков при токах до 500 а. Заметно слабое выгорание вставки,’ видны следы дуги в
Фиг. 1
местах контакта поджигающей проволочки. На поверхности вставки образуется лунка глубиной 0,3 — 0,5 мм, окруженная пленкой соединений гафния, предотвращающей контакт дуги с медью. Измерения показали, что в этом случае относительная весовая доля примесей составляет примерно 0,007% расхода воздуха, что превосходит лучшие результаты, полученные для медных охлаждаемых электродов с магнитным вращением дуги (0,2% согласно [5]).
При увеличении тока дуги до 1000 а глубина лунки на поверхности активной вставки увеличивается, выгорание вставки происходит более интенсивно. Как показали оценки, в этом случае относительная весовая доля примесей составляет около 0,1%. На фиг. 2, в приведена фотография поперечного разреза того же электрода, что и на фиг. 2, б. Электрод был разрезан после семи последующих пусков, когда ток дуги уве>, . „ личивался от пуска к пуску на 100 а и
был доведен до 1200 а. Видно, что гаф-ниевая вставка выгорела почти полностью. Остался лишь тонкий слой гафния на стенках углубления под активную вставку. Гнездо совершенно не изменило своей формы, из чего следует, что
Фиг. 2
Фиг. 3
дуга замыкается только на активной вставке и не касается медной части электрода.
Аналогичный вид имеют электроды с активной вставкой из циркония и гек-саборида лантана.
Были предприняты попытки проверить работу электрода с вставкой из чистого вольфрама, однако дуга не замыкалась на вставке, а горела с медной рубашки, что приводило к быстрому прогоранию электрода. На фиг. 2, г приведена фотография электрода с активной вставкой из чистого вольфрама после одной из попыток зажечь дугу на вставке. Длительность пус :а составляла 5 сек. Из фотографии видно, что после возбуждения дуги в месте контакта поджигающей проволочки дуга сносится потоком воздуха в центр электрода и горит с медной рубашки вокруг вольфрамовой вставки. Это объясняется, по-видимому, тем, что работа выхода электронов у вольфрама (4,5 в [6]) несколько выше, чем работа выхода электронов у меди (4,47 в [6]). У гексаборида лантана, гафния, циркония работа выхода электронов меньше, чем у меди, и равна соответственно 2,68 эв [7], 3,53 в [6] и 3,84 в [в].
В результате проведенных испытаний получены вольт-амперные характеристики подогревателя. Они имеют вид, аналогичный кривым, полученным в испытаниях с графитовым катодом [3]. Экспериментальные данные для всех исследованных режимов в испытаниях с охлаждаемым катодом хорошо описываются зависимостью, полученной в работе [3] для подогревателя с графитовым катодом:
д. / / 2 '—°’54 “Д“*Р - I 1 1
(816 + 42/,)
где ic — длина цилиндрической части сопла в калибрах, rfKp — диаметр цилиндрической части сопла.
Согласно данным измерений материал активной вставки практически не влияет на вид вольт-амперной характеристики. Это объясняется, по-видимому, слабым выгоранием материала электродов и малой долей приэлектродного падения напряжения от полного падения напряжения в дуговом разряде (1 — 10% [5]). На фиг. 3 показаны результаты измерений теплового потока в электрод при различных токах для активных вставок из гафния, циркония и гексаборида лантана. На этот же график нанесены данные из работы [4]. Тепловые потоки в электрод рассчитывались по формуле Nn — cMQoxл с использованием величин прироста температуры воды М и расхода воды 0ОХл. полученных измерениями удельная теплоемкость воды). Из данных фиг. 3 видно, что тепловые потоки в катод линейно зависят от силы тока и практически не зависят от материала активной вставки.
В инженерных расчетах часто пользуются вольтовым эквивалентом тепловых потерь в электрод, который равен отношению мощности, отводимой из электрода жидким охладителем (водой), к току дуги. Из приведенных данных следует, что величина вольтова эквивалента тепловых потерь в электрод для гафния, циркония и гексаборида лантана составляет 5,4 +0,8 в.
Измерение распределения потенциала по длине дуги было проведено относительно центрального электрода (катода) при следующих параметрах: GB = — 10 zjcetc, /д = 390 а и р0= 1,265 атм. Если принять, что потенциал межэлек-тродной вставки равен усредненной величине потенциала соответствующего участка дуги, то результаты измерений показывают, что напряженность электрического поля уменьшается вниз по течению и наиболее интенсивно энергия расходуется на начальном участке дуги (£ я: 100 в/см на начальном участке и Е х 20 в/см в районе стабилизирующих диафрагм и электродного сопла,). Эти результаты согласуются с данными, полученными в работе [3].
Измерения распределения тепловых потерь в стенки подогревателя показали, что максимум тепловых потерь приходится на анод и составляет примерно 10% от вложенной мощности; потери в катод и в стабилизирующие диафрагмы приблизительно равны и составляют около 4% от вложенной в дугу мощности. Термический к. п. д. подогревателя, полученный в испытаниях при токах до 500 а, составляет 60%.
Поскольку измерения энтальпии струи на выходе из подогревателя не проводились, величина средней энтальпии воздуха определялась по балансу энергии. Проведенные на характерном режиме измерения при /д = 400 a, GB = 10 г/сек, />о = 2,5 атм дают величину Яср = 2400 ккал/кг (Тср = 5000° К), что согласно данным работы [3] соответствует температуре на оси потока порядка 7000° К.
Приведенные результаты показывают, что применен е охлаждаемых катодов с активными вставками из тугоплавких термоэмиссионных материалов (гафния, циркония, гексаборида лантана) в электродуговых подогревателях с принудительным обжатием дуги позволяет решить задачу получения высокотемпературной воздушной струи с минимальным содержанием примесей материала электрода.
ЛИТЕРАТУРА
1. Стайн Г. А. Высокотемпературная сверхзвуковая аэродинамическая труба. В сб. „Исследования при высоких температурах".
М., „Наука", 1967.
2. Шейндлин А. Е., Асиновский Э. И. Некоторые результаты исследования стабилизированной аргоновой дуги. В сб. „Исследования при высоких температурах". М., „Наука", 1967.
3. Конотоп В. А., Блохин В. И. Исследование параметров плазматрона при прямой и обратной полярности электродов. В сб. „Физика, техника и применение низкотемпературной плазмы". Алма-Ата, 1970.
4. Болотов А. В.. Борисова Т. В. Термохимический катод, конструкция и работа. В сб. „Физика, техника и применение низкотемпературной плазмы*. Алма-Ата, 1970.
5. Коротеев А. С. и др. Генераторы низкотемпературной плазмы. М., „Наука", 1969.
6. Л е с к о в Г. И. Электрическая сварочная дуга. М., „Машиностроение", 1970.
7. Кудинцева Г. А., Эпельбаум В. А., Царев Б. М.
Синтез гексаборидов некоторых редкоземельных металлов и их электронно-эмиссионные свойства. В сб. „Бор. Труды конференции по химии бора и его соединений". М., Госхимиздат, 1958.
Рукопись поступила 28/XII 1971 г.
