CC BY
60
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ И АГ И
Т о м VI 1 97 5 М2
УДК 629.7.018.1:533.6.071.1:62- 69
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЕННОГО ЗАЖИГАНИЯ ДУГИ В КОАКСИАЛЬНЫХ ПОДОГРЕВАТЕЛЯХ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ТРУБ
В. А. Лебсак, А. В. Подмазов, Б. В. Пономарев, Ю. В. Столяров
Приведены результаты экспериментального исследования плазменного зажигания дуги в подогревателях с коаксиальными электродами. Описана конструкция устройства для плазменного зажигания дуги с использованием разряда конденсаторнрй батареи. Показана возможность сдувания дуги в рабочую зону с помощью магнитного поля, наведенного током, протекающим по центральному электроду.
Дуговые подогреватели с коаксиальными электродами нашли широкое применение для подогрева рабочего газа в аэродинамических трубах.
В настоящее время возбуждение дуги в подогревателях производится с помощью перемыкания электродов проволочкой, что имеет целый ряд недостатков. К ним относятся: перегрузка электродов за счет пускового тока, загрязнение рабочего газа продуктами сгорания проволочки, приводящее к изменению размеров и формы критического сечения сверхзвукового сопла'аэродинамической трубы, сложность автоматизации процесса зажигания дуги. Указанных недостатков полностью лишен способ зажигания дуги впрыском в межэлектродный промежуток ионизированного газа.
Исследование плазменного поджига проводилось на двух подогревателях: с короткой и длинной разрядными камерами. Подогреватель (см. фиг. 1) состоит из: цилиндрической камеры (катода) 1, центрального электрода (анода) 2 и электромагнитной катушки 3■ Электрическая дуга горит между головкой центрального электрода и дуговой камерой, вращаясь под действием магнитного поля катушки в плоскости, перпендикулярной оси подогревателя. Рабочий газ через сверхзвуковое расходомерное сопло 4 подается в камеру подогревателя, нагревается при прохождении через зону горения дуги и вытекает в рабочую часть установки через сверхзвуковое сопло 5.
В настоящих испытаниях на входе в подогреватель было установлено устройство поджига дуги 6. Устройство поджига дуги состоит из корпуса, разрядной камеры и канала, через который в камеру подогревателя подается ионизированный газ.
Электрическое питание устройства поджига дуги осуществлялось от специально разработанного блока питания, схема которого приведена на фиг. 1. Блок питания включает в себя накопитель энергии на конденсаторах Си высоковольтный выпрямитель на напряжение 5 кВ, генератор высоковольтного инициирующего импульса, разрядник Р и устройства защиты и управления разрядом. Эта схема позволяет вложить в разрядный импульс мощность от 2 до 20 мВт. Оценка мощности проводилась по методике, изложенной в работе [1], с учетом того, что около половины мощности разряда конденсатора теряется в разряднике Р. Длительность импульса —5• 10 5 с, минимальный ток .—2-104 А.
Для этих параметров экспериментально был произведен подбор оптимальной конструкции разрядной камеры устройства поджига дуги. Диаметр камеры — 4 мм, расстояние между электродами — 1 мм. Диаметр выходного канала разрядной камеры не должен быть • меньше диаметра разрядной камеры, так как в этом случае из-за сильного возрастания давления в камере происходит быстрое разрушение разрядной камеры. При мощности импульса —20 мВт ресурс камеры (центральный электрод из стали 1Х18Н9Т, внешний электрод из меди) составляет не менее 100 пусков.
Во всех подогревателях с коаксиальным расположением электродов конструктивно сложно разместить выходной канал устройства поджига дуги непосредственно в разрядном промежутке подогревателя из-за наличия водяного охлаждения внешнего электрода и электромагнитной катушки вращения дуги (см. фиг. 1). Поэтому устройство поджига устанавливалось на входе в разрядную камеру подогревателя. Предполагалось, что в этом случае после впрыска плазмы произойдет пробой между центральным электродом, который находится под положительным потенциалом, и наконечником устройства поджига дуги, на который подается отрицательный потенциал. Возникающее в момент пробоя поджигающей дуги магнитное поле, наведенное током, протекающим по центральному электроду, должно выбросить поджигающую дугу в разрядный промежуток подогревателя, где загорится основная дуга.
Для проверки этого предположения был поставлен специальный эксперимент. Узел крепления центрального электрода с установленным на нем устройством поджига дуги был закреплен на изолирующей подставке (фиг. 2). От генератора питания подогревателя на центральный электрод подавался положительный
Фиг. 3
потенциал, а на фланец, в котором было установлено устройство поджига дуги — отрицательный потенциал. В цепи питания дуги был установлен плавкий предохранитель на ток 10 А, срабатывающий через 10—3 с после возбуждения поджигающей дуги.
На фиг. 3 приведена фотография процесса возбуждения поджигающей дуги при токе 1000 А. Видно, что, как и предполагалось, поджигающая дуга выбрасывается в сторону разрядного промежутка подогревателя. Съемка проводилась фотоаппаратом „Зенит* через плотный светофильтр на пленку КН-1 с выдержкой 30 с. Это давало возможность получить одновременно изображение конструкции и следа, оставленного движущимся плазменным сгустком.
Для усиления эффекта магнитного „выдувания" поджигающей дуги на наконечнике устройства поджига дуги параллельно центральному электроду укреплялась медная шина, т. е. применялась так называемая схема рельсотрона.
После проведения серии предварительных испытаний было проведено исследование зажигания дуги с помощью устройства поджига дуги на двух рабочих подогревателях аэродинамических труб: с короткой разрядной камерой (расстояние от выхода устройства поджига дуги до головки центрального электрода 1 = 70 мм) и с длинной разрядной камерой (£=400 мм). В обоих подогревателях высота дугового зазора равнялась 15 мм.
Испытания подогревателя с короткой разрядной камерой показали, что даже при питании от батареи конденсаторов емкостью 25 мкФ, т. е. при вло-
женной в разряд мощности 2 мВт, обеспечивается автоматический запуск подогревателя на всех его рабочих режимах.
Впрыск плазмы в подогреватель с длинной разрядной камерой производился на входе в подогреватель на расстоянии 350 мм от зоны горения дуги. Испытания показали, что плазменный поджиг обеспечивает надежный запуск подогревателя в широком диапазоне давлений от 2 до 65-106 Па.
Применение плазменного зажигания дуги с помощью описанного выше устройства позволяет автоматизировать процесс управления работой электроду-говых подогревателей аэродинамических труб.
ЛИТЕРАТУРА
1. Фрюнгель Ф. Импульсная техника. Генерирование и применение разрядов конденсаторов. М,— Л., „Энергия”, 1965.
Рукопись поступила 12/ VI 1973 г.
