CC BY
47
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И
Т о м XI 1 9 8 0 № 3
УДК 629.7.018.1:533.6.071.1:62 —69
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СОСТАВНЫХ КАТОДОВ КОАКСИАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ПОДОГРЕВАТЕЛЯ ВОЗДУХА АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ
ТРУБЫ
В. А. Нонопюп, В. А. Лебсак, В, И. Топоров
Проведено экспериментальное исследование эрозии цилиндрических и кольцевых катодов с термоэмиссиоиными вставками и без них. Определены значения удельного выгорания для различных вариантов вставок. Получена эмпирическая зависимость для тепловых потоков в кольцевой катод.
В гиперзвуковых и тепловых аэродинамических трубах широко применяются коаксиальные дуговые подогреватели постоянного тока. Недостатками таких подогревателей являются интенсивное выгорание (эрозия) медной камеры (катода), приводящее к загрязнению рабочего газа и засорению критического сопла, а также увеличение пульсации рабочих параметров при уменьшении расхода газа, вызванное продольным шунтированием дуги.
В работе [1] показано, что выгорание камеры можно уменьшить, а продольное шунтирование практически устранить путем установки кольцевой термоэмиссионной вставки по окружности камеры в сечении, расположенном в зоне максимума осевой составляющей магнитного ноля соленоида.
В настоящей статье приводятся результаты систематических исследований эрозии составных катодов, а также тепловых потерь в кольцевые катоды.
1. Исследование эрозии цилиндрических катодов. Подогреватель содержиг (рис. 1) охлаждаемые водой центральный электрод 1 диаметром 40 мм и внешний электрод 2 диаметром 70 мм с гафниевой вставкой 5, разделенные изолятором 3 с защитным экраном 4, соленоид 6, включенный последовательно в цепь питания дуги (напряженность магнитного поля И =■= 8,4/д эрстед, где /д —ток дуги), мерное 7 н выходное 8 сопла.
Гафниевые кольца 5 плотно вставлялись в специальные проточки в медных цилиндрических трубах 2 и запрессовывались с
помощью специально разработанного приспособления усилием в 50 тонн.
На рис. 2 для примера приведена осциллограмма напряжения на дуге при токе 700 А, давлении 0,7 МПа и диаметре критического сечения выходного сопла ^=1,17 мм для катода с гафние-вой вставкой (кривая 2) и без- нее (кривая /). На этом режиме при работе без гафниевой вставки имели место наибольшие пульсации параметров. Гафниевая вставка позволила полностью избавиться
от пульсаций напряжения и расширить диапазон работы подогревателя за счет снижения минимальной величины рабочего тока дуги с 700 до 300 А.
В результате проведенных экспериментов определено удельное выгорание вставок
с = Ом//д X,
где О — удельное выгорание в г/Кл; Ом—-масса выгоревшего материала в г; /д—ток дуги в А; т — время работы электрода в с.
Наибольший ресурс (13 часов) и наименьшее удельное выгорание (С7~ЗХ10“6г Кл) обеспечили вставки шириной 5 мм и толщиной 3 мм. Выгорание же медной камеры без вставок составляет 0~6Х.10-* г/Кл [1]. Следовательно, кольцевая гафниевая вставка при токе —400 А и давлении ~1 МПа позволяет в 20 раз уменьшить выгорание.
2. Устройство и методика испытаний кольцевых катодов.
Ресурс непрерывной работы коаксиальных подогревателей определяется ресурсом центральных электродов (анодов) и ресурсом медных камер (катодов), которые представляют собой массивные медные изделия с каналами для потока охлаждающей жидкости.
Для повышения ресурса предложено цилиндрическую разрядную камеру дополнить сменным автономно охлаждаемым кольцевым катодом, который возьмет на себя всю эрозионную нагрузку и тем самым позволит решить проблему ресурса разрядной камеры.
Кольцевые катоды (см. рис. 1) шириной 20 мм и толщиной 10 мм выполнялись из двух вставленных одна в другую и сваренных между собой медных деталей 9 и 10. Охлаждающая вода подводилась медной трубкой 11 диаметром б мм. Испытаны два типа кольцевых катодов: кольца без вставок и кольца с медными, гафниевыми или гафний-иттриевыми цилиндрическими вставками 12 диаметром 2,45 мм и высотой 2,5 мм, которые запрессовывались в медное кольцо в шахматном порядке („мозаичная" вставка) (см. рис. 1) [2]. Медные вставки испытывались для получения данных, с которыми можно сопоставить результаты испытаний гафниевых и гафпий-иттриевых вставок.
В процессе испытаний измерялись ток дуги /д, напряжение на дуге /гд, прирост температуры в системе охлаждения катодной вставки Д^, давление воздуха перед мерным соплом рм с и в разрядной камере подогревателя рф. Расход воды через катодную вставку определялся проливом в протарированную емкость, а расход воздуха б определялся давлением перед мерным соплом Рм с и площадью его критического сечения /V с:
0,396рм с /*'м с и = -----7=-----,
ут0х
где Т0х — температура воздуха перед мерным соплом.
Величина температуры нагрева воздуха в подогревателе (в настоящих испытаниях она изменялась в диапазоне 2500—-3000 К) определялась по величине отношения давлений в разрядной камере подогревателя до и после включения дуги РфяТ1Рф'Х (Рф г — давление после включения дуги, /?ф х —давление перед включением дуги) с помощью графиков из работы [3] (расходный метод).
Мри ресурсных испытаниях поддерживался постоянный режим работы подогревателя: /д = 400 А, /?ф х = 0,3 МПа. При измерениях тепловых потерь в кольцевой катод давление изменялось от пуска к пуску (уРф.х = 0,1; 0,2; 0,3; 0,5 и 1 МПа), а ток дуги снижался в процессе пуска от 800 до 100 А ступеньками через 100 А.
3. Эрозия кольцевых катодов. В результате проведенных экспериментов получены следующие данные по удельному выгоранию кольцевых катодов:
с гафниевыми вставками: 0—1,5-10~5 г/Кл;
с гафний-иттриевыми вставками: 6 = 2-10“5 г/Кл;
с медными вставками: С? = 2,3• 10-5 г/Кл;
без вставок: О — 1,1 • 10“5 г/Кл.
Полученнным результатам можно дать следующее качественное объяснение. В настоящее время считается общепризнанным, что эрозия электродов носит тепловой характер [4 — 7]. Под действием мощного сосредоточенного источника тепла (катодного пятна) происходит унос материала испарением и разбрызгиванием.
Если оценить плотность тока в катодном пятне для исследованных кольцевых катодов по „методу автографа44 (по размерам следов дуги, имеющих вид спиральных штриховых дорожек шириной около 0,2 мм), то получим величину 10е А/см2. В работе [8] проведен расчет удельного выгорания в предположении, что вся энергия, поступающая и катодное пятно, затрачивается на нагрев и испарение материала. Для меди при у —10° А/см2 расчетное значение О составило 1,53-10"5 г/Кл. Эксперимент показал, что у сплошного медного кольцевого катода выгорание составляет 1,1-10 г> г Кл, а у кольцевого медного катода с медными вставками выгорание увеличивается до 2,3-10“5 г/Кл. Это, по-видимому, связано с ухудшением теплоотвода от поверхности электрода при запрессовке вставок в кольцевой катод, что приводит к повышению температуры рабочей поверхности электрода и, следовательно, к увеличению эрозии. Помимо указанных выше механизмов паровой и капельной эрозии необходимо принять во внимание и процесс окисления поверхности электродов. Во время работы поверхность электродов покрывается слоем окисной пленки, которая отслаивается при изменении теплового режима, обусловленном включением и выключением дуги, перемещением зоны горения дуги при продольном шунтировании и другими причинами. В проведенных опытах продукты эрозии цилиндрической камеры-катода напоминали по внешнему виду куски спиральной металлической стружки.
Более низкие значения удельного выгорания у медного кольцевого катода (1,1-10~5 г/Кл) но сравнению с медным цилиндрическим катодом (6-10"'г> г Кл) можно объяснить стабилизирующим воздействием кольцевого катода, который ограничивает зону перемещения катодного пятна в продольном направлении за счет уменьшения межэлектродного зазора, предотвращая тем самым отслаивание окисной пленки. Вид продуктов эрозии кольцевого катода (мелкие окатыши серого цвета и пористой структуры; диаметр их изменялся от 2 до 8 мм, а вес — от 0,1 до 1,5 г) и совпадение экспериментального значения удельного выгорания с расчетным позволяют предположить, что в данном случае имел место унос материала испарением и разбрызгиванием. Большие значения удельного выгорания у цилиндрического катода (д = 6-10~5г/Кл) получаются, по-видимому, за счет отслаивания окисной пленки.
Более низкие значения удельного выгорания у цилиндрических катодов со сплошной гафниевой вставкой (0,3* 10“5 г/Кл) по сравнению с выгоранием кольцевых катодов с мозаичными гафни-евыми вставками (1,5* Ю"5 г/Кл) объясняются, по-видимому, забрызгиванием медью рабочей поверхности у мозаичных гафниевых вставок. Вероятно, поэтому у кольцевых катодов с мозаичными гафниевыми или гафний-иттриевыми вставками, поверхность которых покрывается смесью окислов меди и гафния, удельное выгорание меньше, чем у кольцевых катодов с медными вставками, но выше, чем у катодов со сплошной гафниевой вставкой.
4. Тепловые потери к кольцевой катод Расчет.тепловых потерь Л'',, проводился с помощью измеренных значений величины расхода бв и прироста температуры Д/ охлаждающей воды:
Л'п — сЫвь,
где с — удельная теплоемкость воды.
Анализ результатов измерений (рис. 3) показал, что они могут быть представлены с помощью следующей зависимости:
Л'п = /д д«к 4- 0,5 (Л/д/О) рф х. (1)
Тепловые потери в кольцевой катод складываются из тепловых потерь в катодном пятне (первое слагаемое) и конвективных
потерь через омываемую горячим газом поверхность кольцевого катода (второе слагаемое). Формула (1) отражает известный факт линейной зависимости потерь тепла в катодное пятно от величины тока дуги и турбулентный характер конвективного теплообмена в разрядной камере подогревателя [9|. Значения величин вольтова эквивалента Дяк (у меди Д//К=10В, а у гафния и гаф-ний-иттриевой керамики Дяк = 5,5В) приведены в работе [10|.
Для практического использования полученных результатов тепловые потери, определяемые формулой (1), удобно представить через удельный тепловой поток <7. Удельный тепловой поток -рассчитывался в предположении равномерного распределения тепловых потерь на всю рабочую поверхность кольцевого катода:
q — N п / /\
где Г—площадь поверхности теплообмена кольцевого катода (Р = 4%&-\0Г*ъа*).
В результате из формулы (1) получим
<7 — 0,2-103 ^/д Днк -Ь 0,5 —■ Рф. х) . (2)
Так как на входе в подогреватель установлено звуковое мерное сопло и расход воздуха пропорционален давлению в разрядной камере перед включением дуги, то формулы (1) и (2) для испытанного сопла (^ = 4мм) упрощаются:
А^п - /д + 0,2 Л'д, д = 0,21 • 10:5 (/д \ик + 0,2 /Ул).
На рис. 4 приведен график изменения мощности потерь тепла в кольцевой катод в зависимости от мощности, вложенной в дугу. Группа точек, обведенная штриховой линией, получена при испытаниях катодов с гафниевыми и гафний-иттриевыми вставками.
Некоторое уменьшение тепловых потерь с этими вставками по сравнению с потерями в кольцевой катод без вставок объясняется тем, что вольтов эквивалент для гафниевых и гафний-иттриевых вставок меньше вольтова эквивалента для меди.
Снижение тепловых потерь на режиме, соответствующем расходу воздуха, С =='23‘-г-24 г/с, объясняется выдуванием дуги из рабочего зазора и, как следствие этого, уменьшением поверхности кольцевого катода, омываемой горячим газом. Дуга стабилизируется в рабочем зазоре под действием двух сил: электромагнитные силы, пропорциональные току дуги, стремятся удержать дугу в кольцевом зазоре, а аэродинамические силы, пропорциональные давлению рф х, выдувают дугу из зазора. При 0 = 23 н-24 г/с аэродинамические силы, по-видимому, превышают электромагнитные.
К этому же выводу приводит анализ вольт-амперных характеристик (рис. 5). На режимах до рф х = 0,5 МПа (<7 = 12,2 г/с) электромагнитные силы прочно удерживают дугу в кольцевом зазоре, и длина дуги не меняется, а следовательно, не меняется
и напряжение на дуге. При /?ф х = 1 МПа (0 = 84,1 г с) дуга выдувается из зазора (и соответственно удлиняется) тем больше, чем слабее электромагнитные силы, т. е. чем меньше поток дуги.
Поэтому напряжение при уменьшении тока растет.
ЛИТЕРАТУРА
1. К о н о т о п В. А., Л е 0 с а к В. А., Топоров В. И. Коаксиальный плазмотрон с термоэмиссионным катодом. В сб. „Материалы VII Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы", т. I, Алма-Ата, 1977.
2. К о и о т о п В. А., Лебса к В. А. Электродуговой подогреватель газа. Авторское свидетельство № 532974. * Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки-, № 39, 1976.
3. 3 д у и к е в и ч М. Д., Севастьянов Р. М., 3 ы ко в й. А.
Материалы к расчету газодинамических установок с высокими температурами торможения. Труды ЦАГИ, вып. 1165, 1969.
4. Кесаев И. Г. Катодные процессы электрической дуги. М., „Наука", 1968.
5. Р а х о в с к п й В. И. Физические основы коммутации электрического тока в вакууме. М., .Наука", 1970.
6. Ж у к о в М. Ф., К о р о т е е в А. С., У р га к о в Б. А. Прикладная динамика термической плазмы. Новосибирск, „Наука", 1975.
7. Жуков М. Ф., Аньшаков А. С., Да н да рон Г.-Н. Б. Эрозия электродов. Сб. „Приэлектродные процессы и эрозия электродов плазмотронов". Новосибирск, ИТФ СО АН СССР, 1977.
8. У р га к о в В. А. Теория эрозии электродов в нестационарных пятнах электрической дуги. В сб. „Экспериментальные исследования плазмотронов", Новосибирск, „Наука", 1977.
9. А м б р а з я в и ч га с А. Б. Исследование теплообмена в секционированном канале плазмотронов". В кн.„Экспериментальные исследования плазмотронов". Новосибирск, „Наука", 1977.
10. А ч е у с о в а Н. Н., Бутова М. Н., Ковалев К. С., Л е б-сак В. А., Л ото цк а я Р. С., Суворов А. М. Исследование ресурса катодов с термоэмиссионными вставками. В сб. „Тезисы докладов VI Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы". Фрунзе. „Илим", 1974.
Рукопись поступила 6/XI! 1978 г.
