CC BY
46Модернизация конструкции сопла-анода промышленной установки плазмотрона ПСМ-100
Кошлаков В.В. (airshock@mail.ru), Юкина Э.П., Воробьев А.О, Трещалин Л.Б.
ФГУП «Исследовательский Центр им. М.В. Келдыша»
Современные плазмотроны характеризуются значительными тепловыми потоками и высокими температурами в области контакта электродугового разряда со стенками электродов, что приводит к эрозии стенок и оказывает существенное влияние на ресурс работы и работоспособность плазмотронов. Увеличение ресурса работы плазмотронов важная задача отечественной промышленности, для успешного решения которой необходимо правильно и адекватно описывать рабочие процессы, протекающие в конструкции. С этой целью нужно использовать апробированные программы расчета, позволяющие моделировать рабочие процессы.
В работе проводились расчетно-экспериментальные исследования теплового состояния медного сопла-анода промышленной установки плазмотрона ПСМ-100 (рис.1) с целью уменьшения эрозии стенки, увеличения ресурса и производительности плазмотрона. Данная установка плазмотрона используется в Всероссийском Институте Легких Сплавов (ВИЛС) для получения мелкодисперсного порошка никелевого сплава. В процессе работы плазмотрона наблюдалась значительная эрозия стенок медного сопла-анода (рис.2), а ресурс работы составлял ~10 мин. Наличие эрозии стенок сопла приводит к увеличению содержания меди в составе получаемого порошка, что ухудшает его качества и уменьшает срок эксплуатации сопла-анода и производительности всей установки в целом. Для описания рабочих процессов, протекающих в конструкции сопла-анода, использовался разработанный пакет прикладных программ 2-0 и 3-0 моделирования процессов передачи тепла при течении различных газов [1,2].
С целью улучшения качества получаемого мелкодисперсного порошка, увеличения срока службы сопла-анода и производительности установки, на основании полученных результатов исследований были сформулированы рекомендации по усовершенствованию и модернизации данного типа плазмотрона.
Рис.1 Конструктивная схема сопла-анода ПСМ-100
Рис.2 Сопло-анод плазмотрона ПСМ-100 со следами эрозии на внутренней поверхности после 2 циклов испытаний
Сопло-анод изготовлен из меди высокой очистки (рис.1). Внутри сопла по его оси располагается вольфрамовый катод, имеющий цилиндрическую форму. Зазор между стенкой сопла и поверхностью катода составляет ~ 1,5мм. При подаче на электроды плазмотрона электроэнергии в этом зазоре возникает электродуговой разряд, который нагревает рабочую гелиево-аргонную смесь газа, подаваемую в плазмотрон. Таким образом, одна ножка дугового разряда располагается на стенке сопла-анода, другая на поверхности катода. Преобразование электрической энергии (~89,04кВт) в тепловую происходит в дуговом разряде в довольно узкой области межэлектродного пространства. Выделяемая энергия расходуется на нагрев газовой смеси до температур ~54000 К и на нагрев сопла-анода, вольфрамового катода и удерживающей его цанги.
Эрозия возникает в области высоких температур и тепловых потоков, а именно, в области контакта электрической дуги к стенкам электродов. При этом, за счет малой площади пятна контакта, удельные тепловые потоки в стенку электродов получаются значительными, а температура в этой области может превышать температуру плавления материала электродов, что приводит к эрозии электродов.
Для расчета теплового состояния плазмотрона необходимо решать сложную сопряженную задачу теплопереноса, включающую в себя решение задачи передачи тепла в стенку электродов через приэлектродные пятна и передачи тепла излучением от дуги, кондуктивной задачи передачи тепла в стенке электродов и конвективной задачи съема тепла со стенки охладителем. Для решения сопряженной задачи необходимо правильное и
корректное задание граничных условий, что в большинстве случаев является трудной задачей из-за сложности процессов протекающих в плазмотронах. Исследования физических процессов в различных типах плазмотронов, позволили выделить ряд основных, возникающих при этом вопросов [3,4]:
• Определение площади пятна контакта электрического разряда и металлических поверхностях электродов;
• Определение количества передаваемого тепла электродам от дугового разряда и величину удельного теплового потока в пятне контакта;
• Определение траектории движения пятна контакта по поверхности электродов.
Знание этих параметров позволяет более точно решать сложную сопряженную
задачу передачи тепла от дугового разряда электродам плазмотрона, что позволяет, в свою очередь, успешно решать вопросы об увеличении ресурса работы плазмотрона и его производительности.
Расчетная область включает в себя часть внутренней стенки сопла, обращенный к газовому потоку и часть торцевой стенки последнего. Длина внутренней стенки, включенной в расчетную область, составляет 60 мм от среза сопла. Торцевая поверхность, учитываемая в расчете, располагается между диаметрами 76 и 26 мм и имеет вид кольца. Схема расчетной области представлена на рис.3.
25 — 20 —
Рабочая смесь
(90%Не+10%А) -►
Г1 чг
05
ГфЦ-р!
X.
10 1 5 2 0 25 3 0 3 5 4 0 4 5 50 55 60
Я, /2
28,4_ 0
УУ к МВт/М2
Рис.3. Схема расчетной области сопла-анода плазмотрона ПСМ-100
Рис.4. Распределение тепловых потоков по длине сопла-анода
При постановке граничного условия на внутренней нагреваемой поверхности стенки сопла-анода задавался удельный поток тепла (рис.4) от рабочей смеси за счет конвекции (28,4 МВт/м2) и за счет передачи тепла от дуги в узком пятне контакта электрической дуги и стенки сопла (138 МВт/м2).
40
С
35
30
60
в
15
А
10
0
мм
138,0
х
Расчетный анализ штатного медного сопла-анода показал, что максимальная температура на стенке медного сопла-анода в области примыкания электродугового разряда составила~1390 К (см.рис.5), что выше температуры плавления меди.
□ 1300-1400
□ 1200-1300
□ 1100-1200
■ 1000-1100
РЧЛАА ^1ЛЛА
□ 900-1000
□ 800-900
□ 700-800
П600-700
121 \J\J\J 1 \J\J и
□ 500-600 Z- >
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ щ т _ Я £ _ л 7 _ _
- - - - ■ □ 400-500 - - - - - - - - - - — - - - - - - - - - \ - - - - - - - - - С Z л - - ■ = —
= я т tí
; □ 300-400 Р л = I ■ ш ш Ш Ш1 ■ ■ ULI
I к 2 5 ___ ■■Р ■
- - - - : □ 200-300 - - - - - - - i 1 - - - | - - _ 7 7 7 Г
- - - - ......... - - - - - - - - |t т К - - - - - - 7 Г т т г ■ ■ iTmax : = 1390 K i н - 1 1
1 II II II II г г Фг г ■ ■ ■ '...... 1 1 1 1 j а
.0375
.03550
.03350
.03150
.02950
.02750
.02550
.02350
.02150
.01950
.01750
.01550
.01350
.01150
.00950
0.00750
длина, м
Рис.5. Поле температуры (Т, К) в медной (Си) стенке сопла-анода Также были проведены расчеты при использовании молибденовых тепловых экранов в области контакта электрической дуги со стенкой сопла (см. табл.1).
С целью увеличения отвода тепла в области пятна контакта была предложена другая конструкция сопла-анода в виде конического сопла. Схема предложенной конструкции приведена на рис.6. Также был проведен расчетный анализ теплового состояния стенки сопла-анода предложенной конструкции для медного сопла и сопла с молибденовым экраном толщиной 2 мм. В табл.1 представлены результаты расчетов для этих вариантов сопел и приведено сравнение со «штатным» профилем сопла для этих вариантов. Видно, что за счет увеличения угла растекания тепла в точке Б, максимальная температура в области этой точки снизилась на ~200 К для медного сопла и на ~400 К для сопла с молибденовым экраном.
Температура на стенке сопла-анода в области контакта электрической
Таблица 1.
дуги со стенкой
Варианты сопел Штатный вариант Коническое сопло
Медное сопло 1300 К 1100 К
Медное сопло с молибденовым 2050 К 1653 К
экраном 2мм
Рис. 6 Конструктивная схема сопла-анода плазмотрона ПСМ-100 конического профиля
Рис. 7 Сопло-анод плазмотрона ПСМ-100 конического профиля после 100 циклов испытаний
Предложенная конструкция медного конического сопла-анода была изготовлена и прошла цикл из более 100 испытаний (ресурс работы ~2 часа) в составе промышленной установки плазмотрона ПСМ-100. В ходе экспериментов наблюдался устойчивый режим работы плазмотрона. После проведения экспериментов был проведен визуальный анализ мелкодисперсного порошка и поверхности сопла-анода. Анализ показал, что содержание меди в составе порошка находиться в пределах нормы, а на поверхности сопла-анода практически отсутствовала эрозия стенок (см. рис.7). Таким образом, предложенная конструкция сопла-анода плазмотрона ПСМ-100 с коническим профилем является работоспособной, имеет высокий ресурс и производительность работы и позволяет получать мелкодисперсный порошок высокого качества.
На основании проведенной работы по исследованию процессов в плазмотроне ПСМ-100, изложенной в данной статье, можно сделать следующие выводы:
1. Разработана программа расчета процессов теплообмена, которая позволяет провести сравнительный расчетный анализ теплового состояния стенки сопла-анода плазмотронов, изготовленных из различных материалов и их комбинаций, а также параметрические исследования прогрева стенки сопла каждой конкретной конструкции.
2. В результате проведенного параметрического расчета нестационарного прогрева стенки сопла-анода плазмотрона ПСМ-100 с помощью разработанной программы получены профили температур. Анализ расчетных данных показал, что максимальные температуры на стенке сопла достигаются в местах контакта электрической дуги со стенками сопла и превышают температуру плавления материала, что приводит к эрозии стенки сопла. На основании результатов расчетов были выдвинут ряд рекомендаций по усовершенствованию и модернизации конструкции плазмотрона ПСМ-100, с целью увеличения срока службы и его производительности.
3. Показано, что предполагаемая комбинированная конструкция, состоящая из молибденового экрана толщиной 2 мм и медного сопла, как основы, имеет ряд преимуществ по сравнению со штатным медным соплом. Такая конструкция позволяет полностью исключить унос меди, что является необходимым требованием при работе плазмотрона. При этом температура на нагреваемой молибденовой поверхности сопла будет составлять 2300^2400 К, что в 2 раза выше, чем на штатном сопле из меди. Такой факт позволит уменьшить потери тепла в первый каскад охлаждения и поднять энергетику газовой струи.
4. Предложенная конструкция конического сопла, которая как показали результаты расчетов и экспериментов, является работоспособной, имеет высокий ресурс работы и позволяет получать мелкодисперсный порошок высокого качества.
Литература:
1. Кошлаков В.В., Кочетков Ю.М., Юкина Э.П., Миронов В.В., «Закономерности тепломассообмена при течении рабочего тела в тепловом аккумуляторе», доклад к XXVI Сибирскому теплофизическому семинару, г.Новосибирск, 2002г., 13стр.
2. Кошлаков В.В., Кочетков Ю.М. и др. «Моделирование процессов теплообмена в тепловом аккумуляторе», науч.-тенич. журнал «Двигатель», № 4 (июль-август), 2000г., стр.40-42.
3. А.С.Коротеев, В.М.Миронов и др. «Плазмотроны. Конструкции, характеристики, расчет», М., Машиностроение, 1993г., 296стр.
4. Кошлаков В.В., Воробьев А.О. и др. Расчет теплового режима сопла-анода с коническим профилем. - Москва: ФГУП «Центр Келдыша», доп. №1 к Техническим предложениям №02/03, 14л. 2003 г.
