CC BY
34
_______УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И
Т о м VI 197 5
№ 1
УДК 629.7.018.1:533.6.071.1:62-69
ВЛИЯНИЕ ФЕРРОМАГНИТНОЙ ВСТАВКИ НА МАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ХАРАКТЕР ГОРЕНИЯ ДУГИ В ПОДОГРЕВАТЕЛЕ КОАКСИАЛЬНОГО ТИПА
//. П. Васенко
Приведены результаты экспериментальной проверки распределения магнитного поля катушки в зоне горения дуги и влияния ферромагнитной вставки, помещенной в головке центрального электрода, на характер магнитного поля в зоне горения дуги и пульсации параметров дуги в подогревателе коаксиального типа.
Опыт эксплуатации электродуговых подогревателей коаксиального типа с магнитным вращением дуги показал, что при уменьшении тока дуги ниже определенной величины возникают пульсации напряжения на дуге, снижающие устойчивость ее горения. Наиболее вероятной причиной этих пульсаций является периодическое изменение длины дуги под действием магнитного поля и набегающего потока газа [1, 2].
В подогревателях коаксиального типа (фиг. 1) при взаимодействии дуги с магнитным полем наиболее существенное воздействие на нее оказывают силы:
Ру = г Нх, (1)
вращающая дугу в плоскости, нормальной оси подогревателя, и
Рх = Ш^Нп (2)
действующая на дугу в осевом направлении и при положительном центральном электроде направленная к центру катушки (1Г и — соответственно радиальная и азимутальная составляющие тока, Нх и Нг — соответственно осевая и радиальная составляющие магнитного поля, М — длина элемента дуги).
Для оценки распределения сил (1) и (2) в зоне горения дуги необходимо оценить распределение составляющих напряженности магнитного поля катушки. Существующие методы расчета [3, 4] позволяют определить величину и распределение составляющих напряженности только для одного витка с током.
Однако измерения распределения напряженности, проведенные с помощью специального устройства, показали, что в центре короткой катушки с длиной £, не превышающей ее средний радиус /?Ср? в зоне горения дуги 0 ^ г 0,5/?ср, распределение осевой составляющей напряженности по радиусу с достаточной степенью точности совпадает с ее распределением для одного витка [3], при токе в нем, равном числу ампервитков катушки, и радиусе, равном среднему радиусу катушки. Оценка по формуле для витка [4] показывает, что внутри
коротких катушек в зоне горения дуги ( | х I 0,1^ср; г<;0,5/?ср, где х — рас-
стояние от центра катушки по оси, г—расстояние от оси) радиальная составляющая, как правило, не превышает нескольких десятков эрстед. Поэтому на
элементы дуги, прилежащие к центральному электроду, в осевом направлении действует недостаточная по величине электродинамическая сила и приэлект-родпые участки дуги сдуваются набегающим потоком газа, вследствие чего возникают пульсации напряжения на дуге.
В зоне горения дуги (г < 0,5/?ср) осевая составляющая напряженности слабо возрастает по радиусу [3]. Это может привести к различию угловых скоростей перемещения опорных пятен дуги по поверхностям наружного и центрального электродов, также являющемуся причиной пульсации параметров дуги.
Для уменьшения пульсаций дуги желательно изменить магнитное поле в зоне горения дуги таким образом, чтобы его осевая составляющая Нх возрастала по радиусу приблизительно по линейному закону, а радиальная составляющая Нг у поверхности центрального электрода увеличилась по абсолютной величине. В [5] для такого изменения магнитного поля предлагается использовать устройства типа магнитной линзы. Однако применение таких устройств связано с нарушением целостности силового корпуса подогревателя, поэтому в подогревателях, рассчитанных на высокие давления, целесообразно применять иные способы изменения формы магнитного поля. Желаемое изменение магнитного поля может быть достигнуто за счет установки в головке центрального электрода ферромагнитной вставки соответствующих размеров.
Влияние ферромагнитной вставки на магнитное поле внутри подогревателя и пульсации параметров дуги. Ферромагнитная вставка располагается
в головке центрального электрода (фиг. 1), поэтому ее размеры определяются формой и размерами головки центрального электрода, а также величиной магнитного поля катушки. Для простоты рассмотрим вставку цилиндрической формы. Цилиндрическая вставка из магнитномягкого материала, помещенная в центре катушки, намагничивается таким образом, что ее собственное магнитное поле Н' в материале вставки совпадает по направлению с намагничивающим полем катушки Н°. У краев вставки оно совпадает по направлению с радиальной составляющей намагничивающего поля,
под охлаждаемой поверхностью
/—центральный электрод; 2—внешний электрод;
3—магнитная катушка; 4—ферромагнитная вставка
Фиг. 1. Схема подогревателя коаксиального типа с ферромагнитной вставкой в головке центрального электрода
а в среднем сечении в зоне горения дуги оно противоположно намагничивающему полю. В результате суперпозиции полей катушки и намагниченной вставки радиальная составляющая напряженности у краев вставки возрастает, а осевая составляющая в среднем сечении вставки в зоне горения дуги несколько уменьшается, причем закон ее изменения по радиусу приближается к линейному.
Влияние магнитной вставки на магнитное по-ле внутри подогревателя можно оценить, используя известные решения для магнитного диполя. Согласно [6] на расстоянии г от центра диполя, много большем его длины /, напряженность поля, создаваемая диполем, выражается зависимостью
Я'=Ж (1+ЗсОв2 6)
(3)
где М = /V—магнитный момент диполя, У—намагниченность материала диполя, V—объем диполя, 0 — угол между осью диполя и радиус-вектором, проведенным из центра диполя в точку, для которой рассчитывается поле. Вектор Н' повернут относительно радиус-вектора на угол <р, определяемый соотношением
Результаты оценки по формулам (3) и (4) при /= 1,35-105 А/м и результаты измерения с помощью специального устройства прироста составляющих магнитного поля, создаваемого стальной (сталь-10) цилиндрической вставкой длиной
Фиг. 2. Характер изменения параметров дуги в испытаниях подогревателя со вставкой
Фиг. 3. Характер изменения параметров дуги в испытаниях подогревателя без вставки
20 мм, с внешним диаметром 26 мм и осевым отверстием диаметром 10 мм, внутри подогревателя с намагничивающим полем Н° г: 5,6-105 А/м приведены в таблице. Знак минус указывает, что поле, создаваемое вставкой, противоположно намагничивающему полю. Из таблицы следует, что в случаях, когда намагниченность материала достигает насыщения, результаты оценки удовлетворительно совпадают с результатами измерения.
Влияние изменения формы магнитного поля, обусловленное описанной выше вставкой, на характер горения дуги было проведено для коаксиального подогревателя с диаметром внешнего электрода 70 мм, диаметром головки центрального электрода 38 мм и соплами, имеющими диаметр критического сечения ^ = 5,64 и 3,4 мм, в диапазоне давлений (32-*-63)-105 Па и токов 500—1100 А. Магнитная катушка имела длину 75 мм, средний радиус 130 мм, включалась в цепь последовательно с дугой и в указанном диапазоне токов создавала напряженность магнитного поля порядка (3-^7)-108 А/м. Расположение вставки относительно катушки и головки центрального электрода показано на фиг. 1. Испытания проводились как со вставкой, так и без нее. Расход подогреваемого воздуха в процессе испытания оставался неизменным. Для определения границы устойчивых режимов по току, после поджига дуги и выхода подогревателя на режим по давлению, производилось ступенчатое снижение тока до угасания дуги. В испытаниях измерялись давление в камере подогревателя и электрические параметры дуги.
В испытаниях со вставкой, вследствие улучшения условий стабилизации, дуга горела спокойно, без заметных пульсаций тока и напряжения (фиг. 2), в то время как в испытаниях без вставки наблюдались пульсации тока и напряжения дуги, достигающие 10% от средних значений (фиг. 3).
№№ точек Координаты точек (мм) Результат оценки по формулам (3) и (4) при /= 1,35-105, А/м Результат измерения при росте напряженности при Н° г; 5,6-105, А/м
Расстояние от центра вставки по оси X Расстояние от оси г НГ, А/м Нх, А/м Нп А/м Нх, А/м
1 10,75 14,5 3,54-105 3,82-105
2 5,75 21,75 -1,35-105 -1,59-105
ЛИТЕРАТУРА
1. Д аутов Г. Ю., Жуков М. Ф., Коротеев А. С., Смо-ляков В. Я., Сухнин Ю. И., Ясько О. И. .Особенности работы генераторов низкотемпературной плазмы с вихревой стабилизацией дуги и обобщение исследований*. Доклад на международном симпозиуме по свойствам и применению низкотемпературной плазмы на XX Международном конгрессе по теоретической и прикладной химии. М., 1965.
2. Генераторы низкотемпературной плазмы. Под редакцией В. М. Иевлева, М., „Наука", 1969.
3. Говорков В. А. Электрические и магнитные поля. М.—Л., Госэнергоиздат, 1960.
4. Гапонов В. И. Электроника, ч. I. М., Физматгиз, 1960.
5. Алферов В. И., В и т к о в с к а я О. Н., У с т и н о в Ю. С., Щербаков Г. И. Электродуговой подогреватель с дугой, вращаемой в магнитном поле. „Техника и физика высоких температур", № 2, т. 9, 1971.
6. Бозорт Р. Ферромагнетизм. Иностр. лит., М. 1956.
Рукопись поступила 2jVI 1973 г Переработанный вариант поступил 25jX 1973 г
