Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
I. ОЕЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 14
1.1 Экспериментальные исследования винтовой неустойчивости электрической дуги /5
1.2 Экспериментальные исследования характеристик винтовой формы дугового столба 19
1.3 Теоретические исследования винтовой неустойчивости электрической дуги Z4
1.4 Теоретические исследования установившейся винтовой дуги 3?
П. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И ЖГОДКА ИЗМЕРЕНИЙ 38
2.1 Экспериментальная установка 59
2.1.1 Конструкция установки 39
2.1.2 Схема электропитания H-f
2.1.3 Газовая схема установки 41
2.2 Методика измерения параметров, определя ющих характеристики винтовой дуги V3
2.2.1 Измерение тока и напряжения дуги НЪ
2.2.2 Измерение гидродинамических параметров ЧЪ
2.2.3 Измерение индукции продольного магнитного поля В 'У4
2.3 Регистрация перехода дуги в винтовую форму */&
2.4 Методика измерения геометрических характеристик */в
2.4.1 Способ регистрации, оптическая схема У6
2.4.2 Определение геометрических размеров винтовой дуги #7
2.4.3 Техника обработки экспериментальных результатов и погрешность измерения 49
Ш. ИНКРЕМЕНТ ШНТОВОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ.КРИТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ 5*3
3.1. Анализ устойчивости прямой формы столба электрической дуги 53
3.1.1, Устойчивость прямой дуги во внешнем продольном магнитном поле 54
3.1.2. Устойчивость дуги с учетом собственного магнитного поля дуги 61
3.2. Критические параметры винтовой неустойчивости 63
3.2.1. Методические замечения 63
3.2.2. Экспериментальные данные о критических параметрах. Сопоставление с расчетом 70
3.3. Инкремент винтовой неустойчивости ?&
3.3.1. Методы определения 79
3.3.2. Экспериментальные результаты 80
3.3.3. Расчет инкремента винтовой неустойчивости. Сопоставление с экспериментом ВБ
IV. АНАЛИЗ ПРИЧИНЫ НЕЭКСПОНЕНЦИАЛЪНОГО РОСТА АМПЛИТУДЫ ВИНТОВЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ. ГИСТЕРЕЗИС КРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕХОДА ОТ ПРЯМОЙ ДУГИ К ВИНТОВОЙ И ОБРАТНО. Ъ?
4.1. Анализ причин неэкспоненциального характера роста возмущения Q?
4.2. Гистерезис критических параметров перехода от прямой дуги к винтовой и обратно 90
4.2.1. Экспериментальные данные 90
4.2.2. Анализ причин возникновения гистерезиса 92
V. ИССЛЕДОВАНИЕ ШАГА И РАДИУСА ВИНТОВОЙ ДУГИ В ЗАЕРИТИ- ЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ. СРАВНЕНИЕ С МОДЕЛЬЮ ВИНТОВОЙ ДУГИ. 9?
5.1. Условия наблюдения. Экспериментальные результаты Q 5.2. Сопоставление полученных результатов с данными предыдущих исследований 102 5.3. Анализ экспериментальных результатов Ю6 5.4. Исследование зависимости установившегося значения радиуса винта от параметров. Сравнение эксперимента с расчетами по модели винтовой дуги ХЮ 5.4.1. Методические вопросы . '№ 5.4.2. Экспериментальные результаты -// 5.4.3. Сравнение экспериментальных данных с расчетами по модели винтовой дуги ІІ5 УІ. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ВИНТОВОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ДУГИ НА РЕЖИМ РАБОТЫ МОЩНЫХ ПЛАЗМОТРОНОВ 125 6.1. Трехфазный электродутовой генератор 12,4 6.1.1. Расчетные оценки инкремента неустойчивости и шага возникающих возмущений ^° 6.1.2. Расчетные оценки параметров пульсаций и сравнение с экспериментом І28 6.2. Импульсный электродуговой генератор УЗ/ 6.2.1. Расчет инкремента винтовой неустойчивости /32 6.2.2. Сравнение расчетных оценок параметров пульсаций с экспериментом /55 вывода /38 ЛИТЕРАТУРА МО ПРИЛОЖЕНИЕ 150 П.І Реализация в эксперименте условия ^пр~*~щ . /50 П.2 Определение радиуса дугового столба, соответствующего модели винтовой дуги '454. Введение к работе Актуальность работы. Электрическая дуга в настоящее время нашла широкое применение как в технике (сварка и резка металловj(Q , плазменное напылениеОг}, плазмохимическая технология ! и т.д.), так и в научных исследованиях в качестве одного из наиболее удобных и доступных источников низкотемпературной плазмы, например, для изучения переносных свойств плазмыЙ, ее излучательных характеристик [5 J. В связи с этим знание характеристик дугового разряда имеет важное значение как в технике, так и в научных исследованиях. Хотя электрическая дуга исследуется в течение 180 лет, в силу сложности данного обьекта его изучение, по-видимому, нельзя считать законченным. В частности, сказанное относитсяк исследованиям условий устойчивости прямой дуги и характеристик ее более сложных пространственных форм, например, винтовой. Потеря устойчивости прямой дуги и переход к винтовой форме впервые был зафиксирован в 30-е годы Броном$3 для свободно горящей импульсной дуги отключения. Для стационарной дуги в стабилизирующем канале это явление наблюдал в 40-е годы Эленбаас 7 J . В 1958 году подобное явление (как выяснилось впоследствии) было зафиксировано Ленертом &] в диффузном разряде низкого давления. Причины этого явления на примере диффузного разряда низкого давления впервые были объяснены Кадомцевым и Недоспасовым [9j , которые показали, что "... плазма, неоднородная в направлении, поперечном относительно наложенных полей (электрического и магнитного), оказывается неустойчивой" [iOj. Эта неустойчивость, приводящая к винтовым возмущениям разряда, была названа токово-конвективной. Дестабилизирующим фактором, вызывающим токово-конвективную неустойчивость, является взаимодействие тока с внешним продольным магнитным полем при случайном возмущении формы линий тока$-/Л. При переходе от низких давлений к высоким (от диффузного разряда к дуге) природа дестабилизирующего фактора остается неизменной, однако механизм факторов, стабилизирующих неустойчивость, меняется. Если для диффузного разряда низкого давления стабилизирующим фактором является диффузия частиц из области возмущения \ji\ , то для дуги это несимметричное тепловыделение и теплоотвод в искривленном столбе дуги \jZ - Щ. С изменением характера стабилизирующих факторов (при росте давления) изменяются и особенности проявления рассматриваемой неустойчивости [-/4-/5J. В дальнейшем описывается неустойчивость дуги атмосферного давления. Будем называть ее винтовой, согласно установившейся терминологии[i2-/4,/б-/жи желая подчеркнуть отличие характера стабилизирующих факторов от случая разряда низкого давления. В настоящее время установлено[Уз} 5 что появляющаяся в результате винтовой неустойчивости стационарная винтовая форма столба дуги существует в достаточно широком диапазоне параметров и, по--видимому, может реализоваться как в промышленных плазмотронах, так и в установках для исследовательских целей. Переход к работе с винтовой дугой открывает новые возможности в практическом использовании дугового разряда. Так, например, использование винтовой формы дуги по сравнению с цилиндрической позволяет увеличить энерговклад в канал плазмотрона за счет увеличения длины дуги и повышения напряженности электрического ПОЛЯ, и, тем самым, либо повысить мощность установки, либо понизить (при той же мощности) рабочий ток, что увеличивает ресурс работы плазмотрона. Винтовую дугу можно использовать (благодаря наличию в ней постоянной прокачки газа через столб дуги) для введения в столб дуги нужных веществ и т.д. Изучение винтовой неустойчивости электрической дуги представляет и самостоятельный интерес, например, в качестве удобной модели для исследования критического явления при малых надкритич-ностях (см. гл. III), что связано как с простотой регистрации воз мущений (кинофотосъемки), так и с возможностью достижения достаточно хорошей стабильности и воспроизводимости характеристик дуги. В силу вышеизложенного, изучение винтовой неустойчивости и возникающей в результате ее винтовой формы электрической дуги, является актуальным. При изучении любой неустойчивости можно выделить два основных вопроса: определение величин критических параметров, при достижении которых развивается неустойчивость, и исследование процесса роста амплитуды случайных возмущений, в частности, определение инкремента неустойчивости. Применительно к винтовой неустойчивости дуги в настоящее время первый вопрос исследован достаточно подробно как экспериментально, так и теоретически. Экспериментальные же данные по второму вопросу для дуги в стабилизирующем канале отсутствуют. Поэтому исследование данной неустойчивости нельзя считать полностью законченным. Проведенные к настоящему времени исследования критических параметров винтовой неустойчивости - критических параметров перехода от прямой дуги к винтовой,в основном определили границы области устойчивого существования прямой дуги. Однако, критические параметры, соответствующие обратному переходу от винтовой дуги к прямой и определяющие границы области устойчивого существования винтовой дуги, систематически не исследованы. В то же время имеются данные {jLO-jtfjo том, что значения критических параметров, соответствующих переходу от прямой дуги к винтовой, не совпадают с критическими значениями для обратного перехода. Другими словами - наблюдается гистерезис критических значений. Таким образом, отсутствие систематических данных о гистерезисе критических параметров не дает права считать вопрос о границах области существования винтовой дуги,закрытым. В результате развития неустойчивости возникает стационарная винтовая форма столба Сем,рис.1). Стационарное состояние прямого дугового столба может быть достаточно полно характеризовано профилем температуры (электронной и тяжелых частиц) и профилем скорости газа в поперечном сечении канала. Описание стационарного состояния винтовой дуги дополнительно к этому требует еще и знания шага винтовой линии%а , образованной столбом дуги (см.рис.1). Гидродинамика винтовой дуги гораздо сложнее, чем прямой, в связи с наличием в канале с винтовой дугой двойного вихревого течения газа (в поперечном оси канала направлении) под действием силы взаимодействия тока дуги с магнитным полем. Экспериментальное исследование характера течения представляет в этом случае, по-видимому, весьма .сложную задачу, и работы, посвященные этому вопросу, нагл неизвестны. Измерение профиля температур в поперечном сечении канала с винтовой дугой также :. достаточно сложно и трудоемко и может служить предметом отдельного исследования [%2,23І • Поэтому, если поставить целью экспериментального исследования изучение влияния изменения условий эксперимента (величины тока дуги, диаметра стабилизирующего канала, внешнего магнитного поля и т.д.) на винтовую дугу, то имеет смысл упростить задачу. Этого можно достигнуть, характеризуя состояние винтовой дуги двумя достаточно просто измеряемыми геометрическими характеристиками - шагом винта J\Q И радиусом винта CLo , характеризующим несимметричность положения поперечного сечения столба дуги (профиля температуры) относительно оси канала. За радиус винта можно, например, принять расстояние от оси канала до оси дуги (см.рис.1) - линии, соответствующей "центру" изображения дуги на фотоснимке (см.гл.И). Несмотря на приближенный характер описания винтовой дуги с помощью Cta и %а , измерения их, как оказалось, позволяют получать некоторые существенные свойства винтовой дуги (см.гл.У) и характеристики винтовой неустойчивости (см.гл.Ш). Однако экспериментальные данные о #о и Сіл крайне немногочисленны, получены в трудносопоставимых условиях и относятся к достаточно узкой области параметров вблизи границы перехода от прямой дуги к винтовой. С другой стороны, в настоящее время разработана модель винтовой дугий - Л дающая возможность рассчитывать стационарные, установившиеся значения радиуса винта и его шага в различных условиях реализации винтовой дуги. Но в силу упомянутой ограниченности экспериментальных данных (в частности отсутствия данных об установившихся значениях радиуса винта) работоспособность модели была проверена С сопоставления расчета с экспериментом) только для случая описания границы перехода от прямой дуги к винтовой (по критическим значениям тока дуги, внешнего магнитного поля и критической величине j\ \Х%\ ). Получение данных об установившихся значениях шага винта и его радиуса в далеко закритической области позволило бы, сравнив их с расчетными, уточнить область применимости модели и пути ее совершенствования. Цель работы в соответствии с вышеуказанным состояла в: 1. Исследовании процесса развития винтовой неустойчивости электрической дуги постоянного тока в стабилизирующем канале, определении величины инкремента неустойчивости. 2. Получении систематических данных о явлении гистерезиса критических значений параметров, соответствующих переходу от прямой дуги к винтовой и обратно. 3. Измерении установившихся значений шага винтовой дуги и ее радиуса и сравнении их с расчетами по модели винтовой дуги. Научная новизна настоящей работы заключается в том, что: I. Исследован рост амплитуды винтовых возмущений и получены данные об инкременте винтовой неустойчивости для дуги атмосферного давления в стабилизирующем канале, во внешнем продольном магнитном поле. Зафиксировано наличие неэкспоненциального характера роста амплитуды винтовых возмущений при малых степенях надкритичности и предложено его объяснение. 2. Экспериментально исследован механизм влияния ламинарного, установившегося течения газа в канале на геометрические характеристики винтовой дуги и винтовую неустойчивость прямой дуги. Определены условия, при выполнении которых конечность скорости роста возмущений не влияет на регистрируемые критические параметры, а также возможно наблюдение установившихся характеристик винтовой дуги. 3. В этих условиях получены количественные данные о критических параметрах. Измерена величина гистерезиса критических параметров, соответствующих переходу от прямой дуги к винтовой и обратно и предложено объяснение его существования. 4. В широком диапазоне физических условий реализации винтовой формы дуги (соотношения влияния собственного и приложенного магнитных полей) получены количественные данные об установившихся геометрических характеристиках винтовой дуги. Приведено сопоставление их с моделью винтовой дуги и уточнена область применимости последней. Практическая ценность. Полученные в диссертации новые количественные данные о величинах инкремента винтовой неустойчивости позволяют определить условия реализации винтовой дуги в технических плазмотронах, а также ее геометрические и вольт-амперные характеристики. Это дает возможность проанализировать влияние развития винтовой неустойчивости на режимы работы плазмотронов, предложить способы управления развитием винтовой неустойчивости,оптимизировать рабочие параметры плазмотронов (геометрические размеры ,расход газа, ток дуги, рабочие частоты тока, давление и т.д.) "с целью интенсифицировать развитие неустойчивости,либо избежать ее появления. В настоящей работе проведен анализ влияния винтовой неустойчивости на режим работы одних из наиболее мощных электродуговых генераторов плотной плазмы : трехфазных генераторов переменного тока промышленной частоты и импульсных электродуговых генераторов. На зашиту выносится: 1. Методика определения геометрических характеристик винтовой формы дугового столба с помощью фоторегистрации. 2. Экспериментальные данные о процессе развития винтовой формы дуги и влияние на него величины внешнего продольного магнитного поля и расхода газа через стабилизирующий канал. 3. Количественные данные о критических значениях тока и магнитного поля, соответствующих переходу от прямой дуги к винтовой и обратно, и гистерезисе этих значений. 4. Количественные данные о зависимостях установившихся геометрических характеристик винтовой дуги от тока дуги и величины приложенного продольного магнитного поля в широком диапазоне изменения соотношения влияния на винтовую дугу собственного магнитного поля и приложенного продольного магнитного поля. Диссертация состоит из шести глав, введения, выводов и приложения. Первая глава - обзор состояния вопроса. В ней кратко рассмотрены основные работы, посвященные винтовой неустойчивости дугового столба и проведен анализ имеющихся в литературе данных о характеристиках винтового дугового столба. Во второй главе описывается конструкция установки и используемые методики измерений. Излагается предложенный нами метод измерения геометрических характеристик винтового дугового столба с помощью фоторегистрации в одном постоянном направлении. В третьей главе изучается процесс развития винтовой формы дугового столба и влияние на него приложенного продольного магнитного поля и осевого потока газа. Получены экспериментальные данные об инкременте винтовой неустойчивости. Измерены критические значения приложенного продольного магнитного поля и тока дуги, а также критические значения шага винтовых возмущений, причем влияние конечности скорости роста возмущений на измеряемые величины было исключено. Построена модель развития винтовой неустойчивости, описывающая критические значения параметров и дающая оценки инкремента неустойчивости, согласующиеся с экспериментальными данными. Четвертая глава посвящена исследованию влияния собственного магнитного поля на рост винтовых возмущений и условия перехода от винтовой дуги к прямой. Показано, что нелинейный характер роста собственного поля винтовой дуги с ростом радиуса винта позволяет объяснить в первом случае наблюдаемый в эксперименте неэкспоненциальный рост амплитуды винтовых возмущений при малых надкритичностях, а во втором -зафиксированный экспериментально гистерезис критических значений тока дуги и магнитного поля при переходу дуги из прямой в винтовую форму и обратно. В пятой главе исследованы различные состояния винтовой дуги (регулярный винт, винт с хаотически меняющимся шагом, винт,разбившийся на две вращающиеся друг относительно друга части). Предложено объяснение существования таких состояний. Приведены экспериментальные данные о шаге винта и его радиусе в широком диапазоне изменения определяющих их поведение параметров -соотношения влияния на винтовую дугу собственного и внешнего продольного магнитных полей и радиуса столба дуги. Приведено сопоставление экспери ментальных данных с расчетами по модели винтовой дуги, уточнена область применимости последней. Шестая глава посвящена анализу влияния на режим работы мощных плазмотронов винтовой неустойчивости дуги. Показано, что неустойчивый режим работы этих плазмотронов вызван, по-видимому, развитием винтовой неустойчивости. В приложении исследована реализация в эксперименте условий, когда винтовые возмущения не сносятся вдоль канала. Определен радиус столба дуги, соответствующий модели винтовой дуги. Все исследования проведены в аргоне при атмосферном давлении. Работа выполнена в Институте высоких температур в отделе плазмы под руководством д.т.н. проф. Асиновского Э.И. и д.т.н. Пахомова Е.П.Похожие диссертации на Винтовая неустойчивость электрической дуги инкремент и некоторые характеристики установившегося состояния
