湍流等离子体发生器的结构设计与实验研究.pdf
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1、2023 年第 8 期 第 50 卷 机械 55 收稿日期:2022-09-23 基金项目:宜宾市科技计划项目(2021JC002);道路施工技术与装备教育部重点实验室开放基金(300102252502);泸州市机械结构优化及材料应用泸州市重点实验室开放基金(SCHYZSA-2022-02);四川轻化工大学研究生创新基金(Y2022033)作者简介:郭文钰(1999),男,四川南充人,硕士,主要研究方向为热等离子体性能诊断,E-mail:;曹修全(1989),男,重庆人,博士,副教授,主要研究方向为热等离子体技术及其应用,E-mail:cao_。*通讯作者:林长海(1982),男,福建福州人,
2、硕士,工程师,主要研究方向为通讯产品及可穿戴设备设计开发,E-mail:。湍流等离子体发生器的结构设计与实验研究 郭文钰1,林长海*,3,曹修全1,2,马耀明1(1.四川轻化工大学 机械工程学院,四川 宜宾 644000;2.宜宾四川轻化工大学产业研究院,四川 宜宾 644000;3.四川苏格通讯技术有限公司,四川 宜宾 644000)摘要:基于等离子体发生器结构设计理论,介绍了自制湍流等离子体发生器结构设计要点,通过 LabVIEW虚拟仪器技术、MATLAB 软件、电路设计与数据采集技术设计了一套诊断系统,然后利用该系统对湍流等离子体发生器的射流特性进行了实验研究。实验结果表明:通过增加中间
3、电极的数量并限制其长度能够有效抑制双弧现象,不仅提高了等离子体发生器的工作功率,而且有利于提高湍流等离子体发生器的使用寿命;在满足 U*(z)U(z)的情况下,限制阳极轴向尺寸可以避免大尺度分流现象,从而提高湍流等离子体发生器的射流稳定性;此外,工作条件的变化会对等离子体射流特性产生明显的影响。关键词:湍流等离子体发生器;等离子体射流特性;LabVIEW 虚拟仪器技术;诊断系统 中图分类号:TF806.83 文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.1006-0316.2023.08.008 文章编号:1006-0316(2023)08-0055-08 Structural Des
4、ign and Experimental Study of a Turbulent Plasma Torch GUO Wenyu1,LIN Changhai*,3,CAO Xiuquan1,2,MA Yaoming1(1.School of Mechanical Engineering,Sichuan University of Science&Engineering,Yibin 644000,China;2.Industrial Research Institute of Sichuan University of Science&Engineering,Yibin 644000,China
5、;3.Sichuan Suge Communication Technology Co.,Ltd.,Yibin 644000,China)Abstract:On the basis of the structural design theory of the plasma torch,the structural design key points of a homemade turbulent plasma torch are discussed in detail.A diagnostic system is designed through the LabVIEW virtual ins
6、trument technology,the MATLAB software,the design of the circuit and data acquisition technology.Then the jet characteristics of the turbulent plasma torch are experimentally studied with this system.The experimental results show that:the double-arc phenomenon could be effectively suppressed by incr
7、easing the number of the intermediate electrodes and limiting their axial length,which could not only improve the working power of the plasma torch but also prolong the service life of the turbulent plasma torch;under the condition of U*(z)U(z),the large-scale shunting phenomenon could be avoided by
8、 limiting the axial length of the anode,which could improve the jet stability of the turbulent plasma torch;besides,the jet characteristics of the plasma torch could be influenced obviously by the working conditions.Key words:turbulent plasma torch;plasma jet characteristics;LabVIEW virtual instrume
9、nt technology;diagnostic system 56 机械 2023 年第 8 期 第 50 卷 湍流等离子体射流(Turbulent Plasma Jet,TPJ)因其高温、高能量密度、适应性广等特点,已被普遍运用于危废处理1-4、材料处理(喷涂、冶金、粉末制备)5-9等诸多领域。但不同的应用领域对 PJ(Plasma Jet,等离子体射流)的性能提出了不同的要求,为使 TPJ 的性能满足这些要求,国内外学者在 TPT(Turbulent Plasma Torch,湍流等离子体发生器)结构的定制化设计10-11及 PJ 特性的诊断12-13等方面开展了诸多研究。Anothon
10、y 等14、魏正英等15设计出一种两极式 PT(Plasma Torch,等离子体发生器),即等离子体电弧直接在阳极和阴极之间形成,但此类 PT 阳极过长,且只能通过提升工作电流来增加 PT 的功率,当功率过高时会由于过高的电流密度和大尺度分流现象的产生导致射流稳定性较差、电极烧蚀较严重。Sokobebko 等16及王雨勃等17对 PT 的阳极结构进行优化,为将阳极弧根限制在台阶前端,充分利用空气动力学等要素,设计出台阶式阳极以替换之前的圆柱状阳极,此举有利于延长 PT 的电弧长度,并限制阳极弧根的轴向运动范围,一定程度降低了 PJ 的波动。程昌明等18利用自行研制的PT,在不同的阳极压缩角大
11、小与通道尺寸下进行实验,得到了提高 TPJ 的稳定性和刚性的参数。Bora 等19、Ghorui 等20为达到增加等离子体电弧弧压的目的,研制出一种分段式 PT,通过在阴极与阳极之间添加多个中间电极,增加电弧通道的长度,进而在相同的功率下降低 PT的工作电流,延长电极工作寿命。然而,这类PT 往往由于中间电极过长而容易在较低气流量下产生双弧现象,以至于既加剧了中间电极的烧蚀,又增加了 PJ 的不稳定性。何润东等21基于课题组自行研制的两路进气式 TPT,研究了 TPJ 的工作特性,在一定程度上为发生器的结构设计提供了指导。由上述分析可知,在发生器结构设计方面,国内外学者通过改变 TPT 的阳极
12、结构、弧室长度和进气方式等,一定程度提高了 TPJ 的性能。特别是增加中间电极的方式,很大程度提高了射流的稳定性,但该方式通常会使中间电极上形成一个新的阴极弧根和阳极弧根(即双弧现象),并使电极发生严重烧蚀。本文根据前人对双弧现象和大尺度分流现象产生机理的研究,设计了30 kW多极式TPT,并利用LabVIEW虚拟仪器技术、MATLAB 软件、电路设计与数据采集融合技术对其射流性能进行诊断。1 湍流等离子体发生器设计 1.1 阳极的设计 在 PT 的工作中 TPJ 往往会产生有规律的波动,这主要是由于阳极结构设计不合理从而导致在阳极上出现了大尺度分流现象,此现象极大程度降低了 TPJ 的稳定性
13、,于是有必要按照大尺度分流现象的形成机理探究遏制大尺度分流现象出现的措施22。本文基于课题组在前期层流等离子体发生器结构设计中所提到的遏制大尺度分流现象出现的理论研究,通过限制轴向上的阳极壁面的带电长度,削弱击穿电压分布曲线的作用区域,并在其作用范围内使电弧与阳极壁发生击穿所需的电势 U*(z)大于电弧上某一点与阳极壁面的电势差U(z),即 U*(z)U(z),同时使阳极轴向尺寸满足阳极轴向长度 L2 mm,阳极最小直径D6 mm,设计了此次实验所用的TPT阳极,如图 1 所示。可以看出,在限定阳极尺寸后采用了 TPT 中常用的台阶式阳极结构,这有利于延长 TPT 的电弧长度,并限制阳极弧根的
14、轴向运动范围,一定程度降低了射流的波动16-17。1.2 中间电极的设计 相关研究表明,如图 2 所示的分段式 TPT2023 年第 8 期 第 50 卷 机械 57 通过增加中间电极,可以增加 TPT 的工作弧压和功率、提高射流的稳定性、延长电极寿命并增加 TPJ 的热效率、热焓值。这是因为增加中间电极会增加弧室长度,随着弧室长度的增加,电弧长度随之增加,电弧电阻 R 必定增加,从而提高 TPT 的工作弧压 U,进一步提高了 TPT的功率。因此电源供给 TPT 的总能量会增加,同时,中间电极主要受电弧的辐射热,被冷却水带走的热量较小,所以 TPJ 的热效率会增加,进一步射流的热焓值也会增加。
15、图 1 湍流等离子体发生器阳极示意图 图 2 分段式湍流等离子体示意图 但需要注意的是,中间电极增多会使得其长度过长,可能会产生双弧现象,使得该电极热负荷加剧,引起电极的严重烧蚀与 PJ 的波动。为严格防止双弧现象的形成,本文基于课题组在前期层流等离子体发生器结构设计中得到的中间电极设计公式23,即式(1),推导了中间电极的尺寸,并采用了层流等离子体发生器的压缩式电弧通道结构,即从阴极开始,逐渐减小等离子体电弧通道直径,此结构有助于提高等离子体射流的热流度并增加射流流速,此次 TPT 实验所用的中间电极如图 3 所示。0dlacE lVV+(1)式中:l 为中间电极的轴向宽度;E 为 TPT
16、工作时中间电极段对应的电场强度;aV为阳极压降;cV为阴极压降。图 3 湍流等离子体发生器中间电极示意图 1.3 阴极的设计 TPT 阴极是 TPT 工作时等离子体电弧阴极弧根附着件,是 TPT 不可或缺的组成部分。阴极通常有棒状和纽扣型两种形式,均由钨棒与钨极座构成,如图 4 所示。钨棒常采用耐高温的钨、钨极座常采用导热导电良好的紫铜加工而成,二者采用镶嵌方式紧密连接,并通过对紫铜钨极座的冷却完成对钨棒的冷却。(a)棒状阴极 (b)纽扣型阴极 图 4 典型阴极示意图 棒状阴极可保证阴极弧根始终在钨棒上,不易对钨极座造成损坏,且由于钨棒较长,可在其烧蚀后适当调整其轴向位置从而继续使用。但该类型
17、结构由于钨棒伸出钨极座较长,而钨导热性较差,从而对钨棒的冷却效果较差,易由于高温而造成钨棒的烧蚀。纽扣型阴极是指钨棒缩于钨极座中,与钨极座端面形成一个小的台阶。该类型结构由于钨棒完全被钨极座包围,冷却效果良好,钨棒不易烧蚀。基于上述分析,在 TPT 阴极结构设计过程中,当发生器工作气流量足以保证阴极弧根落于钨棒上时,宜采用纽扣型阴极结构,以保证钨棒的充分冷却,延长其使用寿命。而要保证阴极 中间电极阳极 钨极座钨棒钨极座 钨棒58 机械 2023 年第 8 期 第 50 卷 阴极弧根落于钨棒上,往往需要通过旋向进气的方式来实现。旋向进气方式是指 TPT 工作气体以与弧室壁相切的速度方向进入等离子
18、体电弧弧室。采用此种进气方式时,气流在弧室中以螺旋形式从阴极逐渐流向阳极,对等离子体电弧压缩作用较强,弧压较高,热效率较其他进气方式高。综上所述,本次实验基于自主设计的 30 kW多极式 TPT,利用旋向进气的方法,进行 TPT的特性实验研究。实验所用的多极式 TPT 如图5 所示,该发生器由阴极、引弧极、三个中间电极、阳极、若干绝缘环和密封环组成。2 实验装置与方法 2.1 实验装置 为了研究前述 30 kW 湍流等离子体发生器性能,采用如图 6 所示的实验装置,主要包括30 kW 湍流等离子体发生器、供气装置、等离子体电源柜、冷却机组四部分。供气装置由成都莱峰科技有限公司生产的 LF 型气
19、体质量流量控制器、青岛凯胜焊割工具厂生产的氮气减压阀以及工业氮气瓶构成,工作气体由氮气瓶供给,经过减压阀将压力降低到一定水平(本实验为 0.3 MPa)后,输送至气体质量流量控制器,并按照设定的气体流速供给 TPT。等离子体电源柜由成都力拓力源科技有限公司提供。该电源使用逆变电源技术(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)将三相电能转换为直流电能,以可调恒流源的形式按指定的电弧电流供给至 TPT。另外,该电源还集成了引弧模块,能够实现自动引弧。MGFW-25GT 风冷柜式水冷机组由成都美森制冷设备有限公司提供,将水箱中的去离子水冷却至规定温度(本实验为
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