Плазмотрон линейной схемы

(51) 05 1/24 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ выходное сопло в виде диффузора 8, систему для поджига дуги и токоподводы катода и анода,соединнные с регулируемым источником питания постоянного тока. Отличие плазмотрона заключается в том, что цилиндрический участок канала 7 анода 6 выполнен с диаметром , который составляет 0,6-0,8 диаметра цилиндрического каналакатода 3 и длиной 1 не менее одного его диаметра , а выходное сопло анода 6 в виде диффузора 8 - с углом раскрытия , равным 26-30. Расположенный с входного конца катода 3 первый завихритель 4 размещн внутри канала катода 3 и выполнен цилиндрической формы с многоходовой резьбой 9 на его наружной поверхности и может быть выполнен с осевым сквозным отверстием 10. Токоподвод катода выполнен в виде шайбы 11 и стержня 12, соединенного с шайбой и источником постоянного тока, причм шайба 11 закреплена в канале катода 3 перед первым завихрителем 4 с образованием кольцевой камеры 13 между ними и выполнена со сквозными продольными отверстиями 14 для ввода плазмообразующего газа в кольцевую камеру 13. Система поджига дуги плазмотрона содержит иглу 15, по меньшей мере, конечная часть которой выполнена из тугоплавкого материала и которая соединена проводником через токоограничивающее сопротивление 17 с анодом 6, размещена в зазоре между анодом 6 и катодом 3 таким образом, что соприкасается с внутренним торцом анода 6, причм игла 15 выполнена с возможностью колебательного движения посредством реле и возвратной пружины,установленных на корпусе 2 анода посредством изолятора.(72) Лукьященко Валерий Григорьевич Мессерле Владимир Ефремович Умбеткалиев Куаныш Аскарович Устименко Александр Бориславович Шевченко Виктор Николаевич(73) Товарищество с ограниченной ответственностью НТО Плазмотехника Лукьященко Валерий Григорьевич(57) Изобретение относится к электродуговым генераторам плазмы и может быть использовано в энергетике для растопки пылеугольных котлов,подхвата и стабилизации горения пылеугольного факела, а также в иных технологических установках. Техническим результатом является оптимизация плазменного факела,необходимого для воспламенения пылеугольного потока, повышение наджности и ресурса электродов, простота сборки разборки плазмотрона. Плазмотрон содержит два линейно расположенных соосных водоохлаждаемых корпуса 1 и 2, изолированных друг от друга, в одном из которых установлен полый цилиндрический электрод - катод 3, на обоих концах которого расположены первый 4 и второй завихрители 5,соединнные с источником плазмообразующего газа, а в другом корпусе 2 установлен выходной электрод - анод 6, имеющий канал с цилиндрическим участком 7 в начальной части и Изобретение относится к электродуговым генераторам плазмы и может быть использовано в энергетике для растопки пылеугольных котлов,подхвата и стабилизации горения пылеугольного факела, а также в иных технологических установках. Известен плазмотрон линейной схемы,предназначенный для растопки пылеугольных котлов и стабилизации горения пылеугольного факела (Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела/ М.Ф. Жуков, Е.С. Карпенко, Перегудов и др.(Низкотемпературная плазма. Т. 16) - НовосибирскНаука, Сибирская издательская фирма РАН, 1995. с.195-198). Плазмотрон содержит два линейно расположенных соосных водоохлаждаемых корпуса,изолированных друг от друга, в одном из которых установлен полый цилиндрический электрод катод, с обоих концов которого расположены первый и второй завихрители (вихревые камеры),соединнные с источником плазмообразующего газа, а в другом корпусе установлен выходной электрод - анод, имеющий канал с цилиндрическим участком вначале и выходное сопло в виде диффузора, систему для поджига дуги и токоподводы катода и анода, соединнные с регулируемым источником питания постоянного тока. Торец анода выступает за пределы корпуса,что приводит к абразивному износу потоком угольной пыли, подаваемой для воспламенения в горелку. В данном плазмотроне предусмотрена дополнительная электромагнитная крутка прианодного участка посредством электромагнитной катушки, расположенной вокруг корпуса анода и включнной последовательно с электрической дугой. Расходы плазмообразующего газа, подаваемого через завихрители, периодически увеличивают или уменьшают посредством регулятора расхода газа в пределах 10. Недостатками известного устройства является не оптимальный факел и низкий ресурс электродов,ненаджность и сложность сборки и разборки плазмотрона. В качестве наиболее близкого аналога выбран плазмотрон линейной схемы, применяемый для растопки пылеугольных котлов и стабилизации пулеугольного факела.(Патент Российской Федерации 2159022, МПК Н 05 Н 1/24, публ.,10.11.2000 г.). Он содержит водоохлаждаемый корпус,в котором установлен полый цилиндрический электрод - катод, с обоих концов которого расположены первый и второй завихрители (вихревые камеры), обеспечивающие закрутку потока плазмообразующего газа в разрядной камере. Выходной электрод - анод,расположен также в свом водоохлаждаемом корпусе. Он имеет канал с цилиндрической частью в начальной части и выходное сопло в виде диффузора. Катод выполнен симметричным относительно плоскости, проходящей через центр катода перпендикулярно его оси. Катод выполнен составным с местом их разъма в указанной плоскости, а также - из обоймы и внутренней вставки. Торец анода выступает за пределы корпуса,2 что приводит абразивному износу потоком угольной пыли, подаваемой для воспламенения в горелку. Плазмотрон снабжн токоподводами, соединнными с регулируемым источником постоянного тока. Кроме газодинамической крутки приэлектродных участков дуги,в данном плазмотроне предусмотрена дополнительная электромагнитная крутка прианодного участка посредством электромагнитной катушки, расположенной вокруг корпуса анода и включнной последовательно с электрической дугой. Установка электромагнитной катушки вокруг корпуса анода ведт к увеличению е диаметра, появлению эффекта экранирования магнитного поля корпусом анода и необходимости е дополнительного охлаждения. Через завихрители, расположенные с обоих торцов катода, податся плазмообразующий газ,преимущественно воздух,из источника плазмообразующего газа с расходами 1 и 2 и поджигается электрическая дуга путм искрового пробоя зазора между катодом и анодом, а ток дуги с помощью регулируемого источника электропитания устанавливается на необходимом для технологического процесса уровне. В известном плазматроне система розжига включает осциллятор. Розжиг дуги осуществляется путм подачи напряжения на электроды с последующим пробоем межэлектродного промежутка высоковольтным и высокочастотным искровым разрядом от осциллятора, который ввиду затухания сигналов по проводящим проводам к электродам, должен находиться в достаточной близости от плазматрона, что в условиях работы на котлах тепловых электростанций, не всегда наджно и практично. В области катода и цилиндрического участка анода происходит газодинамический обжим электрической дуги и формирование шнура электродугового разряда,длина которого определяет величину напряжения на дуге и расположение зоны привязки анодного участка дуги. На расположение зоны привязки анодного участка дуги так же влияет угол раскрытия диффузора анода, который в свою очередь определяет и форму плазменного факела. При конструкции плазмотрона, когда медный торец анода выступает за торец корпуса, обычно изготавливаемый из нержавеющей стали, он может подвергаться значительному абразивному износу,потоком угольной пыли,подаваемой для воспламенения в горелку, что снижает его ресурс. К недостаткам указанного плазмотрона можно отнести неопределнность геометрических соотношений длины цилиндрической части канала анода и угла раскрытия его диффузора, влияющих на напряжение дуги и форму факела, а также недостаточный ресурс электродов, ненаджность токоподводов от корпусов, на которых имеются клеммы, к катоду и аноду, сложность сборкиразборки. В основу изобретения положена задача создания несложного по конструкции, более наджного и имеющего высокий ресурс электродов плазмотрона линейной схемы с чтко формируемым плазменным факелом. Техническим результатом является оптимизация плазменного факела,необходимого для воспламенения пылеугольного потока, повышение наджности и ресурса электродов, простота сборки и разборки плазмотрона. Для достижения указанного технического результата в плазмотроне линейной схемы,содержащем два линейно расположенных соосных водоохлаждаемых корпуса, изолированных друг от друга, в одном из которых установлен полый цилиндрический электрод - катод, на обоих концах которого расположены первый и второй завихрители,соединнные с источником плазмообразующего газа, а в другом корпусе установлен выходной электрод - анод, имеющий канал с цилиндрическим участком в начальной части и выходное сопло в виде диффузора, систему для поджига дуги и токоподводы катода и анода,соединнные с регулируемым источником питания постоянного тока,согласно изобретению,цилиндрический участок канала анода выполнен с диаметром, который составляет 0,6-0,8 диаметра катода, и длиной не менее одного его диаметра, а выходное сопло анода - с углом раскрытия диффузора на выходе 26-30. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения первый завихритель, расположенный с входного конца катода, размещн внутри канала катода и выполнен цилиндрической формы с многоходовой резьбой на его наружной поверхности, а токоподвод к катоду выполнен в виде шайбы и стержня, соединенного с шайбой и источником постоянного тока, причм шайба закреплена в канале катода перед первым завихрителем с образованием кольцевой камеры между ними и имеет сквозные продольные отверстия для ввода плазмообразующего газа в кольцевую камеру перед первым завихрителем. Кроме того, первый завихритель, установленный на входном конце катода, выполнен с осевым сквозным отверстием. Преимущественно система поджига дуги содержит иглу, по меньшей мере, конечная часть которой выполнена из тугоплавкого материала и которая соединена проводником через токоограничивающее сопротивление с анодом,размещена в зазоре между анодом и катодом таким образом, что е конечная часть соприкасается с внутренним торцом анода, причм игла выполнена с возможностью колебательного движения посредством реле и возвратной пружины,установленных на корпусе анода посредством изолятора. Анод может быть закреплен в корпусе посредством резьбы. Помимо этого, анод закреплен в корпусе таким образом, что торец анода расположен на уровне торца корпуса. В предпочтительном варианте осуществления изобретения, к первому и второму завихрителям подведены патрубки для подвода плазмообразующего газа от источника плазмообразующего газа,соединенные с приспособлением, выполненным с возможностью изменять величину расходов плазмообразующего газа к первому завихрителю, 1 и к второму завихрителю 2 на 10-20 при этом общее количество плазмообразующего газа 1 2 примерно остатся постоянным. Вокруг анода внутри его корпуса может быть расположена электромагнитная катушка,включнная последовательно в цепь питания анода. По оси плазмотрона в цилиндрической части анода,благодаря вихревым потокам газа,формируется жгут дуги. Чем больше длина цилиндрической части, тем выше напряжение на дуге и более высокая устойчивость е горения. В результате многократных экспериментов было установлено, что цилиндрический участок канала анода должен иметь диаметр, который составляет 0,6-0,8 диаметра катода, и длину не менее одного его диаметра При диаметре цилиндрической части анода менее 0,6 диаметра катода происходит перегрев в цилиндрической части анода, а при диаметре цилиндрической части анода более 0,8 диаметра катод обжатие дуги значительно ухудшается. При заданном расходе плазмообразующего газа с увеличением угла раскрытия диффузора анода анодная привязка дуги смещается в сторону цилиндрического пережима анода, в более узкую часть конуса диффузора, что сокращает площадь, по которой перемещается прианодная часть дуги, и ведт к увеличению износа внутренней поверхности анода. Также при этом уменьшается длина плазменного факела плазмотрона за счт его расширения. При уменьшении угла раскрытия конуса, факел плазмотрона сужается и недостаточно полно перекрывает сечение горелки, что ухудшает воспламенение угольного потока. Результаты многочисленных экспериментов показали, что оптимальный угол раскрытия диффузора составляет 26-30. При угле раскрытия диффузора менее 26 струя факела получается узкой, а при угле раскрытия более 30 происходит отрыв факела от стенок анода и нарушается течение факела плазмы. Размещение первого завихрителя во входной части внутри канала катода упрощает конструкцию плазмотрона, а также и его обслуживание при профилактических мероприятиях или ремонте катодного узла. Выполнение токоподвода к катоду посредством стержня и шайбы, закрепленной в канале катода,обеспечивает наджность токоподвода к катоду, при этом уплотнительные манжеты между катодом и его корпусом не влияют на эту наджность, как в случае токоподвода через клемму на корпусе и далее на катод. Благодаря осевому потоку плазмообразующего газа,который поступает через дополнительное осевое отверстие первого завихрителя, напряжение на плазмотроне повышается. Кроме того, указанный осевой поток препятствует катодной привязке дуги на завихритель в нештатных ситуациях, что повышает наджность плазмотрона. Посадка анода на резьбу в его корпусе обеспечивает наджность токоподвода от клеммы корпуса анода на сам анод и упрощает сборку анодного узла. Наличие минеральной части в углях приводитк повышению абразивности пылевидного угольного потока, поэтому анод должен быть прикрыт торцом его корпуса, изготавливаемого, как правило, из нержавеющей стали. Если торец анода утопить относительно торца корпуса анода, то не исключена возможность посадки анодной части столба дуги на корпус и его подгорание, что снижает наджность плазмотрона. Катодный участок дуги вместе с опорным катодным пятном под действием вихревых потоков вращается внутри катода в плоскости,перпендикулярной оси плазмотрона, в которой встречаются пристеночные потоки от первого завихрителя и второго завихрителя. Для повышения ресурса электрода длину этой зоны можно значительно увеличить путм осевого сканирования приэлектродного участка дуги (в дополнение к азимутальному перемещению) изменением газодинамических параметров. Газодинамическое сканирование достигается изменением расходов воздуха через первый завихритель 1 и второй завихритель 2 на 10-20 с помощью внешнего приспособления. Как показали исследования, зона выработки внутренней поверхности катода вдоль оси плазмотрона расширяется до нескольких сантиметров, а ресурс электрода увеличивается в несколько раз. Одним из главных условий длительной работы анода является обеспечение определнной скорости перемещения приэлектродного участка дуги по его поверхности. Предпочтительным является сочетание газодинамического и электромагнитного воздействия на этот участок. Использование дополнительного электромагнитного воздействия при вращении прианодного участка дуги с помощью электромагнитной катушки,включнной последовательно в цепь питания анода, в общем случае способствует повышению устойчивости дугового разряда. Размещение электромагнитной катушки вокруг анода внутри корпуса исключает эффект экранирования корпусом и обеспечивает е охлаждение тем же водяным потоком, который охлаждает анод, что упрощает конструкцию плазмотрона. Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором схематично изображен плазмотрон линеной схемы при азимутальном и осевом сканировании прикатодного участка дуги. Электродуговой плазмотрон линейной схемы содержит два соосно расположенных водоохлаждаемых корпуса 1 и 2, которые изолированы друг от друга. В корпусе 1 посредством уплотнительных манжет запрессован полый цилиндрический электрод - катод 3. На обоих концах катода 3 расположены первый завихритель 4 и второй завихритель 5. Они соединны патрубками с источником плазмообразующего газа (не 4 показаны). В корпусе 2 закреплен посредством резьбы выходной электрод- анод 6. Анод 6 закреплен в корпусе 2 таким образом, что торец анода 6 расположен на уровне торца корпуса 2. Катод 3 и анод изготовлены из меди. Анод 6 имеет канал с цилиндрическим участком 7 в начальной части и выходное сопло в виде диффузора 8 с углом раскрытия . Цилиндрический участок канала анода 7 имеет длину 1 и диаметр . Диаметр цилиндрического канала анодасоставляет 0,6-0,8 диаметра цилиндрического канала катода , а длина 1 составляет не менее одного его диаметра . Угол раскрытия диффузора анода составляет 26-30. Расположенный с входного конца катода 3 первый завихритель 4 размещн внутри канала катода 3 и выполнен цилиндрической формы с многоходовой резьбой 9, например трхходовой, на его наружной поверхности. Первый завихритель 4 выполнен с осевым сквозным отверстием 10. Токопродвод к катоду 3 выполнен в виде шайбы 11 со стержнем 12, который соединен с регулируемым источником постоянного тока (не показан). Шайба 11 токопровода закреплена в канале катода 3 посредством резьбы с образованием кольцевой камеры 13 между шайбой токопровода и первым завихрителем 4. В шайбе 11 токопровода выполнены сквозные продольные отверстия 14 для ввода плазмообразующего газа в кольцевую камеру 13 перед завихрителем 4. В зазоре между анодом 6 и катодом 3 установлена игла поджига 15 таким образом, что е конечная часть соприкасается с внутренним торцом анода 6. Игла 8 установлена с возможностью колебательного движения посредством реле и возвратной пружины (на фиг.1 не показаны),установленных посредством изолятора на корпусе 2 анода 6. Игла 8 выполняется составной конечная часть из тугоплавкого материала, например вольфрама, закрепляется в стальной или латунной обойме. Она соединена проводником 16 через токоограничивающее сопротивление 17 с анодом 6 на его корпусе 2. К первому 4 и второму 6 завихрителям,подведены патрубки для подвода плазмообразующего газа от источника плазмообразующего газа-воздуха, соединенные с приспособлением, например расходомером (на чертеже не показаны), который может изменять величину расходов плазмообразующего газа к первому завихрителю, 1 и к второму завихрителю 2 на 10-20 с частотой от нескольких сотых до единиц Гц, при этом общее количество плазмообразующего газа 12 примерно остатся постоянным. Вокруг анода 6 внутри его корпуса 2 расположена электромагнитная катушка 18,включнная последовательно в цепь анода 6. Электродуговой плазмотрон работает следующим образом. В катодный и анодный узлы податся охлаждающая вода, а по патрубкам от источника плазмообразующего газа через завихрители 4 и 5 податся воздух. На токоподвод 12 катода и клемму на корпусе анода 2 податся напряжение постоянного тока от регулируемого источника электропитания, на токопровод 12 катода отрицательный потенциал, а на клемму корпуса анода 2 - положительный. После подачи напряжения на катод 3 и анод 6 от пускового сигнала срабатывает реле и конечная часть конец иглы 15 приводится в соприкосновение с катодом 3 и далее под действием возвратной пружины возвращается в первоначальное положение, в соприкосновение с анодом 6. Так как игла 15 через проводник 16 и ограничивающее сопротивление 17 всегда находится под потенциалом анода, то при е соприкосновении с катодом 3 по цепи катод - игла ограничивающее сопротивление - анод протекает ток, для ограничения величины которого служит сопротивление 17, а при разрыве цепи между катодом 3 и иглой 15 возникает искра, переходящая на зазор между катодом и анодом. В результате электрического пробоя в этом зазоре возникает электрическая дуга 19, которая под действием вихревого потока плазмообразующего газа,подаваемого через завихритель 5, выносится в полость, образованную катодом 3 и анодом 6. Поток газа от завихрителя 5 разделяется на два вихревых потока Один поток поднимается по каналу катода 3, а второй поток выходит в канал анода 6. Катодный участок дуги вместе с опорным катодным пятном под действием вихревых потоков вращается в канале катода 3 в плоскости,перпендикулярной оси плазмотрона, в которой встречаются пристеночные потоки от завихрителя 4 и завихрителя 5. При этом выработка внутренней части катода происходит в виде узкого кольца. Анодная часть привязки дуги, более распределнная по поверхности электрода в конусной его части,также вращается под действием вихря. По оси катода в цилиндрической части анода благодаря вихревым потокам газа формируется жгут дуги. Чем больше длина цилиндрической части канала анода,тем выше напряжение на дуге и более высокая устойчивость е горения. Шайба 11 токопровода,установленная в канале катода 3 посредством резьбы, обеспечивает наджность токоподвода к катоду, при этом уплотнительные манжеты между катодом 3 и его корпусом 1 не влияют на эту наджность. Осевой поток, образованный при проходе плазмообразующего газа через сквозное осевое отверстие 10,поднимает напряжение на плазмотроне. Кроме этого, этот осевой поток препятствует катодной привязке дуги на завихритель 4 в нештатных ситуациях. Посадка анода 6 на резьбу в корпусе 2 обеспечивает наджность токоподвода от клеммы корпуса анода на сам анод. В плазмотроне мягкая медь анода 6 прикрыта торцом корпуса 2,изготавливаемого из нержавеющей стали, что исключает возможность посадки анодной части столба дуги на корпус 2 и его подгорание, а также снижает износ анода из-за абразивности пылевидного угольного потока. Катодный участок дуги вместе с опорным катодным пятном под действием вихревых потоков вращается внутри катода 3 в плоскости,перпендикулярной оси плазмотрона, в которой встречаются пристеночные потоки от завихрителя 4 и завихрителя 5. Длина этой зоны увеличивается путм газодинамического осевого сканирования приэлектродного участка дуги в дополнение к азимутальному перемещению. Для этого периодически изменяют величину расходов плазмообразующего газа при помощи регулятора расхода к первому завихрителю 1 и к второму завихрителю 2 на 10-20, при этом общее количество плазмообразующего газа 1 2 примерно остатся постоянным, т.е. увеличивая расход плазмообразующего газа, поступающий к первому завихрителю 4, 1 на 15, расход газа ко второму завихрителю 5 2 уменьшают на 15. Как показали исследования, зона выработки внутренней поверхности катода вдоль оси плазмотрона при этом расширяется до нескольких сантиметров, а ресурс электрода увеличивается в несколько раз. С помощью электромагнитной катушки 18,включнной последовательно в цепь анода 6,осуществляется дополнительное электромагнитного воздействие при вращении прианодного участка дуги, что способствует повышению устойчивости дугового разряда. Электромагнитная катушка 18 благодаря размещению вокруг анода 6 внутри корпуса 2 охлаждается тем же водяным потоком,который охлаждает анод 6. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Плазмотрон линейной схемы, содержащий два линейно расположенных соосных водоохлаждаемых корпуса, изолированных друг от друга, в одном из которых установлен полый цилиндрический электрод- катод, на обоих концах которого расположены первый и второй завихрители,соединнные с источником плазмообразующего газа, а в другом корпусе установлен выходной электрод - анод, имеющий канал с цилиндрическим участком в начальной части и выходное сопло в виде диффузора, систему для поджига дуги и токоподводы катода и анода, соединнные с регулируемым источником питания постоянного тока, отличающийся тем, что цилиндрический участок канала анода выполнен с диаметром,который составляет 0,6-0,8 диаметра цилиндрического канала катода, и длиной не менее одного его диаметра, а выходное сопло анода в виде диффузора - с углом раскрытия 26-30. 2. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что первый завихритель, расположенный с входного конца катода, размещн внутри канала катода и выполнен цилиндрической формы с многоходовой резьбой на его наружной поверхности. 3. Плазмотрон по п.2, отличающийся тем, что токоподвод катода выполнен в виде шайбы и стержня, соединенного с шайбой и источником постоянного тока, причм шайба закреплена в канале катода перед первым завихрителем с 5 образованием кольцевой камеры и выполнена со сквозными продольными отверстиями для ввода плазмообразующего газа в кольцевую камеру. 4. Плазмотрон по любому из п.п.1-3,отличающийся тем, что первый завихритель,установленный на входном конце катода, выполнен с осевым сквозным отверстием. 5. Плазмотрон по любому из п.п.1-4,отличающийся тем, что система поджига дуги содержит иглу, по меньшей мере, конечная часть которой выполнена из тугоплавкого материала и которая соединена проводником через токоограничивающее сопротивление с анодом,размещена в зазоре между анодом и катодом таким образом, что соприкасается с внутренним торцом анода, причм игла выполнена с возможностью колебательного движения посредством реле и возвратной пружины, установленных на корпусе анода посредством изолятора. 6. Плазмотрон по любому из п.п.1-5,отличающийся тем, что анод закреплен в корпусе посредством резьбы. 7. Плазмотрон по любому из п.п.1-6,отличающийся тем, что анод закреплен в корпусе таким образом, что торец анода расположен на уровне торца корпуса. 8. Плазмотрон по любому из п.п.1-7,отличающийся тем, что к первому и второму завихрителям, подведены патрубки для подвода плазмообразующего газа от источника плазмообразующего газа,соединенные с приспособлением, выполненным с возможностью изменять величину расходов плазмообразующего газа к первому завихрителю 1 и к второму завихрителю 2 на 10-20 при этом общее количество плазмообразующего газа 12 примерно остатся постоянным. 9. Плазмотрон по любому из п.п.1-8,отличающийся тем, что вокруг анода внутри его корпуса расположена электромагнитная катушка,включнная последовательно в цепь питания анода.