基于相似理论的超音速等离子体炬电热特性研究

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1、阳极结构对直流非转移型等离子体射流特性的影响程昌明*程昌明（1971—），男，四川简阳人，硕士研究生，高级工程师，1993年毕业于成都科学技术大学，现从事低温等离子体应用研究。电子邮箱：chengchangming2006@126.com唐德礼赵杰（核工业西南物理研究院，成都610041）摘要：本文介绍了自行研制的直流非转移型等离子体炬的结构和工作原理，研究了拉瓦尔喷管结构的阳极压缩角、通道直径、阳极长度对等离子体射流的伏安特性和效率的影响，利用侧向垂直送气对射流的速度进行了定性研究。结果表明，

2、阳极结构对等离子体射流特性的影响较大，弧压随着阳极压缩角的增大而下降，较小压缩角的射流稳定性更好；通道直径较小的等离子体射流刚性更强；阳极加长后，在同等电流和工作气体量下，电弧的电压有所提高，平均提高了约20V，炬功率提高了2-3kW，弧压增加有利于延长电极的使用寿命。关键词：等离子体炬，等离子体射流，阳极压缩角，伏安特性1引言热等离子体射流具有高温、高焓、高能量密度以及气氛可控等特点，已经在切割、焊接、喷涂、材料制备、废物处理等领域得到广泛应用[1]。直流非转移型等离子体炬是工业应用中最为广泛

3、的一种，工业应用对等离子体炬的要求是高稳定性、高效率和长寿命，因而对于等离子体射流电热特性的研究就显得至关重要。等离子体射流的特性包括电特性（伏安特性）、热特性（效率）、流动状态（层流或湍流）、热力学特性以及输运特性等等，与等离子体炬的结构、工作气体类型、运行参数等密切相关。同一个等离子体炬，在不同的运行参数下会产生层流或湍流状态的射流[2]，不同的电极结构可以得到不同流速的射流[3,4]，研究者对于等离子体射流的脉动特性也进行了比较深入的探讨[5,6]。等离子体炬阳极喷嘴结构是影响等离子体射流

4、特性的重要因素之一，通常情况下，圆柱形通道的喷嘴易于产生温度较高的亚音速射流，而类似于拉瓦尔结构的收缩扩张形喷嘴可以获得音速甚至超音速的射流，这在某些行业如喷涂、点火等有着重要的用途。本文根据我们自行研制的拉瓦尔喷嘴直流非转移型等离子体炬，通过改变阳极喷嘴的压缩角、通道直径和长度，对等离子体射流的伏安特性及射流形貌进行了研究分析，并利用侧向送风的方法，比较了不同喷嘴结构等离子体射流的平均速度。实验结果可以作为我们优化等离子体炬设计和开发不同用途的等离子体炬的参考。2实验装置及方法7本实验系统如图

5、1所示，主要由中频逆变开关电源、等离子体炬、供气（氮气和空气）、冷却水以及测量几部分组成。电源采用全中频逆变的新型开关电源技术，配有高频触发系统，采用恒流控制方式，并设有过流、过热等保护措施。图1实验系统示意图等离子体炬是我们自己研制的直流非转移电弧等离子体炬，属于固定弧长型，主要由阴极、触发极和阳极三大部分组成，阴极材料为铈钨，镶嵌于紫铜座内，触发极和阳极材料为紫铜，电极之间的绝缘材料选用聚四氟乙烯，水冷通道及连接件选用不锈钢材料。阴极和阳极的水冷通道均采用螺旋结构，增加了热交换面积。阳极通道

6、采用拉瓦尔喷管结构，可以提高射流的速度，加快弧斑的旋转，提高阳极的使用寿命。首先在阴极与触发极之间施加高达10000伏左右的触发电压，利用高压脉冲击穿它们之间的气隙，产生电弧，然后断开触发极，电弧就在阴极与阳极之间建立起来。炬的阴极保护气体为氮气，由氮气瓶提供，在阴极与触发极之间供给；工作气体是空气，由空气压缩机提供，在触发极与阳极之间供给；保护气体与工作气体均采用切向进气方式。电极的冷却水为自来水，相对独立，可以根据需要调节各电极的冷却水流量。测量参数主要包括弧电压、弧电流、气体流量、水流量、

7、水温等。弧电流和弧电压可以在电源控制柜上直接读出；气体流量由流量计测得；实验过程中用容积法计算冷却水的流量，用温度计直接测量冷却水的进出口温度。在距等离子体炬出口15mm，中心线上方60mm的位置设置一个垂直于等离子体射流的送气管道，管道出口截面为0.7×9mm，用流量计测量送气量，可以计算得到管道出口平均风速，改变送气量，观察侧向送气对射流形貌的影响。主要的等离子体炬运行参数见表1。表1等离子体炬主要运行参数炬功率（千瓦）30～50弧电流（安培）100～150弧电压（伏特）250～350氮气流

8、量（升/分）25～35空气流量（升/分）80～120热效率70%3实验结果与分析7实验中研究了四种不同通道尺寸的阳极，阳极结构如图2所示，在阳极长度L为256mm时，通过改变压缩段尺寸X来改变压缩角θ，选择了两个通道最小直径d，分别对不同压缩角和最小通道直径的阳极进行了调试，并对实验结果进行了分析。在改变压缩角和通道直径的同时，出口段扩张角的变化范围为7°～9°之间，因而忽略了扩张角的影响。不同阳极的尺寸见表2。图2阳极结构示意图表2阳极的压缩角和通道直径序号压缩角θ通道直径dⅠ4012Ⅱ401