Генератор акустических колебаний

 

Изобретение относится к электроакустике, а более конкретно - к устройствам для генерирования акустических колебаний звуковой частоты в агрессивной высокотемпературной среде при повышенных давлениях, и может быть использовано, например, для диагностики акустической неустойчивости высокофорсированных камер сгорания, а также в плазмохимической технологии. Сущность: генератор содержит торцовый электрод и соосно расположенный с ним внутри соленоида полый канал-электрод. С электродами связан источник постоянного высокого напряжения для зажигания дуги, а с источником переменного напряжения звуковой частоты для магнитной модуляции дуги соединен соленоид. Кроме того, генератор содержит дополнительный соленоид, установленный концентрично основному и соединенный с источником постоянного напряжения. Технический результат: повышение коэффициента полезного действия. 3 ил.

Изобретение относится к электроакустике, а более конкретно - к устройствам для генерирования акустических колебаний звуковой частоты в высокотемпературных химически агрессивных средах, и может быть использован, например, для диагностики акустической неустойчивости камер сгорания ракетных и авиационных двигателей, а также может быть использован в плазмохимической технологии.

Известен генератор акустических колебаний, содержащий торцовый водоохлаждаемый катод и соосно расположенный с ним полый водоохлаждаемый анод, связанные с источником высокого модулированного напряжения для зажигания пульсирующей дуги (см. авт. свид. СССР №191191, М кл. В 06 В 1/20). Генерирование акустических колебаний происходит в результате периодического истечения высоконагретой плазмы и ее последующего адиабатического расширения.

Недостатком известного устройства является неустойчивость его работы при повышенных давлениях.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для генерации акустических колебаний при повышенных давлениях и температурах окружающей среды, представляющее собой типичный электродуговой нагреватель газа с двумя электродами, связанными с источником постоянного напряжения, и соленоид, соединенный с низкочастотным усилителем, на вход которого подается сигнал звукового генератора (см. авт. свид. СССР №233728, М кл. В 06 В 1/20). При этом взаимодействие радиальной составляющей магнитной индукции В_r переменного магнитного поля с азимутальной составляющей тока j_х электрической дуги приводит к появлению силы магнитной природы, направленной вдоль оси электроразрядного канала. В результате периодического изменения направления этой силы происходит вынужденное шунтирование дуги в верхней или нижней части электроразрядного канала, что, в свою очередь, приводит к пульсирующему истечению высоконагретой плазмы и излучению акустических колебаний.

Следует отметить, что основной причиной возникновения j _ϕ является стационарно-конвективная неустойчивость ствола дуги с винтовыми возмущениями температуры, возникающей в результате тангенциального обдува дуги потоком газа (см. 1. Шайдуров Г.Ф., Шлиамис М.И., Ястребов Т.В. Конвективная неустойчивость вращающейся жидкости // Изв. АН СССР МЖГ, 1969, №6, с.88; 2. Абдразяков А.А., Жеенбаев Ж.Ж., Конавко Р.И., Энгельшт В.С. Высокочастотные колебания струи плазмы // Химия и физика низкотемпературной плазмы. Москов. ун-т, 1971, с.295-297).

Однако коэффициент полезного действия (КПД) известного генератора акустических колебаний невысокий из-за малого значения азимутальной составляющей тока j_ϕ по сравнению с общим током j, протекающим в дуге.

Целью изобретения является повышение КПД генератора акустических колебаний.

Для достижения поставленной цели электродуговой преобразователь газа с двумя электродами, связанными с источником постоянного напряжения, и соленоид, соединенный с низкочастотным усилителем, содержит дополнительный соленоид, подключенный к источнику питания самой дуги с возможностью изменения полярности на входе соленоида.

Из анализа литературы известно наложение постоянных магнитных полей с помощью соленоидов в мощных плазмотронах, особенно при повышенных давлениях (см. 1. Жуков М.Ф. Основы расчета плазмотронов линейной схемы, Новосибирск, 1979. 2. Коротеев А.С., Костылев A.M., Коба В.В., Ломовцев М.А., Куцевалов В.А., Челознов В.В. Генераторы низкотемпературной плазмы. М., "Наука", 1969, с.18-35), для стабилизации дуги в электроразрядном канале и уменьшения его эррозии в месте привязки дуги. Это достигается за счет закрутки дуги вдоль силовых линий магнитного поля соленоида, установленного в месте привязки дуги. Закрутка дуги магнитным полем уменьшает время контакта дуги с электродом, что, в свою очередь, уменьшает тепловое воздействие и эррозию электрода. Следует отметить, что применение постоянных магнитных полей в мощных плазмотронах при повышенных давлениях связано с неэффективностью газовой стабилизации из-за уменьшения тангенциальной составляющей скорости газового потока по сравнению с аксиальной.

В предлагаемом устройстве постоянным магнитным полем воздействуют не на место привязки дуги в электроразрядном канале, а на ее ствол с целью увеличения азимутальной составляющей тока j_x. Увеличение азимутальной составляющей тока j_x позволяет более эффективно воздействовать переменным магнитным полем на периодическое тепловыделение электрической дугой, что сопровождается повышением КПД генератора. При этом полярность на соленоиде устанавливается такой, чтобы направление движения заряженных частиц под действием поля совпадало с направлением газовой закрутки за счет тангенциально поступающего газа.

Таким образом, у заявляемого решения появляются свойства, не совпадающие со свойствами известного решения, поэтому на основании п.52 (ЭЗ-1-79) можно сделать вывод о том, что решение обладает существенными отличиями.

На фиг.1 изображен описываемый генератор акустических колебаний; на Фиг.2 - схема взаимодействия электрической дуги с магнитным полем; на фиг.3 - зависимость интенсивности акустических колебаний от частоты магнитного поля.

Генератор акустических колебаний включает водоохлаждаемый медный катод 1 с циркониевой вставкой, полый выходной электрод (анод) 2 с уступной частью 3, катушку 4 с двумя соленоидами 5 и 6, соединенными с выходом низкочастотного усилителя Т4-5-4 и с источником постоянного напряжения для получения переменного и постоянного поля, соответственно фторопластовое кольцо 7 для изоляции электродов 1 и 2 и штуцера 8 для подачи рабочего газа в вихревую камеру.

Работа устройства осуществляется следующим образом. При подаче рабочего газа (воздуха) в штуцер 8 и постоянного высокого напряжения на электроды 1 и 2 зажигается дуга в электроразрядном канале 2, которая взаимодействует с переменным и постоянным магнитными полями соленоидов 5 и 6. При этом на соленоид 5 подается переменное напряжение звуковой частоты с разностью потенциалов до 180 В и током до 20 А, а на соленоид 6 - постоянное напряжение с разностью потенциалов до 100 В и током до 50 А.

Наложение постоянного магнитного поля приводит к дополнительному увеличению азимутальной составляющей тока j _x, которое можно объяснить следующими механизмами: 1) во-первых, в результате биполярной диффузии заряженные частицы двигаются от сильно нагретых внутренних слоев ствола дуги к наружным, образуя радиальную составляющую тока j_r (см. Брон О.Б., Сушков Л.К. Потоки плазмы в электрической дуге выключающих аппаратов. Изд-во "Энергия", Л., 1975, 211 с.). Радиально движущиеся заряженные частицы под действием силы Лоренца искривляют свою траекторию и начинают двигаться по дугам с, так называемым, циклотронным радиусом (см. фиг.2). Скорость вращения движения частиц, создаваемая магнитным полем, складывается со скоростью их поступательного движения, обусловленного электрическим полем и скоростью потока газа. В результате этого, заряженные частицы движутся по винтовым линиям, образуя дополнительную составляющую тока в стволе дуги; 2) во-вторых, в постоянном магнитном поле повышается роль стационарно-конвективной неустойчивости в появлении азимутальной составляющей тока за счет его дополнительной закрутки.

В результате взаимодействия радиальной составляющей В_r магнитной индукции переменного магнитного поля соленоида 5 с азимутальной составляющей тока дуги j_x возникает знакопеременная сила, направленная вдоль оси канала. Под действием этой силы происходит периодическое истечение струи плазмы из выходного электрода плазмотрона, которая, адиабатически расширяясь и охлаждаясь, генерирует акустические колебания с частотой переменного магнитного поля. Верхний диапазон излучаемых акустических колебаний определяется полосой пропускания применяемого усилителя ТУ-5-4 и равняется 10 кГц.

Следует также отметить, что применение дополнительного соленоида, кроме увеличения азимутальной составляющей тока, позволяет также дополнительно модулировать дугу, т.к. соленоид подключен к источнику питания, где, кроме постоянной составляющей тока, имеется и переменная составляющая, которая появляется при подаче на основной соленоид переменного напряжения от усилителя ТУ-5-4. При этом постоянная составляющая тока по величине до 5 раз превышала значение переменной составляющей тока.

Эксперименты показывают, что при наложении постоянного напряжения на соленоид 5 уровень акустических колебаний возрастает на 10 дБ (см. фиг.3, кривая 2) по сравнению с кривой 1, полученной без постоянной составляющей магнитного поля. Это свидетельствует о той, что интенсивность излучения акустических колебаний зависит не только от напряженности переменного магнитного поля, но и от величины азимутальной составляющей тока j_x . Использование предлагаемого генератора акустических колебаний по сравнению с известными устройствами обеспечивает следующие преимущества:

а) повышает КПД генератора;

б) позволяет дополнительно стабилизировать дугу в электроразрядном канале.

Формула изобретения

Генератор акустических колебаний, преимущественно для диагностики акустической неустойчивости камер сгорания ракетных и авиационных двигателей, содержащий торцовый электрод и соосно расположенный с ним внутри соленоида полый канал-электрод, связанные с источником постоянного высокого напряжения для зажигания дуги и соединенный с источником переменного напряжения звуковой частоты для магнитной модуляции дуги соленоид, обличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента полезного действия, содержит дополнительный соленоид, установленный концентрично основному и соединенный с источником постоянного напряжения.

РИСУНКИ