Генератор акустических колебаний

 

Изобретение относится к электроакустике и предназначено для генерирования акустических колебаний звуковой и ультразвуковой частоты в агрессивной высокотемпературной среде при повышенных давлениях. Сущность: генератор содержит заполненный рабочей средой корпус, установленные в нем два электрода, вихревую камеру с тангенциальной подачей рабочего газа, и источник модулированного высокого напряжения. При этом один из электродов торцевой, а другой выполнен полым с соплом на выходе. Кроме того, генератор содержит дополнительный полый электрод, установленный соосно между основными электродами, и источник постоянного напряжения. При этом последний соединен с торцевым и дополнительным электродами. Источник модулированного напряжения соединен с полыми электродами. Технический результат: повышение надежности работы. 4 ил.

Изобретение относится к электроакустике и предназначено для генерирования акустических колебаний звуковой и ультразвуковой частоты в агрессивной высокотемпературной среде при повышенных давлениях и может быть использовано, например, для диагностики высокофорсированных камер сгорания на акустическую неустойчивость, где рабочие процессы происходят при повышенных давлениях, температурах и скоростях горения.

Известен способ запуска генератора акустических колебаний (см. авт. св. 1839970, МКИ В 06 В 1/20), при давлениях и температурах близких к нормальным, путем продува межэлектродного зазора рабочим газом и подачи на электроды модулированного высокого напряжения, зажигания пульсирующей дуги и излучения акустических колебаний в широком спектре частот. Однако такой способ недостаточно эффективен из-за высокого напряжения пробоя. Например, известный способ не позволяет запускать генератор акустических колебаний при повышенных (свыше 1·10⁶ Н/м ²) давлениях рабочего газа.

Известен генератор акустических колебаний (см. авт. св. 1839970, МКИ В 06 В 1/20), содержащий торцовый электрод из тугоплавкого материала (вольфрам или цирконий), расположенный в охлаждаемом электродержателе, изолятор, трубчатый водоохлаждаемый электрод, ступенчато расширяющийся на выходе, вихревую камеру, который при тангенциальной подаче рабочего газа в вихревую камеру и наложении на электроды модулированного в звуковом диапазоне высокочастотного напряжения излучает акустические колебания в широком спектре частот. Однако данное устройство не позволяет генерировать акустические колебания при повышенных давлениях (свыше 1·10⁶ Н/м²) из-за ухудшения условий пробоя между электродами.

Целью настоящего изобретения является снижение потенциала пробоя рабочего газа при повышенных давлениях.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе запуска генератора акустических колебаний, включающем процесс продувки межэлектродного зазора рабочим газом и подачи на электроды модулированного высокого напряжения для последующего зажигания пульсирующей дуги, продувку межэлектродного зазора производят предварительно нагретым электрической дугой ионизированным рабочим газом, а также дополнительно ионизируют путем разгона заряженных частиц электрическим полем модулированного высокого напряжения в электроразрядном канале.

Из литературы известно, что нагрев газа приводит к снижению потенциала пробоя и описывается формулой Пашена:

где

Т₀=300К;

Т - температура газа;

δ - см^-1 - длина разрядного промежутка;

Р - мм рт.ст. - давление газа в разрядном промежутке;

γ - второй коэффициент ионизации;

А, В - постоянные, зависящие от рода газа (см. Энгель А. Ионизированные газы. М.: Физматгиз, 1959).

В предлагаемом решении нагрев рабочего газа производится дополнительной дугой в электроразрядном канале, при этом газ не только нагревается, но и ионизируется, причем степень ионизации значительно выше, чем при термоионизации, что приводит к снижению потенциала пробоя рабочего газа, которого не происходит в известном решении, о чем свидетельствует отклонение от кривой зависимости напряжения пробоя воздуха от температуры, описываемой формулой Пашена. Кроме того, при наложении модулированного высокого напряжения происходит дополнительная ионизация газа, что приводит к дальнейшему снижению потенциала пробоя рабочего газа. При этом происходит отсасывание в межэлектродный промежуток ионизированных частиц нагретого газа, что приводит к замедлению процесса рекомбинации и улучшению условий пробоя между электродами.

Таким образом, у заявляемого решения появляются свойства, не совпадающие со свойствами известного решения, поэтому на основании п.52 (Э3-I-79) можно сделать вывод о том, что решение обладает существенными отличиями.

Нагрев рабочего газа по предлагаемому способу производится с помощью плазменного нагревателя. Для этого в известном генераторе акустических колебаний (см. авт. св. 1839970, МКИ В 06 В 1/20) установлен дополнительный полый водоохлаждаемый электрод между торцовым электродом и выходным электродом. При этом между торцовым и дополнительным электродами зажигается постоянно горящая дуга от дополнительного источника питания для нагрева рабочего газа до 50000К. Зажигание постоянно горящей дуги при высоких давлениях (до 1·10⁸H/м²) не представляет технической трудности (см. Основы расчета плазмотронов линейной схемы. Под. ред. М.Ф.Жукова, Новосибирск, 1979), т.к. инициирование разряда производят одним из известных способов, например, замыкают электроды в момент зажигания или же подают осциллирующее напряжение от блока поджига.

На фиг.1 изображено устройство, с помощью которого выполняется, описываемый способ запуска генератора акустических колебаний; на фиг.2 - электрическая схема запуска; на фиг.3 - зависимость потенциала пробоя воздуха от температуры; на фиг.4 - зависимость потенциала пробоя воздуха от давления.

Описываемое устройство содержит (см. фиг.1) водо-охлаждаемые электрод 1 и 2, дополнительный электрод 3, причем торцовый электрод 1 заподлицо запрессован тугоплавкий, например, циркониевый стержень 4, а два других изготовлены полыми, вихревую камеру 5 с тангенциальной подачей рабочего газа, штуцеров для подвода воды 6 и отвода воды 7, накидной гайки 8 для крепления торцового электрода 1 через фторопластовый изолятор 9 к дополнительному полому электроду 3, болтов 10 для крепления выходного электрода 2 с сопловой частью с дополнительным электродом через фторопластовый изолятор 11, жаропрочную керамику 12 и узла крепления 13.

Запуск генератора акустических колебаний производят следующим образом. При нормальных атмосферных условиях в вихревую камеру подают рабочий газ (воздух), а на электроды 1 и 3 (см. фиг.2) - высокое напряжение от источника постоянного напряжения через дроссель. При этом происходит пробой межэлектродного промежутка и зажигание дополнительной электрической дуги между электродами 1 и 3, которая приводит к нагреву и интенсивной ионизации рабочего газа. После этого повышают давление рабочего газа в электродуговом канале и подают модулированное высокочастотное напряжение на электроды 3 и 2 от выходного каскада высокочастотного генератора через разделительную емкость С₂. При этом между электродами 3 и 2 осуществляется разгон заряженных частиц с последующей дополнительной ионизацией рабочего газа электрическим полем модулированного высокого напряжения. Между электродами 2 и 3 зажигается пульсирующая дуга, которая истекает с сопла выходного электрода 2 также периодически с частотой, равной частоте модуляции. Периодически истекающая струя плазмы, адиабатически расширяясь и охлаждаясь, генерирует акустические колебания заданной частоты.

Описываемый способ допускает запуск генератора акустических колебаний непосредственно при повышенных давлениях. Для этого между электродами 1 и 3 подается инициирующее напряжение, например, от блока-поджига осциллятора.

Пример: проводились эксперименты по определению напряжения пробоя при различных температурах и давлениях рабочего газа. Зависимость напряжения пробоя воздуха от температуры (см. фиг.3) при расстоянии между электродами 0,5 см в интервале температур 300-2000К хорошо согласуется с кривой, рассчитанной по формуле Пашена (сплошная кривая). При дальнейшем увеличении температуры рабочего газа экспериментальные точки ложатся значительно ниже теоретической кривой из-за дополнительной ионизации и отсоса заряженных частиц электрическим полем модулированного высокого напряжения. Результаты измерения потенциала пробоя от давления при температуре рабочего газа Т=300° в сосуде высокого давления (см. фиг.4) показывают, что с повышением давления напряжение пробоя возрастает. Это объясняется тем, что с повышением давления уменьшаются длины свободного пробега электронов и, соответственно, доля их энергий, затрачиваемых на ионизацию при столкновении с нейтралами.

Из рассмотрения фиг.3 и 4 следует, что нагрев рабочего газа приводит к существенному понижению напряжения пробоя межэлектродного промежутка. Так, например, при давлении рабочего газа 3·10⁶ Н/м² и температуре около 2000K пробой межэлектродного промежутка происходит при напряжении, соответствующем нормальным условиям, т.e. при температуре 300K и давлении 1·10⁵ Н/м².

Предлагаемый способ позволяет существенно облегчить условия запуска генератора акустических колебаний, а также снижает требования к конструкции по электрической прочности. Применение описываемого способа позволяет уменьшить габариты генератора акустических колебаний и затраты на его изготовление.

Формула изобретения

Генератор акустических колебаний, содержащий заполненный рабочей средой корпус, установленные в нем два электрода один из которых торцевой, а другой выполнен полым с соплом на выходе, вихревую камеру с тангенциальной подачей рабочего газа и источник модулированного высокого напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы, он снабжен дополнительным полым электродом, установленным соосно между основными электродами, и источником постоянного напряжения, при этом последний соединен с торцевым и дополнительным электродами, а источник модулированного высокого напряжения соединен с полыми электродами.

РИСУНКИ