Импульсно-периодический плазмотрон

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при разработке источников высокоинтенсивных плазменных потоков для модификации свойств поверхности материалов и покрытий. Импульсно-периодический плазмотрон содержит блок питания и разрядное устройство, включающее последовательно расположенные блок генерации и ввода плазмы и ускорительный канал. Ускорительный канал выполнен в виде коаксиально расположенных электродов анода и катода, цилиндрической или конической формы, которые подключены к блоку питания. Блок питания выполнен в виде импульсно периодического блока питания, а блок генерации и ввода плазмы - в виде установленного в глухом торце ускорительного канала плазмотрона непрерывного действия, выходное отверстие которого соединено с ускорительным каналом расширяющимся соплом. Изобретение направлено на создание плазмотрона с высокой частотой (до 100 Гц) генерации импульсно-плазменных потоков, работающего при нормальном давлении, на обеспечение низкого уровня шума при работе, а следовательно, на обеспечение улучшения условий труда при плазменной модификации свойств материалов и покрытий. 1 ил.

 

Данное изобретение относится к области физики и техники плазмотронов и ускорителей плазмы и может быть использовано при разработке источников высокоинтенсивных плазменных потоков для модификации свойств поверхности материалов и покрытий.

Известна установка "Рапид-5АВ" (Камруков А.С., Овчинников П.А., Опекан А.Г., Протасов Ю.С.//"Радиационная плазмодинамика". - М.: Энергоатомиздат, 1991, т.1, с.564-566), содержащая плазмодинамическую головку (разрядное устройство) в виде магнитоплазменного компрессора эрозионного типа, установленного в сопловой конфузорной насадке, имеющей патрубки, соединенные с системой подачи газа. Генерация высокоэнтальпийных высокоскоростных плазменных потоков осуществляется в результате кумуляции и ускорения эрозионной плазмы собственным магнитным полем разрядного тока. Установка может работать с частотой до 1 Гц в вакууме и газах нормального давления.

Недостатком данной установки является высокий уровень шума при работе в условиях нормального давления, связанного с образованием ударной волны при периодическом срабатывании магнитоплазменного компрессора.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является описанный в статье Тюрина Ю.Н., Колесниченко О.В., Цыганкова Н.Г. ("Автоматическая сварка", 2001, №1, с.38-44.) импульсно-периодический плазмотрон, содержащий разрядное устройство, которое состоит из блока формирования горючей газовой смеси и инициирования ее детонационного сгорания, в виде детонационной камеры и ускорительный канал в виде коаксиально расположенных электродов анода и катода. При инициировании детонации ионизированные продукты сгорания поступают в межэлектродный зазор ускорительного канала и перемыкают его. Электропроводный слой продуктов сгорания ускоряется в межэлектродном промежутке под действием электродинамических и газодинамических сил, формируя плазменную струю. Устройство работает при нормальном давлении с частотой до 1 Гц.

Недостатком данного устройства является высокий уровень шума, генерируемого при периодическом срабатывании прежде всего детонационной камеры, что вынуждает располагать устройство в специальном звукоизолированном помещении, а также невозможность повышения частоты срабатывания, ограниченной частотой срабатывания детонационной камеры.

Задачей разработки заявляемого устройства является создание импульсно-периодического плазмотрона с высокой частотой (до 100 Гц) генерации импульсных плазменных потоков, работающего при нормальном давлении при низком уровне шума при работе, что обеспечит увеличение скорости обработки и улучшение условий труда при плазменной модификации свойств материалов и покрытий.

Для выполнения поставленной задачи предложен импульсно-периодический плазмотрон, который содержит блок питания и разрядное устройство, включающее последовательно расположенные блок генерации и ввода плазмы и ускорительный канал в виде коаксиально расположенных электродов анода и катода, которые подключены к блоку питания.

Новым, по мнению авторов, является то, что блок питания выполнен в виде импульсно-периодического блока питания, а блок генерации и ввода плазмы - в виде установленного в глухом торце ускорительного канала плазмотрона непрерывного действия, выходное отверстие которого соединено с ускорительным каналом расширяющимся соплом.

Сущность заявляемого устройства поясняется чертежом, на котором представлен общий вид предлагаемого плазмотрона. Импульсно-периодический плазмотрон состоит из блока питания 1, сопла 2, блока генерации и ввода плазмы 5 и ускорительного канала в виде коаксиально расположенных электродов анода 3 и катода 4. Анод и катод выполняются цилиндрической или конической формы. Катод 3 выполнен профилированным с начальным участком, изолированным вставкой 6 из высокотемпературной керамики. Все элементы ускорительного канала выполнены охлаждаемыми. Блок генерации и ввода плазмы 5 выполнен в виде плазматрона, работающего в непрерывном режиме. Элементы сопла выполнены из высокотемпературной керамики и вольфрама.

Импульсно-периодический плазмотрон работает следующим образом.

Плазменная струя непрерывного плазмотрона имеет среднемассовую температуру ˜3000-4000 К и скорости 100-500 м/с. При фиксированных параметрах дуги род плазмообразующего газа определяет уровень среднемассовой температуры плазменной струи. Генерируемое импульсно-периодическое напряжение вызывает периодический пробой промежутка в наиболее узком месте и ускорение образующегося плазменного сгустка вдоль оси ускорительного канала. При импульсных напряжениях 3-5 кВ температура плазменного потока достигает 15000-20000 К при скорости истечения ˜10⁶ см/с. Функционирование ускорительного канала в условиях пониженной плотности плазмы резко уменьшит шумовые эффекты, а достаточно высокие ее параметры обеспечат симметричность и однородность разряда в ускорительном канале, что улучшит воспроизводимость работы плазмотрона и увеличение полной энергии плазменного потока. Частота генерации высокоэнергетического плазменного потока ограничивается величиной массового расхода рабочего вещества плазмотрона и параметрами блока питания. Существующие импульсно-периодические высоковольтные блоки питания устойчиво работают с частотой до 100 Гц. Таким образом, предлагаемый импульсно-периодический плазмотрон обеспечивает получение импульсных плазменных потоков с частотой до 100 Гц, работает при нормальном давлении, при низком уровне шума при работе, что обеспечит увеличение скорости обработки и улучшение условий труда при плазменной модификации свойств материалов и покрытий.

Литература

1. Камруков А.С., Овчинников П.А., Опекан А.Г., Протасов Ю.С.// "Радиационная плазмодинамика". - М.: Энергоатомиздат, 1991, т.1, с.564-566.

2. Тюрин Ю.Н и др. Автоматическая сварка. ИЭС им. Е.О.Патона НАН Украины, МА "СВАРКА", 2001, №1. - С.38-44.

Импульсно-периодический плазмотрон, содержащий блок питания и разрядное устройство, включающее последовательно расположенные блок генерации и ввода плазмы и ускорительный канал в виде коаксиально расположенных электродов анода и катода, цилиндрической или конической формы, которые подключены к блоку питания, отличающийся тем, что блок питания выполнен в виде импульсно-периодического блока питания, а блок генерации и ввода плазмы - в виде установленного в глухом торце ускорительного канала плазмотрона непрерывного действия, выходное отверстие которого соединено с ускорительным каналом расширяющимся соплом.