Винтовая неустойчивость электрической дуги: инкремент и некоторые характеристики установившегося состояния

Актуальность работы. Электрическая дуга в настоящее время нашла широкое применение как в технике (сварка и резка металлов J]^, плазменное напыление (21, плазмохимическая технология]^] и т. д.), так и в научных исследованиях в качестве одного из наиболее удобных и доступных источников низкотемпературной плазмы, например, для изучения переносных свойств плазмыМ, ее излучательных характеристик [б]. В связи с этим знание характеристик дугового разряда имеет важное значение как в технике, так и в научных исследованиях.

Хотя электрическая дуга исследуется в течение 180 лет, в силу сложности данного обьекта его изучение, по-видимому', нельзя считать законченным. В частности, сказанное относитсяк исследованиям условий устойчивости прямой дуги и характеристик ее более сложных пространственных форм, например, винтовой.

Потеря устойчивости прямой дуги и переход к винтовой форме впервые был зафиксирован в 30-е годы Броном£^ для свободно горящей импульсной дуги отключения. Для стационарной дуги в стабилизирующем канале это явление наблюдал в 40-е годы Эленбаас?. В 1958 году подобное явление (как выяснилось впоследствии) было зафиксировано Ленертом [в диффузном разряде низкого давления. Причины этого явления на примере диффузного разряда низкого давления впервые были объяснены Кадомцевым и Недоспасовым [9J «которые показали, что «. плазма, неоднородная в направлении, поперечном относительно наложенных полей (электрического и магнитного), оказывается неустойчивой» С/о]. Эта неустойчивость, приводящая к винтовым возмущениям разряда, была названа токово-конвективной. Дестабилизирующим фактором, вызывающим токово-конвективную неустойчивость, является взаимодействие тока с внешним продольным магнитным полем при случайном возмущении формы линий Toiea{j9-/iJ.

При переходе от низких давлений к высоким (от диффузного разряда к дуге) природа дестабилизирующего фактора остается неизменной, однако механизм факторов, стабилизирующих неустойчивость, меняется. Если для диффузного разряда низкого давления стабилизирующим фактором является диффузия частиц из области возцущения ?//J, то для дуги это несимметричное тепловыделение и теплоотвод в искривленном столбе дуги — /^J. С изменением характера стабилизирующих факторов (при росте давления) изменяются и особенности проявления рассматриваемой неустойчивости [-Z4-/5J. В дальнейшем описывается неустойчивость дуги атмосферного давления. Будем называть ее винтовой, согласно установившейся терминологии/#|и желая подчеркнуть отличие характера стабилизирующих факторов от случая разряда низкого давления.

В настоящее время установлено£^, что появляющаяся в результате винтовой неустойчивости стационарная винтовая форма столба дуги существует в достаточно широком диапазоне параметров и, по-видимому, может реализоваться как в промышленных плазмотронах, так и в установках для исследовательских целей.

Переход к работе с винтовой дугой открывает новые возможности в практическом использовании дугового разряда. Так, например, использование винтовой формы дуги по сравнению с цилиндрической позволяет увеличить энерговклад в канал плазмотрона за счет увеличения длины дуги и повышения напряженности электрического поля, и, тем самым, либо повысить мощность установки, либо понизить (при той же мощности) рабочий ток, что увеличивает ресурс работы плазмотрона.

Винтовую дугу можно использовать (благодаря наличию в ней постоянной прокачки газа через столб дуги) для введения в столб дуги нужных веществ и т. д.

Изучение винтовой неустойчивости электрической дуги представляет и самостоятельный интерес, например, в качестве удобной модели для исследования критического явления при малых надкритич-ностях (см. гл. Ш), что связано как с простотой регистрации возмущений (кинофотосъемки), так и с возможностью достижения достаточно хорошей стабильности и воспроизводимости характеристик дуги. В силу вышеизложенного, изучение винтовой неустойчивости и возникающей в результате ее винтовой формы электрической дуги, является актуальным.

При изучении любой неустойчивости можно выделить два основных вопроса: определение величин критических параметров, при достижении которых развивается неустойчивость, и исследование процесса роста амплитуды случайных возмущений, в частности, определение инкремента неустойчивости. Применительно к винтовой неустойчивости дуги в настоящее время первый вопрос исследован достаточно подробно как экспериментально, так и теоретически. Экспериментальные же данные по второе вопросу для дуги в стабилизирующем канале отсутствуют. Поэтов исследование данной неустойчивости нельзя считать полностью законченным.

Проведенные к настоящее времени исследования критических параметров винтовой неустойчивости — критических параметров перехода от прямой дуги к винтовой, в основном определили границы области устойчивого существования прямой дуги. Однако, критические параметры, соответствующие обратному переходу от винтовой дуги к прямой и определяющие границы области устойчивого существования винтовой дуги, систематически не исследованы. В то же время имеются данные lj20m&]o том, что значения критических параметров, соответствующих переходу от прямой дуги к винтовой, не совпадают с критическими значениями для обратного перехода. Другими словами — наблюдается гистерезис критических значений. Таким образом, отсутствие систематических данных о гистерезисе критических параметров не дает права считать вопрос о границах области существования винтовой дуги, закрытым.

В результате развития неустойчивости возникает стационарная винтовая форма столба (см. рис.1). Стационарное состояние прямого дугового столба может быть достаточно полно характеризовано профилем температуры (электронной и тяжелых частиц) и профилем скорости газа в поперечном сечении канала. Описание стационарного состояния винтовой дуги дополнительно к этоцу требует еще и знания шага винтовой линии, образованной столбом дуги (см. рис.1).

Гидродинамика винтовой дуги гораздо сложнее, чем прямой, в связи с наличием в канале с винтовой дугой двойного вихревого течения газа (в поперечном оси канала направлении) под действием силы взаимодействия тока дуги с магнитным полем. Экспериментальное исследование характера течения представляет в этом случае, по-видимому, весьма сложную задачу, и работы, посвященные этому вопросу, нагл неизвестны.

Измерение профиля температур в поперечном сечении канала с винтовой дугой также достаточно сложно и трудоемко и может служить предметом отдельного исследования •.

Поэтому, если поставить целью экспериментального исследования изучение влияния изменения условий эксперимента (величины тока дуги, диаметра стабилизирующего канала, внешнего магнитного поля и т. д.) на винтовую дугу, то имеет смысл упростить задачу. Этого можно достигнуть, характеризуя состояние винтовой дуги двумя достаточно просто измеряемыми геометрическими характеристиками — шагом винта Ag и радиусом винта CLg, характеризующим несимметричность положения поперечного сечения столба дуги (профиля температуры) относительно оси канала. За радиус винта можно, например, принять расстояние от оси канала до оси дуги (см. рис.1) — линии, соответствующей «центру» изображения дуги на фотоснимке (см. гл.И). Несмотря на приближенный характер описания винтовой дуги с помощью CLg vi%cf > измерения их, как оказалось, позволяют получать некоторые существенные свойства винтовой дуги (см. гл.У) и характеристики винтовой неустойчивости (см. гл.Ш). Однако экспериментальные данные и Q. g крайне немногочисленны, получены в трудносопоставимых условиях и относятся к достаточно узкой области параметров вблизи границы перехода от прямой дуги к винтовой.

С другой стороны, в настоящее время разработана модель винтовой дугир^-^J, дающая возможность рассчитывать стационарные, установившиеся значения радиуса винта и его шага в различных условиях реализации винтовой дуги. Но в силу упомянутой ограниченности экспериментальных данных (в частности отсутствия данных об установившихся значениях радиуса винта) работоспособность модели была проверена (сопоставления расчета с экспериментом) только для случая описания границы перехода от прямой дуги к винтовой (по критическим значениям тока дуги, внешнего магнитного поля и критической величине Л Е^в]). Получение данных об установившихся значениях шага винта и его радиуса в далеко закритической области позволило бы, сравнив их с расчетными, уточнить область применимости модели и пути ее совершенствования.

Цель работы в соответствии с вышеуказанным состояла в:

1. Исследовании процесса развития винтовой неустойчивости электрической дуги постоянного тока в стабилизирующем канале, определении величины инкремента неустойчивости.

2. Получении систематических данных о явлении гистерезиса критических значений параметров, соответствующих переходу от прямой дуги к винтовой и обратно.

3. Измерении установившихся значений шага винтовой дуги и ее радиуса и сравнении их с расчетами по модели винтовой дуги.

Научная новизна настоящей работы заключается в том, что:

I. Исследован рост амплитуды винтовых возмущений и получены данные об инкременте винтовой неустойчивости для дути атмосферного давления в стабилизирующем канале, во внешнем продольном магнитном поле.

Зафиксировано наличие неэкспоненциального характера роста амплитуды винтовых возмущений при малых степенях надкритичности и предложено его объяснение.

2. Экспериментально исследован механизм влияния ламинарного, установившегося течения газа в канале на геометрические характеристики винтовой дуги и винтовую неустойчивость прямой дуги. Определены условия, при выполнении которых конечность скорости роста возмущений не влияет на регистрируемые критические параметры, а также возможно наблюдение установившихся характеристик винтовой дуги.

3. В этих условиях получены количественные данные о критических параметрах. Измерена величина гистерезиса критических параметров, соответствующих переходу от прямой дуги к винтовой и обратно и предложено объяснение его существования.

4. В широком диапазоне физических условий реализации винтовой формы дуги (соотношения влияния собственного и приложенного магнитных полей) получены количественные данные об установившихся геометрических характеристиках винтовой дуги. Приведено сопоставление их с моделью винтовой дуги и уточнена область применимости последней.

Практическая ценность. Полученные в диссертации новые количественные данные о величинах инкремента винтовой неустойчивости позволяют определить условия реализации винтовой дуги в технических плазмотронах, а также ее геометрические и вольт-амперные характеристики. Это дает возможность проанализировать влияние развития винтовой неустойчивости на режимы работы плазмотронов, предложить способы управления развитием винтовой неустойчивости, оптимизировать рабочие параметры плазмотронов (геометрические размеры, расход газа, ток дуги, рабочие частоты тока, давление и т. д.) с целью интенсифицировать развитие неустойчивости. либо избежать < ее появления.

В настоящей работе проведен анализ влияния винтовой неустойчивости на режим работы одних из наиболее мощных электродуговых генераторов плотной плазмы: трехфазных генераторов переменного тока промышленной частоты и импульсных электродуговых генераторов.

На защиту выносится:

1. Методика определения геометрических характеристик винтовой формы дугового столба с помощью фоторегистрации.

2. Экспериментальные данные о процессе развития винтовой формы дуги и влияние на него величины внешнего продольного магнитного поля и расхода газа через стабилизирующий канал.

3. Количественные данные о критических значениях тока и магнитного поля, соответствующих переходу от прямой дуги к винтовой и обратно, и гистерезисе этих значений.

4. Количественные данные о зависимостях установившихся геометрических характеристик винтовой дуги от тока дуги и величины приложенного продольного магнитного поля в широком диапазоне изменения соотношения влияния на винтовую дугу собственного магнитного поля и приложенного продольного магнитного поля.

Диссертация состоит из шести глав, введения, выводов и приложения.

Первая глава — обзор состояния вопроса. В ней кратко рассмотрены основные работы, посвященные винтовой неустойчивости дугового столба и проведен анализ имеющихся в литературе данных о характеристиках винтового дугового столба.

Во второй главе описывается конструкция установки и используемые методики измерений. Излагается предложенный нами метод измерения геометрических характеристик винтового дугового столба с помощью фоторегистрации в одном постоянном направлении.

В третьей главе изучается процесс развития винтовой формы дугового столба и влияние на него приложенного продольного магнитного поля и осевого потока газа.

Получены экспериментальные данные об инкременте винтовой неустойчивости.

Измерены критические значения приложенного продольного магнитного поля и тока дуги, а также критические значения шага винтовых возмущений, причем влияние конечности скорости роста возмущений на измеряемые величины было исключено.

Построена модель развития винтовой неустойчивости, описывающая критические значения параметров и дающая оценки инкремента неустойчивости, согласующиеся с экспериментальными данными.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния собственного магнитного поля на рост винтовых возмущений и условия перехода от винтовой дуги к прямой.

Показано, что нелинейный характер роста собственного поля винтовой дуги с ростом радиуса винта позволяет объяснить в первом случае наблюдаемый в эксперименте неэкспоненциальный рост амплитуды винтовых возмущений при малых надкритичностях, а во второмзафиксированный экспериментально гистерезис критических значений тока дуги и магнитного поля при переходу дуги из прямой в винтовую форму и обратно.

В пятой главе исследованы различные состояния винтовой дуги (регулярный винт, винт с хаотически меняющимся шагом, винт, разбившийся на две вращающиеся друг относительно друга части). Предложено объяснение существования таких состояний. Приведены экспериментальные данные о шаге винта и его радиусе в широком диапазоне изменения определяющих их поведение параметровсоотношения влияния на винтовую дугу собственного и внешнего продольного магнитных полей и радиуса столба дуги. Приведено сопоставление экспериментальных данных с расчетами по модели винтовой дуги, уточнена область применимости последней.

Шестая глава посвящена анализу влияния на режим работы мощных плазмотронов винтовой неустойчивости дуги. Показано, что неустойчивый режим работы этих плазмотронов вызван, по-видимому, развитием винтовой неустойчивости.

В приложении исследована реализация в эксперименте условий, когда винтовые возмущения не сносятся вдоль канала. Определен радиус столба дуги, соответствующий модели винтовой дуги.

Все исследования проведены в аргоне при атмосферном давлении.

Работа выполнена в Институте высоких температур в отделе плазмы под руководством д.т.н. проф. Асиновского Э. И. и д.т.н. Пахомова Е.П.

I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

Как уже говорилось, по-видимому, впервые потеря устойчивости прямой дугой и переход ее в винтовую форму был зафиксирован в импульсной дуге отключения Броном в 30-е годы [tfj. В 40-е годы подобное явление наблюдалось Эленбаясом [ 7J ухе в стационарной (ртутной) дуге в стабилизирующем канале при наложении на дугу внешнего продольного магнитного поля.

В 1958 году Ленертом£#] был обнаружен эффект «аномальной» диффузии заряженных частиц поперек направления внешнего продольного магнитного поля в диффузном разряде низкого давления. Причины этого явления были вскрыты Кадомцевым и Недоспасовым ?.

В процессе дальнейших исследований были получены как экспериментально, так и теоретически, характеристики возникающего в результате развития неустойчивости винтового состояния столба разряда {[36−44J. Обзор работ по исследованию токовоконвективной неустойчивости в разрядах низкого давления дан в [Vf] .

Вали проведены экспериментальные ?#j и теоретические 4J исследования данной неустойчивости при переходе от низких давлений к высоким. Как уже говорилось (см. «Введение»), с увеличением давления при переходе от диффузного разряда к дуге изменяется механизм стабилизирующих неустойчивость факторов. Если для диффузного разряда это повышенная диффузия заряженных частиц из области возмущения, то для дуги — это несимметричные тепловыделение и теплоотвод в искривленном столбе дуги. Рост давления (переход от одних стабилизирующих факторов к другим) приводит к изменению и характеристик неустойчивости. Так, например, с ростом давления величина критического магнитного поля, до этого нараставшая, начинает резко падать (от — 0,5 Т до ~ 0,01 Т при изменении Р от 130 до 300 na."/Ve, канал диаметром с[= 2,6 см Отметим, что для разрядов высокого давления критическое магнитное поле может упасть до 0. [f7j.C ростом давления проявляется сильная зависимость критического магнитного поля от тока разряда [¦/?]. Значительно уменьшается шаг винтовых возмущений Если для разрядов низкого давления характерная величина *Xg/oL ~ 20 * 40 [35], то для разряда атмосферного давления^ ~ 2 Далее будет рассматриваться неустойчивость и установившиеся винтовые состояния столба атмосферного давления — электрической дуги. Е^дем называть в дальнейшем рассматриваемую неустойчивость электрической дуги винтовой, следуяj2−44,46-.

В настоящее время имеются достаточно подробные обзоры? Щ2*, 4б]. посвященные данному вопросу" Поэтому по работам, включенным в них, ниже сделаны только краткие выводы.

I.I. Экспериментальные исследования винтовой неустойчивости электрической дуги.

Первым специальным экспериментальным исследованием винтовой неустойчивости явилась работа IV$J. В ней была исследована зависимость критического внешнего продольного магнитного поля & от тока дуги X и расхода газа (у через стабилизирующий канал для дуги при атмосферном давлении в аргоне в стабилизирующем канале dL^icM. В той же работе были выполнены измерения шага винтовых возмущений Я ^ при ВКр

СсП.

Возможность появления винтовой неустойчивости дуги, горящей в стабилизирующем канале без наложения внешнего продольного магнитного поля (в собственном магнитном поле дуги), была продемонстрирована в [.i7]. Подробно критические параметры неустойчивости, возникающей в таких условиях, исследовались в [V7, где были получены зависимости критического тока дуги Хкр от диаметра стабилизирующего канала d и давления Р. Исследовались два газа и. Впервые была экспериментально зафиксирована инверсия влияния тока дуги на неустойчивость. Т. е. с ростом тока прямая дуга сначала теряла устойчивость, а затем снова ее восстанавливала.

В работах [20,47], где также исследовались критические параметры неустойчивости дуги в собственном магнитном поле Ыг, Р = = 0,1 Ша) было зафиксировано явление гистерезиса критического значения тока дуги: критическое значение тока дуги Ткрг «при котором прямая дуга теряла устойчивость и превращалась в винтовую (при росте X)» оказывалось выше 1фитического значениях^, соответствующего обратному процессу. (См. рис.1−1). Величина Al^=JKjbt падала с уменьшением расхода газа через стабилизирующий канал.

В той же работе зафиксирована зависимость значения от длины канала установки.

Имеется еще ряд экспериментальных работ где наблюдались явления, подобные рассматриваемому, однако их интерпретация затруднительна из-за существенного влияния на неустойчивость цриэлектродных областей. (Например, влияние движения катодного пятна по катоду [4S-S&J, влияние испарения материала электрода? 5У, расположения электродов Г5*2]).

Заключительным этапом в экспериментальном исследовании критических параметров винтовой неустойчивости столба дуги высокого давления мо^но, по-видимому, считать цикл работ ]j9,2/, S7- 6&J проведенных в ИВТАН в 1976;1977 годах. В этих работах осуществлены исследования критических параметров винтовой неустойчивости дуги в аргоне и неоне во внешнем и собственном магнитных полях в широком диапазоне параметров: диаметров канала cL = 0,6 т 3 см, давлений Р = 0,1 f I МПа, токов дуги X = 10 * 100 А, индукций внешнего продольного магнитного поля В — 0 * 0,15 Т, расходов газа & = 0 + 1,5 г/с.

Полученные результаты (совместно с анализом предыдущих работ) позволили авторам [f&] построить единую картину границ винтовой неустойчивости прямой дуги, определяющих область существования дуги в прямой форме, и продемонстрировать характер влияния на эти границы изменения вышеназванных параметров).

Таким образом, мошо считать, что этот цикл работ в экспериментальном плане практически завершил исследования критических параметров винтовой неустойчивости электрической дуги.

Однако вышеуказанное, по нашепчу мнению, не относится к вопросу о гистерезисе (несовпадению) критических значений параметров, соответствующих переходу от прямой дуги к винтовой (винтовой неустойчивости) и обратно, впервые зафиксированном в [20] • Поскольку критические значения параметров, отвечающих переходу от винтовой дуги к прямой (напримерХ^,), определяют границу области устойчивого существования дуги в винтовой форме, без систематических данных о них (т.е. о гистерезисе критических параметров), нельзя считать вопрос об изучении границ, разделяющих области существования дуги в прямой и винтовой формах, полностью исследованным, В ?2/. было подтвериодено существование гистерезиса значения Хпр, однако величина лХкр оказалась существенно меньше (см, рис.1−1). (Авторами [2-f] это расхождение обьясх Некоторые новые данные о зависимости (1)рдя. дуги? при атмосферном давлении, горящей в стабилизирующем канале, получены в [б/, в2]. Там же приведены данные о значениях шага винта на границе устойчивости (при В) (см. рис.1−2а). няется недостатками в конструкции установки [20] { отсутствием выхлопной камеры, что вызывает подсос воздуха из атмосферы в канал установки). Кроме описанного гистерезиса значениях^ в обнаружен гистерезис значения (хкр при X = со mi, т. е. переход от прямой дуги к винтовой при уменьшении (у фиксировался при — соответствующего обратному переходу. Границы перехода дуги к прямой форме при Х-соп&?у (тзгяхги X — ггаг, (г-солз? не совпадают между собой (см. рис. I-I).

Этим исчерпываются данные о гистерезисе критических значений. Объяснения обнаруженным явлениям в не дается. Следует обратить внимание, что гистерезис в указанных работах наблюдался лишь в области <г > 0,01 г/с (а£= 2*2,92 см.) В то же время, как будет показано в разделе I.I.2, для определения границ, разделяющих области существования дуги в прямой и винтовой формах, необходимо в первую очередь знать, существует ли гистерезис критических значений при (s 0.

Авторами настоящей работы известно лишь одно исследование [13] «где экспериментально изучался процесс нарастания амплитуды винтовых возвещений во времени. Исследования были проведены для свободной, продольно обдуваемой дуги в азоте (Р = 25 МПа X =1,8 КА). Неустойчивость возникала в собственном магнитном поле тока дуги. Из сделанных фотографий столба дуги видно, что амплитуда винтовых возмущений растет вниз по потоку. Предполагалось, что винтовые возмущения сносятся со средней скоростью потока V, и величина инкремента винтовой неустойчивости определялась как. Здесь С — расстояние от катода до места появления винтовых возь^щений. (V = 204 150 м/сС = = 0,2 * 1,8 см). Таким образом, величина f = (8 ±2). Ю3 1/с.

Качественные наблюдения (из фотографий) роста амплитуды винтовых возмущений — радиуса винта вниз по потоку были проведеш в [63,eV]x для дуги в канале oL = 3 см, в собственном магнитном поле (Р = 0,1 Ша, X = 100 А). Из этих измерений можно сделать грубую оценку величины инкремента, если знать скорость сноса винтовых возмущений в данных условиях. Такая оценка будет проведена в гл. Ш раздел 3.3.2 (получающееся значение f= 8 -f —). Необходимо отметить, что так оценивая ^ * авторы настоящей работы вслед за предполагают, что осевой поток газа, снося винтовые возмущения, не оказывает на них дополнительно никакого иного влияния, что требует проверки.

ВЫВОДЫ.

1. Создана установка — стабилизированная стенкой электрияеская дуга постоянного тока в аргоне при атмосферном давлении. Установка позволила исследовать винтовую неустойчивость дуги при малых надкритичностях (до 0,01) и реализовать стационарную винтовую дугу с установившимся значением амплитуды винтовых возмущений (радиуса винта) в широком диапазоне определяющих ее характеристики параметров.

2. Получены и сопоставлены с расчетом данные об инкременте винтовой неустойчивости дуги высокого давления в продольном магнитном поле.

3. Исследовано влияние силы взаимодействия тока с собственным магнитным полем в винтовой дуге на скорость роста амплитуды винтовых возмущений. Установлено, в частности, что наблюдавшийся цри малых надкритичностях неэкспоненциальный рост амплитуды возмущений может быть объяснен нелинейной зависимостью радиальной составляющей этой силы от амплитуды возмущения.

4. В широком диапазоне изменения условий эксперимента исследован гистерезис критических параметров (ток, магнитное поле) перехода от прямой дуги к винтовой и обратно. При этом было исключено влияние конечной скорости роста (либо уменьшения) амплитуды возмущения на измеряемые критические параметры. Установлено, что наблюдавшийся гистерезис критических параметров, так же как и неэкспоненциальный рост винтовых возмущений может быть объяснен нелинейным увеличением с ростом радиуса винта радиальной составляющей силы взаимодействия тока с собственным магнитным полем в винтовой дуге.

5. Получен комплекс экспериментальных данных о геометрических характеристиках винтовой дуги, позволивший определить область црименимости каналовой модели дуги в теории винтовой формы дуги. Установлено, что основным фактором, ограничивающим применение каналовой модели, является деформация поперечного сечения столба дуги при I/& >5-г6 А/см.

6. Полученные в диссертации экспериментальные и теоретические данные использованы для анализа работы мощных плазмотронов. Показано, что неустойчивый режим работы этих плазмотронов может быть вызван развитием винтовой неустойчивости дуги.