ЭЛЕКТРОДУГОВЫЕ ПЛАЗМОТРОНЫ ЦЕНТРА КЕЛДЫША

ФГУП "Исследовательский центр имени М.В. Келдыша"
Андрей Голиков, начальник сектора, к. т. н.
Юрий Кочетков, начальник отделения, д. т. н.
Юрий Свирчук, ведущий научный сотрудник, д. т. н.
Владимир Федотов, ведущий инженер

На протяжении четырех десятков лет в Центре Келдыша ведутся работы по созданию, модификации и исследованию технических и эксплуатационных свойств плазмотронов. За это время изготовлен и введен в действие широкий ряд электродуговых плазмотронов, работающих на переменном токе при различных параметрах по электрической мощности и мощности газовой струи. В настоящее время на плазмотронах активно проводятся газодинамические, тепловые исследования и исследования эрозионных свойств различных перспективных материалов.

Центр Келдыша предлагает на рынок товаров современные плазмотроны и технологии, основанные на их использовании.
Первые плазмотроны, предназначенные для исследования газодинамических параметров, параметров тепло- и массообмена, механизмов разрушения металлических и композиционных материалов конструкций, были разработаны в 60-х годах прошлого столетия в СССР и США и получили достаточно широкое распространение в ракетно-космической промышленности. К ним предъявляются следующие основные требования: диапазон температур торможения - 3000…6000 К; диапазон давлений торможения - 0,5…10 МПа; диапазон расходов рабочего тела - 0,1…10 кг/с; диапазон электрических мощностей - 0,2…50 Мвт и др.

Принцип действия плазмотрона достаточно прост: поскольку электрическая дуга имеет очень высокую температуру, достигающую десятков тысяч градусов, то при взаимодействии дуги с рабочим газом происходит его интенсивный нагрев. Однако эффективность зависит от того, каким образом организован рабочий процесс.

Оптимальный рабочий процесс должен удовлетворять двум требованиям. Во-первых, очевидно, что для получения максимальной температуры большая часть нагреваемого газа должна взаимодействовать с дуговым разрядом. Во-вторых, необходимо обеспечить такие тепловые режимы всех узлов плазмотрона, при которых ресурс его работы был бы достаточно велик. Для плазмотронов большой мощности это требование сводится, в первую очередь, к обеспечению стойкости электродов.

Одним из способов организации эффективного процесса нагрева рабочего газа является так называемая вихревая стабилизация дуги. Суть ее заключается в том, что дуга горит в цилиндрическом (или коническом) канале, газ в который вводится тангенциально. Таким образом, при движении в канале газ имеет как осевую, так и окружную составляющие скорости. При этом благодаря центробежной силе основная масса относительно холодного и, следовательно, плотного газа течет вдоль стенки канала, тогда как дуга, являющаяся источником горячего и, следовательно, менее плотного газа, располагается вблизи оси канала. Экспериментальные и теоретические исследования показали, что при правильном выборе геометрии канала вихревая стабилизация дуги действительно позволяет эффективно нагревать рабочий газ.

Для электропитания дуги может использоваться как постоянный, так и переменный ток. В настоящее время подавляющее большинство плазмотронов работает на постоянном токе. Установлено, что дуга постоянного тока в принципе горит более устойчиво по сравнению с дугой переменного тока. Самым распространенным способом обеспечения устойчивого горения дуги переменного тока является включение последовательно с дугой катушки индуктивности.

В то же время идея питания дуги в плазмотроне переменным током выглядит весьма привлекательной по следующим причинам.

1. Источниками постоянного тока являются, как правило, выпрямительные устройства, снабженные специальными электронными регуляторами, которые обеспечивают устойчивое горение дуги. Для плазмотронов мегаваттной и мультимегаваттной мощности такие устройства превращаются в очень сложные и, главное, дорогие агрегаты, стоимость которых намного превышает стоимость самих плазмотронов. Плазмотроны переменного тока не требуют для питания никаких специальных устройств, они подключаются к промышленной трехфазной сети через катушки индуктивности. Коммутационная аппаратура этих сетей проста и надежна, а их мощность практически не ограничена.

2. Известно, что в плазмотронах постоянного тока ресурс катода обычно в несколько раз ниже ресурса анода. В плазмотронах переменного тока катод и анод меняются местами с частотой сети (50 Гц), поэтому при прочих равных условиях ресурс электродов плазмотрона переменного тока примерно в два раза выше ресурса электродов плазмотрона постоянного тока.
В ФГУП "Исследовательский центр им. М.В. Келдыша" была предложена принципиальная схема и разработано семейство плазмотронов, получивших название "Звезда". Плазмотроны этого типа выполнены с использованием модульного принципа и, по сути, состоят из трех отдельных "однодуговых" плазмотронов, объединенных общей смесительной камерой с выходным соплом.

Каждый плазмотрон питается от одной фазы трехфазной сети. Одинаковые условия горения каждой дуги обеспечивают равномерную загрузку трехфазной сети. Основной отличительной особенностью плазмотронов типа "Звезда" является то, что все три дуги замыкаются в центре смесительной камеры по схеме "звезда", образуя плазменную нулевую точку. Таким образом, в этом плазмотроне горят три дуги, однако он содержит только три электрода вместо шести.
Узлы плазмотрона охлаждаются водой.

Дальнейшим развитием плазмотронов этого типа является схема "Шестилучевая звезда". Такой плазмотрон состоит из шести отдельных однофазных плазмотронов, объединенных общей смесительной камерой, внутри которой все шесть дуг замыкаются между собой. Преимущество такой схемы заключается в том, что при одинаковой мощности величина тока в каждой дуге шестилучевого плазмотрона вдвое меньше по сравнению с трехлучевой схемой.

Основные преимущества плазмотронов типа "Звезда": однородность распределения температур и давлений в выходном сечении сопла; симметричность загрузки трехфазной сети; модульность конструкции.

В процессе создания и отработки плазмотронов были решены многие фундаментальные физические задачи, связанные с обеспечением устойчивости работы плазмотронов в широком диапазоне выходных параметров.

Так, было изучено явление вращения приэлектродного участка дуги (ножки дуги) под действием магнитного поля катушки.
Исследовалась газодинамическая структура потока как внутри камеры смешения, так и за срезом сопла. Показано, что при движении в соседних электродах потоков воздуха, вращающихся в противоположных направлениях, суммарное движение в камере смешения формируется в виде парных вихрей и является устойчивым.

При организации устойчивого течения в камере смешения формируется устойчивое течение в факеле струи. При этом наблюдается в процессе эксперимента четкая система скачков уплотнения, не меняющая своей формы и размеров во времени.
В настоящее время в мире наметилась тенденция использования плазмотронов для переработки промышленных, бытовых и медицинских отходов. Благодаря высокой температуре, которую обеспечивают плазмотроны, можно значительно улучшить глубину переработки отходов и снизить количество вредных выбросов. Применение плазмотронов "Звезда" для этих целей является весьма перспективным. В Центре Келдыша проводятся работы в этом направлении и создан прототип соответствующей установки для переработки отходов.

Кроме того, плазмотроны находят применение и при решении иных задач. Так, в Центре Келдыша разработаны новые высокоэффективные технологии: плазменно-кластерная технология нанесения прочных термостойких и химически стойких покрытий на основе тугоплавких металлов; технология получения базальтового штапельного волокна для изготовления высококачественной базальтовой ваты.