層流等離子體發(fā)生器設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究之大尺度分流現(xiàn)象

曹修全, 余德平, 李超, 姚進(jìn), 陳艷

(1.四川輕化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 四川自貢643000;2.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院, 成都610065)

引言

相比于湍流等離子體射流，層流等離子體射流具有射流長(zhǎng)度長(zhǎng)、軸向溫度梯度小、能量密度可調(diào)范圍廣、可控性好、可重復(fù)精度高、工作噪聲小等優(yōu)異特性[1-3]，是激光、電子束等昂貴熱源的良好替代品。基于層流等離子體射流的優(yōu)異特性，有研究發(fā)現(xiàn)，層流等離子體射流在工件表面處理(噴涂、熔凝、淬火等)[4-8]、納米材料粉末球化與制備[3,9]等方面具有更優(yōu)異的處理效果，更適合高精密加工生產(chǎn)的需要。為了獲得性能優(yōu)異的層流等離子體射流，潘文霞、Solonenko等人[10-12]基于湍流等離子體技術(shù)，開(kāi)發(fā)出產(chǎn)生層流等離子體射流的裝置，即層流等離子體發(fā)生器。潘文霞等人[11,13-14]還設(shè)計(jì)出三段式層流等離子體發(fā)生器，并較為細(xì)致地介紹了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，研究了工作參數(shù)、中間電極直徑等對(duì)層流等離子體射流特性的影響。Solonenko等人[10,15-16]設(shè)計(jì)出通過(guò)調(diào)整中間電極數(shù)量改變層流等離子體發(fā)生器工作功率的可調(diào)式層流等離子體發(fā)生器，并基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析提出層流等離子體發(fā)生器主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議，明確產(chǎn)生層流等離子體射流的條件。Osaki等人[12]設(shè)計(jì)出多中間電極式層流等離子體發(fā)生器，并研究了工作氣流量大小與旋向氣流量占比對(duì)層流等離子體射流特性的影響。曹修全等[17-19]設(shè)計(jì)出不同結(jié)構(gòu)形式的層流等離子體發(fā)生器，并研究了其總體結(jié)構(gòu)形式、進(jìn)氣方式、工作參數(shù)等對(duì)層流等離子體射流特性的影響。

上述分析表明，已經(jīng)有部分科研團(tuán)隊(duì)完成了層流等離子體發(fā)生器的設(shè)計(jì)，并總結(jié)出部分層流等離子體發(fā)生器零部件的設(shè)計(jì)理論。然而，在層流等離子體發(fā)生器實(shí)際工作過(guò)程中，由于陽(yáng)極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理往往導(dǎo)致層流等離子體射流產(chǎn)生周期性脈動(dòng)，即在陽(yáng)極上產(chǎn)生了大尺度分流現(xiàn)象，從而嚴(yán)重影響層流等離子體射流的穩(wěn)定性。因此，為了進(jìn)一步提高層流等離子體射流穩(wěn)定性，本文從大尺度分流現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理出發(fā)，深入分析大尺度分流現(xiàn)象產(chǎn)生的過(guò)程與條件，提出避免產(chǎn)生大尺度分流現(xiàn)象的抑制措施，并得出層流等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 大尺度分流現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理分析

1.1 分流現(xiàn)象

分流現(xiàn)象是等離子體發(fā)生器在工作過(guò)程中普遍存在的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響等離子體射流穩(wěn)定性。當(dāng)?shù)入x子體發(fā)生器陽(yáng)極軸向長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，更易于產(chǎn)生分流現(xiàn)象。等離子體發(fā)生器工作時(shí)的分流模型如圖1 所示。通常存在著三種分流現(xiàn)象：電弧與陽(yáng)極內(nèi)表面的大尺度分流(如圖1 中2)和小尺度分流(如圖1 中4)、電弧之間的分流(如1中3)[20]，這三種分流現(xiàn)象是影響等離子體射流波動(dòng)和決定陽(yáng)極燒蝕速率與范圍的主要因素。

1-等離子體電弧；2-大尺度分流；3-電弧之間的分流；4-小尺度分流

圖1 等離子體發(fā)生器中的分流模型

當(dāng)?shù)入x子體發(fā)生器工作過(guò)程中產(chǎn)生上述分流現(xiàn)象時(shí)，大尺度分流決定了等離子體電弧的平均長(zhǎng)度、陽(yáng)極的燒蝕區(qū)域(圖1 中的AB段)、弧壓的脈動(dòng)和下降的伏安特性等特征。關(guān)于大尺度分流的產(chǎn)生機(jī)理、弊端及其抑制措施將在下文進(jìn)行詳細(xì)介紹。

電弧之間的分流會(huì)導(dǎo)致一個(gè)10 kHz以上的電壓波動(dòng)，而此時(shí)由于陽(yáng)極弧根C固定在陽(yáng)極表面某一位置(圖1 )，從而會(huì)加速陽(yáng)極表面的燒蝕速率。最后一種類型是電弧與陽(yáng)極內(nèi)表面的小尺度分流(圖1 )，它有利于陽(yáng)極弧根C在陽(yáng)極內(nèi)表面的周向運(yùn)動(dòng)。

1.2 大尺度分流現(xiàn)象

在等離子體發(fā)生器中，大尺度分流現(xiàn)象產(chǎn)生原理如圖2 所示。圖2 (a)中，假定在某一時(shí)刻t1，等離子體電弧占據(jù)圖中ABC位置。由于弧壓和弧長(zhǎng)之間存在如式(1)所示的關(guān)系，在氣動(dòng)力和電磁力的共同作用下，電弧AB段沿著Z軸方向移動(dòng)，從而導(dǎo)致弧長(zhǎng)和弧壓的增加。

圖2 大尺度分流與對(duì)應(yīng)的電弧弧壓變化示意圖

(1)

其中，U是總弧壓，Ue是陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)的壓降之和，E(l)是電場(chǎng)強(qiáng)度，l(t)是在時(shí)刻t時(shí)的電弧長(zhǎng)度。為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，現(xiàn)做如下假設(shè)：

(1)E(l)=常數(shù)。

(2)Ue=0。

(3)Z軸零點(diǎn)為陰極端點(diǎn)C。

因此，在時(shí)刻t1時(shí)，電弧沿著Z軸的電勢(shì)分布如圖2 (a)曲線1所示。同時(shí)，電弧與陽(yáng)極壁發(fā)生擊穿所需的電勢(shì)U*(z)沿著Z軸方向分布如2(a)中曲線3所示。由于沿著Z軸方向流體平均溫度越來(lái)越高，擊穿所需電勢(shì)逐漸降低。而電弧上某一點(diǎn)M與陽(yáng)極壁面的電勢(shì)差ΔU(z)存在如式(2)所示的關(guān)系：

ΔU(z)=U(t)-Ez

(2)

其中，U(t)為等離子體發(fā)生器在時(shí)刻t時(shí)的總弧壓，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，z為M點(diǎn)的Z軸坐標(biāo)值。根據(jù)最小電壓原理，當(dāng)ΔU(z)≥U*(z)時(shí)，電弧與陽(yáng)極壁面之間發(fā)生擊穿，產(chǎn)生大尺度分流。

顯然，在t1時(shí)刻，曲線1上任何一點(diǎn)均不能滿足擊穿條件。在接下來(lái)的某一時(shí)刻t2，電弧占據(jù)了位置A'B'C'。此時(shí)，電弧沿著Z軸的電勢(shì)分布如圖2 (a)中曲線2所示，與擊穿曲線3存在共同點(diǎn)K，即ΔU(D)=U*(D)，且弧壓達(dá)到最大值Umax(圖2 (b))。因此，當(dāng)電弧占據(jù)此位置時(shí)滿足電弧擊穿條件，電弧與陽(yáng)極壁面發(fā)生擊穿并產(chǎn)生新的電弧通道CED(圖2 (a))，從而電弧弧壓回到最小值Umin(2(b))，電弧沿著Z軸方向的電勢(shì)分布如圖2 (a)中曲線4所示。隨著新的電弧通道的產(chǎn)生，原始電弧通道A'B'C'逐漸消失。隨后在氣動(dòng)力和電磁力的作用下，新電弧CDE段繼續(xù)沿著Z軸運(yùn)動(dòng)，大尺度分流過(guò)程開(kāi)始循環(huán)。大尺度分流現(xiàn)象導(dǎo)致弧壓產(chǎn)生脈動(dòng)(圖2 (b))，電弧弧壓在Umax和Umin之間有規(guī)律的變化，最大壓差Up較大。

2 大尺度分流現(xiàn)象抑制措施

上述分析表明，大尺度分流現(xiàn)象的產(chǎn)生不僅導(dǎo)致等離子體電弧弧壓的脈動(dòng)，也致使等離子體射流長(zhǎng)度產(chǎn)生脈動(dòng)，影響等離子體射流的穩(wěn)定性。為了提高等離子體射流的穩(wěn)定性，在等離子體射流產(chǎn)生過(guò)程中應(yīng)盡量避免大尺度分流現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此有必要根據(jù)大尺度分流現(xiàn)象的產(chǎn)生過(guò)程來(lái)分析抑制大尺度分流現(xiàn)象產(chǎn)生的措施。

根據(jù)等離子體發(fā)生器中大尺度分流現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理，發(fā)現(xiàn)主要可采取如下三大措施來(lái)抑制其產(chǎn)生：

(1) 增大電弧與陽(yáng)極壁面的擊穿電壓，使擊穿電壓分布曲線(圖2 (a)中曲線3)上移。

增大工作氣體流量或陽(yáng)極內(nèi)徑、優(yōu)化陽(yáng)極冷卻通道是增加電弧與陽(yáng)極壁面間擊穿電壓的常用手段，這可在一定程度上增加電弧與陽(yáng)極壁面間的冷氣層厚度，從而適當(dāng)增大其擊穿電壓。然而，增大工作氣體流量會(huì)導(dǎo)致等離子體射流平均熱焓值降低，而且為了保證等離子體發(fā)生器的正常工作，在某一工作參數(shù)下必須供給與之匹配的工作氣體流量。而增大陽(yáng)極內(nèi)徑將使等離子體射流熱流密度降低，改變其射流特性。當(dāng)優(yōu)化冷卻結(jié)構(gòu)時(shí)，將增加冷卻水帶走的熱量，從而降低等離子體發(fā)生器工作熱效率，不利于能量的有效利用。由此可見(jiàn)，雖然該措施可在一定程度上有效抑制大尺度分流現(xiàn)象的產(chǎn)生，但亦存在相應(yīng)的弊端，因此應(yīng)根據(jù)等離子體發(fā)生器的設(shè)計(jì)需要來(lái)綜合考慮。因此該法可適當(dāng)應(yīng)用于湍流等離子體發(fā)生器設(shè)計(jì)中，但不建議在層流等離子體發(fā)生器設(shè)計(jì)中采用。

(2) 限制陽(yáng)極弧根在Z軸的最大運(yùn)動(dòng)范圍，使電弧沿軸線的電勢(shì)分布曲線始終滿足ΔU(z)

縮短陽(yáng)極軸向尺寸或?qū)㈥?yáng)極設(shè)計(jì)成臺(tái)階式結(jié)構(gòu)可有效限制陽(yáng)極弧根在陽(yáng)極的運(yùn)動(dòng)范圍[16]，使其電勢(shì)分布達(dá)不到產(chǎn)生大尺度分流的條件。另一方面，縮短陽(yáng)極軸線尺寸雖然能抑制大尺度分流現(xiàn)象的產(chǎn)生，但由于其陽(yáng)極軸向尺寸被限制，電弧長(zhǎng)度必然較短，會(huì)導(dǎo)致其電弧平均弧壓較低，不利于等離子體發(fā)生器工作功率的提高。而為了提高等離子體發(fā)生器工作功率，勢(shì)必只能加大工作電流，但工作電流的增大又會(huì)降低電弧與陽(yáng)極壁面冷氣層的厚度，進(jìn)而降低電弧與陽(yáng)極壁面的擊穿電壓，這更易引發(fā)大尺度分流的產(chǎn)生。此外，工作電流的增加將增大弧根電流密度，加速電極的燒蝕。而臺(tái)階式陽(yáng)極結(jié)構(gòu)則需要較大的工作氣流量以限制陽(yáng)極弧根的運(yùn)動(dòng)范圍，而大氣流量與層流等離子體射流的產(chǎn)生條件相沖突。上述分析表明，該措施也不適宜在大功率等離子體發(fā)生器或是層流等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用。

(3) 限制陽(yáng)極壁面在Z軸方向的帶電長(zhǎng)度，縮小擊穿電壓分布曲線作用范圍，并滿足ΔU(z)

將等離子體發(fā)生器的整體式陽(yáng)極分割成相互絕緣的多段電極，即采用分段式陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，且限制陽(yáng)極軸向尺寸，以滿足不產(chǎn)生大尺度分流現(xiàn)象的條件。該種結(jié)構(gòu)不但避免了大尺度分流現(xiàn)象的產(chǎn)生，而且還可通過(guò)增加中間電極的長(zhǎng)度而延長(zhǎng)電弧長(zhǎng)度，從而增加電弧弧壓，進(jìn)而在相同功率下降低工作電流和電極的燒蝕速率，延長(zhǎng)電極的使用壽命。

在分段式等離子體發(fā)生器工作過(guò)程中，電弧在Z軸方向的電勢(shì)分布模型和對(duì)應(yīng)的電壓變化如圖3 所示。此時(shí)，由于中間電極不帶電而只有AA'段帶電，因此，在該種等離子體發(fā)生器工作過(guò)程中，只有AA'段對(duì)應(yīng)的擊穿電壓曲線S3(圖3 (a))有效，只需考慮在此有效范圍內(nèi)滿足ΔU(z)

圖3 分段式等離子體發(fā)生器電弧電勢(shì)分布模型和對(duì)應(yīng)的電弧弧壓變化示意圖

結(jié)合圖3 ，采用大尺度分流時(shí)的假設(shè)條件，假定在某一時(shí)刻t1′，等離子體電弧在陰極與陽(yáng)極之間產(chǎn)生，形成電弧通道ABC。此時(shí)電弧沿Z軸方向的電勢(shì)分布如圖3 (a)中曲線S1所示，顯然不滿足擊穿條件，不會(huì)產(chǎn)生大尺度分流現(xiàn)象，且弧壓達(dá)到最小值Umin。接著在氣動(dòng)力和電磁力的作用下，電弧AB段向Z軸正方向移動(dòng)。假設(shè)AB段在t2′時(shí)刻達(dá)到陽(yáng)極的最右端，即A′位置，電弧占據(jù)A′B′C位置。此時(shí)電弧沿Z軸方向的電勢(shì)分布如圖3 (a)中曲線S2所示，此時(shí)AA′段對(duì)應(yīng)的最大電勢(shì)差ΔU(A)

由此可見(jiàn)，無(wú)論陽(yáng)極弧根落在陽(yáng)極上哪個(gè)位置，均滿足ΔU'

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

通過(guò)對(duì)等離子體發(fā)生器工作過(guò)程中產(chǎn)生大尺度分流現(xiàn)象的機(jī)理與相應(yīng)抑制措施的分析，發(fā)現(xiàn)在層流等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，宜采用措施(3)即分段式陽(yáng)極結(jié)構(gòu)形式，這可避免大尺度分流現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而提高層流等離子體射流的穩(wěn)定性。同時(shí)，采用分段式陽(yáng)極結(jié)構(gòu)還可通過(guò)調(diào)節(jié)中間電極數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)在相同工作參數(shù)下設(shè)計(jì)出不同功率范圍的層流等離子體發(fā)生器，這有利于提高大功率層流等離子體發(fā)生器的使用壽命。

4 結(jié)論

(1) 本文系統(tǒng)分析了大尺度分流現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理：電弧沿著陽(yáng)極軸向的電勢(shì)分布滿足擊穿條件時(shí)，電弧與陽(yáng)極壁面發(fā)生擊穿而形成新的電弧通道，從而引起電弧陽(yáng)極弧根的周期性運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致等離子體射流的周期性脈動(dòng)。

(2) 在大尺度分流現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了抑制大尺度分流現(xiàn)象產(chǎn)生的措施：(1)增大電弧與陽(yáng)極壁面的擊穿電壓，使擊穿電壓分布曲線(圖2 (a)中曲線3)上移；(2)限制陽(yáng)極弧根在Z軸的最大運(yùn)動(dòng)范圍，使電弧沿軸線的電勢(shì)分布曲線始終滿足ΔU(z)

(3) 通過(guò)對(duì)大尺度分流現(xiàn)象抑制措施的深入探討，提出了采用分段式陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的層流等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

研究結(jié)果對(duì)層流等離子體發(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有極強(qiáng)的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。