湍流等離子體發生器的結構設計與實驗研究

郭文鈺　林長海　曹修全　馬耀明

摘要：基于等離子體發生器結構設計理論，介紹了自制湍流等離子體發生器結構設計要點，通過LabVIEW虛擬儀器技術、MATLAB軟件、電路設計與數據采集技術設計了一套診斷系統，然后利用該系統對湍流等離子體發生器的射流特性進行了實驗研究。實驗結果表明：通過增加中間電極的數量并限制其長度能夠有效抑制雙弧現象，不僅提高了等離子體發生器的工作功率，而且有利于提高湍流等離子體發生器的使用壽命；在滿足U^*_（z）＞ΔU_（z）的情況下，限制陽極軸向尺寸可以避免大尺度分流現象，從而提高湍流等離子體發生器的射流穩定性；此外，工作條件的變化會對等離子體射流特性產生明顯的影響。

關鍵詞：湍流等離子體發生器；等離子體射流特性；LabVIEW虛擬儀器技術；診斷系統

中圖分類號：TF806.83????????????????????? 文獻標志碼：A?????????????????????????? doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.08.008

文章編號：1006-0316 （2023） 08-0055-08

Structural Design and Experimental Study of a Turbulent Plasma Torch

GUO Wenyu LIN Changhai CAO Xiuquan MA Yaoming

（ 1.School of Mechanical Engineering， Sichuan University of Science & Engineering， Yibin 644000， China;2.Industrial Research Institute of Sichuan University of Science & Engineering， Yibin 644000， China;3.Sichuan Suge Communication Technology Co.， Ltd.， Yibin 644000， China ）

Abstract：On the basis of the structural design theory of the plasma torch， the structural design key points of a homemade turbulent plasma torch are discussed in detail. A diagnostic system is designed through the LabVIEW virtual instrument technology， the MATLAB software， the design of the circuit and data acquisition technology. Then the jet characteristics of the turbulent plasma torch are experimentally studied with this system. The experimental results show that： the double-arc phenomenon could be effectively suppressed by increasing the number of the intermediate electrodes and limiting their axial length， which could not only improve the working power of the plasma torch but also prolong the service life of the turbulent plasma torch; under the condition ofU^*（z）>DU（z）， the large-scale shunting phenomenon could be avoided by limiting the axial length of the anode， which could improve the jet stability of the turbulent plasma torch; besides， the jet characteristics of the plasma torch could be influenced obviously by the working conditions.

Key words：turbulent plasma torch；plasma jet characteristics；LabVIEW virtual instrument technology；diagnostic system

湍流等離子體射流（Turbulent Plasma Jet，TPJ）因其高溫、高能量密度、適應性廣等特點，已被普遍運用于危廢處理^[1-4]、材料處理（噴涂、冶金、粉末制備）^[5-9]等諸多領域。但不同的應用領域對PJ（Plasma Jet，等離子體射流）的性能提出了不同的要求，為使TPJ的性能滿足這些要求，國內外學者在TPT（Turbulent Plasma Torch，湍流等離子體發生器）結構的定制化設計^[10-11]及PJ特性的診斷^[12-13]等方面開展了諸多研究。

Anothony等^[14]、魏正英等^[15]設計出一種兩極式PT（Plasma Torch，等離子體發生器），即等離子體電弧直接在陽極和陰極之間形成，但此類PT陽極過長，且只能通過提升工作電流來增加PT的功率，當功率過高時會由于過高的電流密度和大尺度分流現象的產生導致射流穩定性較差、電極燒蝕較嚴重。Sokobebko等^[16]及王雨勃等^[17]對PT的陽極結構進行優化，為將陽極弧根限制在臺階前端，充分利用空氣動力學等要素，設計出臺階式陽極以替換之前的圓柱狀陽極，此舉有利于延長PT的電弧長度，并限制陽極弧根的軸向運動范圍，一定程度降低了PJ的波動。程昌明等^[18]利用自行研制的PT，在不同的陽極壓縮角大小與通道尺寸下進行實驗，得到了提高TPJ的穩定性和剛性的參數。Bora等^[19]、Ghorui等^[20]為達到增加等離子體電弧弧壓的目的，研制出一種分段式PT，通過在陰極與陽極之間添加多個中間電極，增加電弧通道的長度，進而在相同的功率下降低PT的工作電流，延長電極工作壽命。然而，這類PT往往由于中間電極過長而容易在較低氣流量下產生雙弧現象，以至于既加劇了中間電極的燒蝕，又增加了PJ的不穩定性。何潤東等^[21]基于課題組自行研制的兩路進氣式TPT，研究了TPJ的工作特性，在一定程度上為發生器的結構設計提供了指導。

由上述分析可知，在發生器結構設計方面，國內外學者通過改變TPT的陽極結構、弧室長度和進氣方式等，一定程度提高了TPJ的性能。特別是增加中間電極的方式，很大程度提高了射流的穩定性，但該方式通常會使中間電極上形成一個新的陰極弧根和陽極弧根（即雙弧現象），并使電極發生嚴重燒蝕。本文根據前人對雙弧現象和大尺度分流現象產生機理的研究，設計了30 kW多極式TPT，并利用LabVIEW虛擬儀器技術、MATLAB軟件、電路設計與數據采集融合技術對其射流性能進行診斷。

1 湍流等離子體發生器設計

1.1 陽極的設計

在PT的工作中TPJ往往會產生有規律的波動，這主要是由于陽極結構設計不合理從而導致在陽極上出現了大尺度分流現象，此現象極大程度降低了TPJ的穩定性，于是有必要按照大尺度分流現象的形成機理探究遏制大尺度分流現象出現的措施^[22]。

本文基于課題組在前期層流等離子體發生器結構設計中所提到的遏制大尺度分流現象出現的理論研究，通過限制軸向上的陽極壁面的帶電長度，削弱擊穿電壓分布曲線的作用區域，并在其作用范圍內使電弧與陽極壁發生擊穿所需的電勢U^*_（z）大于電弧上某一點與陽極壁面的電勢差?U_（z），即U^*_（z）＞?U_（z），同時使陽極軸向尺寸滿足陽極軸向長度L≥2 mm，陽極最小直徑D≤6 mm，設計了此次實驗所用的TPT陽極，如圖1所示。可以看出，在限定陽極尺寸后采用了TPT中常用的臺階式陽極結構，這有利于延長TPT的電弧長度，并限制陽極弧根的軸向運動范圍，一定程度降低了射流的波動^[16-17]。

1.2 中間電極的設計

相關研究表明，如圖2所示的分段式TPT通過增加中間電極，可以增加TPT的工作弧壓和功率、提高射流的穩定性、延長電極壽命并增加TPJ的熱效率、熱焓值。這是因為增加中間電極會增加弧室長度，隨著弧室長度的增加，電弧長度隨之增加，電弧電阻R必定增加，從而提高TPT的工作弧壓U，進一步提高了TPT的功率。因此電源供給TPT的總能量會增加，同時，中間電極主要受電弧的輻射熱，被冷卻水帶走的熱量較小，所以TPJ的熱效率會增加，進一步射流的熱焓值也會增加。

但需要注意的是，中間電極增多會使得其長度過長，可能會產生雙弧現象，使得該電極熱負荷加劇，引起電極的嚴重燒蝕與PJ的波動。為嚴格防止雙弧現象的形成，本文基于課題組在前期層流等離子體發生器結構設計中得到的中間電極設計公式^[23]，即式（1），推導了中間電極的尺寸，并采用了層流等離子體發生器的壓縮式電弧通道結構，即從陰極開始，逐漸減小等離子體電弧通道直徑，此結構有助于提高等離子體射流的熱流度并增加射流流速，此次TPT實驗所用的中間電極如圖3所示。

1.3 陰極的設計

TPT陰極是TPT工作時等離子體電弧陰極弧根附著件，是TPT不可或缺的組成部分。陰極通常有棒狀和紐扣型兩種形式，均由鎢棒與鎢極座構成，如圖4所示。鎢棒常采用耐高溫的鎢、鎢極座常采用導熱導電良好的紫銅加工而成，二者采用鑲嵌方式緊密連接，并通過對紫銅鎢極座的冷卻完成對鎢棒的冷卻。

棒狀陰極可保證陰極弧根始終在鎢棒上，不易對鎢極座造成損壞，且由于鎢棒較長，可在其燒蝕后適當調整其軸向位置從而繼續使用。但該類型結構由于鎢棒伸出鎢極座較長，而鎢導熱性較差，從而對鎢棒的冷卻效果較差，易由于高溫而造成鎢棒的燒蝕。紐扣型陰極是指鎢棒縮于鎢極座中，與鎢極座端面形成一個小的臺階。該類型結構由于鎢棒完全被鎢極座包圍，冷卻效果良好，鎢棒不易燒蝕。

基于上述分析，在TPT陰極結構設計過程中，當發生器工作氣流量足以保證陰極弧根落于鎢棒上時，宜采用紐扣型陰極結構，以保證鎢棒的充分冷卻，延長其使用壽命。而要保證陰極弧根落于鎢棒上，往往需要通過旋向進氣的方式來實現。

旋向進氣方式是指TPT工作氣體以與弧室壁相切的速度方向進入等離子體電弧弧室。采用此種進氣方式時，氣流在弧室中以螺旋形式從陰極逐漸流向陽極，對等離子體電弧壓縮作用較強，弧壓較高，熱效率較其他進氣方式高。

綜上所述，本次實驗基于自主設計的30 kW多極式TPT，利用旋向進氣的方法，進行TPT的特性實驗研究。實驗所用的多極式TPT如圖5所示，該發生器由陰極、引弧極、三個中間電極、陽極、若干絕緣環和密封環組成。

2 實驗裝置與方法

2.1 實驗裝置

為了研究前述30 kW湍流等離子體發生器性能，采用如圖6所示的實驗裝置，主要包括30 kW湍流等離子體發生器、供氣裝置、等離子體電源柜、冷卻機組四部分。供氣裝置由成都萊峰科技有限公司生產的LF型氣體質量流量控制器、青島凱勝焊割工具廠生產的氮氣減壓閥以及工業氮氣瓶構成，工作氣體由氮氣瓶供給，經過減壓閥將壓力降低到一定水平（本實驗為0.3 MPa）后，輸送至氣體質量流量控制器，并按照設定的氣體流速供給TPT。等離子體電源柜由成都力拓力源科技有限公司提供。該電源使用逆變電源技術（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）將三相電能轉換為直流電能，以可調恒流源的形式按指定的電弧電流供給至TPT。另外，該電源還集成了引弧模塊，能夠實現自動引弧。MGFW-25GT風冷柜式水冷機組由成都美森制冷設備有限公司提供，將水箱中的去離子水冷卻至規定溫度（本實驗為15℃）供給TPT。

2.2 實驗方法

2.2.1 弧壓與功率檢測模塊

2.2.2 熱效率與熱焓值檢測模塊

由式（4）、式（5）可知，熱效率的計算需采集弧壓值、冷卻水的質量流量和冷卻水的進出口溫度；熱焓值的計算需清楚熱效率與工作氣體的質量流量。因此，熱效率與熱焓值檢測模塊的實時數據采集系統主要由渦輪水流量計、氣體流量控制器、溫度變送器、NI采集卡和裝有LabVIEW采集程序的筆記本電腦組成。

為保證測量結果的精確性，采集到的原始數據都要通過MATLAB程序進行平均值處理。

2.3 實驗參數

在實驗之前使用限制法進行預實驗，以確定實驗參數。考慮到TPT工作功率和電極的燒蝕，以及TPJ在工作過程中的穩定性，將工作氣體流量g以每次增加5的速率，從20 L/min增加至45 L/min，弧電流I以每次增加10 A的速率，從80 A增加至120 A。此外，考慮到氣體的價格與性能，選擇純氮氣作為此次實驗的工作氣體。本次實驗通過LabVIEW虛擬儀器技術、NI采集卡和MATLAB程序對數據進行采集與處理。

3 結果與討論

雙弧現象的產生，會使某一中間電極上出現兩個弧根，導致該電極上產生大量熱能，從而引起該中間電極的劇烈燒蝕。發生器出現大尺度分流現象，會引起等離子體電弧弧壓的脈動，導致等離子體射流產生脈動。基于上述實驗參數，實驗發現所設計的30 kW湍流等離子體發生器在工作過程中并未出現電極燒蝕或射流脈動的現象，證明所設計的TPT避免了大尺度分流現象與雙弧現象的產生，有利于延長電極使用壽命，達到了TPT結構設計的預期目的。TPT工作圖如圖9所示，其具體特性如下所述。

3.1 弧壓特性

不同工作氣流量下PT的弧壓特性曲線如圖10所示。可以看出，當工作電流不變，逐漸增加氮氣流量，弧壓幾乎呈線性增加。這主要是因為氣流量的增加導致了弧室中的冷氣層厚度增加，對電弧的壓縮效果更明顯，電弧的橫截面積S被迫縮小；且由于工作電流不變，對工作氣體的電離能力不變，從而隨著氣流量g的增加，電弧中被電離的帶電粒子的濃度逐漸變小，導電能力下降，導致電弧電阻率r變大；同時在氣流量不斷增加的作用下，陽極弧根會逐步向噴口移動，使電弧長度L略有變長，從而等離子體電弧電阻R＝rL/S增大，引起工作弧壓升高。當氮氣流量一定時，逐漸增加弧電流，TPT的弧壓表現出緩慢下降的趨勢。這主要是因為隨著弧電流的不斷增加，電弧的橫截面積和被電離的帶電粒子密度也會逐漸增加，粒子間的碰撞增多，電弧溫度增加，引起電弧橫截面積S和電導率上升，從而使電阻R和電阻率r減小。但還需要注意的是，弧壓的下降速率略小于電流的增加速率，當電流增大到一定數值后，弧壓的下降速率會逐漸趨于平穩。

3.2 功率特性

不同工作氣流量下PT的功率特性曲線如圖11所示。可以看出，隨著氣流量及電流的增加，PT的功率均呈現出單調遞增的趨勢。通過對弧壓特性的分析可知，這是由于氣流量增加導致弧壓升高而引起的功率增加。另外，雖然電流的增加會導致弧壓略有降低，但弧壓的降低速率小于電流的增加速率，所以功率也會呈上升趨勢。

3.3 熱效率特性

不同工作氣流量下PT的熱效率特性曲線如圖12所示。可以看出，當工作電流一定時，TPT的熱效率隨著氣流量的增加而逐漸增加。與弧壓表現出來的特性一致，不斷增加氣流量，電弧的壓縮效果更明顯，電弧的橫截面積變小，導致冷氣層加厚，熱能不易傳遞到弧室壁面，熱交換減少，因此熱效率逐漸增加。當氮氣流量一定時，隨著工作電流的增加，TPT的熱效率總體上表現出逐漸下降的趨勢。這主要是因為隨著工作電流的增加，電弧截面積、電弧溫度和電離粒子密度也跟著增加，使得冷氣層厚度逐漸變薄，更多的熱能傳遞到了弧室壁面，被冷卻水帶走。

3.4 熱焓值特性

不同工作氣流量下PT的熱焓值特性曲線如圖13所示。可以看出，當工作電流一定時，TPT的熱焓值會隨著氣流量的增加而逐漸降低。當氮氣流量一定時，增加工作電流，熱焓值也會逐漸增加。由式（5）可知，這是因為熱焓值與PT的功率和熱效率成正比，與氣流量成反比。當氣流量不變時，工作電流增加會導致功率增加，雖然熱效率呈下降趨勢，但功率的增加速率高于熱效率的下降速率，故熱焓值逐漸增加。當工作電流不變時，氣流量的增加會導致熱效率和功率逐漸增加，但氣流量的增加速率更高，因此熱焓值呈下降趨勢。

4 結論與展望

本文通過對所設計的30 kW湍流等離子體發生器的特性研究，可得出以下結論：

（1）通過前人對雙弧現象和大尺度分流現象的產生機理研究，自主設計的30 kW多極式TPT獲得了以下有利效果：①通過增加中間電極的數量并限制其長度能夠有效抑制雙弧現象的產生，既增加了PT的工作功率，又有助于提高TPT的使用壽命；②在滿足U^*_（z）＞ΔU_（z）的情況下，限制陽極軸向尺寸，既防止了大尺度分流現象的形成，又提高了TPJ的穩定性；③實驗發現工作參數的變化會對PJ特性產生明顯影響，為針對特定場合的等離子體技術應用工藝研究有一定的指導意義。

（2）當工作電流一定時，隨著工作氣流量的增加，TPT的弧壓、功率與熱效率呈逐漸增加的趨勢，熱焓值則是逐漸降低。

（3）當工作氣流量一定時，隨著工作電流的增加，TPT的弧壓、熱效率逐漸下降，功率與熱焓值則是逐漸增加。

本次30 kW湍流等離子體發生器結構設計與特性實驗的相關數據均為離線處理，在下一步的工作中，將會對PJ性能的在線監測系統進行研究設計，進而為精確調控并提高PJ的穩定性奠定研究基礎，進一步推動等離子體技術在各個領域中的應用。

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