湍流等离子体发生器的结构设计与实验研究

郭文钰　林长海　曹修全　马耀明

摘要：基于等離子体发生器结构设计理论，介绍了自制湍流等离子体发生器结构设计要点，通过LabVIEW虚拟仪器技术、MATLAB软件、电路设计与数据采集技术设计了一套诊断系统，然后利用该系统对湍流等离子体发生器的射流特性进行了实验研究。实验结果表明：通过增加中间电极的数量并限制其长度能够有效抑制双弧现象，不仅提高了等离子体发生器的工作功率，而且有利于提高湍流等离子体发生器的使用寿命；在满足U^*_（z）＞ΔU_（z）的情况下，限制阳极轴向尺寸可以避免大尺度分流现象，从而提高湍流等离子体发生器的射流稳定性；此外，工作条件的变化会对等离子体射流特性产生明显的影响。

关键词：湍流等离子体发生器；等离子体射流特性；LabVIEW虚拟仪器技术；诊断系统

中图分类号：TF806.83                      文献标志码：A                           doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.08.008

文章编号：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

湍流等离子体射流（Turbulent Plasma Jet，TPJ）因其高温、高能量密度、适应性广等特点，已被普遍运用于危废处理^[1-4]、材料处理（喷涂、冶金、粉末制备）^[5-9]等诸多领域。但不同的应用领域对PJ（Plasma Jet，等离子体射流）的性能提出了不同的要求，为使TPJ的性能满足这些要求，国内外学者在TPT（Turbulent Plasma Torch，湍流等离子体发生器）结构的定制化设计^[10-11]及PJ特性的诊断^[12-13]等方面开展了诸多研究。

Anothony等^[14]、魏正英等^[15]设计出一种两极式PT（Plasma Torch，等离子体发生器），即等离子体电弧直接在阳极和阴极之间形成，但此类PT阳极过长，且只能通过提升工作电流来增加PT的功率，当功率过高时会由于过高的电流密度和大尺度分流现象的产生导致射流稳定性较差、电极烧蚀较严重。Sokobebko等^[16]及王雨勃等^[17]对PT的阳极结构进行优化，为将阳极弧根限制在台阶前端，充分利用空气动力学等要素，设计出台阶式阳极以替换之前的圆柱状阳极，此举有利于延长PT的电弧长度，并限制阳极弧根的轴向运动范围，一定程度降低了PJ的波动。程昌明等^[18]利用自行研制的PT，在不同的阳极压缩角大小与通道尺寸下进行实验，得到了提高TPJ的稳定性和刚性的参数。Bora等^[19]、Ghorui等^[20]为达到增加等离子体电弧弧压的目的，研制出一种分段式PT，通过在阴极与阳极之间添加多个中间电极，增加电弧通道的长度，进而在相同的功率下降低PT的工作电流，延长电极工作寿命。然而，这类PT往往由于中间电极过长而容易在较低气流量下产生双弧现象，以至于既加剧了中间电极的烧蚀，又增加了PJ的不稳定性。何润东等^[21]基于课题组自行研制的两路进气式TPT，研究了TPJ的工作特性，在一定程度上为发生器的结构设计提供了指导。

由上述分析可知，在发生器结构设计方面，国内外学者通过改变TPT的阳极结构、弧室长度和进气方式等，一定程度提高了TPJ的性能。特别是增加中间电极的方式，很大程度提高了射流的稳定性，但该方式通常会使中间电极上形成一个新的阴极弧根和阳极弧根（即双弧现象），并使电极发生严重烧蚀。本文根据前人对双弧现象和大尺度分流现象产生机理的研究，设计了30 kW多极式TPT，并利用LabVIEW虚拟仪器技术、MATLAB软件、电路设计与数据采集融合技术对其射流性能进行诊断。

1 湍流等离子体发生器设计

1.1 阳极的设计

在PT的工作中TPJ往往会产生有规律的波动，这主要是由于阳极结构设计不合理从而导致在阳极上出现了大尺度分流现象，此现象极大程度降低了TPJ的稳定性，于是有必要按照大尺度分流现象的形成机理探究遏制大尺度分流现象出现的措施^[22]。

本文基于課题组在前期层流等离子体发生器结构设计中所提到的遏制大尺度分流现象出现的理论研究，通过限制轴向上的阳极壁面的带电长度，削弱击穿电压分布曲线的作用区域，并在其作用范围内使电弧与阳极壁发生击穿所需的电势U^*_（z）大于电弧上某一点与阳极壁面的电势差?U_（z），即U^*_（z）＞?U_（z），同时使阳极轴向尺寸满足阳极轴向长度L≥2 mm，阳极最小直径D≤6 mm，设计了此次实验所用的TPT阳极，如图1所示。可以看出，在限定阳极尺寸后采用了TPT中常用的台阶式阳极结构，这有利于延长TPT的电弧长度，并限制阳极弧根的轴向运动范围，一定程度降低了射流的波动^[16-17]。

1.2 中间电极的设计

相关研究表明，如图2所示的分段式TPT通过增加中间电极，可以增加TPT的工作弧压和功率、提高射流的稳定性、延长电极寿命并增加TPJ的热效率、热焓值。这是因为增加中间电极会增加弧室长度，随着弧室长度的增加，电弧长度随之增加，电弧电阻R必定增加，从而提高TPT的工作弧压U，进一步提高了TPT的功率。因此电源供给TPT的总能量会增加，同时，中间电极主要受电弧的辐射热，被冷却水带走的热量较小，所以TPJ的热效率会增加，进一步射流的热焓值也会增加。

但需要注意的是，中间电极增多会使得其长度过长，可能会产生双弧现象，使得该电极热负荷加剧，引起电极的严重烧蚀与PJ的波动。为严格防止双弧现象的形成，本文基于课题组在前期层流等离子体发生器结构设计中得到的中间电极设计公式^[23]，即式（1），推导了中间电极的尺寸，并采用了层流等离子体发生器的压缩式电弧通道结构，即从阴极开始，逐渐减小等离子体电弧通道直径，此结构有助于提高等离子体射流的热流度并增加射流流速，此次TPT实验所用的中间电极如图3所示。

1.3 阴极的设计

TPT阴极是TPT工作时等离子体电弧阴极弧根附着件，是TPT不可或缺的组成部分。阴极通常有棒状和纽扣型两种形式，均由钨棒与钨极座构成，如图4所示。钨棒常采用耐高温的钨、钨极座常采用导热导电良好的紫铜加工而成，二者采用镶嵌方式紧密连接，并通过对紫铜钨极座的冷却完成对钨棒的冷却。

棒状阴极可保证阴极弧根始终在钨棒上，不易对钨极座造成损坏，且由于钨棒较长，可在其烧蚀后适当调整其轴向位置从而继续使用。但该类型结构由于钨棒伸出钨极座较长，而钨导热性较差，从而对钨棒的冷却效果较差，易由于高温而造成钨棒的烧蚀。纽扣型阴极是指钨棒缩于钨极座中，与钨极座端面形成一个小的台阶。该类型结构由于钨棒完全被钨极座包围，冷却效果良好，钨棒不易烧蚀。

基于上述分析，在TPT阴极结构设计过程中，当发生器工作气流量足以保证阴极弧根落于钨棒上时，宜采用纽扣型阴极结构，以保证钨棒的充分冷却，延长其使用寿命。而要保证阴极弧根落于钨棒上，往往需要通过旋向进气的方式来实现。

旋向进气方式是指TPT工作气体以与弧室壁相切的速度方向进入等离子体电弧弧室。采用此种进气方式时，气流在弧室中以螺旋形式从阴极逐渐流向阳极，对等离子体电弧压缩作用较强，弧压较高，热效率较其他进气方式高。

综上所述，本次实验基于自主设计的30 kW多极式TPT，利用旋向进气的方法，进行TPT的特性实验研究。实验所用的多极式TPT如图5所示，该发生器由阴极、引弧极、三个中间电极、阳极、若干绝缘环和密封环组成。

2 实验装置与方法

2.1 实验装置

为了研究前述30 kW湍流等离子体发生器性能，采用如图6所示的实验装置，主要包括30 kW湍流等离子体发生器、供气装置、等离子体电源柜、冷却机组四部分。供气装置由成都莱峰科技有限公司生产的LF型气体质量流量控制器、青岛凯胜焊割工具厂生产的氮气减压阀以及工业氮气瓶构成，工作气体由氮气瓶供给，经过减压阀将压力降低到一定水平（本实验为0.3 MPa）后，输送至气体质量流量控制器，并按照设定的气体流速供给TPT。等离子体电源柜由成都力拓力源科技有限公司提供。该电源使用逆变电源技术（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）将三相电能转换为直流电能，以可调恒流源的形式按指定的电弧电流供给至TPT。另外，该电源还集成了引弧模块，能够实现自动引弧。MGFW-25GT风冷柜式水冷机组由成都美森制冷设备有限公司提供，将水箱中的去离子水冷却至规定温度（本实验为15℃）供给TPT。

2.2 实验方法

2.2.1 弧压与功率检测模块

2.2.2 热效率与热焓值检测模块

由式（4）、式（5）可知，热效率的计算需采集弧压值、冷却水的质量流量和冷却水的进出口温度；热焓值的计算需清楚热效率与工作气体的质量流量。因此，热效率与热焓值检测模块的实时数据采集系统主要由涡轮水流量计、气体流量控制器、温度变送器、NI采集卡和装有LabVIEW采集程序的笔记本电脑组成。

为保证测量结果的精确性，采集到的原始数据都要通过MATLAB程序进行平均值处理。

2.3 实验参数

在实验之前使用限制法进行预实验，以确定实验参数。考虑到TPT工作功率和电极的烧蚀，以及TPJ在工作过程中的稳定性，将工作气体流量g以每次增加5的速率，从20 L/min增加至45 L/min，弧电流I以每次增加10 A的速率，从80 A增加至120 A。此外，考虑到气体的价格与性能，选择纯氮气作为此次实验的工作气体。本次实验通过LabVIEW虚拟仪器技术、NI采集卡和MATLAB程序对数据进行采集与处理。

3 结果與讨论

双弧现象的产生，会使某一中间电极上出现两个弧根，导致该电极上产生大量热能，从而引起该中间电极的剧烈烧蚀。发生器出现大尺度分流现象，会引起等离子体电弧弧压的脉动，导致等离子体射流产生脉动。基于上述实验参数，实验发现所设计的30 kW湍流等离子体发生器在工作过程中并未出现电极烧蚀或射流脉动的现象，证明所设计的TPT避免了大尺度分流现象与双弧现象的产生，有利于延长电极使用寿命，达到了TPT结构设计的预期目的。TPT工作图如图9所示，其具体特性如下所述。

3.1 弧压特性

不同工作气流量下PT的弧压特性曲线如图10所示。可以看出，当工作电流不变，逐渐增加氮气流量，弧压几乎呈线性增加。这主要是因为气流量的增加导致了弧室中的冷气层厚度增加，对电弧的压缩效果更明显，电弧的横截面积S被迫缩小；且由于工作电流不变，对工作气体的电离能力不变，从而随着气流量g的增加，电弧中被电离的带电粒子的浓度逐渐变小，导电能力下降，导致电弧电阻率r变大；同时在气流量不断增加的作用下，阳极弧根会逐步向喷口移动，使电弧长度L略有变长，从而等离子体电弧电阻R＝rL/S增大，引起工作弧压升高。当氮气流量一定时，逐渐增加弧电流，TPT的弧压表现出缓慢下降的趋势。这主要是因为随着弧电流的不断增加，电弧的横截面积和被电离的带电粒子密度也会逐渐增加，粒子间的碰撞增多，电弧温度增加，引起电弧横截面积S和电导率上升，从而使电阻R和电阻率r减小。但还需要注意的是，弧压的下降速率略小于电流的增加速率，当电流增大到一定数值后，弧压的下降速率会逐渐趋于平稳。

3.2 功率特性

不同工作气流量下PT的功率特性曲线如图11所示。可以看出，随着气流量及电流的增加，PT的功率均呈现出单调递增的趋势。通过对弧压特性的分析可知，这是由于气流量增加导致弧压升高而引起的功率增加。另外，虽然电流的增加会导致弧压略有降低，但弧压的降低速率小于电流的增加速率，所以功率也会呈上升趋势。

3.3 热效率特性

不同工作气流量下PT的热效率特性曲线如图12所示。可以看出，当工作电流一定时，TPT的热效率随着气流量的增加而逐渐增加。与弧压表现出来的特性一致，不断增加气流量，电弧的压缩效果更明显，电弧的横截面积变小，导致冷气层加厚，热能不易传递到弧室壁面，热交换减少，因此热效率逐渐增加。当氮气流量一定时，随着工作电流的增加，TPT的热效率总体上表现出逐渐下降的趋势。这主要是因为随着工作电流的增加，电弧截面积、电弧温度和电离粒子密度也跟着增加，使得冷气层厚度逐渐变薄，更多的热能传递到了弧室壁面，被冷却水带走。

3.4 热焓值特性

不同工作气流量下PT的热焓值特性曲线如图13所示。可以看出，当工作电流一定时，TPT的热焓值会随着气流量的增加而逐渐降低。当氮气流量一定时，增加工作电流，热焓值也会逐渐增加。由式（5）可知，这是因为热焓值与PT的功率和热效率成正比，与气流量成反比。当气流量不变时，工作电流增加会导致功率增加，虽然热效率呈下降趋势，但功率的增加速率高于热效率的下降速率，故热焓值逐渐增加。当工作电流不变时，气流量的增加会导致热效率和功率逐渐增加，但气流量的增加速率更高，因此热焓值呈下降趋势。

4 结论与展望

本文通过对所设计的30 kW湍流等离子体发生器的特性研究，可得出以下结论：

（1）通过前人对双弧现象和大尺度分流现象的产生机理研究，自主设计的30 kW多极式TPT获得了以下有利效果：①通过增加中间电极的数量并限制其长度能够有效抑制双弧现象的产生，既增加了PT的工作功率，又有助于提高TPT的使用寿命；②在满足U^*_（z）＞ΔU_（z）的情況下，限制阳极轴向尺寸，既防止了大尺度分流现象的形成，又提高了TPJ的稳定性；③实验发现工作参数的变化会对PJ特性产生明显影响，为针对特定场合的等离子体技术应用工艺研究有一定的指导意义。

（2）当工作电流一定时，随着工作气流量的增加，TPT的弧压、功率与热效率呈逐渐增加的趋势，热焓值则是逐渐降低。

（3）当工作气流量一定时，随着工作电流的增加，TPT的弧压、热效率逐渐下降，功率与热焓值则是逐渐增加。

本次30 kW湍流等离子体发生器结构设计与特性实验的相关数据均为离线处理，在下一步的工作中，将会对PJ性能的在线监测系统进行研究设计，进而为精确调控并提高PJ的稳定性奠定研究基础，进一步推动等离子体技术在各个领域中的应用。

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