歐東斌，朱興營，馬漢東，陳海群，周 法

（中國航天空氣動力技術(shù)研究院 電弧等離子體應(yīng)用裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100074）

0 引言

電弧等離子體技術(shù)基于氣體的電弧放電和焦耳熱原理[1]，自19 世紀(jì)初發(fā)展至今，在機(jī)械加工、冶金、電力、材料、環(huán)保等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2-18]。在航天領(lǐng)域，電弧等離子體技術(shù)是目前進(jìn)行高溫氣體動力學(xué)試驗(yàn)、熱防護(hù)材料燒燭與防熱結(jié)構(gòu)考核試驗(yàn)等無可替代的技術(shù)之一[19-21]。地面試驗(yàn)中通常利用電弧等離子體炬來產(chǎn)生穩(wěn)定的熱等離子體。電弧等離子體炬內(nèi)部發(fā)生電弧放電和電熱轉(zhuǎn)化，在等離子體炬出口形成具有高溫高焓、高化學(xué)活性的等離子體射流。射流的總焓和總壓是利用電弧等離子體炬進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)或自由射流實(shí)驗(yàn)中最主要的應(yīng)用指標(biāo)，在滿足設(shè)計總焓和總壓條件下，等離子體炬的熱效率（表征能量損失）決定了其所需的輸入功率、氣體流量等運(yùn)行參數(shù)，因此，對等離子體炬的熱效率和射流焓值等熱特性進(jìn)行綜合研究，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)能量損失的優(yōu)化，對于實(shí)現(xiàn)利用電弧等離子體炬進(jìn)行飛行器地面加熱實(shí)驗(yàn)過程中的高效能應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。

目前對電弧等離子炬的研究與應(yīng)用更多是向大尺度、大功率發(fā)展，而對等離子炬本身能量損失及其優(yōu)化的關(guān)注相對較少。本文對電弧等離子體炬在不同參數(shù)條件下的氣流特性以及能量損失和熱效率進(jìn)行研究，以實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的自穩(wěn)弧型雙電弧室軸線式電弧等離子體炬為研究對象，將出口射流設(shè)為大氣壓條件下的自由射流狀態(tài)，通過試驗(yàn)方法研究在不同輸入功率、電弧電流與負(fù)載電壓組合、工作氣體流量等參數(shù)條件下的等離子體炬熱特性，并從等離子體炬內(nèi)部電弧、氣流和電極熱量傳遞的角度對熱特性變化進(jìn)行分析，以期為等離子體炬的定向、高效工業(yè)應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本研究在實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的電弧等離子體炬試驗(yàn)系統(tǒng)（如圖1 所示）上進(jìn)行。該系統(tǒng)主要由等離子體炬、供氣系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和測試系統(tǒng)組成。其中，電弧等離子體炬電極為T2材料，陰極為深杯狀結(jié)構(gòu)，陽極為圓管狀結(jié)構(gòu)，兩極沿同一軸線前后保持一定間隙布置；陰極和陽極內(nèi)徑分別為D和d，D=35 mm，D/d=1.1；工作氣體為空氣，一定壓力的工作氣體分別從電極間隙和陰極尾部切向通入，因此該等離子體炬為雙電弧室結(jié)構(gòu)，兩者旋氣方向一致，從電極間隙和陰極尾部進(jìn)入的氣體質(zhì)量流量分別為G1和G2，G1/G2=9。直流電源負(fù)極和正極分別施加在等離子體炬陰極和陽極上；當(dāng)直流電源按照設(shè)計值輸出工作電流時，陰極和陽極間氣體被擊穿，產(chǎn)生電弧；在等離子體炬電弧室內(nèi)，電弧與氣體發(fā)生強(qiáng)烈的電磁熱與流動力耦合作用——電弧在氣體流動的作用下產(chǎn)生徑向壓縮、軸向拉長和弧根旋轉(zhuǎn)等，氣體則受電弧焦耳加熱作用升溫并產(chǎn)生電離。試驗(yàn)的等離子體炬最大輸入功率為300 kW。工作氣體經(jīng)過電弧室后在等離子體炬陽極出口噴出形成具有一定電離度的高溫高焓等離子體射流。處于局部熱平衡狀態(tài)的熱電弧氣體溫度可達(dá)到104～105K，電極弧斑內(nèi)熱流高達(dá)106～107W/m2[22]，同時，電極還會受到電弧的輻射傳熱及與電弧外圍高溫氣流的對流換熱，因此必須對電極進(jìn)行有效的冷卻，否則電極在極短的時間就會被燒蝕失效。工程中采用的最有效方法是在電極外部通水冷卻。測試系統(tǒng)由測量供氣壓力、冷卻水流量和進(jìn)/回水溫度、電弧電流和負(fù)載電壓的傳感器，CCD 相機(jī)，以及圖像采集卡、數(shù)據(jù)采集組件和上位機(jī)組成。

圖1 電弧等離子體炬試驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 1 Schematic diagram of the plasma torch experimental system

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)研究中，通過熱效率、射流焓值和平均溫度3 個特征對等離子體炬的總體熱特性進(jìn)行描述和分析；并對等離子體炬射流形貌進(jìn)行獲取和可視化處理，重點(diǎn)對不同狀態(tài)下射流長度的變化進(jìn)行分析。

考慮到電弧等離子體炬射流的焓值難以直接測量，等離子體炬的總體熱效率采用平衡法計算[22]，即

式中：U為負(fù)載電壓，V；I為電弧電流，A；Qloss為通過等離子體炬部件總的熱損失。U和I分別通過并聯(lián)在等離子體炬陰極和陽極兩端的電壓傳感器和串聯(lián)在直流電源供電回路中的電流傳感器進(jìn)行測量，U和I的乘積即為等離子體炬的輸入功率P。如忽略等離子射流的輻射熱損失，則可認(rèn)為Qloss等于通過電弧室壁被冷卻水帶走的熱量，即

式中：qm為冷卻水質(zhì)量流量，kg/s；Cp為水的比質(zhì)量熱容，其值為4.2×103J/(kg·K)；T1、T2分別為冷卻水的進(jìn)、回水溫度，K。試驗(yàn)中，通過渦輪式流量計測量得到冷卻水的體積流量，再計算得到其質(zhì)量流量；T1和T2分別通過安裝在冷卻水入口和出口的K 型熱電偶測量得到。為了降低采集誤差對計算結(jié)果的影響，冷卻水溫度取數(shù)據(jù)采集時間段內(nèi)的平均值。

試驗(yàn)中假設(shè)在等離子體炬運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到平衡后，除冷卻水帶走的熱量損失外，電弧能量全部被工作氣體吸收，故等離子體炬射流的焓值為

式中：h為等離子體炬射流比焓，kJ/kg；G為工作氣體質(zhì)量流量，kg/s。將等離子體炬進(jìn)氣孔視為聲速噴嘴，可采用聲速流量法[23]計算氣體流量，

式中：γ為氣體絕熱指數(shù)，對于空氣取1.4；R為氣體常數(shù)，J/(kg·K)；p0為供氣氣流總壓，Pa；A*為噴嘴喉道截面積，m2；Cd為流量系數(shù)，取0.98；T0為供氣氣流總溫，K。試驗(yàn)中，等離子體炬進(jìn)氣孔等效直徑為5.4 mm，通過布置在供氣主路上的壓力傳感器對供氣壓力進(jìn)行測量和采集后，即可通過式(4)計算得到等離子體炬的工作氣體質(zhì)量流量。為了提高計算的準(zhǔn)確性，供氣壓力取數(shù)據(jù)采集時間段內(nèi)的平均值。

通過試驗(yàn)測量和計算得到射流的焓值后，查找大氣壓條件下空氣的熱力學(xué)與輸運(yùn)特性數(shù)據(jù)表，通過線性插值法計算得到射流的平均溫度。

基于CCD 圖像采集與計算機(jī)圖像處理技術(shù)研究等離子射流形貌，采用Baumer HXC20c 高速相機(jī)系統(tǒng)拍攝等離子射流，用Photoshop 軟件對拍攝的圖像進(jìn)行灰度處理，通過設(shè)定值準(zhǔn)確獲取等離子射流的等灰度邊界。試驗(yàn)中，相機(jī)曝光時間設(shè)置為500 ms，圖像灰度閾值設(shè)置為128，相機(jī)獲得的原始圖像及處理后的灰度圖像如圖2 所示。需要說明的是，通過CCD 相機(jī)得到的是在特定曝光值條件下的射流形貌，該圖像僅用于定性分析不同條件下的射流長度變化規(guī)律和程度，并不定量表示等離子射流實(shí)際長度，因此本文后面的分析中采用射流長度的變化率，即(L2-L1)/L1，對射流的變化程度進(jìn)行描述，其中L1和L2分別為欲對比的前后2 張射流圖像灰度圖中的射流長度。

圖2 等離子射流原始圖像和灰度圖像Fig. 2 Original image and grayscale image of plasma jet

1.3 試驗(yàn)工況

本文進(jìn)行了不同輸入功率，相同輸入功率、不同電弧電流與負(fù)載電壓組合，相同工作氣體流量、不同電弧電流3 種條件下的等離子體炬總體熱特性試驗(yàn)，試驗(yàn)工況如表1 所示。其中，工況1～工況5 為輸入功率從100 kW 逐步增加到300 kW。需要說明的是，功率設(shè)置是在電弧電流與負(fù)載電壓取值接近（I/U=0.87～1.05）的條件下進(jìn)行的，不同電流與電壓參數(shù)的匹配對等離子體炬熱特性的影響在后續(xù)工況中進(jìn)行研究。工況6～工況12 為輸入功率分別為250 kW 和150 kW 時，不同電弧電流與負(fù)載電壓參數(shù)匹配條件。工況13～工況16 為工作氣體流量為13.5 g/s，電弧電流由400 A 逐步增加到550 A。

表1 電弧等離子體炬熱特性試驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditions of thermal characteristics of arc plasma torch

2 結(jié)果與討論

2.1 不同輸入功率時的等離子體炬熱特性

圖3 給出的是不同輸入功率時等離子體炬的熱效率和工作氣體質(zhì)量流量。從圖中可以看出，對于所研究的電弧等離子體炬，在電弧電流與負(fù)載電壓參數(shù)匹配接近的條件下，輸入功率分別為104.1 kW、152.0 kW、199.4 kW、250.0 kW 和299.8 kW時，等離子體炬的熱效率分別為49.1%、54.9%、62.6%、68.3%和70.8%，即熱效率隨著輸入功率的增大而提高。這一變化規(guī)律可通過等離子體炬內(nèi)熱電弧、氣流與電弧室冷壁之間的熱交換進(jìn)行解釋：從電弧角度，電弧電流增大時電弧的箍縮半徑增大[1]，使電弧熱邊界層（導(dǎo)電通道區(qū)域邊界）與電弧室壁面邊界層更早地進(jìn)入交匯區(qū)，在交匯區(qū)內(nèi)電弧附近的高溫氣流與外部冷氣流劇烈混合，繼而使到達(dá)電弧室壁面的對流換熱強(qiáng)度增加；同時，隨著電流的增大，電弧區(qū)向電弧室壁面?zhèn)鬟f的輻射熱也會有一定程度的增加。從氣流角度，沿切向進(jìn)入電弧室的工作氣體會在電弧室壁面形成一層低溫絕緣的冷氣膜，同時能夠?qū)﹄娀‘a(chǎn)生氣動力和熱力壓縮而使得電弧直徑減?。辉跉饽だ鋮s和壓縮電弧雙重作用下，中心熱電弧與電弧室壁面間的換熱量降低。由此可見，電弧電流和氣體流量的增大對熱電弧與電弧室壁面之間換熱量的影響是恰恰相反的。在本研究的條件下，當(dāng)輸入功率增大時，電弧電流和氣體流量同步增大，兩者的綜合作用決定等離子體炬熱效率的變化，顯然，其中氣體流量的增大對熱電弧與電弧室壁面間換熱的減弱效果起到了主導(dǎo)作用。

圖3 不同輸入功率時等離子體炬的工作氣體質(zhì)量流量和熱效率Fig. 3 Gas flow and heat efficiency of the plasma torch at different input powers

圖4 給出的是不同輸入功率時等離子體炬射流的比焓和平均溫度。從圖中可以看出：等離子體炬出口射流的比焓≥8.5 MJ/kg，平均溫度≥4300 K，當(dāng)?shù)入x子體炬輸入功率為152.0 kW 時出口射流的比焓和溫度達(dá)到最大值，分別為10.29 MJ/kg 和5006 K；當(dāng)輸入功率由152.0 kW 增加到250.0 kW時，射流的比焓和平均溫度隨著輸入功率的增大而不斷降低，因?yàn)榇藭r相比于電流增大的影響，氣體流量增大的影響起到主導(dǎo)作用；而當(dāng)輸入功率分別由104.1 kW 增加到152.0 kW、由250.0 kW 增加到299.8 kW 時，射流的比焓和溫度則呈現(xiàn)出緩慢上升的趨勢。這可能與這2 個階段氣體流量的增幅相比于其他狀態(tài)更小有一定的關(guān)系，這一點(diǎn)在圖3 中氣體流量的變化中有比較清楚的體現(xiàn)。

圖4 不同輸入功率時的等離子體炬射流比焓和平均溫度Fig. 4 Enthalpy and average temperature of the plasma jet at different input powers

2.2 同輸入功率、不同電弧電流與負(fù)載電壓組合時的等離子體炬熱特性

圖5 給出的是輸入功率分別設(shè)定為150 kW 和250 kW，采用不同的電弧電流和負(fù)載電壓組合時等離子體炬的熱效率和工作氣體流量?？梢钥闯觯涸谙嗤妮斎牍β蕳l件下，電弧電流和負(fù)載電壓的匹配設(shè)計對等離子體炬的熱效率會產(chǎn)生較大影響——當(dāng)輸入功率為250 kW，電弧電流和負(fù)載電壓分別設(shè)計為470 A 和531 V 時，等離子體炬的熱效率為71.4%；而當(dāng)電弧電流和負(fù)載電壓分別設(shè)計為550 A和455 V 時，熱效率則降低到61.7%。當(dāng)輸入功率為150 kW 時表現(xiàn)出同樣的規(guī)律，當(dāng)電弧電流設(shè)計為450 A 時，等離子體炬的熱效率僅有40%。在相同輸入功率條件下，若增大電弧電流，為獲得設(shè)計負(fù)載電壓，氣體流量是減少的。本文前面的分析已表明，電弧電流增大和氣體流量減小都會導(dǎo)致熱電弧向電弧室壁的傳熱增強(qiáng)，即等離子體炬的熱損失增加，噴槍熱效率下降。因此，在特定功率條件下，采用較低的電弧電流和較高的負(fù)載電壓匹配能夠獲得較高的熱效率。

圖5 同輸入功率、不同電弧電流與負(fù)載電壓組合時的等離子體炬氣體流量和熱效率Fig. 5 Gas flow and heat efficiency of the plasma torch at different current and voltage pairs with a constant power

圖6 給出的是輸入功率分別設(shè)定為150 kW 和250 kW，設(shè)計不同的電弧電流和負(fù)載電壓組合時射流的比焓和平均溫度?？梢钥闯觯涸谙嗤妮斎牍β蕳l件下，不同的電弧電流和負(fù)載電壓組合時射流的比焓和平均溫度同樣會有較大的差別，但與熱效率的變化不同的是，在相同輸入功率條件下，采用較大的電弧電流時獲得的射流比焓和平均溫度較高。當(dāng)輸入功率為250 kW 時，電弧電流和負(fù)載電壓分別設(shè)計為470 A 和531 V 時，射流的比焓和平均溫度分別為7.73 MJ/kg 和4016.4 K；而把電弧電流增大到470 A 時，射流的比焓和平均溫度分別提高到9.2 MJ/kg 和4578 K。當(dāng)輸入功率為150 kW 時，射流比焓和平均溫度的變化與輸入功率為250 kW時類似，分別由電弧電流為300 A 時的7.08 MJ/kg和3828 K 升高到電弧電流為450 A 時的10.3 MJ/kg和5007 K。可見，在特定功率條件下，設(shè)計較大的電弧電流時，射流比焓的增大同樣是由于氣體流量的減小引起的，盡管此時等離子體炬的熱效率降低，熱損失增加，但在總能量上依然使得氣體的比焓增大了。綜合以上分析，在特定功率條件下，電弧電流和負(fù)載電壓的匹配設(shè)計需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，綜合考慮射流比焓（或平均溫度）與等離子體炬的熱效率而平衡確定。

圖6 同輸入功率、不同電弧電流與負(fù)載電壓組合時的等離子體炬射流比焓和平均溫度Fig. 6 Enthalpy and average temperature of the plasma jet at different current and voltage pairs with a constant power

2.3 同氣體流量、不同電弧電流時的等離子體炬熱特性

圖7 和圖8 分別給出氣體流量設(shè)計為13.5 g/s，電弧電流在400～550 A 間變化時等離子體炬的熱效率和負(fù)載電壓，以及射流比焓和平均溫度。從圖7可以看出，氣體流量不變，電弧電流增大時，等離子體炬的熱效率會有所降低，電弧電流分別設(shè)計為400 A、450 A、500 A 和550 A 時，熱效率分別為66.3%、64.0%、59.8%和56.5%。這與電弧電流增大時，熱電弧通過熱邊界層和外圍氣流與電弧室壁間進(jìn)行的對流換熱以及輻射傳熱強(qiáng)度增加從而導(dǎo)致的熱損失增加有關(guān)。從圖7 還可以看出，在該氣體流量條件下，當(dāng)電弧電流增大時，負(fù)載電壓是降低的，即等離子體炬伏安特性的下降；對于所研究的等離子體炬，可近似采用圖中給出的多項(xiàng)式對其伏安特性進(jìn)行描述。從圖8 可以看出，等離子體炬射流的比焓和平均溫度隨電弧電流的增大而提高，電弧電流由400 A 逐步增大到550 A 時，射流的比焓和溫度分別由8.95 MJ/kg 和4480 K 提高到9.70 MJ/kg 和4800 K?？梢?，盡管隨著電弧電流的增大負(fù)載電壓降低了，但等離子體炬的總功率依然由182.8 kW提高到228.3 kW，使得投入到氣體中的總能量增加，故在氣體流量不變的條件下，射流的比焓和平均溫度升高。

圖7 同氣體流量、不同電弧電流時的等離子體炬負(fù)載電壓和熱效率Fig. 7 Load voltage and heat efficiency of the plasma torch at different currents with constant gas flow

圖8 同氣體流量、不同電弧電流時的等離子體炬射流比焓和平均溫度Fig. 8 Enthalpy and average temperature of the plasma jet at different currents with constant gas flow

2.4 等離子體炬射流長度變化規(guī)律分析

1）不同輸入功率時的等離子體炬射流長度

圖9 顯示的是不同輸入功率時的等離子體炬射流長度?？梢钥吹?，總體而言，射流長度隨著輸入功率的增大不斷增加：當(dāng)輸入功率從104.1 kW增加到299.8 kW 時，射流長度的增幅為36.9%，這與電弧電流和氣體流量的增大有直接關(guān)系；當(dāng)輸入功率為299.8 kW 時，從射流圖像中可以間斷性地看到電弧的存在，這可能是由于此時氣體流量較大，在氣動力的作用下，電弧在陽極上的閉合部分（徑向部分）向出口彎曲并與電極出口的尖緣間產(chǎn)生了小尺度電弧分流。

圖9 不同輸入功率時的等離子體炬射流長度Fig. 9 Length of the plasma jet at different input powers

2）同輸入功率、不同電弧電流與負(fù)載電壓組合時的等離子體炬射流長度

圖10 顯示的是等離子體炬輸入功率設(shè)定為150 kW，設(shè)計不同的電弧電流和負(fù)載電壓組合時射流的長度。整體來看，在輸入功率固定時，采用較高的電弧電流和較低的負(fù)載電壓匹配時，射流長度比采用低電流高電壓匹配時的要短——功率設(shè)定為150 kW，電弧電流為450 A 時的射流長度比電弧電流為300 A 時的減小約26%。功率設(shè)定為250 kW時，電弧電流的變化對射流長度的影響規(guī)律與功率設(shè)定為150 kW 時高度一致。

圖10 不同電弧電流與負(fù)載電壓組合時的等離子體炬射流長度（輸入功率為150 kW）Fig. 10 Length of the plasma jet at different current and voltage pairs (P=150 kW)

3）同氣體流量、不同電弧電流時的等離子體炬射流長度

圖11 顯示的是氣體質(zhì)量流量設(shè)計為13.5 g/s，電弧電流在400～550 A 間變化時等離子體炬射流的長度?？梢园l(fā)現(xiàn)，在氣體流量不變時，隨著電弧電流的增大，等離子體炬射流長度有所減小，但程度并不大，電弧電流由400 A 增加到550 A 時，射流長度僅減小7%左右。

圖11 同氣體流量、不同電弧電流時的等離子體炬射流長度Fig. 11 Length of the plasma jet at different currents with constant gas flow

3 結(jié)束語

本文采用地面試驗(yàn)方法，以自穩(wěn)弧型雙電弧室軸線式電弧等離子體炬為對象，研究得到在不同輸入功率，相同輸入功率、不同電弧電流與負(fù)載電壓組合，相同氣體流量、不同電弧電流時，等離子體炬的熱效率、射流焓值和溫度特性及其變化規(guī)律，對射流形貌進(jìn)行了一定程度的可視化分析。研究結(jié)果表明：

1）在電弧電流與負(fù)載電壓的取值與設(shè)計值接近的條件下，當(dāng)?shù)入x子體炬輸入功率在特定的范圍內(nèi)變化時，熱效率與輸入功率呈正相關(guān)性，射流的比焓和溫度則隨著功率的增大呈現(xiàn)出先升高后降低再升高的變化趨勢。

2）在特定功率條件下，采用較低的電弧電流和較高的負(fù)載電壓匹配能夠獲得較高的等離子體炬熱效率，但射流的比焓和平均溫度會降低。

3）在氣體流量不變、電弧電流增大時，等離子體炬的伏安特性呈下降曲線；等離子體炬熱效率單調(diào)降低，而等離子體炬總功率依然會提高，射流的比焓和溫度也隨之提高。

4）等離子體炬射流長度受電弧電流和氣體流量變化的影響；相較于電弧電流，氣體流量的變化對射流長度的影響更具主導(dǎo)作用。