Импульсные потоки в электротермическом ускорителе и их воздействие на элементы конструкции

Суханова, Любовь Александровна

Импульсные потоки в электротермическом ускорителе и их воздействие на элементы конструкции тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

Суханова, Любовь Александровна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2005 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.13 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Импульсные потоки в электротермическом ускорителе и их воздействие на элементы конструкции»

Автореферат диссертации на тему "Импульсные потоки в электротермическом ускорителе и их воздействие на элементы конструкции"

На правах рукописи

СУХАНОВА ЛЮБОВЬ АЛЕКСАНДРОВНА

ИМПУЛЬСНЫЕ ПОТОКИ В ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОМ УСКОРИТЕЛЕ И ИХ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ

Специальность 01.04.13 - электрофизика, электрофизические установки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор: С^}

Москва-2005

Работа выполнена в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете), Москва

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Школьников Эдуард Яковлевич

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Агафонов Алексей Вениаминович,

кандидат физико-математических наук Черненко Андрей Сергеевич

Ведущая организация: Государственный Научный Центр Российской

Федерации Троицкий Институт Инновационных и Термоядерных Исследований (ГНЦ РФ ТРИНИТИ), г.Троицк, Московская обл.

Защита состоится "fl" ДД/КЛ^J^2005 г. в _[1_ час. в аудитории на заседании диссертационного совета Д 212. 130. 01 в МИФИ по адресу: 115409, г.Москва, Каширское шоссе, 31, тел.324-84-98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Просим Вас принять участие в обсуждении диссертации или прислать отзыв в 1-м экземпляре, заверенный печатью Вашей организации.

Автореферат разослан

"1L"

iil2005r.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

И.С. Щедрин

Подписано в печать 10.11.05. Формат 60x84 1/16. Печ л. Тираж 100 экз. Заказ Х«746

Типография МИФИ. 115409, Москва, Каширское ш , 31

¿М9006Ч

Общая характеристика работы.

Использование импульсных электротермических ускорителей для ускорения микрочастиц порошковых материалов с целью нанесения покрытий на поверхность различных изделий обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными газотермическими установками: HVOF (High Velocity Oxy-Fuel) установками, детонационными пушками и плазмотронами. В частности, электротермические ускорители позволяют получить существенно более высокие скорости внедрения микрочастиц в подложку (в 2-ьЗ раза выше существующих); осуществлять независимую регулировку скорости и температуры нагрева микрочастиц при заданном температурном режиме ускорения; наносить покрытия в контролируемой по составу и давлению среде, в т.ч. в атмосферных условиях и в среде инертных газов; использовать электрическую энергию, которая экологически чище и безопаснее горючих газов; осуществлять регулировку, перестройку режимов работы и адаптацию к различным условиям нанесения покрытий.

Первые работы по применению импульсных плазменных ускорителей для нанесения покрытий из порошковых материалов появились в конце семидесятых годов прошлого века. Эти ускорители представляли собой коаксиальные рельсотроны, разрядный промежуток которых образован коаксиальными коническими или цилиндрическими электродами. Появившиеся позже разработки продемонстрировали принципиальную возможность ускорения и нагрева микрочастиц порошка с помощью импульсных электродинамических и электротермических ускорителей.

Новые результаты по применению электротермических ускорителей для нанесения покрытий из порошковых материалов были получены в результате проведенных исследований в МИФИ. В частности, был разработан способ ускорения микрочастиц областью ударно-сжатого газа в импульсном потоке, генерируемом в электротермическом ускорителе, а

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА с.петnhmfn ОЭ ЩУ шф>0О . 1 1 г

пульсном потоке, генерируемом в электротермическом ускорителе, а также способы формирования этой области.

Установка на базе импульсного электротермического ускорителя способна ускорять микрочастицы мелких и средних фракций (1 мкм и более) и имеет потенциальные возможности ускорять микрочастицы с размерами менее 1 мкм. Внутренний диаметр ствола установки может составлять величину от единиц миллиметров до 15+20, мм. Частота выстрелов определяется мощностью энергопитания установки, долговечностью ее узлов и может достигать десятков Гц, при этом средняя производительность нанесения покрытий не уступает детонационным установкам: 1,5+5 кг/час. Установка обладает малыми габаритами (0,5x0,5x1 м3), при этом имеется возможность размещать ее ускорительный блок в робототехнических устройствах.

Высокие скорости внедрения микрочастиц в подложку являются одним из наиболее важных факторов, влияющих на качество покрытий. Имеются потенциальные возможности создавать покрытия с рекордными значениями адгезии - более 10 МПа и пористости - менее 0,1%. Высокие скорости микрочастиц порошковых материалов дают также возможность отказаться от предварительной пескоструйной обработки подложки и значительно облегчить ее предварительную термическую обработку, что расширяет диапазон применения такой технологии. Температуры ускоряющих потоков позволяют доводить до плавления практически любой порошковый материал. Установка имеет возможности для нанесения комплексных покрытий, создавая "слоеные" или комбинированные покрытия. Малые размеры пятен на подложке (1+2 мм), которые способна реализовать установка, позволяют создавать точечные покрытия, весьма актуальные в ряде приложений.

Отмеченные преимущества рассматриваемого способа нанесения покрытий дают возможность создавать покрытия с уникальными свойствами

и реализовать перспективные многофункциональные технологии, недоступные другим способам.

Целью диссертации является:

• создание физической модели и анализ на ее основе динамики ускорения и нагрева микрочастиц;

• анализ формирования области ударно-сжатого газа импульсного потока в ускорителе с бустерной частью ствола;

• создание экспериментальных макетов, исследование эрозионного износа электродов в разрядном узле ускорителя, поиск конфигураций электродов, минимизирующих эрозионный износ;

• создание физических моделей абляционных процессов в разрядном узле ускорителя;

• теоретическое и экспериментальное исследование абляционного износа диэлектрических стенок разрядного промежутка;

• экспериментальные исследования ресурса работы элементов разрядного узла ускорителя и методов его увеличения;

• теоретическое и экспериментальное исследование по оптимизации размеров и конфигурации разрядного промежутка ускорителя;

• анализ тепловых процессов в элементах конструкции ускорителя.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Впервые проведен анализ динамики ускорения и нагрева микрочастиц в различных частях импульсного потока аргоновой плазмы, установлены времена полного противления микрочастиц и их скорости на момент полного проплавления.

2. Впервые определены параметры области ударно-сжатого газа, формируемой в бустерной области ствола ускорителя, показано, что про-

тяженность данной области увеличивается в 4+5 раз по сравнению с классической схемой ускорительного тракта при сохранении значения плотности газа в ней.

3. Впервые экспериментально показано, что введение профилированных электродов в разрядный узел электротермического ускорителя снижает их эрозионный износ более чем на порядок.

5. Впервые показано, что введение в цепь импульсного электропитания разрядного промежутка управляемого вакуумного разрядника позволяет снять ограничения на стабильную работу разрядного промежутка.

6. Впервые показано, что оптимизация размеров и конфигурации разрядного промежутка позволяет снизить на треть величину запасенной энергии, снизить эрозионные и абляционные потери, поднять эффективность преобразования энергии в два раза при сохранении скорости ударной волны.

7. Впервые показано, что увеличение внешнего диаметра корундовых изоляторов в разрядном промежутке и охлаждение их водой позволяет реализовать режим работы разрядных узлов и ускорительного тракта при частотах следования импульсов 15 Гц и выше.

Практическая ценность. Полученные в работе результаты дают возможность создать промышленный образец установки по нанесению покрытий из порошковых материалов, которая имеет существенные преимущества перед аналогами - установками газотермического напыления: газопламенными, детонационными, плазмотронными и НУОР-установками. Использование бустерной части ствола позволяет осуществить практиче-

ски независимую регулировку скорости микрочастиц и температуры их нагрева, производить перестройку ускорителя для различных режимов работы и адаптировать его к различным технологическим и производственным процессам. Это дает возможность проводить ускорение микрочастиц с широким диапазоном материалов и размеров и создавать покрытия с уникальными характеристиками. На защиту выносится

1. Результаты анализа ускорения и нагрева микрочастиц в различных областях импульсных потоков аргоновой и воздушной плазмы.

2. Результаты анализа динамики импульсных потоков и формирования области ударно-сжатого газа в ускорителе с бустерной частью ствола.

3. Результаты исследования электроэрозионных процессов в разрядном узле электротермического ускорителя с прямыми и профилированными электродами.

4. Результаты моделирования и экспериментального исследования воздействия теплового излучения плазмы разряда на диэлектрические стенки разрядного промежутка ускорителя.

5. Результаты экспериментального исследования ресурса работы разрядно-

го узла ускорителя с различными схемами построения разрядных узлов.

6. Результаты оптимизации размеров и конфигурации разрядного промежутка ускорителя для повышения его эффективности и ресурса работы.

7. Результаты расчетного и экспериментального исследования теплового режима элементов конструкции разрядного узла и ускорительного тракта.

ров ускорителя, дублированием измерений посредством использования различных экспериментальных методик.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации были представлены на следующих симпозиумах и конференциях: 1 Ith International Symposium on Electromagnetic Launch Technology, Saint Louis, France, 14-19 May, 2002; 12th International Symposium on Electromagnetic Launch Technology, Snowbird, Utah, USA, 25-28 May, 2004; 15th IEEE International Pulsed Power Conference (PPC-2005), Monterey, California 13-17 June, 2005;Научная сессия МИФИ-2002, Москва, МИФИ, 21-25 января 2002 г.; Научная сессия МИФИ-2003, Москва, МИФИ, 27-31 января 2003 г.; Научная сессия МИФИ-2004, Москва, МИФИ, 26-30 января 2004 г.; Научная сессия МИФИ-2005, Москва, МИФИ, 24-28 января 2005 г.; XIV научно-техническая конференция «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (ДАТЧИК-2002)», Судак, Украина, 24-31 мая 2002 г.; XVI научно-техническая конференция «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (ДАТЧИК-2004)», Судак, Украина, 24-31 мая 2004 г.;Х1Х Международный семинар по ускорителям заряженных частиц, Алушта, Украина, 12-18 сентября 2005г.

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 10 работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 70 источников.Общий объем работы - 119 страниц, из них 99 страниц основного текста, 73 рисунка, 6 таблиц.

Содержание работы.

В первой главе рассматривается динамика импульсных потоков в электротермическом ускорителе для различных конфигураций разрядного узла и ствола.

Структура импульсного потока, который генерируется в электротермическом ускорителе, позволяет выделить в нем две характерные области. Первая область, т.н. область ударно-сжатого газа (ОУСГ), следует за головной ударной волной, которая, распространяясь по стволу ускорителя, вовлекает в движение находящийся в нем газ и образует тем самым ударно-волновое течение. Вторая область представляет собой высокоскоростной плазменный поток, нагретый током импульсного разряда.

Для проведения анализа ускорения и нагрева микрочастиц в данных областях, которые моделировались стационарными потоками с постоянным по пространству распределением их параметров (плотностью, скоростью и температурой) были использованы две физические модели, разработанные для двух газовых сред: воздушной и аргоновой. Динамика микрочастиц в воздушном плазменном потоке анализировалась с помощью одномерной нестационарной гидродинамической модели (программа LAUNCH). Физическая модель динамики микрочастиц в потоке аргоновой плазмы включала в себя уравнения движения микрочастицы в ускоряющем аргоновом потоке, уравнение, описывающее динамику ее нагрева в результате воздействия на поверхность этой микрочастицы теплового потока, а также уравнения для нахождения транспортных коэффициентов (теплопроводности и вязкости) ускоряющего потока. Расчеты проводились с учетом четырех стадий состояния микрочастицы: нагрева до температуры плавления, плавления, нагрева до температуры испарения и испарения.

Анализ показал, что при попадании микрочастиц различных порошковых материалов (корунд, никель, карбид вольфрама и др.) в поток как ар-

гоновой, так и воздушной плазмы происходит их чрезвычайно быстрый и неконтролируемый нагрев, при этом микрочастица не успевает достичь сколь-нибудь заметных значений скоростей: конечная скорость микрочастицы в данном случае не превышает 0,1 от скорости потока. Подобное обстоятельство делает ускорение микрочастиц в плазменной части потока крайне неэффективным.

Ускорение микрочастиц в ОУСГ радикально отличается от их ускорения в плазменной части потока. Благодаря относительно низким значениям температур и высоким значениям плотности газа, значения скоростей микрочастиц достигают величины до 0,95 от скорости потока, что более чем на порядок превосходит аналогичные значения в случае их ускорения в плазменной части потока.

Формирование ОУСГ, которая обеспечивает высокоэффективное ускорение микрочастиц порошковых материалов при заданном температурном режиме, может быть проведено несколькими способами, которые различаются конфигурацией областей распространения импульсных потоков и расположением разрядных промежутков. Простейшая структура ускорителя, содержащая один разрядный промежуток и однородный ствол, позволяет достичь высоких значений скоростей с сохранением заданного температурного режима лишь для весьма малых значений размеров и плотностей материала. Способ пространственно-временного профилирования ударной волны в какой-то степени позволяет устранить ограничения простейшей структуры ускорителя. Это связано с тем, что первичный поток, генерируемый в первом разрядном промежутке формирует ОУСГ заданной длины, а вторичный поток, генерируемый во втором промежутке, доускоряет ее. Вместе с тем, отсутствие торцевой стенки во втором промежутке не делает эффективной генерацию потока. К тому же из-за малой протяжен-

ности ОУСГ вторичного течения результирующая ОУСГ также уменьшает свою длину.

Формирование ОУСГ с помощью бустерной части ствола - дополнительной цилиндрической полости с диаметром, большим, чем диаметр ствола, позволяет получать протяженность ОУСГ существенно большей (в несколько раз), чем аналогичная величина для способов, описанных выше, при прочих равных условиях. Данный способ формирования ОУСГ позволяет получать также высокие значения ее скорости. Это связано с тем, что место формирования ОУСГ (на выходе из бустера) находится на сравнительно малых расстояниях от разрядного промежутка, так что заметной диссипации скорости ударной волны не происходит.

Анализ распространения потоков в ускорительном тракте с бустерной частью ствола выявил наличие ряда динамических эффектов, один из которых связан с образованием локальных давлений в области выходного конусного перехода из бустера в ствол. В дальнейшем передний градиент этого давления ускоряет поток в сторону ствола, а задний градиент вовлекает в движение газ, первоначально распространяющийся к выходу из бустерной области, в противоположное направление.

Для получения более детальной информации о динамке газовых потоков в ускорителе с бустерной областью ствола были проведены газодинамические расчеты с использованием двумерной модели, разработанной в ВНИИ ЭФ. Первоначально весь объем газа, находящийся в ускорительном тракте, был разбит на несколько частей. Как показали расчеты, интенсивного перемешивания выделенных газовых объемов, а следовательно, и возникновения турбулентных течений не происходит. Можно отметить лишь деформацию самих этих объемов и особенно их границ. Следует также отметить, что рассматриваемая структура ускорителя с бустерной областью ствола позволяет достаточно просто и в широких пределах регу-

лировать параметры ОУСГ. С этой целью можно варьировать геометрические размеру цилиндрической части бустерной области и конусных переходов, что дает возможность реализовать эффективное ускорения микрочастиц порошковых материалов в широком диапазоне их размеров и плотностей.

Во второй главе проведено исследование электроэрозионных процессов в разрядном узле импульсного электротермического ускорителя. Одним из требований, накладываемых на установку, работающую в промышленных условиях, является ее бесперебойная работа в течение всего технологического процесса нанесения покрытий. С этой целью необходимо решение проблемы увеличения срока службы элементов разрядного узла ускорительного тракта и, в частности, увеличения срока службы электродов, которые подвергаются интенсивному эрозионному износу.

Исследования электроэрозионных процессов проводились с помощью специально разработанного экспериментального макета импульсного электротермического ускорителя (рис.1), содержащего два разрядных промежутка: вспомогательный и основной. Макет позволял в ходе проведения экспериментов оперативно осуществлять замену электродов, изменять их конфигурацию и уровень энергии, вкладываемой в разряд. Эксперименты проводились при зарядном напряжении емкостного накопителя 10 кВ и 12 кВ, при этом один из электродов основного разрядного промежутка заземлялся, в то время как потенциал второго электрода (потенциального электрода) мог принимать как положительные, так и отрицательные значения. В процессе экспериментов происходило взвешивание электродов основного разрядного промежутка через каждые 50+100 разрядных импульсов, а также проводились измерения разрядного тока и напряжения на емкостном накопителе. Эксперименты показали, что во всех случаях унос массы с заземленного электрода больше, чем с потенциального. Из рассмотренных

материалов наибольшей эрозии подвергались стальные электроды, а наименьшей - электроды из эрозионно-стойкого сплава ВНЖ. Увеличение уровня энерговложения приводило к увеличению эрозионной массы примерно пропорционально вложенной энергии. Смена полярности импульсов не изменила абсолютные значения разрядного тока, напряжения на накопителе, сопротивления разряда и вкладываемой в разряд энергии, а также количества эрозионного уноса массы. Следует отметить, что во всех рассмотренных выше случаях наибольший эрозионный износ наблюдался на острых кромках электродов, обращенных к разрядному промежутку, причиной чему являлась привязка разрядного тока к данным областям.

Рис. 1. Макет импульсного электротермического ускорителя.

С целью снижения плотности тока были предложены т.н. профилированные конфигурации электродов, внутренние (токовые) поверхности которых обладают большими площадями и образованы выпуклыми и вогнутыми сферическими поверхностями. Экспериментальные измерения показали, что электрические характеристики разрядных цепей с разными конфигурациями электродов различаются незначительно, в то время как унос массы с наиболее подвергающихся эрозии электродов в случае профилированной конфигурации уменьшается на порядок. При этом практически не наблюдалось различий по этому показателю у вогнутых тг выпуклых

конфигураций. Особо следует остановиться на эрозии профилированных электродов из ВНЖ. Эксперименты показали, что их эрозионный износ не превышает 0,01 мг/имп, что позволяет установке работать без замены электродных систем в течение нескольких рабочих смен.

С целью ощ>еделения влияния конфигурации разрядных узлов на кинетические характеристики импульсных потоков в ускорителе были проведены измерения скорости ударных волн по времяпролетной методике с использованием пьезокерамических датчиков давления. Эксперимент показал, что заметного отличия в скорости ударной волны для прямых и профилированных электродов разрядного промежутка не наблюдается. Это связано с тем, что основное вложение энергии происходит в капиллярной части разрядного промежутка, которая идентична для всех электродных систем.

В третьей главе проведен анализ динамики абляционных процессов диэлектрических стенок разрядного промежутка.

При характерных значениях токов разряда 50 -г- 70 кА и длительности энерговложения 5 * 15 мкс поверхностная температура плазменного шнура в капиллярной части разрядного промежутка составляет 25 -з- 35 кК, а плотность импульсного теплового потока, падающего на диэлектрические стенки, достигает 107-гЮ8 Вт/см2. В результате воздействия этих потоков происходит быстрый нагрев диэлектрических стенок разрядного промежутка вплоть до температуры испарения их материала, приводящий к интенсивным абляционным явлениям, а, учитывая частотный режим работы установки, в конечном итоге к разрушению капиллярной части разрядного промежутка.

Для определения теплового излучения плазмы импульсного разряда были использованы две физические модели. Одна из них, LAUNCH, позволяла определить тепловой поток с поверхности воздушной плазмы. Для

нахождения излучения с поверхности аргоновой плазмы была разработана физическая модель, основанная на изобарическом приближении, которое заключалось в том, что давление (равно как температура и плотность) считалось постоянным по длине ствола и зависело только от времени. Данное обстоятельство остается справедливым в случае малых линейных размеров системы.

Предполагается также, что в силу высокой плотности плазмы и, что более важно, высокой степени ионизации, в ней устанавливается локальное термодинамическое равновесие, описываемое соотношением Саха (в силу быстрого протекания процессов ионизации, возбуждения электронных уровней, рекомбинации, процессов второго рода, связанных с ударами электронов). Вместе с тем, в силу малых размеров системы, излучение в рассматриваемых условиях не находится в равновесии с плазмой. Такое представление позволяет получить приемлемые количественные результаты для коротких импульсов энерговложения, когда область энерговыделения расширяется на величину, не намного превышающую длину разрядного промежутка. В рассматриваемых режимах работы ускорителя это соответствует времени вложения энергии 5+20 мкс. Модель включает в себя уравнение энергетического баланса аргонового газа, уравнение состояния

газа, в котором учитываются первая и вторая ионизация, а также уравнения

♦

движения газа.

Проведенные с помощью описанных выше моделей расчеты показали, что происходит быстрый рост температуры и плотности потока излучения как воздушной, так и аргоновой плазмы под действием тока разряда. Эти величины достигают своего максимума в момент окончания поступления энергии в разряд, после чего плотность потока излучения практически за такое же время спадает до весьма малых величин при охлаждении газа (10-12 кК).

Определение радиационного излучения плазмы разряда дало возможность построить физическую модель распространения теплового потока в диэлектрической стенке разрядного промежутка, которая основана на численном решении нестационарного уравнения теплопроводности.

Расчеты динамики абляции в корундовом изоляторе, проведенные с использованием данных моделей, показали, что основной перепад температур образуется в довольно узком слое керамической корундовой втулки - в пределах 3 мкм. Собственно аблирующие слои проникают вглубь корунда на достаточно малую глубину, не превышающую 1 мкм. Из-за очень большой величины плотности радиационного потока и быстрого нарастания его со временем, абляционный процесс практически безынерционен. Расчеты также показали, что при фиксированной величине вкладываемой в разряд энергии с увеличением длительности ее поступления происходит увеличение толщины слоя изолятора, который успевает прогреться до температуры испарения, что ведет к увеличению аблирующей массы. Величина аблирующей массы для аргоновой и воздушной плазмы примерно одинакова, что объясняется идентичностью радиационных потоков. Весьма большие величины плотности радиационных потоков, малые времена их нарастания не дают должного эффекта от применения (в разрядных промежутках ускорителя) керамик (например, ВеО) с достаточно высококачественными теплофизическими характеристиками.

Экспериментальное определение уноса абляционной массы диэлектрических втулок разрядного промежутка в воздушной среде было проведено на описанном выше макете электротермического ускорителя. Корундовые керамические втулки с внутренним диаметром 6 мм размещались между двумя электродами различной конфигурации, изготовленными из различных материалов. Эксперименты показали, что практически нет различия в степени абляционного износа изолятора для любого вида электродов.

Сравнение результатов расчета абляционного износа с экспериментальными результатами показало, что экспериментальное значение абляционной массы меньше расчетного: 0,5 -ь 0,8 мг/имп. и 2,6 мг/имп. соответственно. Можно выделить следующие причины такого расхождения: не учтенный в физической модели так называемый эффект «испарительной защиты» (vapor shielding) и проведение теоретического анализа с помощью одномерной модели.

В четвертой главе рассматриваются вопросы оптимизации разрядного узла электротермического ускорителя для его адаптации к промышленным условиям.

Рис.2. Конфигурации разрядных узлов макетов электротермического ускорителя. а-двухэлектродный без внешнего ключа, б-трехэлектродный без внешнего ключа, в-двухэлектродный с внешним ключом, г-трехэлектродный с внешним ключом.

Исследование ресурса работы установки проводились на четырех экспериментальных макетах, конфигурации разрядных узлов и схемы импульсного электропитания которых представлены на рис.2. Разрядные узлы макетов построены по двух и трехэлектродной схеме, также в цепях электропитания использовался управляемый вакуумный разрядник РВУ-27.

Первые эксперименты, проведенные с макетом рис.2а, показали ограниченный ресурс работы разрядного узла, составившего около 200 разрядов, после которых в разрядном промежутке происходили самопробои. Рентгеноспектральный анализ поверхности керамических изоляторов показал оседание на них продуктов эрозии электродов, тонкий слой которых вблизи электродов способствовал самопробою промежутка. Для устранения этого эфекта была использована трехэлектродная схема разрядного узла, основной промежуток которого образован кольцевыми электродами, не образующими закрытой области, что препятствует оседанию проводящего слоя. Экспериментальные исследования продемонстрировали отсутствие самопробоев вплоть до 1500 разрядов. Рентгеноспектральный анализ показал, что концентрация металлических примесей на поверхности керамических изоляторов мала, поэтому причиной самопробоев в данном случае, по всей видимости, явилась модификация поверхности керамики под воздействием тепловых потоков.

Для дальнейшего увеличения ресурса работы разрядного промежутка в цепь его импульсного электропитания был включен управляемый коммутатор. Для этого случая на электроды промежутка подается напряжение в тот момент времени, когда зарядка емкостного накопителя уже завершена. Это позволило для трехэлектродной схемы разрядного узла (рис.2г) реализовать режим работы, когда было проведено более 6-103 разрядов и никаких ограничений по срабатыванию промежутка отмечено не было. Следу-

ет, однако, отметить, что для последнего случая наблюдался сильный абляционный износ керамических втулок (энергия в разряде составляла около 1 кДж).

При фиксированных емкостном накопителе, его зарядном напряжении и паразитных параметрах разрядных цепей управление разрядным током, а следовательно, гидродинамическими и термодинамическими характеристиками импульсных потоков можно осуществлять изменением геометрических размеров разрядного промежутка, а именно диаметром и длиной его капиллярной части. Анализ, проведенный с помощью физической модели ускорителя LAUNCH, показал, что уменьшение диаметра разрядного капилляра с 6 мм до 4 мм и 3 мм сопровождается резким увеличением электрического сопротивления плазмы разряда, что приводит к уменьшению максимального тока и переводу его временной зависимости из колебательного в апериодический режим. За счет увеличения сопротивления разряда увеличивается эффективность передачи энергии в разряд. Возрастание плотности энерговложения в разрядном промежутке увеличивает скорость ударной волны. В то же время увеличение температуры разрядной плазмы происходит в существенно меньшей степени, чем увеличение давления, которое возрастает в несколько раз. Все это дает возможность улучшить электрические и газодинамические характеристики ускорителя и уменьшить эрозионный износ. Так, снижение значения диаметра капиллярной части промежутка с 6 мм до 4 мм позволяет уменьшить энергопотребление установки более чем на треть при сохранении скорости ударной волны. Отметим, что влияние длины разрядного промежутка на газодинамические и термодинамические характеристики не столь значительны. Экспериментальные измерения, связанные с определением энергии, дисси-пированной в разряд, и скорости ударной волны, показали удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментальных данных.

В экспериментах с уменьшенными значениями диаметра капиллярной части промежутка обнаружилась опасность разрушения керамических изоляторов из-за возрастания давления плазмы в области разрядного промежутка. Для увеличения механической прочности разрядного промежутка были использованы секционированные изоляторы, которые представляют собой набор чередующихся диэлектрических и металлических дисков. Эксперименты показали, что введение секционированного изолятора увеличивает величину разрядного тока, что связано с увеличением внутреннего объема капиллярной области разрядного промежутка и как следствие уменьшением сопротивления плазмы разряда. Измерения скоростей ударных волн показали их некоторое уменьшение при введении секционированного разрядного промежутка, что объясняется уменьшением объемной плотности энерговложения. Эксперименты также продемонстрировали стабильную работу секционированного промежутка без его механического разрушения.

До 90% энергии, вложенной в разряд, выделяется в виде излучения, при этом часть его остается в объеме разрядного промежутка, образуя тепловые потоки, падающие на его стенки. Эти потоки нарабатывают абляционную массу с поверхностных слоев электродов и изолятора разрядного промежутка и распространяются внутрь элементов конструкции разрядного узла, создавая значительные тепловые нагрузки. Положение усугубляется частотным режимом работы установки (Ю-гЗО имп/с), который предполагается при её промышленном использовании.

Моделирование тепловых процессов в элементах конструкции установки было проведено с помощью пакета прикладных программ ANSYS 8.0. В качестве объекта анализа была выделена область установки, включающая в себя основной разрядный промежуток с примыкающими к нему металлическими фланцами и диэлектрическими шпильками с постоянной началь-

ной температурой, на внешней границе которых полагался конвективный теплообмен с внешней средой - воздухом. В области энерговыделения -капиллярной части разрядного промежутка задавалась плотность потока энергии, выделяющейся из разряда в виде излучения, вычисленная с помощью ранее описанных физических моделей импульсных потоков в электротермическом ускорителе. Значения температур определялись в середине капиллярной части разрядного промежутка на ее внутренней и внешней поверхностях, а также на поверхности фланцев в месте их контакта с керамическими втулками.

Анализ работы установки с частотой 0,5 Гц (экспериментальный режим работы) показал, что наиболее интенсивный нагрев происходит в первые 200 с. Середина разрядного промежутка является самым прогреваемым местом, а разность температур нагрева торцов керамических втулок в разрядном промежутке и его середины достаточно велика и составляет порядка 100°С. Подобное распределение температуры по поверхности втулок связано с отводом теплового потока от керамических втулок к металлическим фланцам. При этом фланцы нагреваются до заметно меньших температур, чем керамические изоляторы.

Увеличение частоты работы установки сильно сказывается на ее тепловом режиме. Так уже при частоте, равной 4 Гц, весь объем керамических втулок достигает температуры плавления менее чем за 300 с после рачала прогрева. В этой связи были проанализированы режимы работы установки с использованием в качестве охлаждающего элемента воды, для чего предполагалось, что вся внешняя поверхность керамических втулок охватывается движущимся с некоторой скоростью водяным слоем. На внешней поверхности керамических втулок задается конвективный теплообмен с охлаждающей жидкостью.

Расчеты, проведенные для скорости движения воды, равной 1 м/с, показали, что происходит существенное сокращение времени перехода к стационарному тепловому состоянию. Значительно меньшими в случае охлаждения водяным потоком становятся и температуры нагрева элементов разрядного промежутка. Дальнейшее уменьшение температуры нагрева разрядного узла возможно осуществить за счет увеличения скорости протекания воды. Так, увеличение этой величины с 1 м/с до 3 м/с позволяет поднять рабочую частоту с 5 Гц до 15 Гц.

Помимо керамических втулок интенсивному нагреву подвергаются также бустерная часть ствола, собственно ствол и переходные области, при этом нагрев указанных областей осуществляется как за счет теплового излучения потока, так и за счет теплопередачи от керамических втулок разрядного промежутка. Расчеты показали, что на начальной стадии нагрев осуществляется главным образом за счет излучения с поверхности плазмы

в объеме бустера. Затем, однако, становится превалирующим нагрев бусте-

ра от керамических втулок и фланцев Тем не менее, отмеченные механизмы дают практически одинаковый вклад в нагрев стенок бустера. Необходимо отметить, что прогрев бустера происходит достаточно интенсивно, и температура его стенок сопоставима с температурой керамических втулок. В этой связи в условиях частотного режима работы установки должно быть предусмотрено охлаждение не только области энерговыделения, но и ускорительного тракта установки.

Эксперименты по определению температуры нагрева элементов разрядного узла и ускорительного тракта при работе установки с частотой 0,5 Гц показали удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментальных данных.

Основные результаты диссертации сводятся к следующему:

1. Разработана физическая модель динамики микрочастиц в потоке аргоновой плазмы. На основе данной модели показано, что ускорение микрочастиц в высокотемпературной плазменной части потока приводит к быстрому неконтролируемому их нагреву вплоть до температуры испарения.

2. Проведен анализ ускорения микрочастиц порошковых материалов в области ударно-сжатого газа (ОУСГ) импульсного потока. Получены параметры ОУСГ, необходимые для ускорения микрочастиц в этой области и их контролируемого нагрева.

3. Проведен анализ формирования ОУСГ с помощью классического электротермического ускорителя с одним разрядным промежутком и однородным стволом, ускорителя с мультиразрядной схемой разрядного узла и ускорителя с бустерной частью ствола - дополнительной цилиндрической полостью. Показано, что последний способ позволяет получить протяженность ОУСГ, значительно превышающую аналогичную величину для ускорителя с однородным стволом при одинаковых значениях ее скорости.

4. Разработан и создан макет электротермического ускорителя для исследования эрозионного и абляционного износа разрядного узла. С помощью данного макета показано, что для профилированных электродов эрозионный износ снижается более, чем на порядок. В то же время использование подобных электродов не приводит к заметному снижению скорости ударной волны.

перепад температур образуется в узком слое керамических изоляторов, а сами аблирующие слои проникают на глубину 1+2 мкм. Расчеты не продемонстрировали заметного различия в абляционном износе различных материалов керамик. Экспериментальное исследование абляционного износа корундовых изоляторов показало удовлетворительное соответствие с расчетными значениями.

6. Разработаны и созданы макеты электротермического ускорителя, построенные по двух- и трехэлектродной схеме разрядного узла, в том числе и с внешним ключом, в качестве которого использован вакуумный управляемый разрядник РВУ-27. Проведенные ресурсные испытания данных макетов, которые заключались в определении максимального количества срабатываний разрядного промежутка показали, что ускоритель, построенный по трехэлектродной схеме разрядного узла с внешним ключом в основном разрядном промежутке снимал все ограничения на нестабильную работу промежутка.

7. Проведенный анализ влияния геометрических параметров разрядного узла (диаметра и' протяженности его капиллярной части) на эффективность преобразования энергии, а также на эффективность ускорения микрочастиц показал, что уменьшение диаметра капиллярной части промежутка приводит к увеличению КПД преобразования энергии и повышению скоростй генерируемой ударной волны при фиксированной величине запасенной в накопителе энергии. Изменение длины разрядного промежутка имеет значительно меньшее влияние на эффективность ускорителя. Эксперименты подтвердили расчетные выводы и продемонстрировали опасность разрушения керамических втулок из-за возрастания давления в промежутке вследствие уменьшения его диаметра. В этой связи были исследованы секционированные изоляторы, которые

показали хорошую механическую прочность и сохранение электро и газодинамических параметров промежутка.

8. Проведенный анализ тепловых процессов в разрядном узле электротермического ускорителя с помощью пакета прикладных программ ANSYS 8.0, показал, что для типичных значений запасенной энергии уже для частоты разрядов 4 Гц керамические изоляторы достигают температуры плавления через 5 минут. Введение же охлаждения этих изоляторов проточной водой позволяет разрядному узлу уверенно работать при частотах 15 Гц и выше. Экспериментальное исследование температур нагрева элементов конструкции разрядного узла, проведенные для частоты 0,5 Гц подтвердили соответствующие расчетные значения.

Список опубликованных работ по теме диссертации.

1. С.П. Масленников, JI.A. Суханова, ЭЛ. Школьников. Ускорение микрочастиц порошковых материалов в импульсном электротермическом ускорителе. Научная сессия МИФИ-2002. Сб. научных трудов в 14т., т.8, М: МИФИ, 2002г., с.27-28.

2. Э.Я. Школьников, JI.A. Суханова, С.П. Масленников. Информационно-измерительная система установки для нанесения покрытий из порошковых материалов. XTV научно-техническая конференция Датчики-2002. Материалы конференции, с.206.

3. Е. Ya. Shcolnikov, S. P. Maslennikov, N. N. Netchaev, V. N. Nevolin, L. A. Sukhanova. Electrothermal Technology of Coating. IEEE Transactions on Magnetics, vol.39, 1, January 2003, pp.314 - 318.

4. С.П. Масленников, Л.А.Суханова, Э.Я.Школьников. Электроэрозионные

процессы в электротермической установке по нанесению покрытий из порошковых материалов. Научная сессия МИФИ-2003. Сб. научных трудов в 14т., т.8, М: МИФИ, 2003г., с.54-55.

5. Масленников С.П., Суханова Л.А., Школьников Э.Я. Абляционные процессы в разрядном узле электротермического ускорителя. Научная сес-

сия МИФЙ-2004. Сб. научных трудов в 14т., т.8, М: МИФИ, 2004г., с.18-19.

6. Э.Я. Школьников, JI.A. Суханова, С.П. Масленников. Измерение динамических параметров импульсных газоплазменных потоков. XVI научно-техническая конференция Датчики-2004. Материалы конференции, с.227

7. С.П. Масленников, JI.A. Суханова, А.В. Чеботарев, Э.Я. Школьников. Изобарическая модель импульсных потоков в электротермическом ускорителе с рабочим газом - аргоном. "Научная сессия МИФИ-2005. Сб. научных трудов в 15т., т.8, М: МИФИ, 2005г., с.51-52.

8. С.П. Масленников, JI.A. Суханова, Э.Я. Школьников. Ресурсные испытания экспериментальных макетов установки по нанесению покрытий из порошковых материалов. Научная сессия МИФИ-2005. Сб. научных трудов в 15т., т.8, М: МИФИ, 2005г., с.53-54.

9. С.П. Масленников, Л.А. Суханова, Э.Я. Школьников. Исследование электроэрозионных процессов в разрядном узле электротермической установки по нанесению покрытий. Инженерная физика, №1, 2005 г, с.20-24

10. E.Ya. Shcolnikov, A.V. Chebotarev, S.P. Maslennikov, V.N. Nevolin, N.N. Netchaev, L.A. Sukhanova. Research for Development of Industrial Coating Equipment on the Basis of Electrothermal Launcher, Proceeding of 12th International Symposium on Electromagnetic Launch Technology. May 2528,2004, Snowbird, Utah, pp.64-69.

I t

Í I

t ¡

«21683

РНБ Русский фонд

2006-4 17885

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Суханова, Любовь Александровна

Введение.

1. Динамика импульсных потоков в электротермическом ускорителе для различных конфигураций разрядного узла и ствола

1.1. Ускорение и нагрев микрочастиц порошковых материалов в газоплазменном потоке.

1.1.1. Физическая модель динамики ускорения и нагрева микрочастиц потоком аргоновой плазмы.

1.1.2. Анализ динамики ускорения и нагрева микрочастиц в плазменной части потока.

1.1.3. Анализ динамики ускорения и нагрева микрочастиц в области ударно-сжатого газа потока.

1.2. Формирование области ударно-сжатого газа.

1.3. Формирование области ударно-сжатого газа в ускорителе с бустерной частью ствола.

2. Исследование электроэрозионных процессов в разрядном узле импульсного электротермического ускорителя.

2.1. Экспериментальный макет импульсного электротермического ускорителя.

2.2. Эрозия прямых электродов разрядного промежутка.

2.3. Эрозия профилированных электродов разрядного промежутка.

2.4. Измерение скорости ударных волн для различных электродных систем.

3. Исследование абляционных процессов в разрядном узле импульсного электротермического ускорителя

3.1. Физическая модель для определения теплового излучения аргоновой плазмы импульсного разряда.Л.

3.2. Теплопроводностная модель абляции диэлектрических стенок разрядного промежутка.

3.3. Анализ динамики абляционных процессов диэлектрических стенок разрядного промежутка.

3.4. Экспериментальное определение абляционного износа диэлектрических стенок разрядного промежутка.

4. Оптимизация разрядного узла электротермического ускорителя для его адаптации к промышленным условиям.

4.1. Ресурсные испытания разрядных узлов экспериментальных макетов.

4.2. Оптимизация размеров и конфигурации разрядного промежутка.

4.3. Анализ тепловых процессов в элементах конструкции установки.

4.3.1. Физическая модель и динамика нагрева элементов конструкции разрядного узла установки.

4.3.2. Тепловой режим установки с охлаждением керамических втулок разрядного промежутка водой.

4.3.3. Динамика нагрева элементов конструкции разрядного узла и ускорительного тракта.

4.3.4. Экспериментальное определение температуры нагрева элементов разрядного узла и ускорительного тракта.

Введение диссертация по физике, на тему "Импульсные потоки в электротермическом ускорителе и их воздействие на элементы конструкции"

Уникальные возможности устройств мощной импульсной электрофизики позволяют им находить чрезвычайно широкое применение в научных исследованиях и современных технологиях. Одним из таких применений является использование импульсных электротермических ускорителей для ускорения микрочастиц порошковых материалов с целью нанесения покрытий на поверхность различных изделий.

Лучшие образцы износостойких, жаропрочных и иных специальных покрытий из порошковых материалов обладают значениями пористости, приближающимися к 1%, и адгезии, доходящими до ЮМГТа. Подобные покрытия получают с помощью установок газо-термического напыления. Здесь можно отметить HVOF (High Velocity Oxy-Fuel) установки, детонационные пушки и плазмотроны. Вместе с тем наибольшие значения скорости микрочастиц в плазмотронах составляет 0,6 км/с, в детонационных пушках -1 км/с, в HVOF-установках — 1,2 км/с, что ограничивает дальнейшее увеличение адгезии. Имеются ограничения на минимальный размер микрочастиц порошков, препятствующие росту плотности покрытий. Данные установки не позволяют осуществлять глубокую и независимую регулировку скорости и температуры нагрева микрочастиц, что ограничивает диапазон технологического применения данных установок. HVOF-установки, обладающие наилучшими параметрами, требуют весьма большого расхода горючих компонент: десятков л/час кислорода, и десятков л/час керосина. Они, как и детонационные установки, требуют специальных мер по обеспечению взрывобезопасности.

Первые работы по применению импульсных плазменных ускорителей для нанесения покрытий из порошковых материалов появились в конце семидесятых годов прошлого века [1-3]. Эти ускорители представляли собой коаксиальные рельсотроны, разрядный промежуток которых образован коаксиальными коническими или цилиндрическими электродами [4-6]. Появившиеся позже разработки [7] продемонстрировали принципиальную возможность ускорения и нагрева микрочастиц порошка с помощью импульсных электродинамических и электротермических ускорителей.

Новые результаты по применению электротермических ускорителей для нанесения покрытий из порошковых материалов были получены в результате проведенных исследований в МИФИ [8-10]. В частности, был разработан способ ускорения микрочастиц областью ударно-сжатого газа в импульсном потоке, генерируемом в электротермическом ускорителе, а также способы формирования этой области. Полученные результаты позволяют начать разработку прототипа промышленного образца установки, которая будет обладать рядом принципиальных преимуществ перед установками газотермического напыления: плазмотронами, детонационными пушками, НУОР-установками. Среди этих преимуществ можно отметить следующие:

- существенно более высокие скорости внедрения микрочастиц в подложку (в2т 3 раза выше существующих), что ведет к резкому улучшению качества покрытий;

- возможность независимой регулировки скорости и температуры нагрева микрочастиц, а также реализации заданного температурного режима ускорения;

- возможность нанесения покрытий в контролируемой по составу и давлению среде, в т.ч. в атмосферных условиях и в среде инертных газов;

- использование электрической энергии, которая экологически чище и безопаснее горючих газов;

- простота регулировки, перестройки режимов работы и адаптации к различным условиям нанесения покрытий.

Установка на базе импульсного электротермического ускорителя способна ускорять микрочастицы мелких и средних фракций (1 мкм и более) и имеет потенциальные возможности ускорять микрочастицы с размерами менее 1 мкм. Внутренний диаметр ствола установки может составлять величину от единиц миллиметров до 15 4- 20 мм. Частота выстрелов определяется мощностью энергопитания установки, долговечностью ее узлов и может достигать десятков Гц, при этом средняя производительность нанесения покрытий не уступает детонационным установкам: 1,5 5 кг/час. Установка обладает малыми габаритами (0,5x0,5x1 м ), при этом имеется возможность размещать ее ускорительный блок в робототехнических устройствах.

Высокие скорости внедрения микрочастиц в подложку являются одним из наиболее важных факторов, влияющих на качество покрытий. При более высоких скоростях покрытия получаются более плотными, твердыми и однородными, имеют более низкую пористость, более высокую адгезию и когезию, меньшие вносимые напряжения. Имеются потенциальные возможности создавать покрытия с рекордными значениями адгезии — более ЮМПа и пористости - менее 0,1%. Высокие скорости микрочастиц порошковых материалов дают также возможность отказаться от предварительной пескоструйной обработки подложки и значительно облегчить ее предварительную термическую обработку, что расширяет диапазон применения такой технологии. Кроме этого, высокие скорости позволяют получать высококачественные покрытия при больших углах наклона напыления. Температуры ускоряющих потоков позволяют доводить до плавления практически любой порошковый материал. Установка имеет потенциально большие возможности для нанесения комплексных покрытий, например, используя различные точки инжекции, можно создавать "слоеные" или комбинированные покрытия. Как было отмечено выше, установка способна наносить покрытия из мелкодисперсных порошков (1 мкм и менее), которые в последнее время привлекают к себе повышенное внимание. Малые размеры пятен на подложке (1 -ь 2 мм), которые способна реализовать установка, позволяют создавать точечные покрытия, весьма актуальные в ряде приложений.

Отмеченные преимущества рассматриваемого способа нанесения покрытий и возможности установки позволяют создавать покрытия с уникальными свойствами и реализовать перспективные многофункциональные технологии, недоступные другим способам.

Разработанный в МИФИ новый способ ускорения микрочастиц в импульсном газоплазменном потоке был использован также при разработке установки по нанесению покрытий на основе рельсотронного электродинамического ускорителя [11]. Этот же принцип использован в предложенном электротермическом ускорителе с предварительно создаваемым импульсным газовым давлением в стволе [12]. Среди работ, посвященных данной проблеме, можно выделить результаты исследований по ускорению больших масс порошковых материалов (единицы грамм) в импульсных электротермических ускорителях [13]. Следует также отметить, что рынок сбыта технологии газотермического напыления динамично развивается и его объем составляет десятки млрд. долларов ежегодно.

В диссертации рассмотрены вопросы, связанные с созданием установки на основе импульсного электротермического ускорителя по нанесению покрытий из порошковых материалов, предназначенной для работы в промышленных условиях.

Целью диссертации является:

1. Создание физической модели и анализ на ее основе динамики ускорения и нагрева микрочастиц в различных областях импульсного потока аргоновой и воздушной плазмы.

2. Анализ формирования области ударно-сжатого газа импульсного потока в ускорителе с бустерной частью ствола.

3. Создание экспериментального макета, исследование эрозионного износа электродов в разрядном узле ускорителя, поиск- конфигураций электродов, минимизирующих эрозионный износ.

4. Создание физических моделей абляционных процессов в разрядном узле ускорителя.

5. Теоретическое и экспериментальное исследование абляционного износа диэлектрических стенок разрядного промежутка.

6. Экспериментальные исследования ресурса работы элементов разрядного узла ускорителя и методов его увеличения.

7. Теоретическое и экспериментальное исследования по оптимизации размеров и конфигурации разрядного промежутка ускорителя.

8. Анализ тепловых процессов в элементах конструкции ускорителя.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Впервые проведен анализ динамики ускорения и нагрева микрочастиц в различных частях импульсного потока аргоновой плазмы, установлены времена полного проплавления микрочастиц и их скорости на момент полного проплавления.

2. Впервые определены параметры области ударно-сжатого газа, формируемой в бустерной области ствола ускорителя. Показано, что протяженность данной области увеличивается в 4+5 раз по сравнению с мультиразрядной схемой разрядного узла.

3. Впервые экспериментально показано, что введение профилированных электродов в разрядный узел снижает их эрозионный износ более чем на порядок и позволяет реализовать безаварийную работу установки в течение нескольких рабочих смен.

4. Впервые разработаны физические модели, позволяющие определить влияние теплового излучения аргоновой плазмы на абляционный износ диэлектрических стенок разрядного промежутка, теоретически и экспериментально показано, что аблирующие слои проникают вглубь корундовых изоляторов на достаточно малую глубину, не превышающую 1+2 мкм, а сам износ для рассматриваемых уровней запасенной энергии составляет 1+2 мг/имп.

Практическая ценность

Полученные в работе результаты позволяют создать промышленный образец установки по нанесению покрытий из порошковых материалов, которая имеет существенные преимущества перед аналогами — установками газотермического напыления: газопламенными, детонационными, плазмотронными и НУОР-установками. Использование бустерной части ствола позволяет осуществить практически независимую регулировку скорости микрочастиц и температуры их нагрева, производить перестройку ускорителя для различных режимов работы и адаптировать его к различным технологическим и производственным процессам. Это дает возможность проводить ускорение микрочастиц с широким диапазоном материалов и размеров и создавать покрытия с уникальными характеристиками.

На защиту выносится

5. Результаты экспериментального исследования ресурса работы разрядного узла ускорителя с различными схемами построения разрядных узлов.

Достоверность научных результатов подтверждается сравнением результатов расчетов с использованием разработанных моделей с многократно повторенными экспериментальными измерениями различных параметров ускорителя, дублированием измерений посредством использования различных экспериментальных методик.

Апробация работы.

Основные результаты и положения диссертации были представлены на следующих симпозиумах и конференциях:

IIth International Symposium on Electromagnetic Launch Technology, Saint

Louis, France, 14-19 May, 2002;

12th International Symposium on Electromagnetic Launch Technology,

Snowbird, Utah, USA, 25-28 May, 2004;

15th IEEE International Pulsed Power Conference (PPC-2005), Monterey,

California 13-17 June, 2005;

Научная сессия МИФИ-2002, Москва, МИФИ, 21-25 января 2002 г.;

Научная сессия МИФИ-2003, Москва, МИФИ, 27-31 января 2003 г.;

Научная сессия МИФИ-2004, Москва, МИФИ, 26-30 января 2004 г.;

Научная сессия МИФИ-2005, Москва, МИФИ, 24-28 января 2005 г.;

XIV научно-техническая конференция «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (ДАТЧИК-2002)», Судак, Украина, 24-31 мая 2002 г.;

XVI научно-техническая конференция «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (ДАТЧИК-2004)», Судак, Украина, 24-31 мая 2004 г.;

XIX Международный семинар по ускорителям заряженных частиц, Алушта, Украина, 12-18 сентября 2005г.,

Публикации.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 10 работах.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 70 источников.

Заключение диссертации по теме "Электрофизика, электрофизические установки"

Основные результаты диссертации сводятся к следующему:

5. Разработаны одномерная модель динамики импульсных газовых потоков аргоновой плазмы, использующая изобарическое приближение, и одномерная модель абляционных процессов на основе решения уравнения теплопроводности. С помощью этих моделей показано, что основной перепад температур образуется в узком слое керамических изоляторов, а сами аблирующие слои проникают на глубину 1-г2 мкм. Расчеты не продемонстрировали заметного различия в абляционном износе различных материалов керамик. Экспериментальное исследование абляционного износа корундовых изоляторов показало удовлетворительное соответствие с расчетными значениями.

7. Проведенный анализ влияния геометрических параметров разрядного узла (диаметра и протяженности его капиллярной части) на эффективность преобразования энергии, а также на эффективность ускорения микрочастиц показал, что уменьшение диаметра капиллярной части промежутка приводит к увеличению КПД преобразования энергии и повышению скорости генерируемой ударной волны при фиксированной величине запасенной в накопителе энергии. Изменение длины разрядного промежутка имеет значительно меньшее влияние на эффективность ускорителя. Эксперименты подтвердили расчетные выводы и продемонстрировали опасность разрушения керамических втулок из-за возрастания давления в промежутке вследствие уменьшения его диаметра. В этой связи были исследованы секционированные изоляторы, которые показали хорошую механическую прочность и сохранение электро и газодинамических параметров промежутка.

Хотелось бы искренне поблагодарить моего научного руководителя профессора Э.Я. Школьникова, который предоставил данную тему исследования и создал благоприятные условия для работы над ней, а также оказал огромную помощь при написании данной работы и неизменно поддерживал при любых обстоятельствах. Также необходимо выразить признательность доценту С.П. Масленникову за постоянное плодотворное сотрудничество и неоценимую помощь в экспериментальной деятельности. Благодарю инженера-программиста A.B. Чеботарева за сотрудничество в разработке теоретических моделей. Большое спасибо выпускникам С.Т. Антоневичу, А.Е. Юдину и Д.Ю. Шатилову за ценную помощь в работе. Хотелось бы поблагодарить аспиранта Д.В. Петрова за плодотворное обсуждение работы на всем протяжении деятельности. Спасибо секретарям кафедры электротехники О.В. Окуневой и Т.П. Камыниной, а также зав.лабораториями Е.В. Карасевой и зам.зав.кафедры H.H. Нечаеву за организационную помощь. Все без исключения сотрудники кафедры электротехники МИФИ всегда были открыты для помощи и совета, проявляли заботу и интерес, оказывали неоценимую поддержку. Всем им выражаю искреннюю признательность.

Заключение

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Суханова, Любовь Александровна, Москва

1. Установка для нанесения покрытий пульсирующей плазмой. Патент США №4142089. Публикация 27.02.1979

2. Способ и устройство для нанесения покрытий при помощи разрядных импульсов. Патент Японии 12В15 (В23К) №35168. Публикация 11.11.1970.

3. Б.Р. Лазаренко и др. Ускорение частиц порошка газоразрядной плазмой и взаимодействие их с твердым телом. Электронная обработка материалов, №5, 1973,(53), с.31-33.

4. С.Д. Гришин, Л.В. Лесков, Н.П. Козлов. Плазменные ускорители. М.: "Машиностроение", 1983, 226 с.

5. B.C. Комельков, В.И. Модзолевский. Формирование плазменной струи в воздухе при атмосферном давлении. ИСТФ, т.41, в.5, 1971, с. 963-971.

6. В.М. Астажинский. Исследование динамики плазмообразования. Журнал прикладной спектроскопии, т.ЗЗ, в.4, 1980, с. 629-633.

7. А.Д. Лебедев, Б.А. Урюков. "Импульсные ускорители плазмы высокого давления", АН СССР. Сибирское отделение. Институт теплофизики, Новосибирск 1990г.

8. E.Ya.Shcolnikov, M.Y.Guzeyev, S.P.Maslennikov, N.N.Netchaev, A.V.Chebotarev. Acceleration of Microparticles in Electrothermal Launcher with Multigap Scheme of Discharge Unit. IEEE Transactions on Magnetics, January 2001, vol.37, #1, 2001, pp.l88-193.

9. R.C. Zowarka, J.R. Uglum et. al. Electromagnetic Powder Deposition Experiments. IEEE Transactions on Magnetics, v.35, #1, Jan. 1999, pp.268-27412.

10. United States Patent 6,124,563. September, 26 2000 «Pulsed electrothermal powder spray»

11. E.Ya. Shcolnikov et. al. «High efficiency electrothermal accelerator». IEEE Transaction on Magnetics, v31, 4, 1995, p.p. 447-451

12. E.Ya. Shcolnikov, S.P. Maslennikov etal. "Electrothermal acceleration of microparticles". Proceedings of 6 European Symposium on electromagnetic launch technology. The Hague, 1997, p.p. 261-268.

13. Стернин JI.E., Маслов Б.Н., Шрайбер А. А., Подвысоцкий A.M. Двухфазные моно- и полидисперсные течения газа с частицами. М., 1980. 172 с.

14. Браун С. Элементарные процессы газового разряда. Под ред. Франк-Каменецкого Д.А., М., Атомиздат, 1961.

15. Капцов Н.А. Электрические явления в газах и вакууме. Изд. 2-е. М. Гостехиздат. 1952.

16. Грановский B.JI. Электрический ток в газе. М. Гостехиздат, 1952.

17. Френсис Г. Ионизационные явления в газах. Под ред. Настюхи А.И. и Семашко Н.Н. М. Атомиздат, 1964.

18. Райзер Ю.П. Основы современной физики газоразрядных процессов. М., Наука, 1980.

19. Ховатсон A.M. Введение в теорию газового разряда. М., Атомиздат, 1980.

20. Смирнов Б.М. Ионы и возбужденные атомы в плазме. М., Атомиздат, 1974.

21. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М., Наука, 1987.

22. Мак-Даниель И. Процессы столкновений в ионизованных газах. Под ред. Арцимовича JI.A. М., Мир, 1967.

23. Wilke C.R.//Chemical Engineering Progress. 1950, vol.46, №2, pp.95-104.

24. Мак-Доналд А. Сверхвысокочастотный пробой в газах. Под ред. Рабиновича М.С. М., Мир, 1968.

25. E.Ya. Shcolnikov, A.V. Chebotarev at al. "Acceleration of Powder Materials in an Electrothermal Launcher", IEEE Transactions on Magnetics, vol.31, Yan. 1995, pp 758-763.

26. Г.Н. Абрамович. Прикладная газовая динамика. М: Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», 1976, 888с.

27. Я.Б. Зельдович, Ю.П. Райзер. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М., Государственное издательство физико-математической литературы, 1963.

28. Я.Б. Зельдович. Теория ударных волн и введение в газодинамику. Изд-во АН СССР, 1946

29. Е.В. Ступоченко, И.П. Стаханов и др. Сб. Физическая газодинамика. Изд-во АН СССР, 1959

30. Zoller. Et. Al., « Analyses of powder particle acceleration and heating processes in a discharge capillary-ablative pipe device» Plasma Sources Science Technology, №56, 1996, pp. 588-601.

31. E.Ya. Shcolnikov, A.V. Chebotarev, M.Yu.Guzzeyev, S.P.Maslennikov, A.V.Melnik. Flow dynamics and microparticles acceleration in the electrothermal launcher. IEEE Transactions on Magnetics, v.35, #1, Jan. 1999, pp.240-244.

32. С.П. Масленников, Э.Я. Школьников. Устройство для электроимпульсногонанесения покрытий. Патент на изобретение №2216411. Приоритет от 10.07.2001. Дата поступления 10.07.2001.

33. Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги. М., Наука, 1968.

34. Дашук П.Н., Зайенц СЛ., Комельков B.C. и др. Техника больших импульсных токов и магнитных полей. М., Атомиздат, 1970.

35. Глебов И.А., РутбергФ.Г. Мощные генераторы плазмы. М., Энергоатомиздат, 1985.

36. Жуков М.Ф., Дюжев Г.А., ХвесюкВ.И. и др. Приэлектродные процессы вдуговых разрядах. Новосибирск, Наука, 1982.

37. А. Энгель. Ионизованные газы. Под ред. М.С. Иоффе. Государственное издательство физико-математической литературы. Москва, 1959.

38. М. Rott. The Small Caliber Electrothermal Accelerator. IEEE Transaction on Magnetics, 1993, v.29, №1, pp.597-602.

39. Ю.Е. Нестерихин, Р.И. Солоухин. Методы скоростных измерений в газодинамике и физике плазмы. М., Наука, 1967.

40. E.Ya. Shcolnikov, S.P. Maslennikov, N.N. Netchaev, V.N. Nevolin, and L.A. Sukhanova. Electrothermal Technology of Coating. IEEE Transactions on Magnetics, vol.39, №1, January 2003, pp.314-318.

41. Арсенин В.Я. Методы математической физики и специальные функции. М., Наука, 1984.

42. Б. М. Будак, А. А. Самарский, А. Н. Тихонов. Сборник задач по математической физике. М., Наука, 1972.

43. Michael J. Taylor. Measurement of the Properties of Plasma from ETC Capillary Plasma Generators. IEEE Transactions on Magnetics, vol.37, Jan. 2001.

44. M.A. Bourham, O.E. Hankins et al. Comparative Study of Component Erosionfor Electromagnetic and Electrothermal Launchers. IEEE Transactions on Magnetics, vol.29, Jan. 1993.

45. E.A. Литвинов. Положительный столб стабилизированной электрической дуги. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Вводный том II. Под ред. академика В.Е. Фортова. М. Наука, 2000.

46. Д.Ф. Алферов, В.П. Иванов, В.А. Сидоров, В.В. Федоров. Новое поколениесильноточных вакуумных управляемых разрядников. Прикладная физика, №4, с.41-48, 2001.

47. Алферов Д.Ф., Иванов В.П., Сидоров В.А.//ПТЭ. 1998, №5, с.83-90

48. Alferov D.F., Ivanov Y.P., Sidorov V.A./ЯЕЕЕ Transactions on Magnetics. 1999, v.35, №1, pp.323-327.

49. Alferov D.F., Belkin G.S. et al.//Proc. of CIGRE Symp., Paris, Aug. 1998. pp.13-108.

50. Алферов Д.Ф., Белкин Г.С., Будовский А.И. и др.// Электричество. 1998, №7, с.2-8.

51. Alferov D.F., Sidorov V.A.// Pros. XIX-th Intern. Symp. ISDEIV, Xi'an, China,1. Sept. 2000. pp.319-322.

52. Alferov D.F., Nevrovsky V.A., Sidorov V.A.//Ibid. pp.515-518.

53. Алферов Д.Ф., Лукацкая И.А., Селикатова C.M., Сидоров В.А.//Прикладная физика, 2001, №4, с.35-40.

54. Сидоров В.А., Алферов Д.Ф.//ПТЭ, 2001, №1. с.92-100.

55. Bower S., Cook K.G., Jones F.J. et al.// Proc. 12th Intern. Pulsed Power Conference, Monterey, USA, June 1999, pp. 1141 -1144.

56. McNab I.R.// Proc. 12th Intern. Pulsed Power Conference, Monterey, USA, June1999, pp.3 59-3 63.

57. Физика и техника мощных импульсных систем. Сб.статей. Под ред. Е.П. Велихова. М., Энергоатомиздат, 1987.

58. Хаушилд В., Мош В. Статистика для электротехников в приложении к технике высоких напряжений. JI. Энергоатомиздат, 1989.

59. Pappas J.A., Pish S.P., Salimas M.J.//IEEE Transactions on Magnetics. 1999. v.35. №1. pp.367-371.

60. Э.И. Асиновский, A.B. Кириллин. Положительный столб стабилизированной электрической дуги. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Под ред. В.Е. Фортова. Т.П. с.93-107.

61. Асиновский Э.И., Кириллин A.B., Низовский B.JI. Стабилизированные электрические дуги и их применение в теплофизическом эксперименте. М., Наука, 1992.

62. Финкельнбург В., Меккер Г. Электрические дуги и термическая плазма. М.,ИЛ, 1961.

63. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера. М., УРСС, 2004.

64. И. М. Пилат, 3. К. Хомицкая. Методика расчета коэффициентов теплообмена для оптимизации термоэлектрических охладителей. Инженерно-физический журнал, т.69, №4, 2003.