CN107592722B - 一种磁旋弧等离子发生器 - Google Patents

Abstract

一种磁旋弧等离子发生器，属于等离子发生器技术领域。该磁旋弧等离子发生器包含阴极、磁旋弧阳极、旋流环和阳极水道，阴极和磁旋弧阳极同轴式布置；磁旋弧阳极包含启弧阳极、过渡阳极、主阳极，其中过渡阳极包含导电段和绝缘段，主阳极包含电磁线圈和主阳极本体。磁旋弧阳极整体呈异形圆管状入口一端呈喇叭口状，中部开设通孔。气流通过旋流环产生旋流和电磁线圈产生电磁场共同压缩电弧和带动电弧旋转，使电弧根在主阳极上高速旋转。本发明的磁旋弧等离子发生器具有电弧电压高、运行电流低、电热转换效率高、电极烧蚀量小、弧压波动范围小、功率可调范围广、运行费用低、拆装特性好、实用性强等优点。

Description

一种磁旋弧等离子发生器

技术领域

本发明涉及一种等离子发生器，尤其是一种适用于煤粉锅炉的磁旋弧阳极及磁旋弧等离子发生器。

背景技术

电弧等离子现在广泛应用于煤粉锅炉的电弧等离子点火、等离子切割加工、等离子喷涂等领域，目前等离子发生器系统普遍存在建造和运行成本高的缺点。降等离子发生器的运行电流不仅可以降低等离子发生器配套电气系统设备成本且可以极大提升等离子发生器电极寿命。

目前，100KW及以上等离子发生器运行电流大于200A有个别等离子发生器运行电流可以低至185A运行，例如：一种电弧通道直径异性的电弧等离子体炬(CN 103354695A)电弧电流为270A、一种非转移弧等离子体炬的阳极及等离子体炬(CN 101699928B)电弧电流为200A。随着等离子发生器运行稳定性的提升如何降低运行电流，进一步降低等离子发生器系统建造及运行成本成为等离子发生器系统不可避免的话题。

等离子发生器可以应用磁场线圈来压缩、旋转电弧，提升电弧电压及稳定性。一般线圈串联在阳极回路中体积较大，适用性较差。例如：中国专利：ZL200720145264.3公开的等离子发生器中将线圈串联在阳极回路中，线圈体积较大，并且为磁场导入电弧处而应用了起导磁板作用的阳极支架，这必然会导致等离子发生器的重量和体积变大，对等离子发生器的应用非常不利。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种结构简单、可靠性高、热效率高、使用寿命长、建造及运行成本低的磁旋弧阳极及磁旋弧等离子发生器。

技术方案：本发明的磁旋弧等离子发生器，包括阴极、旋流环、磁旋弧阳极和阳极水道，所述的阴极与磁旋弧阳极同轴布置，磁旋弧阳极在阴极的前端，旋流环设在阴极的外侧，与磁旋弧阳极相连；所述的阴极包括阴极基座，阴极基座内设有阴极水道，阴极基座的前部设有发射体；所述的磁旋弧阳极由启弧阳极、过渡阳极和主阳极构成，或由启弧阳极和主阳极构成；旋流环通过切向叶片或切向孔或多头矩形螺纹使直流气流变为旋转气流；所述的磁旋弧阳极中串联有产生电磁场的电磁线圈，并含有能稳定电弧落点范围的绝缘段；所述阴极的前端面中心镶嵌有发出电子形成电弧的发射体，电弧在旋转气流与电磁场共同作用下变为高速旋转电弧，电弧最终落在磁旋弧阳极的主阳极上；旋转气流经过电弧加热、电离形成等离子流，从磁旋弧阳极的前端面吹出；所述启弧阳极和过渡阳极的冷却方式为间壁水冷。

所述的阴极呈陀螺状，前部为锥台，后部为圆柱体，前部锥台的夹角小于启弧阳极入口喇叭口夹角；发射体镶嵌在锥台前部的孔内。

所述的发射体为一个或多个，为多个发射体时，呈梅花桩式均匀布置在阴极基座的前端。

所述磁旋弧阳极由启弧阳极、过渡阳极和主阳极构成中的过渡阳极为一个或多个或不含。

所述的启弧阳极呈圆管状，启弧阳极入口一端呈喇叭口，中部开有通孔，出口一端设有旋流环或导流管，形成二次旋流进风；启弧阳极入口一端的喇叭口夹角为50-150°。

所述启弧阳极入口一端的喇叭口夹角优选50°、70°、90°、120°或150°。

所述的过渡阳极呈圆管状，由导电段和绝缘段组成，导电段和绝缘段各为一段或各为交替连接的多段；过渡阳极入口一端呈喇叭口，喇叭口端面设有用于产生二次或多次旋流气流的切向旋流叶片，中部开有通孔；所述过渡阳极绝缘段材质为陶瓷或其它耐高温绝缘材料，或在外部和两端面使用绝缘环、O形圈或喷涂绝缘陶瓷进行绝缘的金属材料，过渡阳极入口一端喇叭口的夹角为50-150°。

所述过渡阳极入口一端喇叭口的夹角优选50°、70°、90°、120°或150°。

所述的主阳极由主阳极本体与电磁线圈组成，主阳极本体的内孔为直管状或出口呈微喇叭口状，主阳极本体采用铜、银、铜合金、或银合金的高导热、高导电材质；电磁线圈套在主阳极本体外面，电路中主阳极本体与线圈为串联关系。

所述的启弧阳极和过渡阳极与阳极水道相互独立镶嵌装配为一体，装配方式为间隙配合或过盈配合，阳极水道独自密封，能有效防止漏水，简化电极的更换程序。

有益效果：由于采用了上述方案，磁旋弧等离子发生器由阴极、旋流环、磁旋弧阳极组成。磁旋弧阳极由启弧阳极、过渡阳极、主阳极组成。过渡阳极由导电段和绝缘段组成，主阳极由电磁线圈与主阳极本体组成。过渡阳极中绝缘段具有防止电弧波动、稳定电弧弧压作用。磁旋弧技术具有提高电弧稳定定性、提升电弧弧压、降低运行电流、降低电极烧蚀量、防止电极烧偏。从而可以使阳极寿命达到1500小时，阴极寿命达到1000小时，稳定运行电流最小达到100A，最高运行电压可达到1000V。

本发明启弧阳极和过渡阳极采用间壁冷却方式，相比直接水冷在没有降低冷冷效果情况下，有效减少电极更换时间。由于冷却水道为独立部分，可以有效防止等离子发生器漏水事故发生。

本发明磁旋弧阳极可以配合管状阴极使用也可以配合柱状阴极使用，尤其是配合具备磁旋弧阴极效果更佳。与现有的等离子电极相比，气冷等离子电极的主要优点有：

1.稳定运行电流低；

2.稳定运行弧电压高；

3.电极寿命长；

4.电弧运行稳定性高；

5.间壁冷却改善电极优化电极拆装特性；

6.电热转化率高。

7.电极结构简单、实用性强、寿命长，安全性高。

附图说明

图1为本发明的磁旋弧等离子发生器结构示意图。

图2本发明的阴极结构图。

图3为本发明的磁旋弧阳极结构图。

图4(a)为本发明的启弧阳极实例一结构左视图。

图4(b)为本发明的启弧阳极实例一结构主视图。

图5(a)为本发明的启弧阳极实例二结构左视图。

图5(b)为本发明的启弧阳极实例二结构主视图。

图6为本发明的过渡阳极结构图。

图7(a)为本发明的过渡阳极导电段结构主视图。

图7(b)为本发明的过渡阳极导电段结构右视图。

图8为本发明的过渡阳极绝缘段实例一结构图。

图9为本发明的过渡阳极绝缘段实例二结构图。

图10为本发明的过渡阳极绝缘段实例三结构图。

图11为本发明的主阳极结构图。

图12(a)为本发明的旋流环实例一结构左视图。

图12(b)为本发明的旋流环实例一结构主视图。

图13(a)为本发明的旋流环实例二结构主视图。

图13(b)为本发明的旋流环实例二结构剖视图。

图14(a)为本发明的旋流环实例三结构主视图。

图14(b)为本发明的旋流环实例三结构右视图。

图中：1、旋流环；2、阴极；3、磁旋弧阳极；4、电弧；5、阳极水道；6、等离子流；7、阴极水道；8、阴极基座；9、发射体；10、启弧阳极；11、过渡阳极；12、主阳极；13、导电段；14、绝缘段；15、绝缘环；16金属环一；17、O形圈；18、金属环二；19、电磁线圈；20、主阳极本体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述：

本发明的磁旋弧等离子发生器，主要由阴极2、旋流环1、磁旋弧阳极3和阳极水道5构成，所述的阴极2呈陀螺状，前部为锥台，后部为圆柱体，前部锥台的夹角小于启弧阳极10入口喇叭口夹角；发射体9镶嵌在锥台前部的孔内。阴极2与磁旋弧阳极3同轴布置，磁旋弧阳极3在阴极2的前端，旋流环1设在阴极2的外侧，与磁旋弧阳极3相连；所述的阴极2包括阴极基座8，阴极基座8内设有阴极水道7，阴极基座8的前部设有发射体9；阴极基座采用高导电、高导热材料，如铜、银、铜合金、银合金；其中发射体采用材料，如锆、铪、钨及以其为主的合金。发射体镶嵌在圆锥台体前部的孔内，所述的发射体9为一个或多个，为多个发射体9时，呈梅花桩式均匀布置在阴极基座8的前端。所述的磁旋弧阳极3由启弧阳极10、过渡阳极11和主阳极12构成，或由启弧阳极10和主阳极12构成；所述的旋流环1为切向进气或轴向进气，切向进气分为内切向进气和外切进气，轴向进气为螺旋进气，使气流经过旋流环形成旋转进气流。旋流环1通过切向叶片或切向孔或多头矩形螺纹使直流气流变为旋转气流；所述的磁旋弧阳极3中串联有产生电磁场的电磁线圈，并含有能稳定电弧落点范围的绝缘段；所述阴极2的前端面中心镶嵌有发出电子形成电弧的发射体，电弧在旋转气流与电磁场共同作用下变为高速旋转电弧，电弧最终落在磁旋弧阳极3的主阳极12上；旋转气流经过电弧加热、电离形成等离子流，从磁旋弧阳极3的前端面吹出；所述启弧阳极10和过渡阳极11的冷却方式为间壁水冷。

所述磁旋弧阳极3由启弧阳极10、过渡阳极11和主阳极12构成中的过渡阳极11为一个或多个或不含。所述的启弧阳极10呈圆管状，启弧阳极10入口一端呈喇叭口，中部开有通孔，出口一端设有旋流环或导流管，形成二次旋流进风；启弧阳极10入口一端的喇叭口夹角为50-150°；启弧阳极10入口一端的喇叭口夹角优选50°、70°、90°、120°或150°。过渡阳极11冷却方式为直接水冷或间壁水冷。所述的磁旋弧阳极3可以配合管状阴极使用，也可以配合柱状阴极使用，尤其是配合具备磁旋弧阴极效果更佳。

所述的过渡阳极11呈圆管状，由导电段13和绝缘段14组成，导电段13和绝缘段14各为一段或各为交替连接的多段；过渡阳极11入口一端呈喇叭口，喇叭口端面设有切向旋流叶片，切向旋流叶片用于产生二次或多次旋流进气流，中部开有通孔；所述过渡阳极绝缘段材质为陶瓷或其它耐高温绝缘材料，或在外部和两端面使用绝缘环15、O形圈17或喷涂绝缘陶瓷进行绝缘的金属材料，过渡阳极11入口一端喇叭口的夹角为50-150°；所述过渡阳极11入口一端喇叭口的夹角优选50°、70°、90°、120°或150°。所述的绝缘环15的材质为聚四氟乙烯、陶瓷、氟橡胶绝缘材质，O形圈17的材质为氟橡胶、硅橡胶；

所述的主阳极12由主阳极本体与电磁线圈组成，主阳极本体的内孔为直管状或出口呈微喇叭口状，主阳极本体采用铜、银、铜合金、或银合金的高导热、高导电材质；电磁线圈套在主阳极本体外面，电路中主阳极本体与线圈为串联关系。

所述过渡阳极绝缘段防止电弧与阳极壁接触，稳定电弧，使电弧跳过绝缘段落在主阳极上，防止电弧从主阳极上跳回过渡阳极或启弧阳极上，从而使电弧在较小的气量下也可以稳定运行在主阳极上，电弧形状也不会有太大变化。

所述的启弧阳极10和过渡阳极11与阳极水道5相互独立镶嵌装配为一体，装配方式为间隙配合或过盈配合，配合表面粗糙度不低于Ra3.2，阳极水道5独自密封不需要相互配合密封，单独密封能有效防止漏水，简化电极的更换程序。

如图1所示，本发明的磁旋弧等离子发生器，主要有阴极2、旋流环1、磁旋弧阳极3、阳极水道5组成。旋流环1套在阴极2外侧与阴极2同轴安装，旋流环1与磁旋弧阳极3相连，磁旋弧阳极装3在阳极水道5内部同轴安装，磁旋弧阳极3和阳极水道5装配方式为间隙配合或过盈配合均可，磁旋弧阳极3与阳极水道5也可以融为一体。阳极水道5与阴极2的冷却水全是里进外出。气流一部分通过旋流环1形成旋流风对电弧4经行压缩并带动电弧旋转，另一部分通过磁旋弧阳极3可以形成二次旋流风进入磁旋弧阳极3内部，进一步压缩电弧4加强电弧4旋转，根据实际需求可以没有二次旋流风也可以多次旋流风。磁旋弧等离子发生器启弧后电弧4从阴极2的发射体9发出进过磁旋弧阳极3内部通道落在磁旋弧阳极3的主阳极12上，等离子流6从主阳极12口喷射出。其中旋流气流和电磁线圈19产生电磁场启到压缩电弧4、旋转电弧4作用。

图2为阴极2的结构形式，所述的阴极2包含阴极水道7、阴极基座8和发射体9。阴极基座8呈陀螺状，前部为锥台，后部为圆柱体，阴极基座8连接在阴极水道7前端，冷却水通过阴极水道7对阴极基座8进行冷却，发射体9呈柱状，镶嵌在阴极基座8前端，发射体9可以为一个也可以为多个，发射体9启到发射电弧4作用。

图3所示为磁旋弧阳极3的结构形式，所述的磁旋弧阳极3包含启弧阳极10、过渡阳极11、主阳极12。磁旋弧阳极3整体呈圆管状，入口先收敛，中间为通孔，出口为扩口，启弧阳极10与过渡阳极11连接，过渡阳极11与主阳极12连接。其中过渡阳极11可以为一件也可以为多件，也可以不含过渡阳极11。如不含过渡阳极11侧启弧阳极10与主阳极12直接连接。

图4所示为启弧阳极10实施例一的结构形式，所述的启弧阳极10呈圆管状，启弧阳极10入口一端呈喇叭口，中部开有通孔，出口一端外部设有旋流环。入口端喇叭口的夹角为50°-150°之间，优选的50°、70°、90°、120°、150°。

图5所示为启弧阳极10实施例二的结构形式，所述的启弧阳极10呈圆管状，启弧阳极10入口一端呈喇叭口，中部开有通孔，出口一端外部设有导流管。入口端喇叭口的夹角为50°-150°之间，优选的50°、70°、90°、120°、150°。

图6所示为过渡阳极11的结构形式，所述的过渡阳极11呈圆管状，由导电段13和绝缘段14组成，导电段13和绝缘段14可以是一段也可以是多段交替连接。过渡阳极11入口一端呈喇叭口，中部和出口开有通孔。入口端喇叭口的夹角为50°-150°之间，优选的50°、70°、90°、120°、150°。入口端面设有切向旋流孔。

图7所示为导电段13的结构形式，所述的导电段13呈圆管状，入口一端呈喇叭口，中部和出口开有通孔。入口端喇叭口的夹角为50°-150°之间，优选的50°、70°、90°、120°、150°。入口端面设有切向旋流孔。

图8所示为绝缘段14实施例一的结构形式，所述的绝缘段14包含绝缘环15和金属环一16，金属环一16中间设有通孔，绝缘环15为两件分别装在金属环一16外侧的两端。

图9所示为绝缘段14实施例二的结构形式，所述的绝缘段14包含O形圈17和金属环二18，金属环二18呈圆管状，中心设有通孔，O形圈17分别装在金属环二18外侧和两端面。

图10所示为绝缘段14实施例三的结构形式，呈圆管状，中心设有通孔，如材质为非金属绝缘材质如陶瓷等绝缘材质，表面不需要做处理，如材质为金属如铜、铜合金、银和银合金等，外表面和两端面需要进行喷涂绝缘陶瓷。

图11所示为主阳极12的结构形式，所述的主阳极12包含电磁线圈19和主阳极本体20。主阳极本体20的内孔为直管状或出口出呈微喇叭口状，主阳极本体20采用高导热、高导电材质，如铜、银、铜合金、银合金等。电磁线圈19套在主阳极本体20外面，电路回路中主阳极本体20与电磁线圈19为串联关系。

图12所示为旋流环1实施例一的结构形式，所述的旋流环1后部呈圆管状，前端呈锥台状，中心设有通孔，通孔后部为大孔前部为小孔。圆管状前端外部设有切向旋流叶片。旋流环1材质为非金属绝缘材料，如尼龙，聚四氟乙烯，陶瓷。

图13所示为旋流环1实施例二的结构形式，所述的旋流环1后部呈圆管状，前端呈锥台状，中心设有通孔，通孔后部为大孔前部为小孔。锥台后端部设有切向旋流孔。旋流环1材质为非金属绝缘材料，如尼龙，聚四氟乙烯，陶瓷。

图14所示为旋流环1实施例三的结构形式，所述的旋流环1后部呈圆管状，前端呈锥台状，中心设有通孔，通孔后部为大孔前部为小孔。圆管状后端外部设有多头矩形螺纹一直通到锥台后部。旋流环1材质为非金属绝缘材料，如尼龙，聚四氟乙烯，陶瓷。

Claims (6)

1.一种磁旋弧等离子发生器，包括阴极（2）、旋流环（1）、磁旋弧阳极（3）和阳极水道（5），其特征在于：所述的阴极（2）与磁旋弧阳极（3）同轴布置，磁旋弧阳极（3）在阴极（2）的前端，旋流环（1）设在阴极（2）的外侧，与磁旋弧阳极（3）相连；所述的阴极（2）包括阴极基座（8），阴极基座（8）内设有阴极水道（7），阴极基座（8）的前部设有发射体（9）；所述的磁旋弧阳极（3）由启弧阳极（10）、过渡阳极（11）和主阳极（12）构成，旋流环（1）通过切向叶片或切向孔或多头矩形螺纹使直流气流变为旋转气流；所述的磁旋弧阳极（3）中串联有产生电磁场的电磁线圈，并含有能稳定电弧落点范围的绝缘段；所述阴极（2）的前端面中心镶嵌有发出电子形成电弧的发射体，电弧在旋转气流与电磁场共同作用下变为高速旋转电弧，电弧最终落在磁旋弧阳极（3）的主阳极（12）上；旋转气流经过电弧加热、电离形成等离子流，从磁旋弧阳极（3）的前端面吹出；所述启弧阳极（10）和过渡阳极（11）的冷却方式为间壁水冷；

所述的阴极（2）呈陀螺状，前部为锥台，后部为圆柱体，前部锥台的夹角小于启弧阳极（10）入口喇叭口夹角；发射体（9）镶嵌在锥台前部的孔内；

所述的发射体（9）为一个或多个，为多个发射体（9）时，呈梅花桩式均匀布置在阴极基座（8）的前端；

所述的启弧阳极（10）呈圆管状，启弧阳极（10）入口一端呈喇叭口，中部开有通孔，出口一端设有旋流环或导流管，形成二次旋流进风；启弧阳极（10）入口一端的喇叭口夹角为50-150°；

所述的过渡阳极（11）呈圆管状，由导电段（13）和绝缘段（14）组成，导电段（13）和绝缘段（14）各为一段或各为交替连接的多段；过渡阳极（11）入口一端呈喇叭口，喇叭口端面设有用于产生二次或多次旋流气流的切向旋流叶片，中部开有通孔；所述过渡阳极绝缘段材质为陶瓷或其它耐高温绝缘材料，或在外部和两端面使用绝缘环（15）、O形圈（17）或喷涂绝缘陶瓷进行绝缘的金属材料，过渡阳极（11）入口一端喇叭口的夹角为50-150°。

2.根据权利要求1所述的一种磁旋弧等离子发生器，其特征在于：所述磁旋弧阳极（3）由启弧阳极（10）、过渡阳极（11）和主阳极（12）构成中的过渡阳极（11）为一个或多个。

3.根据权利要求1所述的一种磁旋弧等离子发生器，其特征在于：所述启弧阳极（10）入口一端的喇叭口夹角优选50°、70°、90°、120°或150°。

4.根据权利要求1所述的一种磁旋弧等离子发生器，其特征在于：所述过渡阳极（11）入口一端喇叭口的夹角优选50°、70°、90°、120°或150°。

5.根据权利要求1所述的一种磁旋弧等离子发生器，其特征在于：所述的主阳极（12）由主阳极本体与电磁线圈组成，主阳极本体的内孔为直管状或出口呈微喇叭口状，主阳极本体采用铜、银、铜合金、或银合金的高导热、高导电材质；电磁线圈套在主阳极本体外面，电路中主阳极本体与线圈为串联关系。

6.根据权利要求1所述的一种磁旋弧等离子发生器，其特征在于：所述的启弧阳极（10）和过渡阳极（11）与阳极水道（5）相互独立镶嵌装配为一体，装配方式为间隙配合或过盈配合，阳极水道（5）独自密封，能有效防止漏水，简化电极的更换程序。