CN204335130U - 等离子体发生器的阳极结构及等离子体发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种等离子体发生器的阳极结构及等离子体发生器，其中，等离子体发生器的阳极结构包括电弧通道，所述电弧通道内设置有扰流齿，形成扰流段。在扰流齿的强力扰动下，使快速旋转离子流变成强烈扰动紊乱流，产生的紊流气流带动阳极电弧弧根高速振荡摆动，加速了电弧弧根的移动速度，并使等离子射流的温度场、速度场和浓度场迅速趋于均匀，消除了阳极局部受热面热负荷过大现象，从而降低了阳极的烧损速度，提高了阳极寿命；同时经过扰流段产生的紊流气流失去了对周边气流的卷吸作用，减弱了气流对电弧轴向的约束力，使电弧弧根更容易向喷口移动，从而明显提高了电弧长度和电弧电压。

Description

等离子体发生器的阳极结构及等离子体发生器

技术领域

本实用新型涉及等离子体发生器领域，特别是涉及一种等离子体发生器的阳极结构及等离子体发生器。

背景技术

电弧等离子体发生器也叫等离子炬、等离子喷枪等，目前已经在我国的等离子化工、冶金、切割、喷涂、煤粉锅炉点火等领域取得了广泛的应用。作为一种清洁、安全、环保的等离子体热源，等离子体发生器在煤粉点火、废弃物处理、工业冶金等领域受到越来越多的重视，有趋势取代重油成为煤粉锅炉点火和废弃物处理的主要火源。

随着现代工业的发展，对等离子体发生器的功率要求也越来越高，对阴阳极寿命要求也越来越长，功率的提高意味着等离子体发生器阳极将承受更高热流的冲刷和活性热气体的侵蚀，单位面积将承受更高的热负荷，因此，会直接导致阴阳极材料烧损的加剧，阴阳极使用寿命短是阻止大功率等离子体发生器进一步推广使用的主要障碍。

目前还没有任何一种等离子体发生器可以避免阴阳极的烧损，如何提高阴阳极的使用寿命是现代等离子体发生器研究的重点和难点。另外，随着等离子体发生器在不同领域的快速推广应用，对等离子射流大小、射流长短、甚至对射流的运动轨迹也都提出了新的要求。因此，现有的利用单一旋转气流控制等离子电弧射流的方式已无法满足特殊领域的使用要求。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种等离子体发生器的阳极结构及等离子体发生器，等离子体发生器的阳极结构的寿命可显著提高，且能够提高电弧长度和电弧电压。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种等离子体发生器的阳极结构，其包括电弧通道，所述电弧通道内设置有扰流齿，形成扰流段。

在一优选或可选实施例中，所述电弧通道内还设置有与所述扰流段连接的落弧段，沿电弧的运动方向，所述落弧段位于所述扰流段的后方，所述落弧段的尺寸大于所述扰流段的尺寸。

在一优选或可选实施例中，所述电弧通道内还设置有压缩段和稳弧段，沿电弧的运动方向，所述压缩段、所述稳弧段、所述扰流段和所述落弧段依次连接。

在一优选或可选实施例中，沿电弧的运动方向，所述压缩段呈渐缩式的圆台状。

在一优选或可选实施例中，所述稳弧段包括依次连接的等直径圆柱段和渐缩式圆台段，所述等直径圆柱段与所述压缩段连接，所述渐缩式圆台段与所述扰流段连接。

在一优选或可选实施例中，所述扰流段和所述落弧段均呈等直径圆柱状，所述落弧段的直径大于所述扰流段的直径。

在一优选或可选实施例中，所述压缩段、所述稳弧段、所述扰流段和所述落弧段相互之间的连接处均采用圆弧过渡连接。

在一优选或可选实施例中，所述扰流齿包括齿根轴，所述齿根轴沿轴向设置在所述扰流段内，所述齿根轴上沿周向设置有数个齿片，单个所述齿片沿所述齿根轴的轴向设置。

在一优选或可选实施例中，所述等离子体发生器的阳极结构还包括水冷通道，所述水冷通道设置在所述电弧通道的外壁上，用于对电弧通道进行冷却。

在一优选或可选实施例中，所述水冷通道包括内通道和外通道，所述内通道位于所述电弧通道的外壁和所述外通道之间，所述内通道连通所述外通道，水流从所述内通道进入，从所述外通道流出。

在一优选或可选实施例中，所述压缩段呈渐缩式圆台状，圆锥角为10°～120°，圆台小端面的直径为10mm～60mm，圆台高度为小端面直径的1～5倍，压缩段的外壁厚度为2mm～20mm。

在一优选或可选实施例中，所述稳弧段的所述等直径圆柱段的直径为10mm～60mm，所述等直径圆柱段的长度为所述等直径圆柱段的直径的2～10倍，所述稳弧段的所述渐缩式圆台段的圆锥角为10°～120°，所述稳弧段外壁的壁厚为5mm～20mm，所述等直径圆柱段与所述渐缩式圆台段之间采用圆弧过渡连接，圆弧半径为0～60mm。

在一优选或可选实施例中，所述扰流段的直径为6mm～50mm，所述扰流段两端的圆台角为0°～150°，所述扰流段外壁的壁厚为3mm～25mm。

在一优选或可选实施例中，所述落弧段的直径为所述扰流段直径的1.2～3.5倍，所述落弧段的长度为50mm～300mm，所述落弧段的外壁的壁厚为5mm～15mm。

在一优选或可选实施例中，所述齿片的高度为1mm～20mm，所述齿片的宽度为所述扰流段直径的1～10倍，所述齿片的厚度范围为0～30mm。

在一优选或可选实施例中，所述压缩段、所述稳弧段、所述扰流段和所述落弧段相互之间圆弧过渡连接，圆弧半径为0～60mm。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种等离子体发生器，其包括上述任一实施例中的等离子体发生器的阳极结构。

基于上述技术方案，本实用新型至少具有以下有益效果：

本实用新型在电弧通道的扰流段中设置了扰流齿，在扰流齿的强力扰动下，使快速旋转离子流变成强烈扰动紊乱气流，产生的紊乱气流带动阳极电弧弧根高速振荡摆动，加速了电弧弧根的移动速度，并使等离子射流的温度场、速度场和浓度场迅速趋于均匀，消除了阳极局部受热面热负荷过大现象，从而降低了阳极的烧损速度，提高了阳极寿命；同时经过扰流段产生的紊流气流失去了对周边气流的卷吸作用，减弱了气流对电弧轴向的约束力，使电弧弧根更容易向喷口移动，从而明显提高了电弧长度和电弧电压。

在一优选或可选实施例中，扰流段后接直径增大的落弧段，当等离子射流喷出落弧段喷口时，没有了对周边冷气流的强烈卷吸，等离子射流温度不易速度降低，在相同功率下，等离子射流变得更长。

本实用新型改变了传统旋流稳弧式等离子体发生器阳极局部烧蚀导致寿命较短和阳极喷口强烈卷吸冷气流导致等离子火焰短的缺点，与现有技术相比，可显著提高等离子体发生器阳极寿命、电弧长度、电弧电压和等离子火焰长度，同时具有结构简单等特性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型提供的等离子体发生器的阳极结构的剖视示意图；

图2为本实用新型提供的等离子体发生器的阳极结构的侧视示意图。

附图中标号：

L1-压缩段；L2-稳弧段；L3-扰流段；L4-落弧段；

1-旋流气体；2-紊乱气流；3-水冷通道；4-扰流齿。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1所示为本实用新型提供的等离子体发生器的阳极结构的一优选示意性实施例的结构图，此结构图只用来解释本实用新型，不能解释为对本实用新型的限制。

从提高等离子体发生器的阳极结构的寿命来讲，阳极结构的寿命与阳极结构的材料、等离子电弧电流、弧点在阳极结构表面的停留时间和单位面积热流和电极冷却方式等具有直接关系。当阳极结构的材料、电极功率一定时，降低电弧电流、加快电极弧根的移动速度、增大烧蚀面积是提高阳极结构的寿命的有效手段。

如图1、图2所示，在本实用新型提供的等离子体发生器的阳极结构的示意性实施例中，等离子体发生器的阳极结构包括电弧通道，电弧通道内设置有扰流齿4，形成扰流段L3。

本实用新型在电弧通道的扰流段L3中设置了扰流齿4，在扰流齿4的强力扰动下，使快速旋转离子流变成强烈扰动紊乱气流2，产生的紊乱气流2带动阳极电弧弧根高速振荡摆动，加速了电弧弧根的移动速度，并使等离子射流的温度场、速度场和浓度场迅速趋于均匀，消除了阳极局部受热面热负荷过大现象，从而降低了阳极的烧损速度，提高了阳极寿命；同时经过扰流段L3产生的紊流气流失去了对周边气流的卷吸作用，减弱了气流对电弧轴向的约束力，使电弧弧根更容易向喷口移动，从而明显提高了电弧长度和电弧电压。

如图1、图2所示，在本实用新型提供的等离子体发生器的阳极结构的示意性实施例中，电弧通道内还可以设置有与扰流段L3连接的落弧段L4，沿电弧的运动方向，落弧段L4位于扰流段L3的后方，落弧段L4的尺寸大于扰流段L3的尺寸。

当等离子气流通过扰流段L3时，在扰流齿4的强力扰动下，使快速旋转的离子流变成强烈扰动的紊乱气流2，产生的紊流气流2带动阳极电弧弧根高速振荡摆动，当气流经过落弧段L4时，落弧段L4的尺寸相对于扰流段L3的尺寸突然扩张，在从扰流段L3到落弧段L4的突然扩张区域形成强大的涡流区，紊流脉动强度进一步加强，加快了阳极弧根在阳极表面的移动速度，并使等离子气流的温度、速度和浓度变的更加均匀，消除了阳极局部受热面热负荷过大现象，从而降低了阳极的烧损速度，提高了阳极寿命。

从提高电弧长度、电弧电压和加长等离子射流来讲，在电极功率一定，供入旋转气流相同、通道内热阻基本不变的情况下，经过扰流段L3产生的紊流气流失去了对周边气流的卷吸作用，减弱了周边气流对等离子电弧轴向的约束力，使电弧弧根更容易向喷口移动，从而明显提高了电弧长度和电弧电压。

当等离子射流喷出落弧段L4喷口时，紊流气流对周边冷气流的卷吸强度相当弱小，等离子射流不易与周边冷气流快速混合，射流降温速度相对较慢，在相同功率下，等离子射流变得更长。

在本实用新型提供的等离子体发生器的阳极结构的示意性实施例中，电弧通道内还可以设置有压缩段L1和稳弧段L2，沿电弧的运动方向，压缩段L1、稳弧段L2、扰流段L3和落弧段L4依次连接。

下面进一步说明，本实用新型提供的等离子体发生器的阳极结构中，压缩段L1、稳弧段L2、扰流段L3和落弧段L4的具体结构和作用。

压缩段L1可以为呈渐缩式的圆台状，压缩段L1用于压缩供入阳极通道内的旋流气体和等离子电弧，控制等离子电弧直径和长度满足要求。

稳弧段L2与压缩段L1相连，其可以包括依次连接的一等直径圆柱段和一渐缩式圆台段，稳弧段L2用于限制等离子电弧的径向脉动，保证电弧稳定燃烧。

扰流段L3位于稳弧段L2和落弧段L4之间，并与稳弧段L2和落弧段L4相连，扰流段L3可以为等直径圆柱状，其通道内设置有扰流齿4，在扰流齿4的扰动下，产生的紊流气流带动阳极电弧的弧根高速振荡摆动，并使通道内等离子热流的温度、速度和浓度趋于均匀，消除了阳极局部受热面热负荷过大现象，从而降低了阳极的烧损速度，提高了阳极寿命。

落弧段L4可以为等直径圆柱状，其通道的直径比扰流段L3的直径大，从扰流段L3到落弧段L4，通道的直径突然扩张，在突扩区形成强大的涡流区，使等离子气流和等离子电弧的紊流脉动强度进一步加强，等离子气流的温度、速度和浓度变的更加均匀，同时限制电弧长度的变化，保持电弧电压稳定。

在本实用新型提供的等离子体发生器的阳极结构的示意性实施例中，等离子体发生器的阳极结构还可以包括水冷通道3。水冷通道3覆盖在电弧通道的外壁上，用于对电弧通道进行冷却。水冷通道3可以包括内通道和外通道，内通道可以位于电弧通道的外壁和外通道之间，内通道连通外通道，水流从内通道进入，从外通道流出。

在一优选或可选实施例中，水冷通道3覆盖在压缩段L1、稳弧段L2、扰流段L3和落弧段L4的外壁上，并对压缩段L1、稳弧段L2、扰流段L3和落弧段L4进行冷却。

如图2所示，在本实用新型提供的等离子体发生器的阳极结构的示意性实施例中，扰流齿4可以包括齿根轴，齿根轴沿轴向设置在扰流段L3内，齿根轴上沿周向设置有数个齿片，单个齿片沿齿根轴的轴向设置。由于对扰流齿4的形状没有严格的要求，因此，齿根轴和齿片的截面均可以是矩形、圆形或三角形等其他形状，结构相对灵活简单。

进一步的，在本实用新型提供的等离子体发生器的阳极结构的示意性实施例中，压缩段L1、稳弧段L2、扰流段L3和落弧段L4的尺寸参数可以具体设置如下。

压缩段L1，呈渐缩式圆台状，圆锥角(圆台所在圆锥的圆心角)可以为10°～120°，圆台小端面的直径d2范围可以为10mm～60mm，圆台高度可以为小端面直径的1～5倍，压缩段L1的外壁厚度可以为2mm～20mm，圆台大端面直径d1可以根据上述数值推导获得。压缩段L1压缩并限制旋流气体1(旋流气体由专门的旋流器供入)和等离子电弧，选取由不同组合的压缩角、圆台高度和圆台小端面直径构成的压缩段L1，可以得到不同直径和长度的等离子电弧，从而达到控制等离子电弧长度和电压的目的。

稳弧段L2，其包括一等直径圆柱段和一渐缩式圆台段，等直径圆柱段与压缩段L1相连，稳弧段L2的等直径圆柱段的直径等于压缩段L1的圆台小端面直径d2(10mm～60mm)，等直径圆柱段的长度可以为等直径圆柱段的直径d2的2～10倍，渐缩式圆台段的圆锥角(圆台所在圆锥的圆心角)可以为10°～120°，等直径圆柱段与渐缩式圆台段之间可以圆弧过渡，过渡圆弧半径范围可以为0～60mm，稳弧段L2外壁的壁厚范围可以为5mm～20mm，稳弧段L2主要用于限制等离子电弧的径向脉动，保证电弧的稳定燃烧。

扰流段L3，电弧通道内带有扰流齿4，扰流齿4中的齿片的个数可以至少设置两个，各齿片沿齿根轴的周向均匀分布，齿片和齿根轴的截面形状可以是圆形、矩形、三角形或其它形状，齿片高度可以为1mm～20mm，齿片宽度可以为扰流段L3的通道直径d3的1～10倍，齿片的齿厚范围可以为0～30mm，扰流段L3的通道直径d3范围可以为6mm～50mm，扰流段L3的通道两端的圆台角(与其他段之间形成的夹角)范围可以为0°～150°，扰流段L3外壁的壁厚范围可以为3mm～25mm。

落弧段L4，是一段直径相对于扰流段L3突然扩张的圆柱筒，落弧段L4通道的直径d4可以为扰流段L3通道直径d3的1.2～3.5倍，落弧段L4的长度可以为50mm～300mm，落弧段L4外壁的壁厚范围可以为5mm～15mm，当等离子流经过落弧段L4时，在扰流段L3与落弧段L4之间的突扩区形成强大的涡流区，使等离子气流和等离子电弧的紊流脉动强度进一步加强，等离子气流的温度、速度和浓度变的更加均匀，同时限制电弧长度的变化，保持电弧电压稳定。

上述示意性实施例中，为保证通道内气流的通畅流动，压缩段L1、稳弧段L2、扰流段L3和落弧段L4的相互连接位可以采用圆弧过渡，过渡半径范围可以为0～60mm。

为适应不同的加工工艺和加工设备，压缩段L1、稳弧段L2、扰流段L3和落弧段L4，可分段加工，然后再依次组装相连在一起，也可以使某相邻两段或多段加工成一体，再与其余段组装相连，也可以整体加工成一体。

在一具体实施例的等离子体发生器的阳极结构中，当压缩段L1、稳弧段L2和落弧段L4完全一样，扰流段L3通道直径、长度等参数一致，且其他外部条件均完全一致时，实验发现，当通道内有扰流齿4时，阳极电弧电压高出80V，喷出落弧段L4喷口的等离子火焰长出150mm。由此可见，在电弧通道内设置有扰流齿4的等离子体发生器的阳极结构，其发出的等离子火焰更长，对煤粉点火，煤气化处理、垃圾焚烧等领域更加有利。

上述各优选方案可任意组合，构成满足目的的多种不同方案。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

Claims (17)

1.一种等离子体发生器的阳极结构，其特征在于：包括电弧通道，所述电弧通道内设置有扰流齿(4)，形成扰流段(L3)。

2.如权利要求1所述的等离子体发生器的阳极结构，其特征在于：所述电弧通道内还设置有与所述扰流段(L3)连接的落弧段(L4)，沿电弧的运动方向，所述落弧段(L4)位于所述扰流段(L3)的后方，所述落弧段(L4)的尺寸大于所述扰流段(L3)的尺寸。

3.如权利要求2所述的等离子体发生器的阳极结构，其特征在于：所述电弧通道内还设置有压缩段(L1)和稳弧段(L2)，沿电弧的运动方向，所述压缩段(L1)、所述稳弧段(L2)、所述扰流段(L3)和所述落弧段(L4)依次连接。

4.如权利要求3所述的等离子体发生器的阳极结构，其特征在于：沿电弧的运动方向，所述压缩段(L1)呈渐缩式的圆台状。

5.如权利要求4所述的等离子体发生器的阳极结构，其特征在于：所述稳弧段(L2)包括依次连接的等直径圆柱段和渐缩式圆台段，所述等直径圆柱段与所述压缩段(L1)连接，所述渐缩式圆台段与所述扰流段(L3)连接。

6.如权利要求5所述的等离子体发生器的阳极结构，其特征在于：所述扰流段(L3)和所述落弧段(L4)均呈等直径圆柱状，所述落弧段(L4)的直径大于所述扰流段(L3)的直径。

7.如权利要求3所述的等离子体发生器的阳极结构，其特征在于：所述压缩段(L1)、所述稳弧段(L2)、所述扰流段(L3)和所述落弧段(L4)相互之间的连接处均采用圆弧过渡连接。

8.如权利要求1～7任一项所述的等离子体发生器的阳极结构，其特征在于：所述扰流齿(4)包括齿根轴，所述齿根轴沿轴向设置在所述扰流段(L3)内，所述齿根轴上沿周向设置有数个齿片，单个所述齿片沿所述齿根轴的轴向设置。

9.如权利要求1～7任一项所述的等离子体发生器的阳极结构，其特征在于：所述等离子体发生器的阳极结构还包括水冷通道(3)，所述水冷通道(3)设置在所述电弧通道的外壁上，用于对电弧通道进行冷却。

10.如权利要求9所述的等离子体发生器的阳极结构，其特征在于：所述水冷通道(3)包括内通道和外通道，所述内通道位于所述电弧通道的外壁和所述外通道之间，所述内通道连通所述外通道，水流从所述内通道进入，从所述外通道流出。

11.如权利要求6所述的等离子体发生器的阳极结构，其特征在于：所述压缩段(L1)呈渐缩式圆台状，圆锥角为10°～120°，圆台小端面的直径为10mm～60mm，圆台高度为小端面直径的1～5倍，压缩段(L1)的外壁厚度为2mm～20mm。

12.如权利要求11所述的等离子体发生器的阳极结构，其特征在于：所述稳弧段(L2)的所述等直径圆柱段的直径为10mm～60mm，所述等直径圆柱段的长度为所述等直径圆柱段的直径的2～10倍，所述稳弧段(L2)的所述渐缩式圆台段的圆锥角为10°～120°，所述稳弧段(L2)外壁的壁厚为5mm～20mm，所述等直径圆柱段与所述渐缩式圆台段之间采用圆弧过渡连接，圆弧半径为0～60mm。

13.如权利要求12所述的等离子体发生器的阳极结构，其特征在于：所述扰流段(L3)的直径为6mm～50mm，所述扰流段(L3)两端的圆台角为0°～150°，所述扰流段(L3)外壁的壁厚为3mm～25mm。

14.如权利要求13所述的等离子体发生器的阳极结构，其特征在于：所述落弧段(L4)的直径为所述扰流段(L3)直径的1.2～3.5倍，所述落弧段(L4)的长度为50mm～300mm，所述落弧段(L4)的外壁的壁厚为5mm～15mm。

15.如权利要求8所述的等离子体发生器的阳极结构，其特征在于：所述齿片的高度为1mm～20mm，所述齿片的宽度为所述扰流段(L3)直径的1～10倍，所述齿片的厚度范围为0～30mm。

16.如权利要求7所述的等离子体发生器的阳极结构，其特征在于：所述压缩段(L1)、所述稳弧段(L2)、所述扰流段(L3)和所述落弧段(L4)相互之间圆弧过渡连接，圆弧半径为0～60mm。

17.一种等离子体发生器，其特征在于：包括如权利要求1～16任一项所述的等离子体发生器的阳极结构。