DE1248184B

DE1248184B - Plasma torch

Info

Publication number: DE1248184B
Application number: DES96603A
Authority: DE
Inventors: Alfred Bauer; Werner Hoermann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-04-17
Filing date: 1965-04-17
Publication date: 1967-08-24

Description

Plasmabrenner Die Erfindung betrifft Plasmabrenner, bei denen zwischen zwei gleichachsig angeordneten, rotierenden Elektroden innerhalb einer Brennkammer ein Lichtbogen zum Aufheizen von Gasen brennt.Plasma torch The invention relates to plasma torches in which between two coaxially arranged rotating electrodes within a combustion chamber an arc burns to heat gases.

In Plasmabrennern kann allgemein ein kontinuierlicher Gasstrom im Lichtbogen erhitzt werden, wobei die Enthalpie des Gases erhöht wird. In dem heißen Arbeitsgas können chemische Reaktionen durchgeführt werden. Läßt man das Arbeitsgas in einer Lavaldüse entspannen, so kann das auf hohe Strömungsgeschwindigkeit gebrachte Arbeitsgas für Strahlantriebe verwendet werden.In plasma torches, a continuous stream of gas can generally be used in the Arc are heated, whereby the enthalpy of the gas is increased. In the hot Chemical reactions can be carried out with the working gas. You let the working gas Relax in a Laval nozzle, so that can be brought to high flow speed Working gas can be used for jet propulsion.

In Anlagen für hohe Leistung ist es dabei üblich, örtliche Überhitzung feststehend angeordneter Eelektroden dadurch zu vermeiden, daß man die Elektroden mit Wasser kühlt und ein Magnetfeld anlegt, dessen Feldlinien senkrecht zum Lichtbogen verlaufen und die Fußpunkte des Lichtbogens mit hoher Geschwindigkeit über die Elektrodenoberfläche rotieren läßt.In systems for high output it is common to have local overheating to avoid fixedly arranged electrodes by removing the electrodes cools with water and creates a magnetic field whose field lines are perpendicular to the arc run and the base points of the arc at high speed over the electrode surface can rotate.

So sind bei dem Plasmabrenner nach der britischen Patentschrift 966103 um gleichachsig angeordnete Ringelektroden Ringspulen zur Erzeugung magnetischer Ablenkfelder angeordnet. Das Arbeitsgas wird dabei am gesamten Umfang der Ringelektroden zugeführt.So are the plasma torch according to British patent specification 966103 around coaxially arranged ring electrodes ring coils for generating magnetic Deflection fields arranged. The working gas is applied to the entire circumference of the ring electrodes fed.

Ein bekannter Vorschlag nach der französischen Patentschrift 1352 497 sieht auch schon vor, die Elektroden dadurch zu entlasten, daß man nicht den Lichtbogen rotieren läßt, sondern eine oder beide Elektroden mechanisch in Rotation versetzt. Da zu erwarten ist, daß der Lichtbogen dann für einen ruhenden Beobachter im wesentlichen nur an einer Stelle brennt und ein Arbeitsgas im Elektrödenspait nur unzulänglich aufheizt, ist dabei vorgesehen, den Lichtbogen in einer rohrförmigen Kammer wasserstabilisiert brennen zu lassen, an deren Basis und Austrittsöffnung die Elektroden vorbei rotieren. Da die Elektrodenteller jeweils nur in einem kleinen Bereich ausgenutzt werden, ist dieser Plasmabrenner aber ziemlich aufwendig.A well-known proposal based on French patent specification 1352 497 already provides for the electrodes to be relieved by not using the Can rotate arc, but one or both electrodes mechanically in rotation offset. Since it is to be expected that the arc will then be accessible to a stationary observer essentially only burns at one point and a working gas in the electrode space only insufficiently heats up, provision is made for the arc to be in a tubular shape Let the chamber burn water-stabilized, at its base and outlet opening rotate the electrodes past. Since the electrode plates are each only in a small However, this plasma torch is quite expensive.

In der Zeitschrift »Nucleonics« vom Juli 1961 ist auf Seite 114 ein Plasmabrenner beschrieben, bei dem eine stabförmige Elektrode hinsichtlich einer düsenförmig ausgebildeten Ringelektrode justiert werden kann. Es ist jedoch auch üblich, eine Elektrode axial verstellbar auszubilden, um bei größerem Elektrodenabstand höhere Leistung im Plasmabrenner zu erzielen.In the magazine "Nucleonics" from July 1961 on page 114 is a Plasma torch described in which a rod-shaped electrode with respect to a nozzle-shaped ring electrode can be adjusted. However, it is too It is customary to design an electrode so that it can be adjusted axially in order to achieve greater electrode spacing to achieve higher performance in the plasma torch.

Die Erfindung beruht nun auf der überraschenden Feststellung, daß ein Lichtbogen zwischen gegenläufig rotierenden Ringelektroden ebenso über den ganzen Eelektrodenumfang verschmiert werden kann, wie unter der Einwirkung eines Magnetfeldes bei ruhenden Elektroden, wo man von einem rotierenden Lichtbogen spricht.The invention is based on the surprising finding that an arc between counter-rotating ring electrodes as well over the whole Electrode circumference can be smeared, such as under the action of a magnetic field with resting electrodes, where one speaks of a rotating arc.

Demzufolge ist nach der erfinderischen Lösung vorgesehen, zwei Ringelektroden gegenläufig rotieren zu lassen.Accordingly, the inventive solution provides two ring electrodes to rotate in opposite directions.

Mechanisch angetrigebene Elektroden sind dann auch wirtschaftlich vertretbar. Sie bieten den Vorteil, daß bei geringerer Verlustleistung als der bei Erregerwicklungen üblicherweise in Kauf genommen eine ebenso gute Heizfläche wie bei einem im Magnetfeld rotierenden Lichtbogen erzielt wird.Mechanically flat electrodes are then also economical justifiable. They offer the advantage that with lower power dissipation than the Excitation windings usually accepted as good a heating surface as is achieved with an arc rotating in a magnetic field.

Die Erfindung soll an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.The invention is intended to be shown schematically in the drawing using one of the drawings Exemplary embodiment will be explained in more detail.

Der Plasmabrenner ist in der Zeichnung so dargestellt, wie er nach einem axialen Schnitt durch die Ringelektroden gesehen wird. Ringelektroden 1 und 2 gleichen Durchmessers stehen einander axial gegenüber. Die Rotationsrichtung um die Achse 3 ist durch die Pfeile 4 und 5 angedeutet. Die Elektroden sind in dem Gehäuse 6 gelagert und werden durch einen Motor 7 über ein Getriebe 8 angetrieben. Strom und Spannung werden dem Lichtbogen 9. über Schleifring 10 und 11 zugeführt. .The plasma torch is shown in the drawing as it is after an axial section through the ring electrodes is seen. Ring electrodes 1 and 2 of the same diameter are axially opposite one another. The direction of rotation around the axis 3 is indicated by the arrows 4 and 5. The electrodes are in that Housing 6 are mounted and are driven by a motor 7 via a gear 8. Current and voltage are fed to the arc 9 via slip rings 10 and 11. .

Bei Elektrodenringen, die gegeneinander eine Relativgeschwindigkeit von 420 m/Min. ausführen, wurde der Lichtbogen über den ganzen Umfang verschmiert. Das entspricht Elektroden von 65 mm Durchmesser, die gegensinnig jeweils mit 1050 Umdr./Min. angetrieben werden.In the case of electrode rings that have a relative speed against each other from 420 m / min. run, the arc was smeared all over the circumference. This corresponds to electrodes with a diameter of 65 mm, each in opposite directions with 1050 Rev / min are driven.

Das Arbeitsgas wird dem Plasmabrenner über ein Zuführungsrohr 12 und einen Ringverteiler 13, der einen Ringspalt 14 aufweist, radial zugeführt. Der Ringspalt 14 ist zur Achse 3 hin offen, so daß das Arbeitsgas am ganzen Elektrodenumfang in Pfeilrichtung 15 die Lichtbogenzone durchsetzt. Der Ringverteiler 13 kann durch ein Stützgestell 49 koaxial zum Lichtbogenpfad gehalten werden. Durch direktes Anblasen des Lichtbogens wird ein Stabilisierungseffekt erzielt.The working gas is fed radially to the plasma torch via a feed pipe 12 and a ring distributor 13, which has an annular gap 14. The annular gap 14 is open towards the axis 3, so that the working gas passes through the arc zone in the direction of arrow 15 over the entire electrode circumference. The ring distributor 13 can be held coaxially to the arc path by a support frame 49. A stabilizing effect is achieved by blowing the arc directly.

Das im Lichtbogen aufgeheizte Gas bzw. Plasma verläßt dann den Plasmabrenner über das Zentralrohr 18 in der Ringelektrode 2, wie es durch die Pfeile 17 angegeben ist.The gas or plasma heated in the arc then leaves the plasma torch via the central tube 18 in the ring electrode 2, as indicated by the arrows 17 is.

Das als Lichtbogenkammer dienende Gehäuse 6 kann über Rohre 19 mit Arbeitsgas oder Schutzgas unter Druck gesetzt werden. Dadurch kann man verhindern, daß das Gehäuse 6 von heißem Arbeitsgas erfüllt wird.The housing 6, which serves as an arc chamber, can be connected via tubes 19 Working gas or protective gas are pressurized. This can prevent that the housing 6 is filled with hot working gas.

Die Ringelektrode 1 geht in eine zylindrische Halterung 20 über, die durch Lagerringe 21 und 22 in einer Zylinderschale 23 geführt wird. Die Zylinderschale 23 ist als Führungsbuchse ausgebildet, wodurch die Elektrode 1 mittels Handrad 24 axial hinein- oder herausgeschraubt werden kann. Über ruhende Kühlmittelanschlußrohre 25 und die Doppelrohrleitung im Inneren der rotierenden Halterung 20 wird der Elektrode 1 Kühlmittel, beispielsweise Wasser, in Pfeilrichtung zugeleitet. Eine Ringschulter 26 in der Elektrode 1 verengt den Kühlkanal zu einem kleinen Spalt, so daß das Kühlmittel unter hoher Strömungsgeschwindigkeit unter der Elektrodenfläche vorbeiströmt, auf der der Pfad des Lichtbogenfußpunktes liegt. Dadurch wird eine sehr wirkungsvolle Kühlung erzielt. Die Abdichtung zwischen ruhenden Rohren 25 und drehender Halterung 20 wird durch Simmeringe 27 und 28 erzielt. Die Elektrodenoberfläche auf der der Pfad des Lichtbogens verläuft, wird zweckmäßigerweise aus einem gut wärmeleitenden Material, wie Kupfer, gefertigt. Die übrigen Bauteile des Plasmabrenners können im wesentlichen aus üblichen Baustählen oder aus Messing hergestellt werden.The ring electrode 1 merges into a cylindrical holder 20 , which is guided by bearing rings 21 and 22 in a cylindrical shell 23. The cylindrical shell 23 is designed as a guide bushing, as a result of which the electrode 1 can be screwed in or out axially by means of the handwheel 24. Coolant, for example water, is fed to the electrode 1 in the direction of the arrow via stationary coolant connection pipes 25 and the double pipeline inside the rotating holder 20. An annular shoulder 26 in the electrode 1 narrows the cooling channel to a small gap, so that the coolant flows at a high flow rate under the electrode surface on which the path of the arc root is located. This achieves very effective cooling. The seal between stationary pipes 25 and rotating bracket 20 is achieved by sealing rings 27 and 28 . The electrode surface on which the path of the arc runs is expediently made of a material that conducts heat well, such as copper. The other components of the plasma torch can essentially be made of conventional structural steels or brass.

Ringelektrode 2 ist im Prinzip wie die Elektrode 1 aufgebaut. Sie geht lediglich in eine Halterung mit größerem Durchmesser über, da noch der zentrale Ableitungskanal 18 für das heiße Arbeitsgas untergebracht ist. Die Kühlmittelversorgung wird auch hier über ruhende Rohre 25 durchgeführt, deren Führung hier so abgewandelt ist, daß das Zentralrohr 18 für das heiße Arbeitsgas frei bleibt. Den Kühlmittelumlauf kann man sich in Pfeilrichtung denken. Die Oberfläche der Ringelektrode 2, auf der der zweite Lichtbogenfußpunkt umläuft, kann ebenfalls aus einem Material wie Kupfer bestehen. Eine Ringschulter 26 der beschriebenen Art sorgt für raschen Kühlmitteldurchfluß. Der Kühlmittelkreislauf wird zwischen ruhenden und drehenden Teilen wieder durch Simmeringe, 29, 30 und 31, abgedichtet. Die Elektrode 2 ist mit ihrer Halterung in der Zylinderschale 32 durch Lagerringe 33 und 34 drehbar gegeführt. Der Stromzuführung zu den Ringelektroden 1 und 2 dienen die Schleifringe 10 und 11 und die Schleifkontakte 35. Die Schleifringe können aus einer Legierung aus Kupfer und 1% Chrom und die Schleifkontakte aus einer Legierung aus Kupfer sowie 0,519/o Beryllium, 1% Nickel und 11% Cobalt gefertigt werden. Die Schleifkontakte werden durch Federn 36 in Führungsrohren 37 angepreßt. Der weiteren Stromführung dient jeweils ein Leiter 38, an dem Kabel zu einem Generator 39 angeschlossen sein können. Zur elektrischen Isolation gegen das Gehäuse 6 sind Durchführungsisolierungen 40 aus Keramik oder einem Gießharz wie Melamin vorgesehen.Ring electrode 2 is basically constructed like electrode 1 . It only goes into a holder with a larger diameter, since the central discharge channel 18 for the hot working gas is still housed. The coolant supply is also carried out here via stationary pipes 25, the guidance of which is modified here so that the central pipe 18 remains free for the hot working gas. The coolant circulation can be imagined in the direction of the arrow. The surface of the ring electrode 2, on which the second arc base rotates, can also consist of a material such as copper. An annular shoulder 26 of the type described ensures rapid coolant flow. The coolant circuit is again sealed between stationary and rotating parts by sealing rings 29, 30 and 31. The electrode 2 is guided rotatably with its holder in the cylinder shell 32 by bearing rings 33 and 34. The slip rings 10 and 11 and the sliding contacts 35 are used to supply power to the ring electrodes 1 and 2 % Cobalt. The sliding contacts are pressed into guide tubes 37 by springs 36. A conductor 38, to which cables to a generator 39 can be connected, is used to conduct the further current. For electrical insulation from the housing 6, bushing insulations 40 made of ceramic or a casting resin such as melamine are provided.

Beim Ausführungsbeispiel sind die Ringelektroden 1 und 2 ihrer Achse 3 liegend angeordnet. Zum Antrieb der Elektroden ist auf der Basis 41 ein Motor 7 montiert, dessen Welle 42 das Getriebe 8 antreibt. Die Ringelektrode 2 wird über das Zahnrad 43 und das auf der Halterung der Ringelektrode 2 fest aufgekeilte Zahnrad 44 angetrieben. Über die Zahnräder 45, 46 und 47 wird das auf der Halterung der Ringelektrode 1 fest aufgekeilte Zahnrad 48 in entgegengesetzte Rotation versetzt. Das Zahnrad 47 ist in Achsrichtung so breit, daß bei einem Verstellen der Elektrode 1 über das Handrad 24 ein sicherer Eingriff des Zahnrades 48 gewährleistet bleibt.In the exemplary embodiment, the ring electrodes 1 and 2 are arranged lying on their axis 3. To drive the electrodes, a motor 7 is mounted on the base 41 , the shaft 42 of which drives the gear 8. The ring electrode 2 is driven via the gear wheel 43 and the gear wheel 44 which is firmly keyed onto the holder of the ring electrode 2. The gearwheel 48 , which is firmly keyed onto the holder of the ring electrode 1 , is set in opposite rotation via the gearwheels 45, 46 and 47. The gear wheel 47 is so wide in the axial direction that when the electrode 1 is adjusted via the hand wheel 24, a reliable engagement of the gear wheel 48 is ensured.

Zum Schutz des Getriebes 8 und des Gehäuses 6 kann das Gehäuseinnere über die Rohre 19 mit kühlem Arbeitsgas oder einem Schutzgas unter Druck gesetzt werden. Die heißen Arbeitsgase bleiben dann im Elektrodenbereich und werden über den Zentralkanal bzw. das Abzugrohr 18 abgeleitet.To protect the transmission 8 and the housing 6 , the interior of the housing can be pressurized via the pipes 19 with cool working gas or a protective gas. The hot working gases then remain in the electrode area and are discharged via the central duct or the exhaust pipe 18.

Claims

Claims: 1. The plasma torch, in which between two equiaxed arranged, rotating electrodes within a combustion chamber an arc to heat gases burns, that is, two Rotate ring electrodes in opposite directions.

2. Plasma torch according to claim 1, characterized by two ring electrodes of the same diameter.

3. Plasma torch according to claim 2, characterized in that between the two ring electrodes coaxial to them a gas distribution ring with an annular gap directed towards the common axis for radial Gas supply is arranged.

4. Plasma torch according to claim 2 or 3, characterized in that that in a pressurized arc chamber the one ring electrode axially is adjustable. Documents considered: French patent specification No. 1,352,497; British Patent No. 966,103; "Nucleonics", 1961, July, p. 114.