RU2469517C1

RU2469517C1 - Method for recuperative cooling of plasmatron electrode, plasmatron for realising said method and electrode assembly for said plasmatron

Info

Publication number: RU2469517C1
Application number: RU2011122433/07A
Authority: RU
Inventors: Сергей Александрович Шилов; Александр Андреевич Шилов
Original assignee: Сергей Александрович Шилов
Priority date: 2011-06-01
Filing date: 2011-06-01
Publication date: 2012-12-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method involves increasing electrode cooling intensity by creating an electrically active surface of microvortices of gas at said electrode and removing heat through the microvortices into an axial plasma stream while rotating the electrode with an electrode holder and vortex flow of the plasma-supporting gas around a common axis in opposite directions. The plasmatron has an air turbine, a turbine wheel shaft on whose end there is a nonconsumable electrode which mounted with electrical insulation in a journal on gas bearings with possibility of rotation in a gas-discharge chamber with a plasma-supporting gas swirler, an inlet pipe of the working chamber of the turbine for inlet of an air stream in the direction towards the blades of the turbine wheel, mounted at a tangent with possibility of the shaft rotating in a direction opposite the direction of swirling of the plasma-supporting gas in the discharge chamber. In the electrode assembly of the plasmatron, the electrode holder is connected to a centrifugal heat pipe in the evaporation zone, whose cooling fins in the condensation zone are in form of blades of the turbine wheel blown by a gas-air stream. In the adiabatic zone, the heat pipe has a heat-insulating and electrically insulating coating.

EFFECT: intensification of the process of cooling heat-loaded components of a plasmatron and high heat and mass transfer from the electrode to the plasma-treated article.

7 cl, 7 dwg

Description

Группа изобретений, характеризуемая единым изобретательским замыслом, относится к электродуговым нагревателям газа и может быть использована в плазмотронах для различных областей техники.The group of inventions, characterized by a single inventive concept, relates to electric arc gas heaters and can be used in plasmatrons for various fields of technology.

Плазменные устройства в качестве генератора потока низкотемпературной плазмы используются в различных областях техники. Например, в области сварки для получения высокотемпературного газоплазменного потока в качестве источника теплоты при нагреве свариваемого изделия в них используют центральный неплавящийся электрод, через который подводят основную энергию. Основу этой энергии составляет электрический разряд (электрическая дуга) между электродом и обрабатываемым изделием (дуга прямого действия), или между электродом и элементом конструкции плазменного устройства, также используемого в качестве токоподводящего электрода к дуге для возбуждения дугового разряда (дуга косвенного действия).Plasma devices as a generator of a stream of low-temperature plasma are used in various fields of technology. For example, in the field of welding, in order to obtain a high-temperature gas-plasma flow, a central non-consumable electrode is used in them as a source of heat when heating the welded item, through which the main energy is supplied. The basis of this energy is an electric discharge (electric arc) between the electrode and the workpiece (direct arc), or between the electrode and the structural element of the plasma device, also used as a lead electrode to the arc to initiate an arc discharge (indirect arc).

Для получения мощного электрического разряда, достаточного для осуществления процесса с использованием потока плазмы, через электроды пропускают электрический ток силой до 100 А и выше (до сотен тысяч ампер). Мощность современных плазменных генераторов, используемых, например, для нагрева газа и других целей в металлургии, химическом производстве, космонавтике и т.п. достигает нескольких десятков мегаватт.To obtain a powerful electric discharge sufficient to carry out the process using a plasma stream, an electric current of up to 100 A and higher (up to hundreds of thousands of amperes) is passed through the electrodes. The power of modern plasma generators used, for example, for heating gas and other purposes in metallurgy, chemical production, astronautics, etc. reaches several tens of megawatts.

Электрический ток указанной силы приводит к выделению в электроде энергии, которая вызывает разогрев тела электрода.An electric current of the indicated force leads to the release of energy in the electrode, which causes heating of the electrode body.

Наряду с рассмотренной энергией, приводящей к разогреву электрода, он также нагревается за счет теплопередачи от энергии электрической дуги. Поток тепла от электрической дуги в электрод зависит от поверхности контакта плазмы столба дугового разряда с электродом и полярности подключения к полюсу источника питания. Этот поток, а следовательно, разогрев электрода, тем больше, чем больше пятно контакта столба дуги на поверхности электрода или в том случае, если электрод подключен к положительному полюсу источника питания.Along with the considered energy, leading to the heating of the electrode, it is also heated by heat transfer from the energy of the electric arc. The heat flux from the electric arc into the electrode depends on the contact surface of the plasma column of the arc discharge with the electrode and the polarity of the connection to the pole of the power source. This flow, and consequently, the heating of the electrode, the greater, the larger the contact spot of the arc column on the surface of the electrode or if the electrode is connected to the positive pole of the power source.

В совокупности отмеченное приводит к эрозии электрода и повышенному расходу рабочего торца электрода. В таких плазменных генераторах ресурс, обычно составляющий несколько десятков часов, надежность и стабильность работы плазменных генераторов снижается из-за оплавления рабочего конца электрода, возрастания подвижности опорного пятна дуги по его рабочей поверхности и отклонения дугового разряда от оси электрода.Together, the aforementioned leads to erosion of the electrode and increased consumption of the working end of the electrode. In such plasma generators, the resource, usually several tens of hours, the reliability and stability of the plasma generators decreases due to fusion of the working end of the electrode, an increase in the mobility of the reference spot of the arc along its working surface and deviation of the arc discharge from the axis of the electrode.

Известен способ охлаждения электрода путем отвода тепла плазмообразующим газом от поверхности рабочей зоны на конце электрода. Для реализации известного способа создают вихревое течение плазмообразующего газа вокруг электрода с помощью узла завихрения, дополнительно устанавливаемого в плазмотрон [Патент РФ №2152560, F23D 21/00, Н05Н 1/32, В23К 10/00 «Плазменно-дуговая горелка», опубл. 10.07.2000]. При наличии такого узла обеспечивается охлаждение электрода вихревым потоком плазмообразующего газа и высокое качество газовихревой стабилизации плазменной струи по оси электрода. С увеличением интенсивности подачи плазмообразующего газа в разрядную камеру плазменного генератора вихревым потоком вокруг электрода и дугового разряда обеспечивают обжатие и уменьшение сечения токопроводящего канала столба дуги. Известно, что уменьшение радиуса столба дуги вблизи поверхности электрода обусловливает изменение формы ее приэлектродной области и изменение условий горения дуги на электроде. Дуга контрагирует, и ее опорное пятно на электроде сокращается, тем самым изменяются условия теплоотвода в электрод и уменьшается температура его нагрева [Мечев B.C., Ерошенко Л.Е. Влияние угла заточки неплавящегося электрода на параметры электрической дуги при сварке в аргоне. - «Сварочное производство», 1976, №7, с.4-7.].A known method of cooling the electrode by removing heat by a plasma-forming gas from the surface of the working area at the end of the electrode. To implement the known method create a vortex flow of plasma-forming gas around the electrode using a swirl unit, optionally installed in a plasma torch [RF Patent No. 2152560, F23D 21/00, Н05Н 1/32, V23K 10/00 "Plasma-arc torch", publ. 07/10/2000]. In the presence of such a node, the electrode is cooled by the vortex flow of a plasma-forming gas and the high quality of the gas-vortex stabilization of the plasma jet along the axis of the electrode. With an increase in the intensity of supply of plasma-forming gas into the discharge chamber of the plasma generator by a vortex flow around the electrode and the arc discharge, compression and reduction of the cross section of the conductive channel of the arc column are provided. It is known that a decrease in the radius of the arc column near the electrode surface causes a change in the shape of its near-electrode region and a change in the conditions of arc burning on the electrode. The arc counteracts, and its reference spot on the electrode is reduced, thereby changing the conditions of heat removal to the electrode and the temperature of its heating decreases [Mechev B.C., Eroshenko L.E. The effect of the angle of sharpening of the non-consumable electrode on the parameters of the electric arc during welding in argon. - "Welding", 1976, No. 7, p.4-7.].

Известен способ охлаждения электрода, который реализован в конструкции соплового узла плазмотрона [патент РФ №2174063, В23К 10/00, опубл. 27.09.2001]. Сопловой узел имеет щелевое турбинное колесо, неразрывно связанное с внутренним соплом, и газостатические подшипники, на которых размещено внутреннее сопло. Вращение внутреннего сопла, при котором происходит вихревое течение газа, способствует дополнительному охлаждению плазменной дуги в формирующем сопле за счет максимального радиального перепада давлений вокруг плазменной струи. В результате этого уменьшаются диаметр и конусность плазменной дуги, несколько снижается тепловой поток в электрод из приэлектродной области дугового разряда.A known method of cooling the electrode, which is implemented in the design of the nozzle assembly of the plasma torch [RF patent No. 2174063, V23K 10/00, publ. 09/27/2001]. The nozzle assembly has a slotted turbine wheel inextricably linked to the inner nozzle, and gas-static bearings on which the inner nozzle is located. The rotation of the internal nozzle, at which the gas vortex flows, contributes to additional cooling of the plasma arc in the forming nozzle due to the maximum radial pressure drop around the plasma jet. As a result of this, the diameter and conicity of the plasma arc are reduced, and the heat flux to the electrode from the near-electrode region of the arc discharge is somewhat reduced.

Недостатками указанных способов является, во-первых, слабое воздействие вихревого потока плазмообразующей среды на приэлектродные участки электрической дуги, где выделяется наибольшее количество теплоты дугового разряда. Охлаждение приэлектродных участков дуги не может быть достаточно эффективным, т.к. слои более холодного газа под действием центробежных сил располагаются у стенки рабочей камеры. Во-вторых, для увеличения охлаждения необходимо повышать скорость движения газа в омывающем электрод потоке. Однако скоростной вихревой поток оказывает интенсивное возмущающее воздействие больше на плазменную струю: в ней образуются турбулентные пульсации и развиваются микровихри, интенсивно взаимодействующие с окружающей средой с повышенным рассеянием мощности. Кроме того, увеличение расхода газа приводит к удорожанию процесса преобразования электрической энергии в тепловую и сопровождается развитием различных плазменных неустойчивостей, быстрым возрастанием газодинамических потерь и снижением термического кпд плазменной струи. Возможность осуществления рекуперации тепла, затрачиваемого на нагрев окружающей плазмообразующей среды для повторного использования в том же технологическом процессе нагрева обрабатываемого изделия, в известных способах охлаждения электрода отсутствует.The disadvantages of these methods is, firstly, the weak effect of the vortex flow of the plasma-forming medium on the near-electrode sections of the electric arc, where the greatest amount of heat of the arc discharge is released. The cooling of the near-electrode sections of the arc cannot be sufficiently effective, since layers of colder gas under the action of centrifugal forces are located near the wall of the working chamber. Secondly, to increase cooling, it is necessary to increase the gas velocity in the stream washing the electrode. However, the high-speed vortex flow exerts an intense perturbing effect more on the plasma jet: turbulent pulsations form in it and microvortices develop, which intensively interact with the environment with increased power dissipation. In addition, an increase in gas consumption leads to a rise in the cost of the process of converting electric energy into heat and is accompanied by the development of various plasma instabilities, a rapid increase in gas-dynamic losses and a decrease in the thermal efficiency of the plasma jet. The ability to recover heat spent on heating the surrounding plasma-forming medium for reuse in the same process of heating the workpiece is not known in the known methods of cooling the electrode.

Известно, что плазмотроны большой мощности требуют более интенсивного отвода тепла непосредственно от места расположения опорного пятна дуги на электродной вставке. Это связано с тем, что, например, в прикатодной области дугового разряда выделяется токопроводящий канал (столб дуги) и тепловой слой прогретого газа вокруг столба дуги. Из опорного пятна токопроводящего канала на электроде эмитируется струя высокотемпературной плазмы. Тепловой слой дуги характеризуется меньшей температурой и интенсивностью излучения по сравнению со столбом дуги, а радиальный ее размер - большей зависимостью от расхода плазмообразующего газа. С ростом тока толщина теплового слоя увеличивается. В этих условиях на характер токопереноса в прикатодной плазме существенно начинает влиять радиальная составляющая электрического поля. В промежутке столб дуги - поверхность электродного узла, в области теплового слоя, прилегающего к дуге и поверхности электрода, ток несамостоятельного разряда определяется диффузией и дрейфом заряженных частиц. При больших значениях радиальной составляющей электрического поля у поверхности катодного узла температура электронного газа превышает температуру тяжелых частиц, что может привести к интенсивной неравновесной ионизации, способствующей разогреву как приповерхностного холодного плазмообразующего газа, так и материала катододержателя. Такому состоянию плазмы присуща характерная неустойчивость. Поэтому, начиная с некоторого значения радиальной составляющей электрического поля, плотность тока несамостоятельного разряда быстро повышается. Эта неустойчивость завершается, как правило, дуговым пробоем между плазмой теплового слоя и поверхностью катододержателя. Таким образом, в результате недостатка охлаждения электрода из-за низкой локальной турбулентности потока плазмообразующего газа вблизи поверхности электрода происходит перегрев окружающего электрод плазмообразующего газа и его ионизация. Дуговой пробой между плазмой и поверхностью электрододержателя приводит к перегреву горячих зон на электроде и его оплавлению вблизи опорного пятна дуги. В результате начинается интенсивное разрушение материала катодного узла, что в итоге завершается резким снижением ресурса работы узла электрододержателя и плазмотрона в целом.It is known that high power plasmatrons require more intense heat removal directly from the location of the arc reference spot on the electrode insert. This is due to the fact that, for example, in the cathode region of the arc discharge, a conductive channel (arc column) and a thermal layer of heated gas around the arc column are released. A jet of high-temperature plasma is emitted from the reference spot of the conductive channel on the electrode. The thermal layer of the arc is characterized by a lower temperature and radiation intensity compared with the arc column, and its radial size is more dependent on the flow rate of the plasma-forming gas. With increasing current, the thickness of the thermal layer increases. Under these conditions, the radial component of the electric field begins to significantly influence the character of current transport in the cathode plasma. In the gap, the column of the arc is the surface of the electrode assembly, in the region of the thermal layer adjacent to the arc and the surface of the electrode, the non-self-discharge current is determined by the diffusion and drift of charged particles. For large values of the radial component of the electric field near the surface of the cathode assembly, the temperature of the electron gas exceeds the temperature of heavy particles, which can lead to intense nonequilibrium ionization, which contributes to the heating of both near-surface cold plasma-forming gas and the cathode holder material. Such a state of plasma is characterized by characteristic instability. Therefore, starting from a certain value of the radial component of the electric field, the current density of a non-self-sustained discharge rises rapidly. This instability is completed, as a rule, by an arc breakdown between the plasma of the thermal layer and the surface of the cathode holder. Thus, as a result of the lack of cooling of the electrode due to the low local turbulence of the plasma-forming gas flow near the electrode surface, the plasma-forming gas surrounding the electrode overheats and ionizes it. An arc breakdown between the plasma and the surface of the electrode holder leads to overheating of the hot zones on the electrode and its melting near the reference spot of the arc. As a result, intensive destruction of the material of the cathode assembly begins, which ultimately ends with a sharp decrease in the service life of the electrode holder assembly and the plasma torch as a whole.

Известен способ повышения эффективности охлаждения горячих зон на электроде, а также попутно улучшения эффективности стабилизации потока плазмы дугового разряда, с целью обеспечения повышения ресурса и надежности работы плазмотрона при неизменной интенсивности подачи плазмообразующего газа в рабочую камеру. Согласно известному способу, указанная задача достигается тем, что в плазмотроне для увеличения скоростного напора в закрученном потоке плазмообразующего газа возбуждают микровихри при обтекании рельефной поверхности с углублениями в виде лунок на поверхности внутренней стенки корпуса плазмотрона и сопла. Микровихри отрывают слой холодного плазмообразующего газа непосредственно у рельефной поверхности корпуса и переносят холодный газ в поток плазмы дуги, охлаждая ее у поверхности электрода. Лунки создают микровихри и увеличивают площадь поверхности теплопередачи через стенки корпуса. При этом большая площадь рельефной поверхности увеличивает зоны воздействия "холодного" плазмообразующего газа. Этот способ реализован, например, в плазменной горелке по [Патент РФ №2150360, В23К 10/00 «Плазмотрон», опубл. 10.06.2000], что обеспечивает повышение ресурса плазмотрона за счет более эффективного охлаждения. Эти же факторы обеспечивают повышение надежности работы плазмотрона.There is a method of increasing the efficiency of cooling hot zones on the electrode, as well as simultaneously improving the efficiency of stabilization of the plasma flow of the arc discharge, in order to ensure increased resource and reliability of the plasma torch with a constant intensity of plasma-forming gas supply to the working chamber. According to the known method, this task is achieved by the fact that in the plasmatron, in order to increase the velocity head in a swirling plasma-forming gas stream, microvortices are excited while flowing around a relief surface with dimples in the form of holes on the surface of the inner wall of the plasma torch body and nozzle. Microvortices tear off a layer of cold plasma-forming gas directly at the relief surface of the housing and transfer cold gas into the arc plasma stream, cooling it at the electrode surface. Wells create microvortices and increase the surface area of heat transfer through the walls of the housing. At the same time, a large relief surface area increases the zones of influence of the "cold" plasma-forming gas. This method is implemented, for example, in a plasma torch according to [RF Patent No. 2150360, B23K 10/00 "Plasmatron", publ. 10.06.2000], which provides an increase in the plasma torch resource due to more efficient cooling. The same factors provide increased reliability of the plasma torch.

Недостатком известных способов является слабое воздействие потока плазмообразующей среды на приэлектродные участки электрической дуги. Кроме того, высокая турбулентность на внешних границах на всем протяжении осевой плазменной струи столба дуги вызывает интенсивное взаимодействие ее с окружающей средой с повышенным рассеянием мощности, что существенно снижает кпд плазменного генератора. Возможность рекуперативного охлаждения электрода в известном способе отсутствует.A disadvantage of the known methods is the weak effect of the plasma-forming medium flow on the near-electrode sections of the electric arc. In addition, high turbulence at the external boundaries throughout the axial plasma jet of the arc column causes its intense interaction with the environment with increased power dissipation, which significantly reduces the efficiency of the plasma generator. The possibility of regenerative cooling of the electrode in the known method is absent.

Задача данного изобретения - разработка способа, обеспечивающего эффективное и экономичное охлаждение электрода.The objective of the invention is the development of a method that provides efficient and economical cooling of the electrode.

Другой задачей изобретения является утилизация отходящего тепла дугового разряда, уносимого омывающими дуговой разряд вихревыми потоками плазмообразующего газа, и использование его в плазменном технологическом процессе, например, для дополнительного нагрева обрабатываемого изделия плазменной дугой.Another object of the invention is the utilization of the waste heat of the arc discharge carried away by the vortex flows of the plasma-forming gas washed by the arc discharge, and its use in a plasma technological process, for example, for additional heating of a workpiece by a plasma arc.

Технический результат, достигаемый изобретением, - интенсификация процесса охлаждения теплонагруженных элементов плазмотрона, повышение эффективности охлаждения электрода и увеличение ресурса электродного узла, увеличение тепломассопереноса в направлении с электрода на обрабатываемое плазмой изделие.The technical result achieved by the invention is the intensification of the cooling process of heat-loaded elements of the plasma torch, increasing the cooling efficiency of the electrode and increasing the resource of the electrode assembly, increasing heat and mass transfer in the direction from the electrode to the plasma-treated product.

Технический результат достигается тем, что в способе рекуперативного охлаждения неплавящегося электрода с электрододержателем в процессе работы плазмотрона, включающем подвод к электроду в зону опорного пятна дугового разряда вращающегося потока плазмообразующего газа, воздействие на тепло- и массоперенос между аксиальным потоком плазмы из опорного пятна дугового разряда и внешним вихревым потоком плазмообразующего газа путем создания микрозавихрений газа вблизи поверхности электрода и отвод тепла от электрода в аксиальный поток плазмы микровихрями, электрод с электрододержателем и вихревой поток плазмообразующего газа вращают вокруг общей оси во встречных друг другу направлениях.The technical result is achieved by the fact that in the method of regenerative cooling of a non-consumable electrode with an electrode holder during operation of the plasma torch, which includes applying a rotating plasma-forming gas stream to the electrode in the zone of the reference spot of the arc discharge, the effect on heat and mass transfer between the axial plasma flow from the reference spot of the arc discharge and an external vortex plasma-forming gas flow by creating micro-eddies of gas near the electrode surface and heat removal from the electrode to the axial flow plasma microvortices, an electrode with an electrode holder and a vortex flow of a plasma-forming gas rotate around a common axis in opposite directions.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ охлаждения электрода отличается наличием новых признаков: вращение электрододержателя с электродом, совмещение оси вращения электрододержателя и вихревого потока плазмообразующего газа, выбор направления вращения электрода в зависимости от направления вращения вихревого потока плазмообразующего газа. Эти признаки обеспечивают соответствие заявляемого технического решения критерию «новизна».Comparative analysis with the prototype shows that the inventive method of cooling the electrode is characterized by the presence of new features: rotation of the electrode holder with the electrode, the combination of the axis of rotation of the electrode holder and the vortex flow of the plasma-forming gas, the choice of the direction of rotation of the electrode depending on the direction of rotation of the vortex stream of the plasma-forming gas. These features ensure compliance of the claimed technical solution to the criterion of "novelty."

Сравнение заявляемого технического решения в способе с прототипом и с другими известными решениями в области сварки и смежных областях техники (электротехника, электромеханика, энергетика и др.) не выявило решение, обладающее сходными признаками: охлаждение электрода путем создания у его поверхности микровихрей плазмообразующего газа при встречном направлении вращения электрододержателя с электродом и вихревого потока плазмообразующего газа. Следовательно, заявляемому решению обеспечивается соответствие критерию "существенные отличия". Новое свойство совокупности указанных признаков, не повторяющее известные свойства отличительных признаков, известных из других решений, заключается в том, что при вращении электрододержателя навстречу вращающемуся потоку газа в пограничном слое газа у поверхности электрода частицы потока начинают закручиваться в плоскости вращения электрода. Тем самым создаются микрозавихрения, т.е. движение газа в пограничном слое у поверхности электрода становится вихревым. Известно, что механизм и интенсивность переноса тепла зависят от характера движения газа в пограничном слое. Если движение внутри теплового пограничного слоя ламинарное, то тепло в направлении, перпендикулярном к потоку, переносится теплопроводностью газа. В образовавшемся турбулентном слое тепло переносится не только теплопроводностью, но и конвекцией вместе с перемещающейся массой, т.е. более интенсивно. В результате суммарное термическое сопротивление теплоотдачи убывает. При этом вследствие турбулентного перемешивания газа непосредственно у поверхности электрода возрастает интенсивность переноса теплоты от внутренних слоев потока к наружным в направлении, перпендикулярном его движению.Comparison of the claimed technical solution in the method with the prototype and with other known solutions in the field of welding and related fields of technology (electrical engineering, electromechanics, power engineering, etc.) did not reveal a solution that has similar characteristics: cooling the electrode by creating plasma-forming gas microvortices on its surface when it meets the direction of rotation of the electrode holder with the electrode and the vortex flow of a plasma-forming gas. Therefore, the claimed solution ensures compliance with the criterion of "significant differences". A new property of the totality of these features, which does not repeat the known properties of the distinguishing features known from other solutions, is that when the electrode holder rotates towards the rotating gas flow in the gas boundary layer at the electrode surface, the flow particles begin to twist in the electrode rotation plane. This creates micro-eddies, i.e. the gas motion in the boundary layer near the electrode surface becomes vortex. It is known that the mechanism and intensity of heat transfer depend on the nature of the gas motion in the boundary layer. If the movement inside the thermal boundary layer is laminar, then the heat in the direction perpendicular to the flow is transferred by the thermal conductivity of the gas. In the resulting turbulent layer, heat is transferred not only by thermal conductivity, but also by convection along with the moving mass, i.e. more intense. As a result, the total thermal resistance of heat transfer decreases. In this case, due to turbulent mixing of the gas directly at the electrode surface, the intensity of heat transfer from the inner layers of the flow to the outer ones in the direction perpendicular to its movement increases.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».Thus, the claimed technical solution meets the criterion of "inventive step".

Технический эффект заключается в достижении интенсивного теплоотвода из области приэлектродного участка электрической дуги, где выделяется наибольшее количество теплоты дугового разряда. Дуга контрагирует, и ее опорное пятно на электроде сокращается, в результате чего тепловой поток в электрод уменьшается, а температура его нагрева падает.The technical effect is to achieve intense heat removal from the area of the near-electrode portion of the electric arc, where the greatest amount of heat of the arc discharge is released. The arc counteracts, and its reference spot on the electrode is reduced, as a result of which the heat flux into the electrode decreases, and its heating temperature drops.

Предлагаемый способ охлаждения электрода создает другие технические эффекты, неизвестные (недостижимые) при охлаждении электрода способом, взятым за прототип.The proposed method of cooling the electrode creates other technical effects that are unknown (unattainable) when cooling the electrode in a manner taken as a prototype.

При вращении электрода с высокой скоростью его рабочая поверхность омывается набегающим потоком холодного защитного газа. Улучшение условий теплоотвода из области пятна контакта дугового разряда с поверхностью электрода при его вращении повышает сжатие токопроводящего канала дуги непосредственно в зоне, где выделяется большая часть теплоты дугового разряда. Температура, давление и плотность тока в приэлектродной области возрастают, что приводит к появлению под действием собственных электромагнитных сил интенсивной газоплазменной струи в осевом направлении дугового разряда. Дуговой разряд, как электромагнитный насос начинает затягивать в себя окружающий холодный газ, нагревать его и ускорять в направлении из сопла наружу в виде высокотемпературной струи нагретого газа. Подсос газа в ядро дуги идет вдоль поверхности рабочего участка электрода, чем обеспечивается его интенсивное охлаждение. Разгон потока плазмы в дуге осевой электромагнитной ускоряющей силой пинч-эффекта от взаимодействия электрического тока дуги с собственным магнитным полем стабилизирует пространственное положение столба дугового разряда. При этом возможность сжатия дугового разряда у электрода, в отличие от известных способов, не связана с реальным повышением расхода рабочего (защитного или плазмообразующего) газа. Происходит рекуперативное конвективное охлаждение вращающегося электрода и предварительный подогрев плазмообразующего газа у поверхности электрода до его поступления в дуговой разряд. Это позволяет существенно повысить теплообменные процессы в дуговом разряде вблизи электрода. Соответственно, возрастает эффективность преобразования электрической энергии дугового разряда в тепловую энергию потока плазмы.When the electrode rotates at high speed, its working surface is washed by an oncoming flow of cold protective gas. Improving the conditions of heat removal from the region of the spot of contact of the arc discharge with the surface of the electrode during its rotation increases the compression of the conductive channel of the arc directly in the area where most of the heat of the arc discharge is released. The temperature, pressure and current density in the near-electrode region increase, which leads to the appearance of an intense gas-plasma jet in the axial direction of the arc discharge under the action of its own electromagnetic forces. An arc discharge, like an electromagnetic pump, begins to draw in the surrounding cold gas, heat it and accelerate it outward from the nozzle in the form of a high-temperature jet of heated gas. Gas suction into the arc core goes along the surface of the working section of the electrode, which ensures its intensive cooling. The acceleration of the plasma flow in the arc by the axial electromagnetic accelerating force of the pinch effect from the interaction of the electric current of the arc with its own magnetic field stabilizes the spatial position of the column of the arc discharge. Moreover, the possibility of compression of the arc discharge at the electrode, in contrast to the known methods, is not associated with a real increase in the consumption of working (protective or plasma-forming) gas. Recuperative convective cooling of the rotating electrode occurs and the plasma-forming gas is preheated at the electrode surface until it enters the arc discharge. This allows you to significantly increase the heat transfer processes in an arc discharge near the electrode. Accordingly, the efficiency of converting the electric energy of the arc discharge into the thermal energy of the plasma stream increases.

Подсос холодного газа непосредственно в ядро дуги вызывает снижение среднемассовой температуры газа и соответственно концентрацию в плазме заряженных частиц. В результате ток разряда несколько снижается, что уменьшает тепловую нагрузку также на электрически активную поверхность электрода и благоприятно сказывается на увеличении срока его службы.The suction of cold gas directly into the arc core causes a decrease in the mass average temperature of the gas and, accordingly, the concentration of charged particles in the plasma. As a result, the discharge current decreases slightly, which reduces the thermal load on the electrically active surface of the electrode and favorably affects the increase in its service life.

Известна плазменная горелка по патенту РФ №211263, В23К 10/00, опубл. 10.06.1998 «Способ осевой стабилизации электродугового столба в плазменной горелке с подвижным катодом и плазменная горелка для его осуществления», выбранная по совокупности существенных признаков в качестве прототипа. Плазменная горелка содержит корпус с разрядной камерой и присоединенный к нему резервуар для жидкости, заполненный влаговпитывающим материалом, соосно установленные в разрядной камере сопло и катод, закрепленный в катододержателе, размещенном с возможностью аксиального перемещения в электроизоляционной трубке, которая установлена в теплопроводной трубке-испарителе с развитой наружной поверхностью, причем катододержатель, электроизоляционная трубка и трубка-испаритель проходят через резервуар, при этом последняя соприкасается со стороны резервуара с влаговпитывающим материалом, а со стороны корпуса - с кольцом из теплопроводного материала. Резервуар в месте выхода из него электрододержателя уплотнен посредством сальника. Плазменная горелка снабжена механизмом перемещения катододержателя. Охлаждение катододержателя осуществляется паром, образующимся при взаимодействии жидкости с поверхностью трубки-испарителя, нагретой до высокой температуры, для чего резервуар, содержащий жидкость, сообщен с полостью между катододержателем и электроизоляционной трубкой. Поскольку существенную роль в охлаждении катода играет величина поверхности катододержателя, последняя снабжена ребрами, увеличивающими поверхность теплоизлучения.Known plasma torch according to the patent of Russian Federation No. 211263, V23K 10/00, publ. 06/10/1998 “Method of axial stabilization of an electric arc column in a plasma torch with a movable cathode and a plasma torch for its implementation”, selected by the set of essential features as a prototype. The plasma torch contains a housing with a discharge chamber and a fluid reservoir attached to it, filled with moisture-absorbing material, a nozzle and a cathode coaxially mounted in the discharge chamber, mounted in a cathode holder, which is axially movable in an insulating tube that is installed in a heat-conducting evaporator tube with a developed the outer surface, and the cathode holder, the insulating tube and the evaporator tube pass through the tank, while the latter is in contact with Torons reservoir with liquid-absorbing material and the housing side - with a ring of thermally conductive material. The reservoir at the exit from it of the electrode holder is sealed by means of an oil seal. The plasma torch is equipped with a cathode holder moving mechanism. The cathode holder is cooled by steam generated during the interaction of the liquid with the surface of the evaporator tube heated to a high temperature, for which a reservoir containing liquid is in communication with the cavity between the cathode holder and the insulating tube. Since the size of the surface of the cathode holder plays a significant role in cooling the cathode, the latter is equipped with fins that increase the surface of heat radiation.

Однако конструкции известного плазменного генератора и электродного узла не являются оптимальными с точки зрения интенсивности охлаждения, что обусловлено передачей тепловой энергии от электрода кондуктивным способом только за счет теплопроводности материалов контактных поверхностей электрододержателя, электроизоляционной трубки и трубки испарителя. Наличие большого количества элементов теплопередающей цепи с большим термическим сопротивлением делает охлаждение электрода в известной конструкции электродного узла малоэффективным.However, the designs of the known plasma generator and electrode assembly are not optimal from the point of view of cooling intensity, which is due to the transfer of thermal energy from the electrode in a conductive way only due to the thermal conductivity of the materials on the contact surfaces of the electrode holder, the insulating tube and the evaporator tube. The presence of a large number of elements of the heat transfer circuit with high thermal resistance makes the cooling of the electrode in the known design of the electrode assembly ineffective.

В процессе работы плазмотрона необходимо постоянно подводить и отводить охлаждающее вещество для устранения повышения температуры электрода, что требует соединения каналами внутренней системы охлаждения электродного узла с внешней.In the process of operation of the plasma torch, it is necessary to constantly supply and withdraw coolant to eliminate the increase in the temperature of the electrode, which requires connecting the channels of the internal cooling system of the electrode assembly with the external one.

Другим недостатком известной системы охлаждения является слабая интенсификация теплообмена в испарителе и невозможность осуществления рекуперативного охлаждения.Another disadvantage of the known cooling system is the weak intensification of heat transfer in the evaporator and the inability to carry out regenerative cooling.

Способ реализован в плазменной горелке и ее электродном узле, являющимися другими объектами изобретения. Способ и устройства решают одну задачу и связаны единым изобретательским замыслом.The method is implemented in a plasma torch and its electrode assembly, which are other objects of the invention. The method and devices solve one problem and are connected by a single inventive concept.

Осуществление заявленного способа охлаждения электрода возможно посредством плазмотронов как косвенного действия, при котором тепловая энергия передается обрабатываемому изделию непосредственно плазменной струей, выходящей из сопла-анода, так и посредством плазмотронов прямого действия, в которых воздействие на изделие производится дугой, стабилизированной плазменной струей.The implementation of the claimed method of cooling the electrode is possible by means of plasmatrons as an indirect action in which thermal energy is transferred to the workpiece directly by a plasma jet exiting the anode nozzle, and by means of direct-action plasmatrons in which the product is exposed to an arc stabilized by a plasma jet.

Поставленная задача решается тем, что в плазмотроне, содержащем воздушную турбину с рабочей камерой, входной патрубок рабочей камеры турбины для ввода воздушного потока в направлении на лопатки турбинного колеса, вал с жестко закрепленным на торце электрододержателем и имеющий с ним низкое тепловое и электрическое сопротивления, размещенный цапфой на газостатических подшипниках, разрядную камеру дугового разряда с соосно установленным неплавящимся электродом, жестко закрепленным нерабочим концом в подвижном электрододержателе, завихритель для ввода вихревого потока плазмообразующего газа в разрядную камеру с закручиванием вокруг рабочего конца электрода, узел токоввода для подвода тока к электроду, вал изготовлен из теплопроводного и электропроводного материала и снабжен турбинным колесом в виде втулки с лопатками, изготовленных из материала с высокой теплопроводностью, которая жестко связана с валом и имеет с ним малое тепловое сопротивление, цапфа вала турбинного колеса выполнена в виде полой втулки, установленной на газостатических подшипниках, при этом вал установлен теплоизолированно и электроизолированно в цапфе с возможностью совместного вращения вокруг оси электродного узла, механически соединен с ней расцепляемой муфтой, ведущая и ведомая полумуфты которой взаимодействуют друг с другом торцевыми поверхностями, покрытыми электроизоляционным материалом, например корундом, и электрически соединен с электродным узлом и токовводом, при этом входной патрубок рабочей камеры воздушной турбины установлен тангенциально с возможностью вращения турбинного колеса вала в направлении, противоположном направлению закручивания потока плазмообразующего газа в разрядной камере. Вращающийся вал электрически соединен с токовводом скользящим контактом, например, при помощи щетки, электроизолированно установленной в корпусе плазмотрона.The problem is solved in that in a plasmatron containing an air turbine with a working chamber, the inlet pipe of the working chamber of the turbine for introducing air flow in the direction of the turbine wheel blades, a shaft with an electrode holder rigidly fixed at the end and having low thermal and electrical resistance with it trunnion on gas-static bearings, an arc discharge chamber with a coaxially mounted non-consumable electrode, a rigidly fixed non-working end in a movable electrode holder, a stripper for introducing a vortex flow of plasma-forming gas into the discharge chamber with twisting around the working end of the electrode, a current lead assembly for supplying current to the electrode, the shaft is made of heat-conducting and electrically conductive material and equipped with a turbine wheel in the form of a sleeve with blades made of material with high thermal conductivity, which rigidly connected to the shaft and has low thermal resistance with it, the shaft pin of the turbine wheel is made in the form of a hollow sleeve mounted on gas-static bearings, while the shaft it is installed thermally insulated and electrically insulated in a trunnion with the possibility of joint rotation around the axis of the electrode assembly, is mechanically connected to it by a releasable coupling, the driving and driven coupling halves of which interact with each other by end surfaces coated with electrical insulation material, such as corundum, and are electrically connected to the electrode assembly and current lead, the inlet pipe of the working chamber of the air turbine is installed tangentially with the possibility of rotation of the turbine wheel of the shaft in the direction in the opposite direction of swirling the plasma-forming gas flow in the discharge chamber. The rotating shaft is electrically connected to the current lead by a sliding contact, for example, using a brush, electrically insulated in the plasma torch body.

Реализующий предлагаемый способ охлаждения в предлагаемом плазмотроне вращающийся электродный узел плазмотрона содержит неплавящийся электрод в виде стержня или вставки из тугоплавкого металла, закрепленный в электрододержателе, охлаждаемом теплопроводной трубкой-испарителем с развитой наружной поверхностью в виде охлаждающих ребер, введенной в контакт с теплоносителем, циркулирующим с изменением агрегатного состояния, смонтирован на валу ротора воздушной турбины, выполненном в виде центробежной тепловой трубы, состоящей из двух симметрично размещенных относительно центральной оси один в другом стаканов из теплопроводного и электропроводного материала с замкнутой полостью между ними, заполненной теплоносителем, при этом замкнутая полость тепловой трубы образована наружным стаканом с внутренней конической расширяющейся к зоне испарения поверхностью, и внутренним стаканом с внешней конической расширяющейся к зоне конденсации поверхностью, внутренняя поверхность которого образует открытую коническую полость тепловой трубы, при этом охлаждающие ребра тепловой трубы с внешней стороны в зоне конденсации выполнены в виде охлаждаемых воздушным потоком лопаток турбинного колеса. Кроме того, в открытой конической полости тепловой трубы размещен концентрично с ней канальный центробежный вентилятор в качестве дополнительного охлаждающего теплообменника в виде пустотелого цилиндра, установленного соосно с зазором относительно поверхности теплообмена на стенках полости, с закрепленными по окружности на наружной поверхности радиальными пластинчатыми ребрами в виде лопаток вентилятора, примыкающими к охлаждаемой поверхности с образованием направляющих каналов для формирования рабочей поверхностью ребер потоков охлаждающей среды вдоль стенки полости. Рабочая поверхность пластинчатых ребер в виде лопаток вентилятора, обращенная к потоку охлаждающего воздуха в открытой конической полости тепловой трубы независимо от направления его движения, составляет с направлением вращения электродного узла угол подъема от 0° до 180°. Часть внешней поверхности центробежной тепловой трубы в адиабатической зоне на участке между зонами испарения и конденсации имеет термоизолирующее и электроизолирующее покрытие.Implementing the proposed cooling method in the proposed plasmatron, the rotating electrode assembly of the plasma torch contains a non-consumable electrode in the form of a rod or insert made of refractory metal, mounted in an electrode holder, cooled by a heat-conducting evaporator tube with a developed outer surface in the form of cooling fins, brought into contact with a coolant circulating with a change aggregate state, mounted on the rotor shaft of an air turbine, made in the form of a centrifugal heat pipe, consisting of two cups of heat-conducting and electrically conductive material symmetrically placed relative to the central axis in one another with a closed cavity between them filled with a coolant, while the closed cavity of the heat pipe is formed by an outer cup with an inner conical surface expanding to the evaporation zone, and an inner cup with an outer conical expanding to the zone condensation by a surface, the inner surface of which forms an open conical cavity of the heat pipe, while the cooling fins are warm The outer pipes in the condensation zone are made in the form of turbine wheel blades cooled by an air stream. In addition, in the open conical cavity of the heat pipe, a channel centrifugal fan is placed concentrically with it as an additional cooling heat exchanger in the form of a hollow cylinder mounted coaxially with a gap relative to the heat exchange surface on the walls of the cavity, with radial plate blades fixed in a circle around the outer surface in the form of vanes fan adjacent to the cooled surface with the formation of guide channels for the formation of the working surface of the ribs flow a cooling medium along the walls of the cavity. The working surface of the plate-shaped ribs in the form of fan blades facing the flow of cooling air in the open conical cavity of the heat pipe, regardless of the direction of its movement, makes an angle of elevation from 0 ° to 180 ° with the direction of rotation of the electrode assembly. Part of the outer surface of the centrifugal heat pipe in the adiabatic zone in the area between the zones of evaporation and condensation has a thermally insulating and electrical insulating coating.

Выполнение плазмотрона в совокупности с вышеизложенными признаками (признаками формулы изобретения) является новым для плазмотронов и, следовательно, соответствует критерию «новизна».The implementation of the plasma torch in combination with the above features (features of the claims) is new for plasmatrons and, therefore, meets the criterion of "novelty."

Вышеприведенная совокупность отличительных признаков не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил конструирования плазмотронов с теплонагруженными узлами, что подтверждает соответствие критерию «изобретательский уровень».The above set of distinctive features is not known at this level of technology and does not follow from the well-known rules for the construction of plasmatrons with heat-loaded nodes, which confirms compliance with the criterion of "inventive step".

Конструктивная реализация плазмотрона и электродного узла с указанной совокупностью существенных признаков не представляет никаких конструктивных, технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленная применимость».The constructive implementation of the plasma torch and the electrode assembly with the indicated set of essential features does not present any structural, technical and technological difficulties, from which the criterion “industrial applicability” follows.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности охлаждения электрода, использование тепла, отводимого от охлаждаемого электрода в плазменном технологическом процессе (рекуперация) и увеличение ресурса электродного узла, а следовательно, плазмотрона в целом.The technical result of the invention is to increase the cooling efficiency of the electrode, the use of heat removed from the cooled electrode in the plasma technological process (recovery) and the increase in the resource of the electrode assembly, and therefore, the plasma torch as a whole.

Сущность предлагаемого способа и устройства поясняется фиг.1-7,The essence of the proposed method and device is illustrated in figures 1-7,

где на фиг.1 - плазмотрон в разрезе;where in Fig.1 is a sectional plasmatron;

фиг.2 - формирующий плазменный поток вкладыш соплового узла;figure 2 - forming a plasma flow liner nozzle node;

фиг.3 - завихряющая втулка;figure 3 - swirl sleeve;

фиг.4 - электродный узел;figure 4 - electrode assembly;

фиг.5 - схема течения газоплазменной струи дугового разряда;5 is a diagram of the flow of a gas-plasma jet of an arc discharge;

фиг.6 - влияние вращения электрода на электрические параметры дугового разряда;6 - the effect of rotation of the electrode on the electrical parameters of the arc discharge;

фиг.7 - влияние вращения электрода на эффективность преобразования электрической энергии дугового разряда в тепловую энергию газоплазменной струи.7 - the effect of rotation of the electrode on the conversion efficiency of the electric energy of the arc discharge into thermal energy of a gas-plasma jet.

На фиг.1 показан плазмотрон, корпус 1 которого образуют сопловой узел 2, проставок 3 и опорная втулка 4 газовой турбины 5. В корпусе 1 плазмотрона установлен электродный узел 6 с возможностью вращения вокруг собственной оси.Figure 1 shows a plasmatron, the housing 1 of which forms a nozzle assembly 2, spacers 3 and a support sleeve 4 of a gas turbine 5. An electrode assembly 6 is mounted in the housing 1 of the plasma torch to rotate around its own axis.

Сопловой узел 2 включает в себя сопловую втулку 13 и наружное сопло 7, которые установлены коаксиально с неплавящимся электродом 8. Сопло 7 закреплено по внутренней резьбе 9 на проставке 3 и имеет входное отверстие 10 для подвода защитного газа в кольцевую полость 11, а затем через продольные пазы 12 венца, формирующего плазменную струю сопловую втулку 13 (фиг.2) с центральным отверстием 14 для плазменной струи, в кольцевой зазор 15 между соплом 7 и сопловой втулкой 13 на проход к технологической зоне обработки изделия плазмой.The nozzle assembly 2 includes a nozzle sleeve 13 and an external nozzle 7, which are installed coaxially with a non-consumable electrode 8. The nozzle 7 is fixed by an internal thread 9 to a spacer 3 and has an inlet 10 for supplying a protective gas to the annular cavity 11, and then through the longitudinal grooves 12 of the crown forming the plasma jet nozzle sleeve 13 (FIG. 2) with a central hole for the plasma jet 14, in the annular gap 15 between the nozzle 7 and the nozzle sleeve 13 to the passage to the plasma processing zone of the article.

Проставок 3 закреплен по резьбе 16 на опорной втулке 17 газовой турбины 5. По внутренней резьбе 18 в проставок 3 установлена завихряющая втулка 19 завихрителя плазмотрона.The spacer 3 is fixed by a thread 16 on the supporting sleeve 17 of the gas turbine 5. On the internal thread 18 in the spacers 3, a swirl sleeve 19 of the plasma torch swirl is installed.

Завихритель плазмотрона состоит из завихряющей втулки 19, напорной втулки 20 и формирующей плазменный поток сопловой втулки 13. Втулка 4 имеет внутри направленный по оси канал 21 со средством для создания завихряющегося потока плазмообразующего газа в виде винтовых завихряющих канавок 22. Винтовые завихряющие канавки 22 могут быть выполнены в направлении правого или левого винта. На фиг.3 представлен вариант выполнения правовинтовых канавок 22, если смотреть со стороны газовой турбины в направлении поступательного движения вдоль оси разрядной камеры при закручивания канавки вокруг этой оси.The plasma torch swirl consists of a swirl sleeve 19, a pressure sleeve 20 and a nozzle sleeve 13 forming a plasma flow. The sleeve 4 has an axially directed channel 21 with means for creating a swirling plasma-forming gas stream in the form of helical swirl grooves 22. Screw swirl grooves 22 can be made in the direction of the right or left screw. Figure 3 presents an embodiment of right-handed grooves 22 when viewed from the side of a gas turbine in the direction of translational movement along the axis of the discharge chamber while twisting the grooves around this axis.

Канавки 22 могу быть выполнены с винтовой однозаходной и многозаходной поверхностью любого известного профиля. В завихряющую втулку 19 вставлена напорная втулка 20 завихрителя для образования каналов завихрения. Винтовые каналы между завихряющими канавками 22 и напорной втулкой 20 имеют входные концы 23, выходящие в полость 24, и выходные каналы 25, располагающиеся в разрядной камере 26 на участке, свободном от напорной втулки 20. Завихритель может быть выполнен с однозаходными или многозаходными канавками. По выходным участкам винтовых каналов плазмообразующий газ вводится в разрядную камеру 26 касательно к ее стенкам, с закручиванием (как вариант) в направлении по часовой стрелке (вариант показан на фиг.1). Закрученный поток плазмообразующего газа выводится из разрядной камеры 26 через центральное отверстие 14.Grooves 22 can be made with a single screw and multi-thread surface of any known profile. In the swirl sleeve 19 is inserted the pressure sleeve 20 of the swirl to form swirl channels. The helical channels between the swirl grooves 22 and the pressure sleeve 20 have inlet ends 23 extending into the cavity 24 and output channels 25 located in the discharge chamber 26 in a section free of the pressure sleeve 20. The swirl can be made with single-pass or multiple-pass grooves. At the exit portions of the helical channels, the plasma-forming gas is introduced into the discharge chamber 26 with respect to its walls, with twisting (as an option) in a clockwise direction (the variant is shown in FIG. 1). The swirling stream of plasma-forming gas is discharged from the discharge chamber 26 through the Central hole 14.

Нижний конец корпусной втулки 4 снабжен аксиально проходящими углублениями в виде фрезерованных шпоночных пазов 21, расположенных на расстоянии друг от друга по ее периметру. Углубления в виде пазов 21 образуют по всему периметру корпусной втулки каналы для направления плазмообразующего газа из кольцевой полости 27 от входного отверстия 28 к завихряющему узлу с втулками 19 и 20.The lower end of the housing sleeve 4 is provided with axially extending recesses in the form of milled keyways 21 located at a distance from each other along its perimeter. Grooves in the form of grooves 21 form channels around the entire perimeter of the housing sleeve for directing the plasma-forming gas from the annular cavity 27 from the inlet 28 to the swirl unit with the bushings 19 and 20.

Плазмотрон содержит воздушную турбину 5 с валом турбинного колеса 29, размещенным на газостатических подшипниках, и входным патрубком 30 для направления активного воздушного потока 31 на лопатки 32 турбинного колеса. Плазмотрон может быть с правым или левым вращением вала 29 турбинного колеса (в зависимости от направления закручивания потока плазмообразующего газа). На фиг.2 приведен пример газовой турбины 5 с вращением вала 29 против хода часовой стрелки (левое вращение вала), если смотреть на него со стороны входного патрубка 30 для входа газа в рабочую камеру турбины.The plasma torch comprises an air turbine 5 with a turbine wheel shaft 29 located on gas-static bearings, and an inlet pipe 30 for directing the active air flow 31 to the turbine wheel blades 32. The plasma torch can be with right or left rotation of the shaft 29 of the turbine wheel (depending on the direction of swirling the plasma gas flow). Figure 2 shows an example of a gas turbine 5 with a rotation of the shaft 29 counterclockwise (left rotation of the shaft), if you look at it from the side of the inlet pipe 30 for gas inlet into the working chamber of the turbine.

Поток 31 сжатого рабочего воздуха поступает в рабочую камеру турбины по входному патрубку 31, выполненному предпочтительно в виде сопла, направляющего воздух на лопатки 32 турбинного колеса. В варианте, питание турбины сжатым воздухом может обеспечиваться по каналу 31 через улитку, охватывающую это турбинное колесо.The stream 31 of compressed working air enters the working chamber of the turbine through the inlet pipe 31, preferably made in the form of a nozzle directing air to the blades 32 of the turbine wheel. In an embodiment, power to the turbine with compressed air can be provided through channel 31 through a scroll that spans this turbine wheel.

Турбина состоит из корпуса 33 в виде, например, улитки, колеса турбины с лопатками 32 и приводного вала 29, цапфы 34 с двумя опорными и одним упорным подшипником скольжения. Колесо турбины 5 выполнено в виде втулки 35 с лопатками 32, закрепленной на приводном валу 29. Возможно, если соединение втулки 35 колеса турбины выполнено на валу 29 с помощью пайки. Втулка 35 и лопатки 32 турбины 5 выполнены из материала с высокой теплопроводностью. Во время работы, когда лопатки 32 турбины 5 омываются рабочей средой, например сжатым воздухом, они охлаждаются, тем самым осуществляется отвод тепла из зоны конденсации.The turbine consists of a housing 33 in the form, for example, of a cochlea, turbine wheels with blades 32 and a drive shaft 29, axle 34 with two pillows and one thrust sliding bearings. The turbine wheel 5 is made in the form of a sleeve 35 with blades 32 mounted on the drive shaft 29. It is possible if the connection of the sleeve 35 of the turbine wheel is made on the shaft 29 by soldering. The sleeve 35 and the blades 32 of the turbine 5 are made of a material with high thermal conductivity. During operation, when the blades 32 of the turbine 5 are washed by a working medium, for example, compressed air, they are cooled, thereby removing heat from the condensation zone.

Вращающийся электродный узел плазмотрона с охлаждением электрода 8 предлагаемым способом состоит из неплавящегося электрода 8 в виде стержня или вставки из тугоплавкого металла, например циркония или тантала, соединенной механически прочно и неподвижно в электрододержателе 36 в виде медной охлаждаемой обоймы (фиг.4). При этом, например, вольфрамовая вставка 8 может впаиваться на серебряном припое или свариваться методом диффузионной сварки в вакууме, а циркониевая, как более пластичная, запрессовываться в медную обойму 36. Катодная вставка может укрепляться в цельном корпусе, а может быть изготовлена в виде сменного модуля термокатода, который закреплен на корпусе вала 29 пайкой или любым другим известным способом, обеспечивающим низкие переходные термическое и электрическое сопротивления.The rotating electrode assembly of the plasma torch with cooling of the electrode 8 by the proposed method consists of a non-consumable electrode 8 in the form of a rod or insert made of refractory metal, for example zirconium or tantalum, mechanically connected firmly and motionlessly in the electrode holder 36 in the form of a copper cooled holder (Fig. 4). In this case, for example, tungsten insert 8 can be soldered onto silver solder or welded by diffusion welding in vacuum, and zirconium, as more plastic, can be pressed into a copper holder 36. The cathode insert can be fixed in a single housing, or can be made in the form of a replaceable module thermal cathode, which is fixed to the shaft housing 29 by soldering or by any other known method, providing low transient thermal and electrical resistance.

В электродном узле (фиг.4) электрод о держатель 36 с электродом 8 жестко соединен с валом 29, выполненным в виде центробежной тепловой трубы, которая образована наружной втулкой 37 с глухим дном в форме стакана, из материала с высокой теплопроводностью и электропроводностью, и соединенной с ней другой внутренней втулкой 38 также с глухим дном, из такого же материала, в форме стакана с образованием замкнутой полости 39 между ними. Замкнутая полость 39 тепловой трубы образована наружным стаканом с внутренней конической расширяющейся к зоне испарения поверхностью 40 и внутренним стаканом 38 с внешней конической расширяющейся к зоне конденсации поверхностью 41, внутренняя поверхность 42 которого образует открытую коническую полость 43 тепловой трубы. Замкнутая полость 39 тепловой трубы заполнена теплоносителем 44, изменяющим агрегатное состояние при нагреве, например, водой.In the electrode assembly (Fig. 4), the electrode about the holder 36 with the electrode 8 is rigidly connected to a shaft 29 made in the form of a centrifugal heat pipe, which is formed by an outer sleeve 37 with a blank bottom in the form of a cup, from a material with high thermal conductivity and electrical conductivity, and connected with it another inner sleeve 38 also with a blank bottom, of the same material, in the form of a glass with the formation of a closed cavity 39 between them. The closed cavity 39 of the heat pipe is formed by an outer cup with an inner conical surface 40 expanding towards the evaporation zone and an inner cup 38 with an outer conical surface 41 expanding towards the condensation zone, whose inner surface 42 forms an open conical cavity 43 of the heat pipe. The closed cavity 39 of the heat pipe is filled with coolant 44, which changes the state of aggregation when heated, for example, by water.

На наружной поверхности дна внешнего стакана в зоне испарения 45 тепловой трубы симметрично ее оси закреплен электрододержатель 36 с электродом 8, а в зоне конденсации 46 выполнены охлаждающие ребра 47, соединенные с тепловой трубой с возможностью вращения с ней. В адиабатической зоне 48 на участке между зонами испарения и конденсации часть внешней поверхности центробежной тепловой трубы имеет термоизолирующее и электроизолирующее покрытие 49. Охлаждающие ребра 47 тепловой трубы выполнены в виде лопаток 32 турбинного колеса с плоской формой или в виде различных криволинейных поверхностей. Лопатки 32 подвергаются непосредственному действию газовоздушного или газоводяного потока и преобразуют кинетическую энергию этого потока в механическую работу вращения вала 29 в виде тепловой трубы. Направление вращения тепловой трубы и в целом электродного узла обеспечивается положением входного патрубка 30 в корпусе турбины и, согласно изобретению, противоположно направлению закручивания потока плазмообразующего газа в разрядной камере 26 плазмотрона. На валу 29 закреплена ведущая полумуфта 50 расцепляемой муфты для передачи вращательного момента от турбины 5 цапфе 34 вала 29 турбинного колеса для их совместного вращения. Ведомая полумуфта 51 жестко установлена на цапфе 34 (фиг.1).An electrode holder 36 with an electrode 8 is fixed symmetrically to its axis on the outer surface of the bottom of the outer cup in the evaporation zone 45 of the heat pipe, and cooling fins 47 are made in the condensation zone 46, and are connected to the heat pipe to rotate with it. In the adiabatic zone 48, in the area between the evaporation and condensation zones, part of the outer surface of the centrifugal heat pipe has a heat insulating and electrical insulating coating 49. The cooling fins 47 of the heat pipe are made in the form of turbine wheel blades 32 with a flat shape or in the form of various curved surfaces. The blades 32 are subjected to the direct action of a gas-air or gas-water stream and convert the kinetic energy of this stream into the mechanical work of rotation of the shaft 29 in the form of a heat pipe. The direction of rotation of the heat pipe and the electrode assembly as a whole is ensured by the position of the inlet pipe 30 in the turbine housing and, according to the invention, is opposite to the direction of swirling the plasma gas stream in the discharge chamber 26 of the plasma torch. On the shaft 29 is fixed the leading coupling half 50 of the disengaged coupling for transmitting torque from the turbine 5 to the axle 34 of the shaft 29 of the turbine wheel for their joint rotation. The driven coupling half 51 is rigidly mounted on the pin 34 (Fig.1).

В открытой конической полости 43 тепловой трубы размещен концентрично с ней канальный центробежный вентилятор в качестве дополнительного охлаждающего теплообменника в виде пустотелого цилиндра 62, установленного соосно с зазором относительно поверхности теплообмена на стенках полости 43, с закрепленными по окружности на наружной поверхности радиальными пластинчатыми ребрами 63 в виде лопаток вентилятора, примыкающими к охлаждаемой поверхности 42 с образованием направляющих каналов 64 для формирования рабочей поверхностью ребер 63 потоков охлаждающей среды вдоль стенки полости 43. Рабочая поверхность пластинчатых ребер 63 в виде лопаток вентилятора, обращенная к потоку охлаждающего воздуха в открытой конической полости тепловой трубы независимо от направления его движения, составляет с направлением вращения электродного узла угол подъема от 0° до 180°.A channel centrifugal fan is arranged concentrically with it in the open conical cavity 43 of the heat pipe as an additional cooling heat exchanger in the form of a hollow cylinder 62 mounted coaxially with a gap relative to the heat exchange surface on the walls of the cavity 43, with radial plate ribs 63 fixed around the circumference on the outer surface in the form fan blades adjacent to the cooled surface 42 with the formation of the guide channels 64 for forming the working surface of the ribs 63 stream a cooling medium along the wall of the cavity 43. The working surface of the plate fins 63 in the form of fan blades, facing the flow of cooling air in open conical cavity of the heat pipe irrespective of the direction of its movement, makes with the direction of rotation of the electrode assembly lifting angle from 0 ° to 180 °.

Подвод электрического напряжения от источника питания к электрододержателю 36 с электродом 8 осуществляется через вращающийся вал 29 с помощью скользящего контакта. В качестве проводника тока от скользящего контакта до электрода 8 используется участок вала 29 в зоне испарения тепловой трубы. На этом участке поверхность вала 29 свободна от теплоизоляционного и электроизоляционного покрытия 49. В плазмотроне наружная поверхность вала 29 соединена (электрически) при помощи щетки 52 со щеткодержателем 53. Щеткодержатель 53 в свою очередь соединен (электрически) с выводом источника питания дугового разряда. По нему течет ток, необходимый для создания требуемой мощности. Передача электрического тока непосредственно от щетки 52 к валу 29 без дополнительных токосъемных колец повышает требования к качеству поверхности вала 29 в зоне скользящего контакта. В то же время такое техническое решение позволяет исключить из цепи дополнительные переходные электрические сопротивления и детали при закреплении токосъемных колец на валу.The supply of electrical voltage from the power source to the electrode holder 36 with the electrode 8 is carried out through a rotating shaft 29 using a sliding contact. As a current conductor from the sliding contact to the electrode 8, a portion of the shaft 29 is used in the evaporation zone of the heat pipe. In this section, the surface of the shaft 29 is free from heat-insulating and electrical insulating coating 49. In the plasma torch, the outer surface of the shaft 29 is connected (electrically) with a brush 52 to the brush holder 53. The brush holder 53 is in turn connected (electrically) to the output of the arc discharge power source. The current necessary to create the required power flows through it. The transmission of electric current directly from the brush 52 to the shaft 29 without additional slip rings increases the quality requirements of the surface of the shaft 29 in the area of the sliding contact. At the same time, this technical solution allows you to exclude additional transient electrical resistances and parts from the circuit when attaching the slip rings on the shaft.

Для установки скользящего контакта проставок 3 снабжен радиальными резьбовыми отверстиями 54, смежными отверстиям 55 в опорной втулке 17. В радиальные отверстия вставлены и закреплены радиально по резьбе 54 в опорной втулке 17 направляющие втулки 53 узла токоввода. Предпочтительно, чтобы втулки 53 изготавливались из неэлектропроводного материала и располагались в корпусе попарно с диаметральных сторон опорной втулки 17 с целью взаимной компенсации боковых нагрузок на подшипниковый узел газовой турбины от узла токоввода. Направляющая втулка 53 снабжена контактной щеткой 52, имеющей скользящий контакт с цилиндрической поверхностью вала 29. Контактная щетка 52 снабжена пружиной 56 с упором в крышку направляющей втулки и токоподводящим проводом с выводом наружу корпуса плазмотрона для подключения электродного узла к источнику питания дугового разряда (не показано).To establish a sliding contact, the spacers 3 are provided with radial threaded holes 54, adjacent holes 55 in the support sleeve 17. Radial bushings 53 of the current lead assembly are inserted and fixed radially along the thread 54 in the support sleeve 17. Preferably, the bushings 53 are made of non-conductive material and are arranged in pairs in the housing from the diametrical sides of the support sleeve 17 in order to mutually compensate the lateral loads on the bearing assembly of the gas turbine from the current lead assembly. The guide sleeve 53 is provided with a contact brush 52 having sliding contact with the cylindrical surface of the shaft 29. The contact brush 52 is equipped with a spring 56 with an emphasis on the cover of the guide sleeve and a lead wire leading out to the plasma torch body to connect the electrode assembly to an arc discharge power source (not shown) .

Возможно, если в качестве скользящего электрического контакта между вращающимся валом 29 и неподвижной частью плазмотрона использовать, например, щеточный контакт другой конструкции, жидкометаллический контакт, токосъем при помощи дугового разряда в защитной среде или вакууме и тому подобное.It is possible if, as a sliding electrical contact between the rotating shaft 29 and the fixed part of the plasma torch, for example, a brush contact of a different design, a liquid-metal contact, a current collector using an arc discharge in a protective medium or vacuum, and the like are used.

Цапфа 34 вала 29 и вал 29 турбины 5 выполнены раздельно друг от друга. Цапфа 34 выполнена в виде полой втулки, которая установлена на газостатических подшипниках, а вал 29 изготовлен из теплопроводного и электропроводного материала, электрически соединен с электродным узлом и токовводом, теплоизолированно и электроизолированно установлен в цапфе 34 и механически соединен с ней расцепляемой муфтой, ведущая 50 и ведомая 51 полумуфты которой взаимодействуют друг с другом торцевыми поверхностями, покрытыми электроизоляционным материалом. Цапфа 34 вала 29 размещена на радиальных газостатических подшипниках и упорном газостатическом подшипнике-подпятнике. Газостатический подшипник состоит из корпуса, камеры 57, сообщающейся с подводящей магистралью 58, с установленным внутри корпуса вкладышем 59, закрывающим камеру 57. Вкладыш 59 выполнен в виде втулки из газонепроницаемого материала и пористых вставок 60. Пористые вставки установлены в отверстиях втулки-вкладыша 59 и выполнены в виде шпонок. Вкладыш подшипника, состоящий из деталей, выполненных из газонепроницаемого и пористого материалов, обеспечивает необходимую несущую способность подшипника, так как величина несущей способности зависит только от нагрузки на подшипнике, давления наддува и общей длины подшипника. Упорным гребнем подшипников служит бурт 61 на втулке 34. В стенке корпуса высверлен канал 58 для подвода сжатого газа к питателям подшипников. В центральной части корпуса имеется отверстие для отвода отработавшей газовой смазки в окружающую среду.The pin 34 of the shaft 29 and the shaft 29 of the turbine 5 are made separately from each other. The axle 34 is made in the form of a hollow sleeve, which is mounted on gas-static bearings, and the shaft 29 is made of heat-conducting and electrically conductive material, is electrically connected to the electrode assembly and the current lead, is thermally insulated and electrically insulated in the axle 34, and mechanically connected to it by a releasable coupling leading 50 and driven 51 half couplings which interact with each other end surfaces coated with electrical insulation material. The axle 34 of the shaft 29 is placed on the radial gas-static bearings and thrust gas-static bearing-thrust bearing. The gas-static bearing consists of a housing, a chamber 57, communicating with the supply line 58, with an insert 59 installed inside the housing, covering the chamber 57. The insert 59 is made in the form of a sleeve of gas-tight material and porous inserts 60. Porous inserts are installed in the holes of the sleeve-insert 59 and made in the form of dowels. The bearing shell, consisting of parts made of gas-tight and porous materials, provides the necessary bearing capacity of the bearing, since the magnitude of the bearing capacity depends only on the load on the bearing, boost pressure and the total length of the bearing. The shoulder flange of the bearings is collar 61 on sleeve 34. A channel 58 is drilled in the housing wall for supplying compressed gas to the bearing feeders. In the central part of the housing there is an opening for the discharge of spent gas lubricant into the environment.

Работа плазмотрона и электродного узлаOperation of the plasma torch and electrode assembly

Для охлаждения электрода по предлагаемому способу в разрядную камеру 26 плазмотрона тангенциально подают плазмообразующий газ и закручивают его поток вокруг электрода 8. Плазмообразующий газ вводится через радиальный канал 28 в корпусе завихряющей втулки 19, поступает в кольцевое пространство 24 между проставком 3 и нижней частью опорной втулки 17, а затем через кольцевую полость 21 аксиально вдоль углублений 21 по завихряющим канавкам 22 втулки 19. Плазмообразующий газ выходит в разрядную камеру 26 через выходные концы канавок 22, в основном, тангенциально.To cool the electrode according to the proposed method, plasma-forming gas is tangentially supplied to the discharge chamber 26 of the plasma torch and its flow is twisted around the electrode 8. The plasma-forming gas is introduced through the radial channel 28 in the body of the swirl sleeve 19, enters the annular space 24 between the spacer 3 and the lower part of the support sleeve 17 and then through the annular cavity 21 axially along the recesses 21 along the swirl grooves 22 of the sleeve 19. The plasma-forming gas enters the discharge chamber 26 through the outlet ends of the grooves 22, mainly a tang potentially.

Поток газа в разрядной камере 26 имеет, например, правовинтовую закрутку, как показано на фиг.1, а его более холодные слои под действием центробежных сил располагаются у стенки разрядной камеры 26. Газ течет вниз к выходному отверстию 14 по вихревой схеме вокруг электрода 8.The gas flow in the discharge chamber 26 has, for example, a right-handed swirl, as shown in FIG. 1, and its colder layers under the action of centrifugal forces are located near the wall of the discharge chamber 26. Gas flows down to the outlet 14 in a vortex pattern around the electrode 8.

Понятно, что в рамках заявленного изобретения завихрение газа можно реализовать во многих вариантах выполнения. Например, завихрение газа может быть достигнуто иначе, чем при использовании вихревых каналов.It is clear that in the framework of the claimed invention, gas turbulence can be implemented in many embodiments. For example, gas turbulence can be achieved differently than using vortex channels.

Во время работы турбины рабочая среда под давлением подается по каналу 30 через сопловой узел на лопатки 32 турбинного колеса и приводит его во вращение. Крутящий момент от турбины 5 передается на вал 29, который вращает электродный узел. Холодная рабочая среда, попадая в турбину, омывает детали колеса турбины и вала 29, охлаждает их, что повышает надежность работы плазмотрона. Возможно, если в качестве рабочей среды, приводящей во вращение турбину, используется сжатый воздух, жидкость, смесь газа и жидкости или сжатый защитный газ. В последнем случае защитный газ после турбины может подаваться в защитное сопло плазмотрона.During the operation of the turbine, the working medium under pressure is supplied through the channel 30 through the nozzle assembly to the blades 32 of the turbine wheel and causes it to rotate. Torque from the turbine 5 is transmitted to the shaft 29, which rotates the electrode assembly. Cold working medium, getting into the turbine, washes the parts of the turbine wheel and shaft 29, cools them, which increases the reliability of the plasma torch. It is possible if compressed air, liquid, a mixture of gas and liquid, or compressed shielding gas are used as the working medium that drives the turbine. In the latter case, the protective gas after the turbine can be supplied to the protective nozzle of the plasma torch.

Известным способом возбуждают дуговой разряд между электродом 8 плазмотрона и обрабатываемым изделием. Вращают электрод 8 вокруг собственной оси совместно с вращающимся потоком плазмообразующего газа. При вращении электрода с высокой скоростью его рабочая часть омывается набегающим потоком холодного плазмообразующего газа. При наличии напряжения между соплом-анодом 13 и катодной тугоплавкой вставкой 8 в межэлектродном зазоре возбуждается электрическая дуга. При подаче в завихритель 19 плазмообразующего газа под давлением, обдувающего электрическую дугу вихревым потоком, возникает интенсивная струя плазмы, вытекающий по отверстию 14 из сопла 7.In a known manner, an arc discharge is excited between the electrode 8 of the plasma torch and the workpiece. The electrode 8 is rotated around its own axis together with a rotating stream of plasma-forming gas. When the electrode rotates at a high speed, its working part is washed by an oncoming flow of cold plasma-forming gas. In the presence of voltage between the anode nozzle 13 and the cathode refractory insert 8, an electric arc is excited in the interelectrode gap. When a plasma-forming gas is injected into the swirl 19 under pressure, swirling the electric arc with a vortex flow, an intense plasma jet arises, flowing through the opening 14 from the nozzle 7.

Изготовление вала в виде вращающейся тепловой трубы с внутренней полостью, заполненной рабочей жидкостью, изменяющей агрегатное состояние, существенно интенсифицирует процессы теплообмена нагреваемого электрода с окружающей средой. Изготовление герметичной полой емкости тепловой трубы со стенками слегка конической формы с углом конусности 2°÷5° способствует ускорению возврата конденсата рабочей жидкости в испаритель под действием центробежных сил.The manufacture of a shaft in the form of a rotating heat pipe with an internal cavity filled with a working fluid that changes the state of aggregation, significantly intensifies the processes of heat exchange of the heated electrode with the environment. The manufacture of a sealed hollow capacity of a heat pipe with slightly conical walls with a taper angle of 2 ° ÷ 5 ° helps to accelerate the return of condensate of the working fluid to the evaporator under the action of centrifugal forces.

Снабжение плазмотрона валом газовоздушной турбины, на котором закреплен электрододержатель, позволяет вращать электрод вокруг своей оси способом пневматической передачи вращающемуся валу мощности при прокачивании через турбину воздушного или газовоздушного потока.Providing the plasma torch with a shaft of a gas-air turbine, on which an electrode holder is fixed, allows the electrode to rotate around its axis by means of pneumatic transmission of power to a rotating shaft when pumping air or gas-air flow through the turbine.

Расположение входного патрубка рабочей камеры воздушной турбины тангенциально с возможностью вращения вала совместно с турбинным колесом в направлении, противоположном направлению закручивания потока плазмообразующего газа в разрядной камере, позволяет создать микровихри холодного плазмообразующего газа у поверхности электрода вблизи расположения опорного пятна дугового разряда.The location of the inlet pipe of the working chamber of the air turbine tangentially with the possibility of rotation of the shaft together with the turbine wheel in the direction opposite to the direction of swirling the flow of plasma-forming gas in the discharge chamber, allows you to create microvortices of cold plasma-forming gas at the electrode surface near the location of the reference spot of the arc discharge.

Изготовление вала из теплопроводного и электропроводного материала, электрическое соединение с токовводом скользящим контактом позволяют осуществить подвод тока к вращающемуся электроду и отвод тепла от него.The manufacture of a shaft from heat-conducting and electrically conductive material, electrical connection to the current lead by a sliding contact allows current to be supplied to the rotating electrode and heat removed from it.

Изготовление вала отдельно от цапфы в виде втулки, установленной на газостатических подшипниках, и механическое соединение с ней стержня вала турбины расцепляемой муфтой, ведущая и ведомая полумуфты которой взаимодействуют друг с другом торцовыми поверхностями, покрытыми электроизоляционным материалом, например корундом, позволяет исключить образование электрической цепи между электродом и соплом плазмотрона, подключенным к разным полюсам источника питания электрической дуги между электродом и обрабатываемым изделием. Кроме того, упрощается замена электродного узла, отработавшего свой ресурс.The manufacture of the shaft separately from the trunnion in the form of a sleeve mounted on gas-static bearings, and the mechanical connection of the turbine shaft shaft to it with a releasable coupling, the driving and driven half-couplings of which interact with each other by end surfaces coated with an insulating material such as corundum, eliminates the formation of an electrical circuit between an electrode and a plasma torch nozzle connected to different poles of the power supply of the electric arc between the electrode and the workpiece. In addition, the replacement of the electrode assembly that has spent its life is simplified.

Тепловые трубы обладают высокими теплопередающими характеристиками, осуществляют трансформацию тепловых потоков, которая в предлагаемом техническом решении использована для уменьшения плотности теплового потока в зоне конденсации тепловой трубы за счет увеличения ее площади по сравнению с площадью зоны испарения.Heat pipes have high heat transfer characteristics, carry out the transformation of heat fluxes, which in the proposed technical solution is used to reduce the density of the heat flux in the condensation zone of the heat pipe by increasing its area compared to the area of the evaporation zone.

Работа тепловой трубы основана на испарении теплоносителя в зоне тепловыделения, перемещения паров в зону конденсации, конденсации паров и возврата конденсата в зону испарения. Для возврата конденсата обычно применяют капиллярно-пористые материалы - фитили, которые располагают в полости на стенках трубы. Для неметаллических жидкостей характерно возникновение пузырькового кипения в фитиле зоны испарения. Это затрудняет отвод образующегося на греющей поверхности пара через толщу фитиля, а следовательно, ограничивает мощность теплопередачи. Поэтому в центробежной тепловой трубе фитиль не применятся и возврат конденсата в зону испарения осуществляется за счет принудительного вращения тепловой трубы вокруг своей оси. Вращающаяся тепловая труба не имеет тех капиллярных ограничений по возврату жидкости, которые характерны для обычных фитильных тепловых труб, т.е. ее передающая способность может быть во много раз больше. Изменение в геометрии - внутренняя конусность корпуса, которая выполнена расширяющейся в направлении зоны испарения.The operation of the heat pipe is based on the evaporation of the coolant in the heat-release zone, the movement of vapors into the condensation zone, the condensation of vapors and the return of condensate to the evaporation zone. To return the condensate, capillary-porous materials are usually used - wicks, which are placed in the cavity on the pipe walls. Non-metallic liquids are characterized by the appearance of bubble boiling in the wick of the evaporation zone. This makes it difficult to drain the steam generated on the heating surface through the thickness of the wick, and therefore limits the heat transfer power. Therefore, the wick will not be used in the centrifugal heat pipe, and condensate is returned to the evaporation zone due to forced rotation of the heat pipe around its axis. A rotating heat pipe does not have the capillary restrictions on fluid return that are characteristic of conventional wick heat pipes, i.e. its transmitting power can be many times greater. A change in geometry is the internal taper of the body, which is made expanding in the direction of the evaporation zone.

Конденсат под действием центробежной силы по конической поверхности опускается в зону испарения. Для интенсификации на внутренней поверхности может быть выполнена винтовая нарезка или внутренняя поверхность может быть резьбовидной.Condensate under the action of centrifugal force on a conical surface is lowered into the evaporation zone. For intensification, screw threading may be performed on the inner surface, or the inner surface may be threaded.

В результате выполнения вала в виде тепловой трубы система охлаждения вращающегося электрододержателя становится более эффективной. Причем интенсивность охлаждения будет возрастать с увеличением окружной скорости вращения электродного узла. Технический результат изобретения заключается в интенсификации процесса охлаждения теплонагруженных элементов электродного узла по сравнению с прототипом.As a result of the shaft in the form of a heat pipe, the cooling system of the rotating electrode holder becomes more efficient. Moreover, the cooling intensity will increase with increasing peripheral speed of rotation of the electrode assembly. The technical result of the invention is to intensify the cooling process of heat-loaded elements of the electrode assembly compared to the prototype.

Для центробежной тепловой трубы установлено, что увеличение теплопередачи пропорционально росту центробежного ускорения в степени ¼.For a centrifugal heat pipe, it was found that the increase in heat transfer is proportional to the growth of centrifugal acceleration in the degree of ¼.

Размещение в открытой конической полости тепловой трубы канального центробежного вентилятора позволяет дополнительно охлаждать тепловую трубу в зоне конденсации. Образованные поверхностью пластинчатых ребер (в виде лопаток вентилятора) центральной пустотелой втулки направляющие каналы при вращении вала формируют потоки охлаждающей среды, например воздуха или другого газа, вдоль стенки полости. Направление охлаждающих потоков в полости определяется углом подъема рабочей поверхности пластинчатых ребер по отношению к направлению вращения вала и может составлять величину от 0° до 180°. Если угол подъема рабочей поверхности пластинчатых ребер к направлению вращения меньше 90°, то пустотелый цилиндр, расположенный по оси полости, выполняет функции отводного канала, через который вентилятором организуется течение нагретого воздуха из полости в атмосферу. Если угол подъема рабочей поверхности пластинчатых ребер к направлению вращения больше 90°, то пустотелый цилиндр, расположенный по оси полости, выполняет функции воздуховода, через который вентилятором организуется течение охлаждающего воздуха из атмосферы в полость. Выбор варианта направления течения охлаждающего воздуха определяется в зависимости от многих факторов, включающих конструктивное исполнение плазмотрона, технологические режимы плазменного процесса, свойства теплоносителя и т.п. В качестве примера на фиг.4 показано расположение пластинчатых ребер под углом меньше 90° к направлению вращения вала и соответствующее этому направление потока воздуха в конической полости.Placing a channel centrifugal fan in an open conical cavity of the heat pipe allows additional cooling of the heat pipe in the condensation zone. The guide channels formed by the surface of the plate ribs (in the form of fan blades) of the central hollow sleeve during rotation of the shaft form flows of a cooling medium, for example air or other gas, along the cavity wall. The direction of the cooling flows in the cavity is determined by the elevation angle of the working surface of the plate ribs with respect to the direction of rotation of the shaft and can range from 0 ° to 180 °. If the angle of elevation of the working surface of the plate ribs to the direction of rotation is less than 90 °, then the hollow cylinder located along the axis of the cavity fulfills the functions of the outlet channel through which the fan organizes the flow of heated air from the cavity into the atmosphere. If the angle of elevation of the working surface of the plate ribs to the direction of rotation is greater than 90 °, then the hollow cylinder located along the axis of the cavity acts as an air duct through which the cooling air flows from the atmosphere to the cavity by a fan. The choice of the direction of flow of cooling air is determined depending on many factors, including the design of the plasma torch, technological modes of the plasma process, the properties of the coolant, etc. As an example, figure 4 shows the location of the plate ribs at an angle less than 90 ° to the direction of rotation of the shaft and the corresponding direction of air flow in the conical cavity.

Нанесение на часть внешней поверхности центробежной тепловой трубы в адиабатической зоне на участке между зонами испарения и конденсации термоизолирующего и электроизолирующего покрытия необходимо для снижения теплоотвода к втулке и исключения ее перегрева. Также обеспечивается выключение втулки из электрической цепи протекания тока дугового разряда.Drawing on a part of the outer surface of a centrifugal heat pipe in the adiabatic zone in the area between the evaporation and condensation zones of the thermally insulating and electrically insulating coatings is necessary to reduce heat transfer to the sleeve and prevent its overheating. It also provides shutdown of the sleeve from the electric circuit of the current flow of the arc discharge.

Улучшение условий теплоотвода из области пятна контакта дугового разряда с электродом при его вращении повышает сжатие токопроводящего канала дуги непосредственно в зоне, где выделяется большая часть теплоты дугового разряда. Температура, давление и плотность тока в приэлектродной области возрастают, что приводит к появлению под действием собственных электромагнитных сил интенсивного потока плазмы в осевом направлении дугового разряда. Дуговой разряд, как электромагнитный насос начинает затягивать в себя окружающий холодный газ, нагревать его и ускорять в направлении из сопла наружу в виде плазменной струи. Подсос газа в ядро дуги идет вдоль поверхности рабочего участка электрода, чем обеспечивается его интенсивное охлаждение. Регенеративное конвективное охлаждение вращающегося электрода и предварительный подогрев плазмообразующего газа у поверхности электрода до его поступления в дуговой разряд позволяют существенно повысить теплообменные процессы в дуговом разряде, и, соответственно, эффективность преобразования электрической энергии дугового разряда в тепловую энергию потока плазмы. Разгон потока плазмы в дуге осевой электромагнитной ускоряющей силой пинч-эффекта от взаимодействия электрического тока дуги с собственным магнитным полем стабилизирует пространственное положение столба дугового разряда. При этом возможности сжатия дугового разряда у электрода, в отличие от известных способов, не связаны с реальным повышением расхода рабочего (защитного или плазмообразующего) газа.Improving the conditions of heat removal from the region of the spot of contact of the arc discharge with the electrode during its rotation increases the compression of the conductive channel of the arc directly in the area where most of the heat of the arc discharge is released. The temperature, pressure and current density in the near-electrode region increase, which leads to the appearance of an intense plasma flow in the axial direction of the arc discharge under the action of its own electromagnetic forces. An arc discharge, like an electromagnetic pump, begins to draw in the surrounding cold gas, heat it and accelerate it outward from the nozzle in the form of a plasma jet. Gas suction into the arc core goes along the surface of the working section of the electrode, which ensures its intensive cooling. Regenerative convective cooling of the rotating electrode and preliminary heating of the plasma-forming gas at the electrode surface before it enters the arc discharge can significantly increase the heat exchange processes in the arc discharge, and, accordingly, the conversion efficiency of the electric energy of the arc discharge into the thermal energy of the plasma stream. The acceleration of the plasma flow in the arc by the axial electromagnetic accelerating force of the pinch effect from the interaction of the electric current of the arc with its own magnetic field stabilizes the spatial position of the column of the arc discharge. In this case, the possibility of compression of the arc discharge at the electrode, in contrast to the known methods, is not associated with a real increase in the consumption of working (protective or plasma-forming) gas.

На фиг.5 показана схема формирование высокотемпературного осевого газоплазменного потока с электрода под действием электромагнитных сил при вращении электрода. Дуговой разряд затягивает в себя окружающий холодный газ, нагревает его и ускоряет в направлении из сопла наружу в виде высокотемпературной струи нагретого газа. Подсос газа в ядро дуги идет вдоль поверхности рабочего участка электрода, чем обеспечивается его интенсивное охлаждение. Происходит рекуперативное конвективное охлаждение вращающегося электрода и предварительный подогрев плазмообразующего газа у поверхности электрода до его поступления в дуговой разряд. Это позволяют существенно повысить теплообменные процессы в дуговом разряде вблизи электрода. Соответственно, возрастает эффективность преобразования электрической энергии дугового разряда в тепловую энергию потока плазмы.Figure 5 shows a diagram of the formation of a high-temperature axial gas-plasma flow from the electrode under the influence of electromagnetic forces during rotation of the electrode. An arc discharge draws in the surrounding cold gas, heats it and accelerates in the direction from the nozzle outward in the form of a high-temperature jet of heated gas. Gas suction into the arc core goes along the surface of the working section of the electrode, which ensures its intensive cooling. Recuperative convective cooling of the rotating electrode occurs and the plasma-forming gas is preheated at the electrode surface until it enters the arc discharge. This makes it possible to significantly increase the heat transfer processes in an arc discharge near the electrode. Accordingly, the efficiency of converting the electric energy of the arc discharge into the thermal energy of the plasma stream increases.

Таким образом, в предлагаемом способе охлаждения электрода предусмотрена возможность отвода тепла от электрода вынужденной конвекцией в омывающий электрод поток плазмообразующего газа и теплопроводностью к теплоносителю, введенному внутрь приводного вала, со стороны закрепления электрода в электрододержателе. В результате снижается уровень температур, до которых нагревается электрод в процессе работы плазмотрона. В совокупности отмеченное повышает ресурс работы неплавящегося электрода.Thus, in the proposed method of cooling the electrode, it is possible to remove heat from the electrode by forced convection into the plasma-forming gas flow and heat conductivity to the coolant introduced into the drive shaft from the side of the electrode fixing in the electrode holder. As a result, the level of temperatures to which the electrode heats up during the operation of the plasma torch decreases. Together, the above increases the life of the non-consumable electrode.

Подсос холодного газа непосредственно в ядро дуги вызывает снижение среднемассовой температуры газа и, соответственно, концентрацию в плазме заряженных частиц. В результате ток разряда снижается, что уменьшает тепловую нагрузку на внутреннюю поверхность сопла и благоприятно сказывается на увеличении срока его службы.The suction of cold gas directly into the arc core causes a decrease in the mass average temperature of the gas and, accordingly, the concentration of charged particles in the plasma. As a result, the discharge current decreases, which reduces the heat load on the inner surface of the nozzle and favorably affects the increase in its service life.

Таким образом, в заявляемом изобретении искусственное воздействие, создаваемое на дугу вращением электрода вокруг оси вращения потока плазмообразующего газа, отрабатывается перестройкой характеристик осевого плазменного потока: сужением приэлектродной области токопроводящего канала дуги, возрастанием составляющих скорости, плотности тока, электромагнитных сил и электродинамическим обжатием столба дуги. При этом осевой высокоскоростной поток плазмы переносит теплоту из одной области дуги в другую. Осуществление электромагнитными силами направленного тепло- и массопереноса между энергетическими областями дуги из приэлектродной области к обрабатываемому материалу способствует повышению эффективности работы плазмотрона.Thus, in the claimed invention, the artificial effect created on the arc by rotating the electrode around the axis of rotation of the plasma-forming gas flow is worked out by restructuring the characteristics of the axial plasma flow: narrowing the near-electrode region of the conducting channel of the arc, increasing the components of speed, current density, electromagnetic forces and electrodynamic compression of the arc column. In this case, the axial high-speed plasma flow transfers heat from one region of the arc to another. The implementation of directed heat and mass transfer between the energy regions of the arc from the near-electrode region to the material being processed by electromagnetic forces contributes to an increase in the plasma torch operation efficiency.

Следует также отметить, что с увеличением угла заточки стержневого электрода изменяется и направление подсоса газа в прикатодную область дуги. При малых углах заточки газ, засасываемый в дугу параллельно поверхности заточенного конца электрода, движется в направлении, близком к осевому. С увеличением угла заточки направление подсоса газа изменяется. При плоском торце катода направление подсоса газа будет таким же, как и у плоского анода. В этом случае газ будет поступать в приэлектродную область дуги в направлении, близком к радиальному. При этом он непосредственно попадает в прикатодную область, т.е. практически предварительно не прогревается и температура плазмы будет значительно уменьшаться.It should also be noted that with an increase in the angle of sharpening of the rod electrode, the direction of gas suction into the near-cathode region of the arc also changes. At small sharpening angles, the gas sucked into the arc parallel to the surface of the sharpened end of the electrode moves in a direction close to the axial. With increasing sharpening angle, the direction of gas suction changes. With a flat end of the cathode, the direction of gas suction will be the same as that of the flat anode. In this case, the gas will enter the near-electrode region of the arc in a direction close to radial. Moreover, it directly falls into the cathode region, i.e. practically does not preheat and the plasma temperature will decrease significantly.

Производили зажигание дуги при различных режимах плазменно-дуговой обработки металла. В качестве материала центрального электрода плазмотрона использовался вольфрам. Сжатая дуга горела между вольфрамовым электродом и стальной пластиной. В качестве плазмообразующего газа использовался аргон, расход которого в процессе исследования оставался неизменным. Скорость перемещения плазмотрона относительно пластины (скорость наплавки) оставалась постоянной. Скорость вращения центрального электрода плазмотрона вокруг собственной оси изменяли в диапазоне 0-5000 об/мин. Исследовали влияние вращения электрода на величину тока дуги, глубину и площадь поперечного сечения зоны расплавления пластины. Из центральной части наплавок вырезали шлифы, после выявления макроструктуры которых при увеличении производили планиметрирование площади расплавления. Результаты исследований приведены на фиг.6 и 7. На фиг.6 приведено влияние вращения электрода на электрические параметры электродугового разряда: сварочный ток, напряжение дуги, мощность дуги. На фиг.7 приведено влияние вращения электрода на эффективность преобразования электрической энергии в тепловую. Под эффективностью преобразования электрической энергии в тепловую понимали способность плазмотрона преобразовывать затраченную электрическую энергию дуги в тепловую энергию потока плазмы дуги и передавать ее расплавляемому металлу изделия. В целом указанную способность оценивали коэффициентом полезного действия (кпд) плазмотрона как отношение теплосодержания расплавленного металла пластины, включая скрытую теплоту плавления, к полной тепловой мощности дуги (фиг.7).The arc was ignited under various modes of plasma-arc metal processing. Tungsten was used as the material of the central electrode of the plasma torch. A compressed arc burned between the tungsten electrode and the steel plate. Argon was used as a plasma-forming gas, the flow rate of which remained unchanged during the study. The velocity of the plasma torch relative to the plate (deposition rate) remained constant. The rotation speed of the central plasma torch electrode around its own axis was varied in the range of 0-5000 rpm. The influence of the electrode rotation on the arc current, the depth and the cross-sectional area of the plate melting zone was investigated. Sections were cut from the central part of the surfacing, after revealing the macrostructure of which, when increasing, the melt area was planimetric. The research results are shown in Fig.6 and 7. Fig.6 shows the effect of rotation of the electrode on the electric parameters of the electric arc discharge: welding current, arc voltage, arc power. Figure 7 shows the effect of electrode rotation on the efficiency of converting electrical energy into thermal energy. By the efficiency of converting electric energy into thermal energy, we understood the ability of the plasma torch to convert the spent electric energy of the arc into the thermal energy of the arc plasma stream and transfer it to the molten metal of the product. In general, this ability was evaluated by the plasma torch efficiency (efficiency) as the ratio of the heat content of the molten metal of the plate, including the latent heat of fusion, to the total thermal power of the arc (Fig. 7).

В исследованиях во всем диапазоне изменения скорости вращения электрода от 0 до 5000 об/мин дуга горела стабильно. Результаты исследований показывают, что при всех начальных значениях тока дуги с увеличением скорости вращения электрода ток дугового разряда снижается, а напряжение дуги возрастает (фиг.6). Например, если первоначально ток и напряжение дуги составляли 180 А и 13 В, соответственно, без вращения электрода, то на скорости 5000 об/мин ток дуги понизился до 146 А, а напряжение увеличилось до, примерно, 20 В, т.е. электрическая мощность дугового разряда с 2,34 кВт увеличилась из-за вращения электрода до 2,94 кВт (фиг.6). При этом, несмотря на снижение тока дуги, площадь расплавления пластины увеличивается с увеличением скорости вращения электрода (фиг.7), а кпд использования тепла дуги существенно возрастает. Например, если без вращения электрода площадь расплавления пластины составляла 8,5 мм² на токе дуги 180 А, то с увеличением вращения электрода до 5000 об/мин и снижении тока до 146 А площадь увеличивается до 32 мм², т.е. почти в 4 раза (фиг.7). При этом кпд проплавления возрастает более 2,5 раз.In studies over the entire range of changes in the speed of rotation of the electrode from 0 to 5000 rpm, the arc burned stably. The research results show that at all initial values of the arc current with an increase in the speed of rotation of the electrode, the arc discharge current decreases, and the arc voltage increases (Fig.6). For example, if initially the arc current and voltage were 180 A and 13 V, respectively, without electrode rotation, then at a speed of 5000 rpm the arc current decreased to 146 A, and the voltage increased to about 20 V, i.e. the electric power of the arc discharge from 2.34 kW increased due to rotation of the electrode to 2.94 kW (Fig.6). In this case, despite a decrease in the arc current, the area of fusion of the plate increases with increasing speed of rotation of the electrode (Fig. 7), and the efficiency of using the heat of the arc increases significantly. For example, if without rotation of the electrode, the area of fusion of the plate was 8.5 mm ² at an arc current of 180 A, then with an increase in the rotation of the electrode to 5000 rpm and a decrease in current to 146 A, the area increases to 32 mm ² , i.e. almost 4 times (Fig.7). In this case, the penetration efficiency increases more than 2.5 times.

Полученные результаты подтверждают, что при вращении электрода вокруг собственной оси повышается эффективность использования теплоты дуги. Кроме того, вращение электрода позволяет уменьшить величину тока дуги (в приведенном примере с 180 А до 146 А), а следовательно, тепловую нагрузку на электрод, для расплавления изделий с такой же производительностью, какая может быть получена при большем токе дуги без вращения электрода.The results obtained confirm that when the electrode rotates around its own axis, the efficiency of using the heat of the arc increases. In addition, the rotation of the electrode allows to reduce the magnitude of the arc current (in the above example from 180 A to 146 A), and consequently, the heat load on the electrode, to melt products with the same capacity as can be obtained with a higher arc current without rotating the electrode.

Предложенный способ управления режимом работы может быть использован в различных технических устройствах преобразования электрической энергии в тепловую энергию с помощью электродугового разряда и позволяет:The proposed method of controlling the operation mode can be used in various technical devices for converting electrical energy into thermal energy using an electric arc discharge and allows:

1) получать потоки плазмы различной интенсивности и направления движения при постоянных величинах расхода плазмообразующего газа и силы тока электрической дуги, регулировать потоки тепла на электроды или стенки дуговой камеры плазменных генераторов, формировать разнообразные конфигурации токопроводящего и теплового поля дугового разряда;1) receive plasma flows of various intensities and directions of motion at constant values of the plasma-forming gas flow rate and current of the electric arc, regulate heat fluxes to the electrodes or walls of the arc chamber of plasma generators, form various configurations of the conductive and thermal fields of the arc discharge;

2) регулировать эжекцию газа в зону сужения разряда, проникновение частиц, аэрозолей, химических реагентов в высокотемпературные области дуги с целью повышения уровня теплообмена в дуговой камере и облегчения протекания плазмохимических реакций;2) to regulate the ejection of gas into the zone of narrowing the discharge, the penetration of particles, aerosols, chemicals into the high-temperature regions of the arc in order to increase the level of heat transfer in the arc chamber and facilitate the flow of plasma-chemical reactions;

3) повышать токовую нагрузку и одновременно снижать тепловую нагрузку на электрод катод за счет его регенеративного радиационно-конвективного охлаждения высокоскоростным потоком холодного плазмообразующего газа;3) increase the current load and simultaneously reduce the thermal load on the cathode electrode due to its regenerative radiation-convective cooling by a high-speed stream of cold plasma-forming gas;

4) существенно повышать ресурс работы центрального электрода плазменного генератора без изменения геометрии его рабочей части из-за уноса материала в результате эрозии;4) significantly increase the operating life of the central electrode of the plasma generator without changing the geometry of its working part due to ablation of the material as a result of erosion;

5) повышать характеристики, прежде всего, увеличивать импульс тяги и продолжительности эксплуатации при одинаковом запасе топлива, в случае применения в электродуговых ракетных двигательных установках космических аппаратов.5) to increase the characteristics, first of all, to increase the thrust momentum and the duration of operation with the same fuel supply, if spacecraft are used in electric arc rocket propulsion systems.

Claims

1. A method of regenerative cooling of a non-consumable electrode with an electrode holder during the operation of the plasma torch, comprising supplying to the electrode in the zone of the reference spot of the arc discharge a rotating plasma-forming gas stream, the effect on heat and mass transfer between the axial plasma flow from the reference spot of the arc discharge and the external vortex stream of the plasma-forming gas by creating gas microvortices near the electrode surface and removing heat from the electrode into the axial plasma flow by microvortices, characterized in that ektrod to the electrode and the plasma gas vortex flow rotating around the common axis in opposite directions to each other.

2. A plasma torch comprising an air turbine with a working chamber, an inlet pipe of the working chamber of the turbine for introducing air flow in the direction of the turbine wheel blades, a shaft with an electrode holder rigidly fixed at the end and having low thermal and electrical resistance with it, placed by a trunnion on gas-static bearings, an arc discharge chamber with a coaxially mounted non-consumable electrode, a rigidly fixed non-working end in a movable electrode holder, a swirl for introducing a vortex flow zmuobrazuyuschego gas in the discharge chamber with twisting around the working end of the electrode, a current lead assembly for supplying current to the electrode, characterized in that the shaft is made of heat-conducting and electrically conductive material and is equipped with a turbine wheel in the form of a sleeve with blades made of material with high thermal conductivity, which is rigidly connected to the shaft and has low thermal resistance with it, the shaft pin of the turbine wheel is made in the form of a hollow sleeve mounted on gas-static bearings, while the shaft is warm insulated and electrically insulated in a trunnion with the possibility of joint rotation around the axis of the electrode assembly, mechanically connected to it by a releasable coupling, the driving and driven coupling halves of which interact with each other by end surfaces coated with an insulating material, such as corundum, and electrically connected to the electrode assembly and current lead, when the inlet pipe of the working chamber of the air turbine is installed tangentially with the possibility of rotation of the turbine wheel of the shaft in the opposite direction detecting twisting flow of plasma gas in the discharge chamber.

3. The plasma torch according to claim 2, characterized in that the rotating shaft is electrically connected to the current lead by a sliding contact, for example, by means of a brush electrically insulated in the plasma torch body.

4. A rotating electrode assembly of a plasma torch containing a non-consumable electrode in the form of a rod or insert of refractory metal, mounted in an electrode holder, cooled by a heat-conducting evaporator tube with a developed outer surface in the form of cooling fins, brought into contact with a coolant circulating with a change in the state of aggregation, characterized the fact that the electrode assembly is mounted on the rotor shaft of an air turbine, made in the form of a centrifugal heat pipe, consisting of two symmetrically placed rel relative to the central axis of one another in glasses of heat-conducting and electrically conductive material with a closed cavity between them, filled with coolant, while the closed cavity of the heat pipe is formed by an external glass with an internal conical surface expanding to the evaporation zone and an internal glass with an external conical surface expanding to the condensation zone, the inner surface of which forms an open conical cavity of the heat pipe, while the cooling fins of the heat pipe from the condensation side They are made in the form of turbine wheel blades cooled by an air flow.

5. The electrode assembly according to claim 4, characterized in that a channel centrifugal fan is arranged concentrically with it in an open conical cavity of the heat pipe as an additional cooling heat exchanger in the form of a hollow cylinder mounted coaxially with a gap relative to the heat exchange surface on the walls of the cavity, with circles on the outer surface with radial plate ribs in the form of fan blades adjacent to the cooled surface with the formation of guide channels for forming I am the working surface of the ribs of the coolant flows along the cavity wall.

6. The electrode assembly according to claim 4, characterized in that the working surface of the plate fins in the form of fan blades facing the flow of cooling air in the open conical cavity of the heat pipe irrespective of the direction of its movement makes an angle of elevation from 0 ° with the direction of rotation of the electrode assembly up to 180 °.

7. The electrode assembly according to claim 4, characterized in that a part of the outer surface of the centrifugal heat pipe in the adiabatic zone in the area between the evaporation and condensation zones has a thermally insulating and electrically insulating coating.