Некоторые результаты экспериментальных исследований подвижного плазменного термоэмиссионного контакта

В статье приводятся результаты некоторых экспериментальных исследований подвижного плазменного термоэмиссионного контакта униполярных генераторов. Показано, что при определенных условиях потери в этих контактах могут достигать незначительных, что дает возможность применять их при создании электрических генераторов.

Кроме щеточных и жидкометаллических подвижных контактов в униполярных машинах может применяться электродуговой подвижный контакт,. предложенный учеными НИИТП г. Москвы.

Режим работы такого контакта во многом должен быть сходен с режимом работы термоэмиссионных преобразователей энергии и поэтому его характеристики зависят от эмиссионной способности электродов и физических свойств межэлектродной среды.

Сравнительный анализ режимов работы контакта показывает, что наиболее оптимальным является диффузионный режим с объемной ионизацией (низковольтная дуга) в связи с относительно большой плотностью электрического тока с рабочей поверхности катода, которая может достигать 2-4 102 А/см2 и малыми потерями в контакте, поскольку потенциал горения низковольтной дуги значительно меньше потенциала ионизации газа, находящегося в зоне электрической дуги. Некоторые результаты испытаний такого контакта представлены на рис.1 В этих исследованиях в электрической дуге плазменного термоэмиссионного контакта при плотности тока до 300 А/см2 и токе до 1200А падение напряжения в дуге контакта составляло 2 – 4В.

Рис. 1. Результаты экспериментальных исследований плазменного термоэмиссионного контакта

Зависимость падения напряжения в контакте при различных межэлектродных расстояниях и плотностях тока показана на рис.2.В этих исследованиях плотность тока в электрической дуге контакта составляла:

1.j =102 А/см2; 2.j =2·102А/см2; 3.j =3·102А/см2; 4.j = 4·102А/см2. Исходя из этих испытаний был сделан вывод о возможности создания УГ с таким контактом.

Однако, при обсуждении этих исследований были высказаны некоторые сомнения относительно устойчивой работы ПТК, одно из которых касалось устойчивости кольцевой касалось устойчивости кольцевой электрической дуги контакта как без магнитного поля, так и в нем.

Для проверки этого вопроса и в связи с отсутствием разработанных конструкций катодных узлов с тугоплавких материалов, были проведены пять испытаний токосъемного узла, в которых в качестве катодов применялись вольфрамовые пластины толщиной 1 мм.. Торцевая поверхность такого катода составляла около 3 см2 . Пластины закреплялись на кольцевом корпусе диаметром 300 мм. Причем, в первых четырех испытаниях использовались соответственно 7, 10, 11, 12 катодов, а в пятом испытании на кольце было закреплено 32 вольфрамовые пластины.

Рис. 2. Зависимость падения напряжения в контакте при различных межэлектродных расстояниях и плотностях тока

( 1.j =102 А/см2; 2.j =2·102А/см2; 3.j =3·102А/см2; 4.j = 4·102А/см2)

Исследование характеристик электрической дуги контакта при использовании данного токосъемного узла проводилось на экспериментальном униполярном двигателе УД (рис. 3).

Рис. 3. Стенд для исследования экспериментального униполярного двигателя

Предварительный вакуум в рабочем объеме УМ, перед напуском паров цезия, не превышал 6·10-2 мм рт. ст.

Температура внутренней поверхности изделия достигала 600К, температура катодов- 670К. Межэлектродный зазор между анодом (диском) и катодами составлял 2,5 – 3мм.

После подачи напряжения на электроды (катод и анод), при наличии паров цезия в рабочем объеме УМ, электрическая дуга контакта возникала в начале на одном или двух катодах и постепенно распространялись на остальные катоды и через некоторое время, не более 30 с, горела уже со всех катодов. При выключении напряжения и повторном включении, дуга контакта начинала гореть со всех катодов.

В испытании, при использовании кольцевого токосъемного узла, электрическая дуга устойчиво горела по всему кольцу. Как показали наблюдения в смотровое окно в испытаниях, где использовались полые катоды, электрическая дуга в основном горела с полостей катодов, образованных пластинами. В пятом испытании электрическая дуга горела с торцов катодов.

На рис.4 показаны результаты испытаний, зависимость падения напряжения в дуге контакта от плотности тока. Величина тока в испытаниях 1.1 – 1.4 изменялась от 100 до2000А, а расчетная плотность тока составляла 30-300 А/см2 .Падение напряжения в этих испытаниях достигало 1,65 – 5,5В.

Рис. 4. Зависимость падения напряжения в дуге контакта от величины электрического тока.

В испытании 1.5 электрический ток в дуге изменялся от 2000 до 3400А, а расчетная плотность тока составляла 45-80 А/см2

соответственно. Падение напряжения в дуге контакта достигало 2,53,5В, что хорошо согласуется с результатами испытаний 1.1-1.4.

Длительность испытаний достигала от 5 до 10 мин. После испытаний токосъемное устройство и анод находились в хорошем состоянии.

Исследования плазменного контакта проводились также при использовании его в качестве подвижного электрического контакта в униполярном двигателе, на стенде изображенном на рис.3.

Для съема электрического тока вала применялся жидкометаллический контакт, рабочим телом которого являлся калий-индиевый сплав. Токосъемный узел набирался из вольфрамовых пластин, применяемых в предыдущих испытаниях, закрепленных на одном кольце диаметром 300мм. Токосъемная эмиссионная поверхность в этом случае составляла 6 см2 . Нагрев катодов осуществлялся за счет электрического разряда, горящего между основными и вспомогательными катодами.

После прогрева поверхностей рабочего объема до 580К и корпуса ампулы до 600К разбивались ампулы и пары цезия заполняли рабочий обьем УД. После подачи напряжения на основные и дополнительные катоды возникала электрическая дуга, прогревающая основные катоды.

Как показали наблюдения в смотровое окно, электрическая дуга нагрева горела равномерно по всей поверхности вспомогательных катодов.

Рис. 5. Зависимость падения напряжения в дуге контакта от плотности электрического тока.

Величина тока, протекающего в дуге нагрева, достигала 320А, а падение напряжения уменьшалось по мере прогрева катодов с 6,5 до 5,0В. После нагрева катодов подавалось рабочее напряжение на основные электроды и между катодами и диском возникала электрическая дуга подвижного контакта, которая горелаустойчиво в основном во всех торцов катодов пластин – см. рис. 5.

Исследования плазменного контакта проводились как без магнитного поля , так и в продольном поле. При увеличении магнитного поля до 1300 эрстед исчезало свечение на боковых поверхностях пластин и разряд горел только с торцевых поверхностей.

Вращение диска со скоростью 0-7000 о/мин, что соответствовало линейной скорости в зоне электрической дуги подвижного контакта 0-110 м/с, не оказывало заметного влияния на характеристики и устойчивость дуги контакта.

Было проведено два испытания. Величина тока в этих испытаниях изменялось от 200 до 2200А, а падение напряжения в дуге контакта составило 2,5-4,5В (рис.4). Увеличение магнитного поля до 1300 эрстед незначительно увеличивало напряжение в контакте.

Длительность испытаний составляла от 10мин, и определялась нагревом ротора УД.

После испытаний токосъемное устройство и диск находился в хорошем состоянии без следов оплавления.

Выводы

Таким образом, как следует из приведенных результатов исследования, в униполярном генераторе в качестве подвижного электрического контакта можно применять плазменный токосъемный контакт. При этом при плотности тока 1- 2102 А/ см2 потери в этом контакте достигают незначительных величин, а скорость вращения ротора не оказывает влияния на характеристики электрической дуги контакта.