[发明专利]一种气动-磁场扫描管状电弧等离子加热器及使用方法

权利要求书

1.一种管状电弧等离子加热器，其特征在于，包括内电极(5)、输出电极(7)、极间进气孔(6)、尾端进气孔(1)、尾端气路(2)和供气调压阀(4)；所述内电极(5)为带有尾端进气孔(1)的深杯状结构，所述输出电极(7)为圆管状薄壁结构，输出电极(7)和内电极(5)前后同轴布置；所述极间进气孔(6)布置在输出电极(7)和内电极(5)之间，尾端进气孔(1)布置在内电极(5)的尾部；供气调压阀(4)布置在主供气管道上，工作气体经过供气调压阀(4)降压之后分别由极间进气孔(6)、以及经尾端气路(2)后由尾端进气孔(1)进入电弧等离子加热器；内电极(5)和输出电极(7)之间施加直流电后形成电弧(8)；

所述尾端气路(2)包括n条通道，n＞1，第一通道上包括通道1声速喷嘴(21)和通道1电磁阀(22)，…，第n条通道上包括通道n声速喷嘴(23)和通道n电磁阀(24)，各通道声速喷嘴的喉道面积不完全一致；工作气体由尾端进气孔(1)进入电弧等离子加热器时，通道1电磁阀(22)到通道n电磁阀(24)设计只有一个电磁阀处于打开状态，各通道电磁阀按照间隔时间t依次交替打开，通过打开不同通道上的电磁阀实现尾端气通过不同的通道进入等离子加热器。

2.根据权利要求1所述的一种管状电弧等离子加热器，其特征在于，所述极间进气孔(6)和尾端进气孔(1)为沿周向均布的切向小孔，以法线方向作为0°角计，切向角度为45°～90°，两者切向方向相同。

3.根据权利要求1所述的一种管状电弧等离子加热器，其特征在于，所述极间进气孔(6)的截面积之和为F₁，尾端进气孔(1)的截面积之和为F₂，尾端气路(2)的通道1声速喷嘴(21)的喉道面积为F_2-1，通道n声速喷嘴(23)的喉道面积为F_2-n，F_2-1到F_2-n是依次均匀增加或减小的。

4.根据权利要求3所述的一种管状电弧等离子加热器，其特征在于，如果F_2-1到F_2-n是依次均匀增加的，则F₂≥F_2-n，F_2-1/F₁＝0.4～0.5，F_2-n/F₁＝0.85～0.9；或者

如果F_2-1到F_2-n是依次均匀减小的，则F₂≥F_2-1，F_2-n/F₁＝0.4～0.5，F_2-1/F₁＝0.85～0.9。

5.根据权利要求1所述的一种管状电弧等离子加热器，其特征在于，所述尾端气路(2)的通道数量n为2-5。

6.根据权利要求1所述的一种管状电弧等离子加热器，其特征在于，所述内电极(5)直径d为10～100mm，长径比L0/d为8≤L/d≤10。

7.根据权利要求1所述的一种管状电弧等离子加热器，其特征在于，所述内电极(5)的外部同轴缠绕有励磁线圈(3)，线圈缠绕方向与极间进气孔(6)引入的气流旋转方向相反。

8.根据权利要求1所述的一种管状电弧等离子加热器，其特征在于，所述励磁线圈(3)采用变化的直流电源供电，供电电流为0～I_b，供电电流变化频率为f，I_b为10～100A，f为40～100Hz。

9.根据权利要求1所述的一种管状电弧等离子加热器，其特征在于，所述励磁线圈(3)采用直径为d₁的铜线圈缠绕而成，励磁线圈(3)的最前端至内电极(5)尾端距离为L1，d₁为3～5mm，L1/d≤2。

10.一种管状电弧等离子加热器的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

工作气体经过供气调压阀(4)调压后一部分气体经过极间进气孔(6)进入加热器，另一部分气体则经过尾端气路(2)和尾端进气孔(1)进入加热器，加热器通电后在加热器内形成电弧(8)，电弧的弧根分别落在内电极(5)和输出电极(7)的内壁面上，由于气体是切向进入的，弧根会在气动力作用下在电极内壁面某一个截面上旋转；

按时间间隔t依次交替打开尾端气路(2)不同通道的电磁阀，控制尾端供气经过不同通道上不同喉道面积的通道声速喷嘴，实施极间供气和尾端供气流量的比值的调节，使内电极(5)上的弧根旋转截面在一轴向范围内移动，循环此过程，使电弧在内电极(5)内壁面的烧蚀沟环由单个扩展到n个；

对励磁线圈(3)通变化的直流电，励磁线圈(3)的励磁电流按照设计频率f进行交变，使励磁线圈(3)在加热器内产生的磁场强度以及弧根径向段受到的轴向洛伦兹力也会对应的发生交变，此时弧根会以所在旋转截面为中心，向两侧进行扫描，扩展弧根在内电极内壁面上的烧蚀沟环的宽度。