Турбомашины и комбинированные турбоустановки
Сидоров С.В., аспирант Тхабисимов А.Б., аспирант Медников А.Ф., кандидат технических наук
(Национальный исследовательский университет «МЭИ»)
ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОМОЩНОГО ИМПУЛЬСНОГО МАГНЕТРОННОГО РАЗРЯДА
В работе приведены осциллограммы разряда ВИМР, совершён выбор режима работы источника питания, получены вольт-амперные характеристики магнетрона ВИМР и совершён выбор диапазона рабочих параметров установки.
Ключевые слова: оптимизация рабочих параметров, высокомощный импульсный магнетронный разряд.
OPTIMIZATION OF OPERATING PARAMETERS OF HIGH-POWER PULSED MAGNETRON DISCHARGE
The article presents the oscillograms of the VIMR discharge. Current-voltage characteristics of the VIMR magnetron were received. Power supply modes, range of operating parameters of the installation were selected.
Key words: working parameters optimization, high-power impulse magnetron discharge.
Введение
Сегодня ресурс элементов энергетического оборудования (ЭЭО) исчерпан практически на всех действующих ТЭС России. В этой связи, весьма остро встанет вопрос о продлении ресурса отдельных ЭЭО [1].Основной причиной повреждаемости и аварийных остановов энергетического оборудования является эрозионное, коррозионное и эрозионно-корро-зионное взаимодействие одно- и двухфазных потоков рабочего тела с металлом.
Одним из перспективных методов повышения износостойкости ЭЭО является применение ионно-плазменных покрытий (ИПП) из нитридов металлов (титан, цирконий, хром), получаемых в условиях глубокого вакуума. Многолетние исследования, проведённые в НИУ «МЭИ», вакуумных ИПП на основе переходных металлов и их нитридов, карбидов и карбо-нитридов показали их эффективность с точки зрения повышения эрозионной и коррозионной стойкости тепломеханического оборудования.
Физико-химические, механические и функциональные свойства этих покрытий в существенной степени зависят от условий их формирования. Особый интерес представляют электротехнологические установки (ЭТУ) с высокомощным импульсным магнетронным разрядом (ВИМР) [3]. ВИМР показал себя особенно эффективным средством увеличения адгезии покрытия к подложке при использовании его для предварительной подготовки поверхности перед нанесением покрытия [3].
Ранее в статье [2] автором были рассмотрены особенности компоновки ЭТУ «Гефест -ВИМР». В настоящей статье рассматривается выбор рабочих параметров установки для обработки опытных образцов в плазме ВИМР.
Выбор рабочих параметров ВИМР
Для обеспечения стабильной и эффективной работы установки «Гефест - ВИМР» были проведены исследования электрических параметров разряда ВИМР: получены осциллограм-
мы для различных соотношении длительности импульса и паузы, изучены вольтамперные характеристики (ВАХ) для наиболее рационального соотношения длительности импульса и паузы.
Выбор соотношения длительности импульса и паузы осуществлялся по следующим критериям: устойчивость горения разряда, максимальная импульсная мощность разряда, заполнение импульса, оптимальная скорость распыления материала мишени.
Так, при длительности паузы, достигающей 2010 мкс горение разряда неустойчиво, разряд гаснет и включается «вольтдобавка» источника питания (ИП) для повторного его зажигания. В связи с этим выбранная длительность паузы лежит в пределах от 1410 до 1910 мкс, обеспечивающих полную зарядку конденсаторов и высокую частоту следования импульсов. Длительность импульса, обеспечивающая стабильное горение разряда с максимальным импульсным током, лежит в пределах от 50 до 80 мкс (рисунок 1).
2
Рис. 1. Осциллограмма разряда ВИМР (масштаб одной клетки 100 В, 100 А, 5 мкс): 1 - осциллограмма напряжения; 2 - осциллограмма тока.
Таким образом, был выбран режим источника питания ВИМР с длительностью импульса 50-80 мкс и длительностью паузы 1410-1910 мкс. В данном режиме ИП были сняты вольт-амперные характеристики магнетрона ВИМР. Они изображены на рисунке 2.
В ВАХ, снятых в импульсного режима работы магнетрона ВИМР, можно выделить два участка с разными наклонами характеристики (смотри рисунок 2, участки характеристики А, Б). Рабочая точка магнетрона должна лежать на участке Б. На этом участке характеристики разряд переходит в сильноточную форму, что значительно повышает процент ионизации металла в плазме разряда.
При выбранном режиме работы магнетрона ВИМР были получены образцы с многослойным покрытием и модифицированным слоем подложки (рисунок 3).
Таким образом, в результате проведенных исследований подобраны оптимальные параметры работы магнетрона ВИМР: давление плазмообразующего газа в вакуумной камере 0,3-0,35 Па, интегральный ток от 10 до 25 А и интегральное напряжение от 500 до 700 В.
1
Рис. 2. ВАХмагнетрона ВИМР в импульсном режиме
Рис. 3. Опытный образец с многослойным покрытием и модифицированной подложкой
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, Соглашение № 14.132.21. 1686
ЛИТЕРАТУРА
1. Рыженков В.А. Повышение износостойкости оборудования паротурбинных установок электрических станций /Дисс. в виде научного доклада на соискание уч. ст. д.т.н.// М.: МЭИ (ТУ), 2002, 58 с.
2. Сидоров С.В., Тхабисимов А.Б., Медников А.Ф. Технологическая установка с высокомощным импульсным магнетронным разрядом для повышения износостойкости теплоэнергетического оборудования// Естественные и технические науки. М., 2013.
3. Щелканов И.А. Сильноточный импульсный магнетронный разряд с автоускорением плазмы: дис. канд. физ.-мат. Наук. М., 2011. С. 135
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.