Atelier Plasma Thermique – 3 – 5 juin 2009 …plasmasfroids.cnrs.fr/IMG/pdf/InstabilitesArc.pdfE. Pfender, S. A. Wutzke, E. R. G. Eckert , NASA-CR-54080 (1964) Atelier Plasma Thermique

Atelier Plasma Thermique – 3 – 5 juin 2009

Instabilités de l’arc électrique dans une torche de projection :

origines et incidences sur les précurseurs injectés

1

V. Rat et J. F. Coudert

SPCTS –CNRS UMR 6638

Université de Limoges

123 av. A. Thomas, 87060 Limoges cedex


� Pourquoi s'intéresser aux instabilités de l'arc ?

Projection par plasma d'arc

de suspensionsMicrostructures différentes

2

20 µm

20 µm


Influence des instabilités

� Fluctuations de la tension d'arc

� Fluctuations de puissance

instantanée

3

� Fluctuations d'enthalpie

massique, de vitesse,...

� Disparités dans les transferts

thermiques et dynamiques


Temps caractéristique de transfert de quantité

de mouvement plasma/particule

4

Faible Reynolds

Part alumine / Plasma (104 K)D 30µm : ~ 700µsD 1µm : ~ 0.8 µs

Projection faible distance


Faible Reynolds

Temps caractéristique de transfert de chaleur

plasma/particule

5

Faible Reynolds

Part alumine / Plasma (104 K)D 30µm : ~ 150 µsD 1µm : ~ 0.2 µs

Projection faible distance


Précurseurs: particules d’alumine

Particules d’alumine : 30 ±±±± 5 µmTorche Sulzer Metco F4Ar-H2(35-10 slm) – 550 AΦΦΦΦ7mm

6JF Bisson, B Gauthier, C Moreau, J. Thermal Spray Technol. 12, 38 (2003)


déclencheur

Précurseurs: Suspensions Injection de particules submicroniques

7

déclencheur

Seuil de tension


Influence des instabilités sur l’injection de suspensions

8

bas niveau de tension

• faible enthalpie et vitesse

• balayage des particules centrales

haut niveau de tension

• pénétration des nuages

dans la précédente demi-

période


Ar/He (30/30) 700A

Vinj=33.5 m/s

Ar/H2 (45/15) 500A

Vinj=27 m/s

Influence des conditions opératoires

9


Origines des instabilités de l’arc

10


� Qu’appelle-t-on « instabilités » de l’arc ?

� Comment les observer ?� Difficile car milieu confiné

� Diagnostic électrique

11

� Diagnostic électrique

� Imagerie résolue en temps (sur l’arc ou le jet de plasma)

� Quelles sont leurs origines ?� électrique, magnétique, hydrodynamique, mécanique, leurs

couplages …


Signal de tension d’arc

Torche laboAr-H2 (45-15 slpm)ΦΦΦΦ 8mm500 A

•Signal en dent de scie• Augmentation de la

12

JF Coudert, MP Planche, P Fauchais, Plasma Chem. Plasma Process. 16 (1) 211S (1996)

• Augmentation de la tension• Décroissance brutale• V(ti) > V(ti+1)• V(ti) < V(ti+1)• Augmentation non linéaire de la tension


E. Pfender, S. A. Wutzke, E. R. G. Eckert , NASA-CR-54080 (1964)

13

• Augmentation de la longueur de la colonne

• Arc non confiné

• Arc glissant


• Boucle de courant

• I induit le champ magnétique B

• Force de Lorenz FLorentz

Elongation de la colonne d‘arc et réarmoçage de l‘arcApproche simplifiée

I

⊗⊗⊗⊗ B

Ivgaz FLorentzRéarmorçage

14

• Force de Lorenz FLorentz

• Force de traînée FDrag

Elongation de la colonne d’arc

Augmentation de la tension

Réarmorçage de l’arc

I

v

vgaz

vgaz

FLorentz

FDrag


Hypothèses implicites non satisfaisantes:

• Arc glissant• Augmentation non linéaire de la tension • Gradient de vitesse proche de la paroi anodique• V(ti) > V(ti+1) :réarmorçage - saut contre-courant• V(ti) < V(ti+1) : saut co-courant ?

15


Effet Maecker

�� B

I

⊗⊗⊗⊗ B

B

Fconstriction (r)

Constriction magnétique

j j

F F

v

Pompage du gaz environnant

16

Bϕϕϕϕ

r

vJet cathodique

gradrp=[ j ×××× B]r

p(z) = p0 + µµµµ0I² / 4ππππ²r²

v ∼∼∼∼ I0.5

H Meacker, Zeitschrift für Physik 141, 198 (1955)


• jet cathodique

• jet anodique

• sauts aval : V(ti) < V(ti+1)

17

E. Pfender, S. A. Wutzke, E. R. G. Eckert , NASA-CR-54080 (1964)


• Résultante des forcesde Lorentz et de traînée

• Force de traînée faibleproche de la paroi

• Courbure des lignes

18

JP Trelles, E Pfender, J Heberlein Plasma Chem Plasma Process 26, 557 (2006)

• Courbure des lignesde courant

• Formation d’une bouclenon linéarité de la tensionarc non glissant

• Influence du jet anodique : sauts avals


Modèle Elongation-claquage-réarmorçage : Mode « Restrike »

19

MP Planche, Thése de doctorat, Université de Limoges (1995)


Vb: Tension deréamorçage

Dynamique des sauts de tension

20

MP Planche, Thése de doctorat Université de Limoges (1995)

Vb = εεεεb e(z)

εεεεb : champ de claquage (V.m-1)

e(z) : épaisseur de la couche limite

(µs) (µs)


Distributions statistiques des sautsen fonction du courant d’arc

21

MP Planche, Thése de doctorat Université de Limoges (1995)

• probabilité petit sauts �� quand I ��

• e(z) �� quand I ��

• Vb ��

• la "fréquence " d’apparition des pieds d’arc ��


Saut de tension etdurée de viemoyens des piedsd’arc déduits desdistributionsstatistiques

Torche Labo

22JF Coudert, MP Planche, P Fauchais, Plasma Chem. Plasma Process. 16 (1) 211S (1996)


Simulation expérimentale du mode Restrike Arc transféré incliné

23

C. Chazelas, Thése de doctorat, Université de Limoges (2004)


Observation expérimentale de l’arc

� Imagerie résolue en temps de l’arc à l’intérieur de la torche

� Synchronisation sur la tension

24JL Dorier et al. , IEEE Trans. Plasma. Sci. 29, 494 (2001)


Torche F4 Sulzer Metco500 AAr-H2(40-4 slm)Temps obturation: 1 µs

25JL Dorier et al. , IEEE Trans. Plasma. Sci. 29, 494 (2001)


Résumé

� Mode restrike: Elongation-claquage-réamorçage de l’arc

� Elongation : forces Lorentz/traînée combinées avec le jet anodique (sauts aval)

� Claquage/Réarmorçage dépend fortement des propriétés de la couche limite entre colonne d’arc et la paroi anodique

26

couche limite entre colonne d’arc et la paroi anodique

� Co-existence de plusieurs

pieds d’arc simultanément et

différentes natures d’attachement

� Il existe deux autres modes :

Steady et Take-over

Z Duan, J Heberlein, J. Thermal Spray Technol. 11, 44 (2002)


� Etude statistique des sauts : durée de vie moyenne et saut de tension moyen

� durée de vie moyenne des pieds d’arc ≠≠≠≠ pseudo période du

signal

� équilibre dynamique ≠≠≠≠ comportement périodique

27

� Etude statistique réalisée sur « Torche Labo » - FFT : pas de pic !

� mais sur torche commerciale

Sulzer Metco F4 …

ΦΦΦΦ6mm


� Etude statistique des sauts : temps de vie moyens et sauts de tension moyen

� temps de vie moyen des pieds d’arc ≠≠≠≠ pseudo période du

signal

� équilibre dynamique ≠≠≠≠ comportement périodique

28

Ar-H2 45/5 slm, I= 300 A

0

2

4

6

8

0 2000 4000 6000 8000 10000

V2 /

Hz

Voltage power spectrum

Frequency (Hz)

� Etude statistique réalisée sur « Torche Labo » - FFT : pas de pic !

� mais sur torche commerciale

Sulzer Metco F4 :

ΦΦΦΦ6mm


� Observation des spectres de puissance de la tension d’arc - Sulzer Metco PTF4

Torch voltage power spectrum

Ar-H2 (45-5 slm)

4

6

8

Vo

lt2/H

z 300 A

500 A (x3)

600 A (x200)

Torch voltage power spectrum

Ar (45 slm) -H2, I=500 A

1

2

3

Vo

lt 2

/ H

z

H2 (15 slm)

H2 ( 5 slm)

29

0

2

2000 4000 6000 8000 10000

frequency (Hz)

0

2000 4000 6000 8000 10000

frequency (Hz)


� Résonateur acoustique de type Helmholtz

� Système masse-ressort

• Masse: gaz dans le col

• Ressort: gaz dans le volume V

� Compression - détente du gaz dans le volume V

30

V S

L

x

Vitesse du son


� Modèle "acoustique" d’une torche à plasma d'arc

Géométrie simplifiée Résonateur équivalent

31

Résonateur équivalent:même volume etmême longueur que laconfiguration réelle

)x(r π=)x(S 2


� Système masse-ressort

• Masse: plasma

• Ressort: gaz froid dans cavité cathodique

� Torche plasma d'arc = résonateur de Helmholtz

LV

Sp

2

1f

plasma

gazgaz

Hρ

γ

π=

� Etude en terme de continuité d'impédance acoustique

32

� Etude en terme de continuité d'impédance acoustique

• spectre discret de fréquence de résonance

• fréquence la plus basse: fréquence de Helmholtz

2

0

2

HHH2

H c

fba

f

X+=

plasma

gazgaz p X

ρ

γ=avec

( )L,S,Vfbet a HH =

JF Coudert, V Rat, Jphys D: Appl. Phys. 41, 205208 (2008)


� Influence du volume de gaz froid Vg

33


� Validation expérimentale

Effect of volume reduction

0.2

0.3

0.4

0.5

X/f

12

(m2) Standard configuration

With additionnal ring

Without any ring

Torche « Labo »Ar (45 slm), H2 (5,10,15 slm)I=300 - 600 A Influence of cold gas volume change on

voltage power spectrum

2

3

4

Vo

lt2/H

z

No ring

Standard

(x 4)

additionnal ring

(x 10)

Torch parameters :

I : 400 A

Ar/H2 : 45/10 slm

34

0.0

0.1

10 30 50 70 90

f12 (kHz)

2

0

1

0 2000 4000 6000 8000 10000frequency (Hz)

� Atténuation de l'oscillation de Helmholtz : Volume ��

JF Coudert, V Rat, Jphys D: Appl. Phys. 41, 205208 (2008)


� Mesure de pression dynamique

� dans la chambre d’arc: capteur de pression (ENDEVCO 8510C) ΦΦΦΦ2mm, 320 kHz bande passante

� Acquisition simultanée pression et tension

35

DAQ (NI)Labview


� Mesure de pression dynamique

Ar-H2 (45/5 slm) – 400 A – φφφφ6mm

• la pression fluctue

• même structure temporelle

mais signal pression enrichi

• bars 4.0pp atm ≈−

36

• Inter-corrélation V*pdécalage d’environ +100 µsIndépendant des conditions

bars 2.0p ≈∆

( ) bars 4.0pic à pic p =∆


Conclusions

� L’importance des phénomènes transitoires en projection par plasma d’arc dépend des précurseurs à traiter

� Comprendre les origines des instabilités pour développer les nouveaux procédés (Suspension Plasma Spraying, Solution Precursor Plasma Spraying, Reactive Plasma

37

Solution Precursor Plasma Spraying, Reactive Plasma Spraying,…)

� Instabilités de l’arc dépend étroitement de la géométrie de torche (attention aux extrapolations…) et des conditions opératoires

Documents

Atelier Plasma Thermique – 3 – 5 juin 2009 …plasmasfroids.cnrs.fr/IMG/pdf/InstabilitesArc.pdfE. Pfender, S. A. Wutzke, E. R. G. Eckert , NASA-CR-54080 (1964) Atelier Plasma Thermique