ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ТРУБЧАТОМ ПЛАЗМОТРОНЕ

Титов В.В.

3. Сравнение конструкций торцевого катода трубчатого плазмотрона.

3.2. Катод мозаичного типа

Напрашивается вывод, что для повышения тепловой выносливости катода следовало бы уменьшить диаметр вставки. Однако общая площадь рабочей части катода должна оставаться достаточно большой, а значит, таких вставок меньшего диаметра должно быть несколько. Поэтому следующая модель строилась на базе семи вставок диаметром 2 мм (а не 3 мм, как в модели с одной центральной вставкой), расположенных по вершинам и в центре шестиугольника так, что между вставками оставался промежуток 0,2 мм.

Распределение теплового потока по поверхности принято несколько иным, а именно: q=q0 при r<r0 и q=0 при r>r0 (здесь r0 = 3,5 мм, r - расстояние от оси катодного блока), при этом тепловой поток идет и на вставку, и частично на поверхность основы катода. При той же поверхностной плотности теплового потока 50 Вт/мм² суммарная тепловая мощность здесь равна 1,9 кВт, что соответствует току дуги 570 А.

	Рис. 9. Распределение температуры в теле мозаичного катода с семью гафниевыми вставками диаметром 2 мм с расстоянием между вставками 0,2 мм. Вертикальными черными линиями показаны границы вставок. Граница области облучения также отмечена линией на медной части катода.
Рис. 10. Распределение температуры в теле мозаичного катода с семью циркониевыми вставками. Сплошными черными линиями показаны границы вставок.
	Рис. 11. Распределение температуры в теле мозаичного катода с семью ниобиевыми вставками. Сплошными черными линиями показаны границы вставок.

Сравнение картинок рис. 9 - 11 показывает, что ниобий в данной геометрии обеспечивает наиболее низкую температуру поверхности как вставок, так и медной основы, в самой ответственной зоне перемычки между вставками температура не превышает 900К (у циркония и гафния - 1050К), по максимальной температуре вставки преимущество ниобия (минимальная температура означает и минимальную эрозию) еще заметнее. Различие между центральной и периферийными вставками по температуре поверхности во всех случаях составляет 150-200 градусов.

	Рис. 12. Распределение температуры в теле мозаичного катода с семью гафниевыми вставками диаметром 3 мм при расстоянии между вставками 0,2 мм.
Рис. 13. Распределение температуры в теле мозаичного катода с семью гафниевыми вставками диаметром 3 мм при расстоянии между вставками 0,5 мм.

Если вернуться к вставкам диаметром 3 мм (при сохранении той же плотности теплового потока), то можно убедиться, что при этих условиях поверхность гафниевых вставок, размещенных на расстоянии 0,2 мм друг от друга, оплавляется, но оплавляется и медь между вставками (см. рис. 12), что связано с риском выпадения вставок. Увеличение расстояния между вставками до 0,5 мм (рис. 13) позволяет исключить эту опасность, т.к. температура меди в самой напряженной точке не превышает 1300К.

По мере "выработки" центральной части катода максимальная температура снижается как на гафнии, так и на меди (рис. 14).

Рис. 14. Распределение температуры в теле мозаичного катода с семью гафниевыми вставками диаметром 3 мм при расстоянии между вставками 0,5 мм. Центральная часть сложного катода частично "выработана" за счет эрозии.

Таким образом, моделирование данной геометрии катода показывает, что для сильноточного плазмотрона (с током дуги 500-1000А) увеличение рабочей площади высокотемпературных вставок позволяет повысить токовую и тепловую нагрузку катода без существенного роста температуры поверхности (и, соответственно, скорости эрозии катода).

Базовая конструкция катода

Оглавление

Катод с выступающей цилиндрической вставкой