ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ТРУБЧАТОМ ПЛАЗМОТРОНЕ

Титов В.В.

3. Сравнение конструкций торцевого катода трубчатого плазмотрона.

3.7. Катод с фигурной вставкой

Многообразие способов обеспечить и высокую рабочую температуру рабочей поверхности катода, и высокую скорость теплоотвода от этой поверхности не исчерпывается рассмотренными выше сравнительно простыми геометриями вставок. Были опробованы также и несколько более сложные конструктивные решения.

На рисунке 36 катод включает в себя толстую кольцевую вставку, внешний диаметр ее составляет 12 мм, высота - 6 мм, внутренний диаметр в верхней части кольца - 3 мм, в нижней части - 5 мм, т.е. центральный медный стержень имеет форму не цилиндра, а усеченного конуса с расширяющимся вниз сечением. Видно, что хотя цирконий в таком более массивном исполнении начинает незначительно превосходить гафний по максимальной температуре, но из-за более низкой температуры плавления на циркониевом катоде плавление более выражено. В то же время на обоих катодах медь остается в твердом состоянии

 

Рис. 36. Распределение температуры в катоде с фигурной кольцевой вставкой (контуры вставки видны на картинках). Слева - вставка из циркония, справа - из гафния. Мощность теплового потока в обоих случаях 30 Вт/мм2 (равномерно на всю рабочую поверхность катода). Темно-синей линией обозначена изотерма 1356К (температура плавления меди). Цветная шкала на каждой картинке в качестве верхней границы имеет температуру плавления соответствующего тугоплавкого металла.

На рисунке 37 та же идея доведена до логического завершения: усеченный конус ушел под поверхность гафниевой вставки. Исходное толлстое фигурное кольцо имеет те же размеры и ту же конфигурацию, что и на рис. 36, только теперь в центральной части гафний заменен медью на глубину 1 и 2 мм.

Рис. 37. Распределение температуры в катоде с фигурной кольцевой вставкой из гафния (контуры вставки видны на картинках). Толщина гафния в центральной зоне равна 1 мм (слева) и 2 мм (правый рисунок). Мощность теплового потока в обоих случаях 30 Вт/мм2 (равномерно на всю рабочую поверхность катода). Темно-синей линией обозначена изотерма 1356К (температура плавления меди). Цветная шкала в качестве верхней границы имеет температуру плавления гафния.

Видно, что миллиметровая толщина гафния вполне приемлема для данной конструкции: расплавленная зона гафния занимает незначительную часть площади (колечко). Два миллиметра оказываются уже не столь хороши: почти вся рабочая поверхность гафния расплавлена, так что такой катод может работать только при строго горизонтальной ориентации катода. В то же время медь в обоих случаях не плавится.

-------------------

Анализ многочисленных вариантов конструкций катода, проведенный в настоящем разделе, хотя и носит предварительный и качественный характер, но, тем не менее, дает достаточно оснований для проведения экспериментальной проверки наиболее перспективных вариантов как по выбору металлов, так и по конструктивному исполнению рабочей части катода.

Теперь полезно перейти к рассмотрению процессов в самой ответственной точке катода - в катодном пятне.

Катод с кольцевой вставкой

Оглавление

Тепловые процессы в районе катодного пятна