行波管陰極熱子組件結(jié)構(gòu)的熱分析
本文分析了不同結(jié)構(gòu)的陰極熱子組件與其加熱效率的關(guān)系。組件的加熱效率受陰極支持筒側(cè)面輻射的影響較大,支持筒直徑與陰極基底直徑相近時(shí),組件加熱效率高。并利用ANSYS 軟件對(duì)陰極熱子組件進(jìn)行了熱模擬,計(jì)算了不同結(jié)構(gòu)組件的溫度分布。制備的陰極熱子組件的溫度試驗(yàn),結(jié)果與計(jì)算機(jī)仿真在趨勢(shì)上是一致的,從而為陰極熱子組件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了有力的理論依據(jù)和指導(dǎo)。
陰極熱子組件作為行波管的核心部件,其性能的好壞直接影響到整管的質(zhì)量、可靠性和壽命。隨著整管性能的提高,對(duì)陰極熱子組件的要求也越來(lái)越高,不僅要滿足行波管設(shè)計(jì)要求的陰極發(fā)射電流密度指標(biāo),而且要使組件處于熱損耗低的高可靠工作狀態(tài),即在達(dá)到陰極發(fā)射電流密度的條件下,盡可能地降低熱子的加熱功率,因此需要提高陰極熱子組件的加熱效率。尤其對(duì)于空間行波管,由于工作環(huán)境特殊,陰極熱子組件的加熱效率問(wèn)題尤為重要。近些年來(lái),國(guó)際上通過(guò)設(shè)計(jì)合理的陰極熱子組件結(jié)構(gòu),并輔之優(yōu)化的組件制備工藝,陰極熱子組件的加熱效率獲得很大提高。
要獲得高效率陰極熱子組件,在提高熱子自身加熱效率的基礎(chǔ)上,更為重要的是設(shè)計(jì)合理的陰極熱子組件結(jié)構(gòu)。利用ANSYS 熱分析軟件對(duì)陰極熱子組件中熱量的產(chǎn)生、傳導(dǎo)、輻射及損耗過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬,分析不同結(jié)構(gòu)對(duì)陰極熱子組件加熱效率的影響。將模擬結(jié)果應(yīng)用于高效率陰極熱子組件的研制,通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)及分析,從而為陰極熱子組件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。
1、熱分析模擬
ANSYS軟件進(jìn)行熱分析計(jì)算的基本原理是把處理的對(duì)象首先劃分成有限個(gè)單元(每個(gè)單元包含若干個(gè)節(jié)點(diǎn)) ,然后根據(jù)能量守恒原理求解一定邊界條件和初始條件下每一節(jié)點(diǎn)處的熱平衡方程,由此計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)溫度值,繼而進(jìn)一步求解出其他相關(guān)量。
1.1、有限元模型建立
陰極熱子組件由陰極、陰極支持筒、熱子以及填充燒結(jié)的Al2O3等部分組成。以陰極熱子組件作為研究對(duì)象,并將熱子作為熱源。其中熱子結(jié)構(gòu)為復(fù)繞雙螺旋結(jié)構(gòu),考慮到復(fù)繞熱子的次級(jí)螺旋螺距很小,內(nèi)徑與外徑相比也很小,為便于分析計(jì)算,模型中忽略了次級(jí)螺旋結(jié)構(gòu)以及熱子引腿的影響 。陰極熱子組件的基本結(jié)構(gòu)和模型如圖1 所示。
圖1 陰極熱子組件的基本結(jié)構(gòu)和ANSYS模型
下面分別對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)的陰極熱子組件進(jìn)行建模和熱模擬計(jì)算,從而分析不同結(jié)構(gòu)對(duì)加熱效率的影響。兩種結(jié)構(gòu)陰極尺寸相同,直徑均為2.4mm ,最大厚度為1.5mm。陰極支持筒采用不同的結(jié)構(gòu),主要區(qū)別為內(nèi)徑不同,如表1 所示。為達(dá)到相同的加熱效果,采用的熱子絲徑相同,總長(zhǎng)度相同,根據(jù)支持筒的內(nèi)徑繞制不同的圈數(shù)。其中結(jié)構(gòu)Ⅰ中熱子高度和直徑分別為1.91mm 和2.43mm ,結(jié)構(gòu)Ⅱ中熱子高度和直徑為2.31mm 和1.94mm。
表1 兩種結(jié)構(gòu)中陰極支持筒的尺寸
采用solid87六節(jié)點(diǎn)四面體單元對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分�？紤]到組件中熱子結(jié)構(gòu)的特殊性,針對(duì)不同的部件采用不同的單元尺寸控制和smartsize網(wǎng)格劃分控制,并采用Tet 四面體單元對(duì)單元形狀進(jìn)行控制,得到較為規(guī)則的網(wǎng)格形狀,有利于提高計(jì)算的正確性和精確性。有限元模型如圖2 所示。
圖2 有限元模型
4、結(jié)論
利用ANSYS 軟件對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)的陰極熱子組件的加熱和傳遞過(guò)程進(jìn)行熱模擬計(jì)算。通過(guò)陰極熱子組件的溫度試驗(yàn)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,分析不同結(jié)構(gòu)對(duì)陰極熱子組件加熱效率的影響。結(jié)果表明,陰極支持筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)組件的加熱效率影響較大。因此在陰極熱子組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,應(yīng)該先根據(jù)陰極尺寸來(lái)初步確定陰極支持筒的尺寸參數(shù),再根據(jù)所需加熱功率確定熱子尺寸,再確定陰極支持筒的長(zhǎng)度,從而得到優(yōu)化結(jié)構(gòu)的陰極熱子組件。
