DE3931740A1

DE3931740A1 - Lichtbogen-strahl-schuberzeuger mit verbesserter lebensdauer

Info

Publication number: DE3931740A1
Application number: DE19893931740
Authority: DE
Inventors: Mark Allen Simon; Steven Clark Knowles; William Wayne Smith
Original assignee: Olin Corp
Current assignee: Olin Corp
Priority date: 1988-02-10
Filing date: 1989-09-22
Publication date: 1991-04-04
Also published as: GB2236557A; GB8922134D0; GB2236557B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft, allgemein ausgedrückt, Systeme mit geringem Antrieb zum Manövrieren von Raumfahrzeugen, und spezieller eine elektrothermische Lichtbogen-Strahl-Antriebsvorrichtung oder -Schuberzeuger, der eines von mehreren verschiedenen Merkmalen zur Verbesserung der Betriebslebensdauer verwendet.

Wie herkömmlich bekannt ist, wandelt ein elektro thermischer Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger elektrische Energie in thermische Energie um, durch Wärmeüber tragung von einer Lichtbogenentladung auf ein strömendes Treibmittel und thermische Energie in gerichtete kinetische Energie um durch Expansion des erwärmten Treibmittels durch eine Düse. Zur Erläuterung der Konstruktion und der Arbeitsweise sowie der mit dieser Art von elektrothermischem Antrieb verbundenen Probleme des Lichtbogen-Strahl-Schuberzeugers aus historischer Sicht wird die Aufmerksamkeit auf die folgenden Veröffentlichungen gerichtet.

"Arcjet Thruster for Space Propulsion" von L.E. Wallner und J. Czika, Jr., NASA Tech Note D-2868, Juni 1965; "The Arc Heated Thermal Jet Engine" von F.G. Penzig, AD 671501, Hollomen Air Force Base, März 1966; und "Physics Of Electric Propulsion" von R.G. Jahn, McGraw-Hill Book Company, 1968, insbesondere Seiten 90 bis 93 und 118 bis 133. Weiterhin sei auch auf das US-Patent 45 48 033 von G.L. Cann verwiesen.

Die meisten elektrothermischen Lichtbogen-Strahl- Schuberzeuger haben als gemeinsame Merkmale eine Anode in Form eines Düsenkörpers und eine Kathode in Form eines zylindrischen Stabes mit einer konischen Spitze. Der Düsenkörper besitzt eine Lichtbogen kammer, die in einem hinteren Bereich des Körpers durch eine Verengung definiert ist, sowie eine Düse in einem vorderen Bereich des Düsenkörpers. Der Kathodenstab ist auf der Längsachse des Düsenkörpers ausgerichtet, wobei sich seine konische Spitze in das aufwärtsliegende Ende der Lichtbogenkammer er streckt und dabei von der Verengung beabstandet ist, um so dazwischen einen Spalt zu bilden.

Ein elektrischer Lichtbogen wird zuerst zwischen dem Kathodenstab und dem Anodendüsenkörper am Eingang zu der Verengung gebildet. Der Lichtbogen wird dann durch druckbeaufschlagte wirbelartige Strömung eines um den Kathodenstab herum in die Lichtbogenkammer einge leiteten Treibmittelgases durch die Verengung hindurch stromabwärts verlagert. Der Lichtbogen stabilisiert sich dann und haftet an der Düse an. Das Treibmittel gas wird im Bereich der Verengung sowie im Bereich der Lichtbogenausbreitung an der Mündung der Düse stromabwärts von dem Ausgang aus der Verengung erwärmt. Das hocherhitzte Gas wird dann aus der Düse ausge stoßen, um Schub zu erzeugen.

Während des Betriebs aller Lichtbogen-Strahl-Schub erzeuger tritt an den Elektroden, d.h. der Anode und der Kathode, ein gewisses Maß an Materialverlust bzw. Erosion auf. Eine Erosion tritt auf während des anfänglichen Anlauf-Übergangsbetriebs sowie auch während des Dauerbetriebs. Solange man Lichtbogen- Strahl-Schuberzeuger bisher untersucht und entwickelt hat, war die Elektrodenerosion ein entscheidender Faktor für die Lebensdauer des Lichtbogen-Strahl- Schuberzeugers.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Lichtbogen-Strahl-Schuberzeugers, bei dem sich das Auftreten von Erosion vermindern und dadurch die Betriebslebensdauer des Lichtbogen- Strahl-Schuberzeugers steigern läßt.

Erfindungsgemäße Lösungen dieser Aufgabe ergeben sich aus den Kennzeichen der Ansprüche 1, 11 und 19; vor teilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unter ansprüche.

Die vorliegende Erfindung schafft einen Lichtbogen- Strahl-Schuberzeuger mit verbesserter Lebensdauer, der zur Erfüllung der vorstehend genannten Bedürfnisse ausgelegt ist. Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß sich die Betriebslebensdauer eines Lichtbogen-Strahl-Schuberzeugers durch eine verbesserte Kathodenformgebung, Anodenformgebung und Treibmittelzufuhrtechnik bzw. Treibmittelein spritztechnik steigern und verbessern läßt. Die vor liegende Erfindung umfaßt mehrere unterschiedliche Merkmale, die beim Stand der Technik nicht bekannt sind und die Anoden- und Kathodenerosion auf ein Minimum reduzieren, ein direktes Zuführen von Treib mittel in den Lichtbogenbereich vorsehen und eine Anodenkonvektionskühlung in Verbindung mit der Zufuhrtechnik verwenden. Die meisten der Merkmale sind vorteilhafterweise in ein- und demselben Lichtbogen- Strahl-Schuberzeuger integriert, um eine beträchtlich verbesserte Lebensdauer, Effizienz und Leistungs fähigkeit zu verwirklichen, obwohl in manchen Fällen die sich aus einigen der Merkmale ergebenden Vorteile getrennt von den anderen Vorteilen bei verschiedenen Schuberzeugern in vorteilhafter Weise eingesetzt werden können.

Grundsätzlich schafft ein jedes der Merkmale eine Steigerung der Leistungsfähigkeit, der Effizienz und/oder der nutzbaren Lebensdauer des Lichtbogen-Strahl Schuberzeugers. Ein Merkmal bezieht sich auf die Ver wendung einer Anodenformgebung zum Reduzieren der Anodenerosion während des Betriebs des Lichtbogen- Strahl-Schuberzeugers auf ein Minimum. Durch eine vorbestimmte Formgebung der Anode läßt sich der Schallpunkt des Schuberzeugers an eine Stelle zwingen, die sich an der schärfsten Kante an der Anode strom ab von der Kathode befindet und die Düsenengstelle definiert. Auf diese Weise wird ein hoher gas dynamischer Lichtbogenwiderstand an der Düseneng stelle hergestellt, wodurch die Kante gegen eine zerstörerische, Erosion hervorrufende Lichtbogen anhaftung abgeschirmt ist. Die Anhaftung des Licht bogens wird stromabwärts an der Engstelle vorbei und in den Expansionsbereich der Düse der Anode gezwängt. Eine Anhaftung in diesem Unterdruckbereich ist diffus und nicht-erosiv.

Ein weiteres Merkmal bezieht sich auf die Vor konditionierung der Form der Kathodenstabspitze vor der Montage der Kathode in einem betriebsbereiten Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger. Bei der vor konditionierten Spitzenform handelt es sich um diejenige Form, die die Spitze nach ihrer Verwendung in der Umgebung des Lichtbogen-Strahl-Schuberzeugers annehmen würde. Die Kathodenspitze wird vorkonditioniert, indem man sie auf die gewünschte Form bearbeitet, in der die Kathodenspitze einen optimalen Erosionswiderstand aufweist.

Noch ein weiteres Merkmal bezieht sich auf die Treib mitteleinspritztechnik bzw. Treibmittelzufuhrtechnik, die eine maximale Anoden-Lebensdauer dadurch schafft, daß (1) ein maximaler Radialdruckgradient über die direkte Zufuhr einer Wirbelströmung in den Licht bogenbereich und (2) eine Mehrzahl von Injektor- Treibmittelpassagen vorgesehen sind, wobei das in konstanter Berührung mit der Anode befindliche Treib mittel eine Konvektionskühlung der Anode bewirkt, bevor es in den Lichtbogenbereich eintritt. Der Druckgradient veranlaßt den Lichtbogen, entlang der zentralen Achse des Schuberzeugers an der Engstelle der Düse vorbei stromab zu wandern. Die geringere Temperatur der Anode führt zu einer Reduzierung der Anodenerosionsrate.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand der zeichnerischen Darstellungen eines Ausführungsbeispiels noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine schematische Axialschnittansicht des Kathodenstabs und des Anoden-Düsen körpers eines üblichen Lichtbogen-Strahl- Schuberzeugers des Standes der Technik;

Fig. 2 eine schematische Axialschnittansicht eines Lichtbogen-Strahl-Schuberzeugers mit verbesserter Lebensdauer, der die Merkmale der vorliegenden Erfindung be sitzt;

Fig. 3 eine Ansicht auf das Frontende einer Treibmitteleinspritzeinrichtung, die in Verbindung mit der Anode des eine verbesserte Lebensdauer aufweisenden Lichtbogen-Strahl-Schuberzeugers gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

Fig. 4 eine vergrößerte fragmentarische Ansicht der Spitze eines Kathodenstabs, wie er bei dem eine verbesserte Lebensdauer auf weisenden Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger gemäß einem weiteren Merkmal der vor liegenden Erfindung verwendet wird; und

Fig. 5 eine vergrößerte fragmentarische Schnitt ansicht entlang der Linie V-V der Fig. 2.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1 wird in schematischer und fragmentarischer Form ein üblicher elektrothermischer Lichtbogen-Strahl- Schuberzeuger oder Antriebsvorrichtung mit einge engter Lichtbogengeometrie gemäß dem Stand der Technik gezeigt, der insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 be zeichnet ist. Wie allgemein bekannt ist, besitzt der Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger 10 im großen und ganzen eine Anode 12 in Form eines zylindrischen Körpers, der aus elektrisch leitendem Metall besteht, sowie eine Kathode 14 in Form eines länglichen zylindrischen Stabes, der aus elektrisch leitendem Metall besteht und mit einer konischen Spitze 16 ausge bildet ist. Der Anodenkörper 12 besitzt eine Licht bogenkammer 18, die durch eine Verengung 20 in Form einer zylindrischen inneren Oberfläche 22 in einem hinteren Bereich des Körpers gebildet ist, sowie eine Düse 24 in Form einer konischen, inneren Ober fläche 26 in einem vorderen Bereich des Körpers. Der Kathodenstab 14 ist auf der Längsachse A des Anoden körpers 12 ausgerichtet, wobei sich seine Spitze 16 in das stromaufseitige Ende der Lichtbogenkammer 18 im Abstand von der Verengung 20 erstreckt, so daß dazwischen ein Spalt 28 definiert ist.

Eine Leistungssteuerung 30 ist zwischen dem Anoden körper 12 und dem Kathodenstab 14 elektrisch ange schlossen und in bekannter Weise betreibbar, um da zwischen ein elektrisches Potential zu erzeugen, das an dem Anodenkörper 12 positiv und an dem Kathoden stab 14 negativ ist, um die Erzeugung eines den Spalt 28 überbrückenden Lichtbogens 32 zu initiieren. Die Leistungssteuerung 30 ist in Blockform dargestellt, da ihre Komponenten im Stand der Technik allgemein bekannt sind und eine detaillierte Darstellung der selben lediglich dazu führen würde, daß die Komplexität der Erläuterung des Lichtbogen-Strahl-Schuberzeugers 10 zunimmt, ohne daß dies etwas zur Klarheit desselben hinzufügt.

Der Lichtbogen 32 wird zuerst zwischen der Spitze 16 des Kathodenstabes 14 und dem Anodenkörper 12 am Eingang zu der Verengung 20 initiiert. Wenn der Schuberzeuger 10 nach seinen konstruktionsmäßigen Grundlagen arbeitet, wird der Lichtbogen 32 dann stromabwärts entlang der Oberfläche 22 der Verengung 20 durch unter Druck stehendes Treibmittelgas mit einer wirbelartigen Strömung, wie durch den Pfeil 34 dargestellt, durch den Spalt 28 hindurch und an diesem vorbei und darüber hinaus durch die Verengung 20 und aus der Düse 24 des Schuberzeugers 10 hinaus getrieben. Der Lichtbogen 32 stabilisiert sich an der Oberfläche 26 der Düse 24 des Anodenkörpers 12.

Bei dem vorstehend beschriebenen üblichen Lichtbogen- Strahl-Schuberzeuger 10 mit eingeengter Lichtbogen geometrie ist der elektrische Lichtbogen 32 durch die parallele Elelektrodengeometrie der zylindrischen Oberfläche 22 der Verengung und durch die dynamischen Kräfte der radialen Gasströmung des induzierten Wirbels "eingeengt" bzw. "eingeschnürt", der durch tangentiale Zuführung bzw. Einspritzung des Treib mittels von dem stromaufseitigen Ende des Anoden körpers 12 entlang des Kathodenstabes 14 sowie an diesem vorbei erzeugt wird. Das Treibmittelgas wird in dem Bereich der Verengung 20 und in dem Bereich der Lichtbogenausbreitung an dem Mund 36 der Düse 24 stromab des Ausgangs aus der Verengung aufgeheizt. Dieses überhitzte Gas wird dann aus der Düse 24 ausgestoßen, um Schub zu erzeugen. Der elektrische Kreis des Lichtbogen-Strahl-Schuberzeugers 10 ist zwischen dem Kathodenstab 14 und dem Anodenkörper 12 vollständig, wobei Lichtbogenanhaftung in dem Bereich des Düsenmundes 36 auftritt. Die Lage der Lichtbogen anhaftung in dem Anodenkörper 12 wird durch die Massenflußrate, die den Lichtbogenausbreitungsbereich die Düse 24 abwärts "drückt", und durch das Vorhanden sein eines elektrisch leitenden Bereichs, d. h. des Anodenkörpers, für die Lichtbogenanhaftung bestimmt.

Häufig ist der Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger 10 des Standes der Technik jedoch nicht in der Lage, seine konstruktionsmäßigen Standardanforderungen im Betrieb zu erfüllen. Typischerweise treten eine unter dem Optimum liegende Leistungsfähigkeit und eine ver minderte Betriebslebensdauer auf, die zum Teil einer Hauptursache zugeschrieben werden, nämlich der Erosion der Anode und der Kathode. Erosion tritt auf, während des anfänglichen Anlauf-Übergangsbetriebs sowie auch während des Dauerbetriebs. Die im folgenden beschriebenen Merkmale der vorliegenden Erfindung be ziehen sich in direkter Weise auf Modifikationen, die die Erosion an der Anode und der Kathode reduzieren und dadurch die Betriebslebensdauer des Lichtbogen- Strahl-Schuberzeugers beträchtlich steigern.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 ist ein Lichtbogen- Strahl-Schuberzeuger mit verbesserter Lebensdauer ge zeigt, der allgemein mit dem Bezugszeichen 38 be zeichnet ist und die Merkmale der vorliegenden Er findung beinhaltet. Als grundlegende Komponenten be inhaltet der Schuberzeuger 38 mit verbesserter Lebens dauer einen elektrisch leitenden, ringförmig ausge bildeten Anodenkörper 40, einen elektrisch leitenden, zylindrischen Kathodenstab 42 mit einer Endspitze 44, eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Potentials an den Anodenkörper 40 und den Kathoden stab 42 (wobei diese Einrichtung in Fig. 2 nicht gezeigt ist, da sie mit der Leistungssteuerung 30 der Fig. 1 im wesentlichen identisch ist), sowie eine Einrichtung 46 zum Zuführen eines strömenden Treibmittelgases.

Das erste Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ge richtet auf eine Reduzierung der Anodenerosion durch entsprechende Formgebung des Anodenkörpers 40. Im spezielleren besitzt der Anodenkörper 40 in entgegen gesetzte Richtungen abgeschrägte, stromaufseitige und stromabseitige, kontinuierliche konische Innen flächen 48, 50. Die stromabseitige konische Innen fläche 50 definiert eine Düse 52, die einen durch eine scharfe ringförmige Kante 54 gebildeten, strom aufseitigen Engstellenbereich sowie einen in bezug auf diesen tandemartig angeordneten und sich von diesem wegerstreckenden, stromabseitigen Expansions bereich 56 aufweist. Der Engstellenbereich 54 und der Expansionsbereich 56 der Düse 52 definieren zusammen eine Lichtbogenkammer, die eine allgemein nicht parallele Ultraschallkonfiguration aufweist, und zwar aufgrund der Tatsache, daß sich der Schallpunkt des Schuberzeugers 38 an dem Übergang zwischen der stromaufseitigen konischen Innenfläche 48 und der stromabseitigen konischen Innenfläche 50 befindet, wobei sich bei diesem Übergang um die Stelle mit dem kleinsten Durchmesser handelt, die den Engstellen bereich 54 der Düse 52 definiert.

Wenn das elektrische Potential an den Anodenkörper 40 und den Kathodenstab 42 angelegt wird, wird in der Lichtbogenkammer ein elektrischer Lichtbogen 57 er zeugt, der sich von der Kathodenstabspitze 44 bis zu dem Anodenkörper 40 erstreckt und der aufgrund der Lage des Düsen-Engstellenbereichs 54 und der Ultraschallkonfiguration der Düse 52 an dem Anoden körper 40 an einer Stelle anhaftet, die stromab von dem Düsen-Engstellenbereich 54 gelegen ist. Es ist zu erkennen, daß bei der Formgebung des Anodenkörpers 40 zur Reduzierung der Erosion an dieser die bei dem Schuberzeuger 10 des Standes der Technik verwendete Verengung bei dem erfindungs gemäßen Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger 38 mit ver besserter Lebensdauer im wesentlichen eliminiert ist.

Das neuartige Merkmal der neuen Anodenkörpergestalt, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, ist die Lage des Schallpunkts in Relation zu der Stelle, wo sich die schärfste Kante stromab von der Kathodenspitze 44 befindet. Dadurch, daß man den Schallpunkt zu einer Lage an der Anodenengstellenkante 54 zwingt, wird ein hoher gasdynamischer Lichtbogenwiderstand herstellt, durch den diese Kante gegen eine Lichtbogen anhaftung abgeschirmt ist. Von der Anmelderin ausge führte Tests haben gezeigt, daß bei einem Freiliegen dieser Kante zwischen dem Schallpunkt und der Kathode eine zerstörende Lichtbogenanhaftung an der Kante wahrscheinlich war. Dabei treten üblicherweise große Mengen von Materialverlust auf. Die in Fig. 2 darge stellte Anodenform zwingt den Lichtbogen 57 zu einem Anhaften jenseits des Engstellenbereichs bzw. der scharfen Kante 54, und zwar in dem Expansionsbereich 56 der Anodenkörperdüse 52, wie dies durch die gestrichelte Umrißlinie des Lichtbogens dargestellt ist. Eine Anhaftung in diesem Unterdruckbereich ist diffus und nicht erosiv. Diese Eigenschaft der in Fig. 2 gezeigten Anodenform hat sich durch Tests bestätigt.

Das zweite Merkmal der vorliegenden Erfindung befaßt sich mit der Formgebung der Kathodenstabspitze zur Reduzierung der Kathodenerosion. Die Endspitze 44 des Kathodenstabes 42 ist der stromaufseitigen konischen Innenfläche 48 des Anodenkörpers 40 axial benachbart angeordnet und durch einen Spalt 58 stromaufwärts von dem Engstellenbereich 54 der Düse axial beabstandet. Genauer gesagt, besitzt die Endspitze 44 des Kathoden stabes 42 in der in den Fig. 2 und 4 gezeigten Weise einen vertieften Bereich, der allgemein mit dem Bezugszeichen 60 bezeichnet ist und innerhalb dessen die Dauerbetriebs-Anhaftung des elektrischen Lichtbogens 57 stattfindet, um die Erosion der Kathoden spitze 44 zu reduzieren. Im spezielleren ist der vertiefte Bereich 60 in der Spitze 44 des Kathoden stabes 42 in Form einer zentralen konkaven Eindrückung bzw. Vertiefung ausgebildet.

Die Neuartigkeit der Formgebung des Kathodenstabs 42 liegt in der Vorkonditionierung oder Vorbearbeitung ihrer Spitze 44 vor der Montage in dem Schuberzeuger 38. Durch Vorkonditionieren der Kathode werden die Erosionserscheingungen, die bei einer neuen Kathode auftreten, während des tatsächlichen Betriebs eliminiert. Die anfängliche Erosion, die bei Fehlen einer Vorkonditionierung stattfindet, erfolgt mit einer viel höheren Rate als eine derartige Erosion, die nach dem Konditionieren oder Bearbeiten der Kathode stattfindet. Dieses Resultat hat sich bei Versuchen der Anmelderin herausgestellt. Das Bear beiten der Kathode beinhaltet, daß man die Kathode in die vorstehend erläuterte Form bringt, die der jenigen Form ähnlich ist, die durch Erosion ohne Vor konditionieren verursacht wird.

Die in Fig. 4 dargestellte Form bietet einen optimalen Widerstand gegen Konvektionsmassenverlust, Verdampfungs massenverlust sowie Massenverlust durch Sputtern. Diese Kathodengeometrie hat sich als wirksam erwiesen, um Massenverluste auf ein Minimum zu reduzieren. Während des Betriebs des Lichtbogenstrahls erfolgt die Lichtbogenanhaftung in dem vertieften Bereich 60 der Kathodenspitze 44. Dadurch wird der eine hohe Temperatur aufweisende, geschmolzene Bereich der Kathode gegen Konvektionsmassenverlust abgeschirmt. Der vertiefte Bereich wird durch die Rückstrahlung zu einem Hochtemperatur-Hohlraum. Als Ergebnis hiervon tritt eine verstärkte Thermionenemission auf. Somit wird für einen bestimmten Stromwert die zur Zufuhr von Elektronen erforderliche Fläche reduziert. Der zeit ist man der Auffassung, daß diese Flächenreduzierung in Verbindung mit einer erhöhten Ionenrekombinations rate zu einer Reduzierung der Massenverlustrate durch Verdampfen und Sputtern führt.

Das dritte Merkmal der vorliegenden Erfindung be zieht sich auf die Einspritzung bzw. Zufuhr des Treib mittelgases direkt in die Lichtbogenkammer an den Bereichen der Kathodenspitze 44 und der Düsenengstelle 54. Die in Fig. 2 gezeigte und in den Fig. 3 und 5 detaillierter dargestellte Treibmittelgas-Zuführ einrichtung 46 führt strömendes Treibmittelgas gleich zeitig mit der Erzeugung des elektrischen Lichtbogens 57 durch den Düsenengstellenbereich 54 direkt in die Lichtbogenkammer ein, um eine thermische Erwärmung des strömenden Gases in der Lichtbogenkammer sowie eine Ausdehnung desselben durch den Düsenausdehnungs bereich 56 zu erzeugen. Die Zuführeinrichtung 46 ist derart angeordnet, daß das Gas direkt in die Lichtbogenkammer eingeleitet wird, ohne sich zuerst über die Länge des Kathodenstabes 42 zu bewegen, wie dies bei dem Schuberzeuger 10 des Standes der Technik der Fall war.

Genauer gesagt handelt es sich bei der Zuführein richtung 46 zum Zuführen von strömenden Treibmittel gas um einen ringförmig ausgebildeten Einspritz körper bzw. Injektorkörper 62, der in Berührung mit einem stromaufseitigen Ende des Anodenkörpers 40 angeordnet ist und eine zentrale Bohrung 64 auf weist. Die Bohrung 64 kommuniziert mit dem Engstellen bereich 54 der Düse 52 und nimmt darin den Kathoden stab 42 auf, der sich im Abstand zu der die Bohrung 64 definierenden inneren zylindrischen Oberfläche 66 des Injektorkörpers 62 erstreckt. Außerdem ist eine elektrisch isolierende Hülse 68 in der zentralen Bohrung 64 des Injektorkörpers 62 zwischen dem Kathoden stab 42 und der inneren Oberfläche 66 des Injektor körpers angeordnet. Die Hülse 68 erstreckt sich über die Länge der Kathodenstange 42, endet jedoch kurz vor deren Spitze 44.

Wie in den Fig. 2, 3 und 5 zu sehen ist, besitzt der Injektorkörper 62 eine konische Oberfläche 70 an seinem stromabseitigen Ende, die der stromauf seitigen konischen Oberfläche 48 des Anodenkörpers 40 entsprechend ausgebildet ist und in bündigem Kontakt mit dieser steht. Der Injektorkörper 62 besitzt eine Reihe von Nuten 72, die im Querschnitt halbzylindrisch sind und in dessen stromabseitiger Oberfläche 70 ausgebildet sind. Die Nuten 72 er strecken sich radial und tangential zu dem Engstellen bereich 54 der Düse 52, so daß sie zusammen mit der stromaufseitigen Oberfläche 48 des Anodenkörpers eine Reihe von Passagen 74 definieren, die sich eben falls radial und tangential zu dem Düsenengstellen bereich 54 erstrecken. Das strömende Treibmittel gas wird in einer Wirbelströmung in Richtung der Pfeile 76 zu dem Engstellenbereich 54 sowie direkt in die innerhalb der Anodenkörperdüse 52 befindliche Lichtbogenkammer eingeleitet. Bei der Zufuhr des Treibmittelgases durch die Reihe von Passagen 74 strömt das Gas in Berührung mit dem Anodenkörper 40, um dadurch eine Konvektionskühlung desselben zu schaffen.

Die direkt in die Lichtbogenkammer eingeleitete Wirbelströmung führt dazu, daß der Radialdruckgradient auf ein Maximum gesteigert ist. Der Druckgradient veranlaßt den Lichtbogen 57, sich entlang dem Zentrum der Düse 52 an dem Engstellenbereich 54 vorbei strom abwärts zu bewegen. Tests haben gezeigt, daß dann, wenn der Lichtbogen stromauf des Engstellenbereichs ver bleiben sollte, ein Verlust von Anodenmaterial auf tritt.

Ein weiterer neuartiger Aspekt dieser Treibmittelein spritztechnik gemäß der vorliegenden Erfindung besteht in dem speziellen Weg, über den sich das Treibmittel gas bei dem Übergang zu der Lichtbogenkammer bewegt. Von dem Zeitpunkt des Treibmittelgaseintritts in den Injektorkörper 62 bis zu dem Zeitpunkt des Austritts des Treibmittelgases aus dem Lichtbogen-Strahl- Schuberzeuger 38 befindet sich das Treibmittelgas in konstanter Berührung mit dem Anodenkörper 40. Auf diese Weise wird eine Konvektionskühlung geschaffen. Die resultierende niedrigere Anodentemperatur führt wiederum zu einer Reduzierung der Anodenerosions rate.

Aus der vorstehenden Beschreibung sollte nun erkennbar sein, wie alle vorstehend erläuterten Merkmale der vorliegenden Erfindung zum Reduzieren der Anoden und Kathodenerosion arbeiten und zu einer längeren Lebensdauer des Schuberzeugers beitragen.

Claims

1. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger (38), gekennzeichnet durch:

a) einen elektrisch leitenden Anodenkörper (40) mit in entgegengesetzten Richtungen abgeschrägten, stromaufseitigen und stromabseitigen konischen Innenflächen (48, 50) um eine gemeinsame Achse (A), wobei die stromabseitige konische Innen fläche (50) eine Düse (52) mit einem stromauf seitigen Engstellenbereich (54) und einem strom abseitigen Expansionsbereich (56) definiert, die tandemartig angeordnet sind und zusammen eine Lichtbogenkammer mit im wesentlichen nicht paralleler Ultraschallkonfiguration definieren, wobei die stromaufseitigen und die stromab seitigen konischen Innenflächen an einer Stelle mit minimalem Durchmesser ineinander übergehen, die die stromaufseitige Engstelle der Düse (52) definiert;
b) ein längliches elektrisch leitendes Kathoden element (42) mit einer Spitze (54), die nahe bei der stromaufseitigen konischen Innenfläche (48) des Anodenkörpers (40) angeordnet ist und durch einen Spalt (58) stromaufwärts von dem Düsen engstellenbereich (54) beabstandet ist;
c) eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Potentials an den Anodenkörper (40) und das Kathodenelement (42) zur Erzeugung eines elektrischen Lichtbogens (57) in der Lichtbogen kammer, der sich von der Spitze (44) des Kathoden elements (42) zu dem Anodenkörper (40) erstreckt und der aufgrund der Lage des Düsenengstellen bereichs und der Ultraschallkonfiguration der Düse an einer derartigen Stelle an dem Anoden körper anhaftet, die stromabwärts von dem Düsenengstellenbereich gelegen ist; und durch
d) eine Einrichtung (46) zum Zuführen eines strömenden Treibmittelgases radial und tangential in die Lichtbogenkammer durch den Düsenengstellen bereich (54) in etwa mit Schallgeschwindigkeit und gleichzeitig mit der Erzeugung des Licht bogens (57), so daß der Lichtbogen dazu veranlaßt wird, an einer Stelle stromab von dem Düseneng stellenbereich an dem Anodenkörper (40) anzu haften, sowie eine thermische Erwärmung des strömenden Gases in der Lichtbogenkammer und ein Ausdehnen desselben durch den Düsenexpansions bereich (56) hervorgerufen werden.

2. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (44) des Kathodenelements (42) einen vertieften Bereich (60) aufweist, innerhalb dessen die Anhaftung des Lichtbogens im Dauerbetrieb zur Ver minderung der Erosion der Kathodenspitze stattfindet.

3. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Spitze (44) des Kathodenelements (42) eine zentrale konkave Vertiefung (60) ausgebildet ist, innerhalb der die Anhaftung des Lichtbogens im Dauerbetrieb zur Verminderung der Erosion der Kathoden spitze stattfindet.

4. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (46) zum Zuführen strömenden Treib mittelgases das Gas durch den Düsenengstellenbereich direkt in die Lichtbogenkammer einleitet, ohne daß das strömende Gas zuerst die Länge des Kathodenelements (42) entlanggeleitet wird.

5. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach einem der Anspruche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Einrichung (46) zum Zuführen strömenden Treibmittelgases um einen Injektorkörper (62) handelt, der in Berührung mit einem stromauf seitigen Ende des Anodenkörpers (40) angeordnet ist und eine zentrale Bohrung (64) aufweist, die mit dem Engstellenbereich (54) der Düse (52) kommuniziert und innerhalb derer sich das Kathodenelement (42) mit Abstand von dem Injektorkörper (62) erstreckt.

6. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach einem der Anspruche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch isolierende Hülse (68) in der zentralen Bohrung (64) des Injektorkörpers (62) zwischen dem Kathodenelement (42) und dem Injektor körper (62) angeordnet ist und sich über die Länge des Kathodenelements (62) erstreckt, jedoch kurz vor dessen Spitze (44) endet.

7. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Einrichtung (46) zum Zuführen strömenden Treibmittelgases um einen Injektorkörper (62) handelt, der stromaufseitig von dem Anoden körper (40) angeordnet ist und eine Reihe von Passagen (74) definiert, die sich radial und tangential zu dem Engstellenbereich (54) der Düse (52) erstrecken und durch die das Treibmittelgas in den Engstellen bereich eingeleitet wird.

8. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektorkörper (62) an seinem stromabseitigen Ende eine konische Oberfläche (70) aufweist, die der stromaufseitigen konischen Oberfläche (48) des Anoden körpers (40) entsprechend ausgebildet ist.

9. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Einrichtung (46) zum Zuführen strömenden Treibmittelgases um einen Injektorkörper (62) handelt, der in Berührung mit der stromauf seitigen Innenfläche des Anodenkörpers (40) ange ordnet ist, und daß der Injektorkörper (62) eine Reihe darin ausgebildeter Nuten (72) aufweist, die zusammen mit dem Anodenkörper (40) eine Reihe von Passagen (74) definieren, die sich radial und tangential zu dem Engstellenbereich (54) der Düse (52) erstrecken und durch die das Treibmittelgas in einer Wirbelströmung bei dem Engstellenbereich direkt in die Lichtbogenkammer eingeleitet wird.

10. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Zufuhr des Treibmittelgases durch die Reihe von Passagen (74) das Gas in Berührung mit dem Anodenkörper (40) strömt und dadurch eine Konvektions kühlung desselben schafft.

11. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger, gekennzeichnet durch

a) einen elektrisch leitenden Anodenkörper (40) mit einem stromaufseitigen Endbereich und einem stromabseitigen Bereich, wobei der Anodenkörper (40) eine Düse (52) bildet, die einen stromauf seitigen Engstellenbereich (54) und einen strom abseitigen Expansionsbereich (56) aufweist, die tandemartig angeordnet sind und zusammen eine Lichtbogenkammer definieren, wobei es sich bei dem Engstellenbereich (44) um eine Stelle mit dem minimalen Durchmesser handelt;
b) ein längliches elektrisch leitendes Kathoden element (42) mit einer Spitze (44), die nahe bei dem Engstellenbereich (54) der Düse (52) angeordnet ist und von dieser durch einen Spalt (58) strom aufseitig beabstandet ist;
c) eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Potentials an den Anodenkörper (40) und das Kathodenelement (42) zur Erzeugung eines elektrischen Lichtbogens (57) in der Lichtbogen kammer, der sich von der Spitze (44) des Kathoden elements (42) zu dem Anodenkörper (40) erstreckt und der im Dauerbetrieb an einer derartigen Stelle an den Anodenkörper (40) anhaftet, die stromab von dem Düsenengstellenbereich gelegen ist;
d) einen an der Spitze (44) des Kathodenelements (42) ausgebildeten vertieften Bereich (60), innerhalb dessen die Anhaftung des Lichtbogens im Dauer betrieb zur Reduzierung der Erosion der Kathoden spitze stattfindet; und durch
e) eine Einrichtung (46) zum Zuführen eines strömenden Treibmittelgases radial und tangential in sowie durch den Düsenengstellenbereich (54) in etwa mit Schallgeschwindigkeit und gleichzeitig mit der Erzeugung des Lichtbogens, so daß eine thermische Erwärmung des strömenden Gases in der Lichtbogen kammer sowie ein Ausdehnen desselben durch den Düsenexpansionsbereich (56) hervorgerufen wird, wobei das Gas stromaufseitig von dem Engstellen bereich (54) eine Unterschallgeschwindigkeit besitzt und in wenigstens einem Teil des Expansions bereichs (56) eine Überschallgeschwindigkeit besitzt.

12. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der vertiefte Bereich (60) des Kathodenelements (42) in Form einer zentralen konkaven Vertiefung aus gebildet ist.

13. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (46) zum Zuführen strömenden Treibmittelgases einen Injektorkörper (62) beinhaltet, der in Berührung mit einem stromaufseitigen Ende des Anodenkörpers (40) angeordnet ist und eine zentrale Bohrung (64) aufweist, die mit dem Engstellenbereich (54) der Düse (52) kommuniziert und innerhalb derer sich das Kathodenelement (42) mit Abstand von dem Injektorkörper (62) erstreckt.

14. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch isolierende Hülse (68) in der zentralen Bohrung (64) des Injektorkörpers (62) zwischen dem Kathodenelement (42) und dem Injektor körper (62) angeordnet ist und sich über die Länge des Kathodenelements (42) erstreckt, jedoch kurz vor dessen Spitze (44) endet.

15. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Einrichtung (46) zum Zuführen strömenden Treibmittelgases um einen Injektorkörper (62) handelt, der stromaufseitig von dem Anoden körper (40) angeordnet ist und eine Reihe von Passagen (74) definiert, die sich radial und tangential zu dem Engstellenbereich (54) der Düse (52) erstrecken und durch die das Treibmittelgas in den Engstellen bereich (54) eingeleitet wird.

16. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektorkörper (62) an seinem stromabseitigen Ende eine konische Oberfläche (70) aufweist, die einer an einem stromaufseitigen Ende des Anodenkörpers (40) definierten konischen Oberfläche (48) entsprechend ausgebildet ist.

17. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Einrichtung (46) zum Zuführen strömenden Treibmittelgases um einen Injektorkörper (62) handeit, der in Berührung mit dem stromaufseitigen Bereich des Anodenkörpers (40) angeordnet ist und eine Reihe darin ausgebildeter Nuten (72) aufweist, die zusammen mit dem Anodenkörper (40) eine Reihe von Passagen (74) definieren, die sich radial und tangential zu dem Engstellenbereich (54) der Düse (52) erstrecken und durch die das Treibmittelgas in einer Wirbelströmung bei dem Engstellenbereich (54) direkt in die Licht bogenkammer eingeleitet wird.

18. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Zufuhr des Treibmittelgases durch die Reihe von Passagen (74) das Gas in Berührung mit dem Anodenkörper (40) strömt und dadurch eine Konvektions kühlung desselben schafft.

19. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger, gekennzeichnet durch:

a) einen elektrisch leitenden Anodenkörper (40) mit einer Düse (52), die einen stromaufseitigen Eng stellenbereich (54) und einen stromabseitigen Expansionsbereich (56) aufweist, die tandemartig angeordnet sind und eine Lichtbogenkammer definieren, wobei es sich bei dem stromaufseitigen Engstellenbereich (54) um eine Stelle mit dem minimalen Durchmesser handelt;
b) ein längliches elektrisch leitfähiges Kathoden element (42) mit einer Spitze (44), die nahe bei dem Engstellenbereich (54) der Düse (52) ange ordnet ist und von dem Engstellenbereich (54) durch einen Spalt (58) stromaufwärts beabstandet ist;
c) eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Potentials an den Anodenkörper (40) und das Kathodenelement (42) zur Erzeugung eines elektrischen Lichtbogens (57) in der Lichtbogen kammer, der sich von der Spitze (44) des Kathoden elements (42) zu dem Anodenkörper (40) erstreckt und der im Dauerbetrieb an dem Anodenkörper (40) an einer derartigen Stelle anhaftet, die strom abwärts von dem Düsenengstellenbereich gelegen ist; und durch
d) eine Einrichtung zum Zuführen eines strömenden Treibmittelgases direkt in die Lichtbogenkammer, und zwar radial und tangential in den Düseneng stellenbereich hinein und durch diesen hindurch in etwa mit Schallgeschwindigkeit und gleich zeitig mit der Erzeugung des Lichtbogens, ohne daß das strömende Gas zuerst die Länge des Kathodenelements (42) entlanggeleitet wird, so daß dadurch eine thermische Erwärmung des strömenden Gases in der Lichtbogenkammer sowie eine Ausdehnung desselben durch den Düsenausdehnungs bereich (56) hervorgerufen wird.

20. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (44) des Kathodenelements (42) einen vertieften Bereich (60) aufweist, innerhalb dessen die Anhaftung des Lichtbogens im Dauerbetrieb zur Reduzierung der Erosion der Kathodenspitze stattfindet.

21. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (44) des Kathodenelements (42) eine darin ausgebildete zentrale konkave Vertiefung (60) aufweist, innerhalb derer die Anhaftung des Lichtbogens im Dauerbetrieb zur Reduzierung der Erosion der Kathodenspitze (44) erfolgt.

22. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Einrichtung (46) zum Zuführen strömenden Treibmittelgases um einen Injektorkörper (62) handelt, der in Berührung mit einem stromauf seitigen Ende des Anodenkörpers (40) angeordnet ist und eine zentrale Bohrung (64) aufweist, die mit dem Engstellenbereich (54) der Düse (52) kommuniziert und innerhalb derer sich das Kathodenelement (42) mit Abstand von dem Injektorkörper (62) erstreckt.

23. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch isolierende Hülse (68) in der zentralen Bohrung (64) des Injektorkörpers (62) zwischen dem Kathodenelement (42) und dem Injektor körper (62) angeordnet ist und sich über die Länge des Kathodenelements (42) erstreckt, jedoch kurz vor dessen Spitze (44) endet.

24. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Einrichtung (46) zum Zuführen strömenden Treibmittelgases um einen Injektorkörper (62) handelt, der stromaufseitig von dem Anodenkörper (40) angeordnet ist und eine Reihe von Passagen (74) definiert, die sich radial und tangential zu dem Engstellenbereich (54) der Düse (52) erstrecken und durch die das Treibmittelgas in den Engstellenbereich (54) eingeleitet wird.

25. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektorkörper (62) an seinem stromabseitigen Ende eine konische Oberfläche (70) aufweist, die einer konischen Oberfläche (48) an einem stromauf seitigen Ende des Anodenkörpers (40) entsprechend ausgebildet ist.

26. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Einrichtung (46) zum Zuführen strömenden Treibmittelgases um einen Injektorkörper (62) handelt, der in Berührung mit einem stromaufseitigen Ende des Anodenkörpers (40) angeordnet ist und der eine Reihe darin ausgebildeter Nuten (72) aufweist, die zusammen mit dem Anodenkörper (40) eine Reihe von Passagen (74) definieren, die sich radial und tangential zu dem Engstellenbereich (54) der Düse (52) erstrecken und durch die das Treibmittelgas in einer Wirbelströmung in den Engestellenbereich (54) und direkt in die Licht bogenkammer eingeleitet wird.

27. Lichtbogen-Strahl-Schuberzeuger nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Zufuhr des Treibmittelgases durch die Reihe von Passagen (74) das Gas in Berührung mit dem Anodenkörper (40) strömt und dadurch eine Konvektions kühlung desselben schafft.