DE102006018770B4 - Gas generator for oxidative combustion - Google Patents
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Abstract
Gasgenerator für eine oxidatorreiche Verbrennung unter hohem Druck, mit einer Reaktionskammer, die eine Wandung mit einer Oberfläche (2) aus einem oxidierbaren Metall aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall der Wandung eine Nickel- oder Cobaltbasislegierung oder ein Chrom- oder Chrom-Nickel-Stahl ist, und dass auf der Oberfläche (2) der Wandung eine das Metall (1) gegen Zündung und Brand schützende Schicht (3) vorgesehen ist, die aus einem Oxid des Metalls der Oberfläche (2) gebildet ist.Gas generator for oxidative combustion under high pressure, comprising a reaction chamber having a wall with a surface (2) made of an oxidizable metal, characterized in that the metal of the wall is a nickel- or cobalt-based alloy or a chromium or chromium-nickel Is steel, and that on the surface (2) of the wall, a metal (1) against ignition and fire protective layer (3) is provided, which is formed of an oxide of the metal of the surface (2).
Description
Die Erfindung betrifft einen Gasgenerator für eine oxidatorreiche Verbrennung unter hohem Druck, mit einer Reaktionskammer, die eine Wandung mit einer Oberfläche aus einem oxidierbaren Metall aufweist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a gas generator for oxidator-rich combustion under high pressure, with a reaction chamber containing a wall a surface of an oxidizable metal, according to the preamble of Claim 1.
In technischen Anwendungen mit sehr hohen Sauerstoffgasdrücken (> 70 bar bei Raumteperatur) die im direkten Kontakt mit Metallen stehen, kann es mit oder ohne Einfluss eines Zünders zur Zündung oder zum Brand des Konstruktionswerkstoffs kommen. Besonders kritische Situationen entstehen, wenn die Sauerstoffatmosphäre außerdem erhöhte Temperatur und Strömungsgeschwindigkeiten annimmt. Solche Bedingungen werden z. B. in Gasgeneratoren oxidatorreicher Hauptstromtriebwerke erreicht. Da der Sauerstoffschwellendruck eine intrinsische Materialeigenschaft darstellt, werden herkömmlich Materialien mit einer gegen Zündung und Brand schützenden Schicht überzogen. Das Verhalten von metallischen Werkstoffen in einer unter hohem Druck stehenden sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei hoher Temperatur und Testverfahren dazu sind beispielsweise beschrieben in ASTM G 94-92, „Standard Guide for Evaluating Metals for Oxigen Service” bzw. in ASTM G 124-95 „Standard Test Method for Determining the Combustion Behavior of Metallic Materials in Oxygen-Enriched Atmospheres”, herausgegeben von ASTM international, West Conshohocken, PA, USA.In technical applications with very high oxygen gas pressures (> 70 bar at room temperature) which are in direct contact with metals, it can be with or without Influence of a detonator to the ignition or come to the fire of the construction material. Especially critical Situations arise when the oxygen atmosphere is also elevated in temperature and flow rates accepts. Such conditions are z. B. in gas generators oxidatorreicher Mainstream engines achieved. Since the oxygen threshold pressure a intrinsic material property becomes conventional materials with one against ignition and fire protective Coated layer. The Behavior of metallic materials in a high pressure standing oxygen-containing atmosphere at high temperature and Test methods for this purpose are described, for example, in ASTM G 94-92, "Standard Guide for Evaluating Metals for Oxigen Service "or in ASTM G 124-95" Standard Test Method for Determining the Combustion Behavior of Metallic Materials in Oxygen-Enriched Atmospheres ", published by ASTM International, West Conshohocken, PA, USA.
Aus
der
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gasgenerator für eine oxidatorreiche Verbrennung unter hohem Druck zu schaffen, welcher gegen Zündung und Brand unempfindlich ist und eine hohe Festigkeit aufweist.The The object of the invention is to provide a gas generator for a oxidatorreiche Combustion under high pressure, which against ignition and Fire is insensitive and has a high strength.
Diese Aufgabe wird durch einen Gasgenerator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.These The object is achieved by a gas generator having the features of the claim 1 solved. Advantageous embodiments and further developments are specified in the subclaims.
Durch die Erfindung wird ein Gasgenerator für eine oxidatorreiche Verbrennung unter hohem Druck, mit einer Reaktionskammer, die eine Wandung mit einer Oberfläche aus einem oxidierbaren Metall aufweist, geschaffen. Erfindungsgemäß ist das Metall der Wandung eine Nickel- oder Cobaltbasislegierung oder ein Chrom- oder Chrom-Nickel-Stahl, und auf der Oberfläche der Wandung ist eine das Metall gegen Zündung und Brand schützende Schicht vorgesehen, die aus einem Oxid des Metalls der Oberfläche gebildet ist.The invention provides a gas generator for oxidator-rich combustion under high pressure, with a reaction chamber containing a Wan With a surface made of an oxidizable metal, created. According to the invention, the metal of the wall is a nickel- or cobalt-based alloy or a chromium or chromium-nickel steel, and on the surface of the wall there is provided a metal that protects against ignition and fire, which is formed from an oxide of the metal of the surface ,
Zweckmäßigerweise ist die Oxidschicht durch gezielte Oxidation des Metalls in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei vorgegebener Temperatur, vorgegebenem Druck und über eine vorgegebene Zeitdauer gebildet.Conveniently, is the oxide layer by targeted oxidation of the metal in one oxygen-containing atmosphere at a given temperature, pressure and over a formed predetermined period.
Die Oxidschicht kann insbesondere durch gezielte Oxidation des Metalls in einer reinen Sauerstoffatmosphäre gebildet sein.The Oxide layer can in particular by targeted oxidation of the metal be formed in a pure oxygen atmosphere.
Vorzugsweise weist die Nickel- oder Cobaltbasislegierung einen Aluminiumgehalt von weniger als 5 Gew.-% in Kombination mit Chrom auf.Preferably For example, the nickel or cobalt base alloy has an aluminum content of less than 5 wt .-% in combination with chromium.
Besonders bevorzugt ist das Metall eine der Legierungen Inconel 600, Inconel 617, Haynes 25 oder Haynes 188 bzw. eine Legierung mit ähnlicher Zusammensetzung wie Inconel 600, Inconel 617, Haynes 25 oder Haynes 188.Especially Preferably, the metal is one of the alloys Inconel 600, Inconel 617, Haynes 25 or Haynes 188 or an alloy of similar composition like Inconel 600, Inconel 617, Haynes 25 or Haynes 188.
Vorzugsweise weist der Chrom- oder Chrom-Nickel-Stahl einen Aluminiumgehalt von weniger als 5 Gew.-% auf.Preferably the chromium or chromium-nickel steel has an aluminum content of less than 5% by weight.
Vorteilhafterweise beträgt die Dicke der Oxidschicht 1 bis 10 μm.advantageously, is the thickness of the oxide layer 1 to 10 microns.
Im
folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnung gemäß
Es zeigt:It shows:
In
Zur
Passivierung eines metallischen Konstruktionswerkstoffs wird gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung eine Voroxidation unter reiner Sauerstoffatmosphäre bei Atmosphärendruck
und einer für
das Material
Wie
Die
Oxidschicht
Da die Voroxidation (Reaktionskinetik) nach einer Arrheniusform exponentiell von der Temperatur abhängig ist und diese außerdem einen vom Material abhängigen Faktor (Zunderkonstante k) beinhaltet, sind Temperatur und Reaktionszeit Parameter, die sich nach dem gewünschten Resultat der Reaktion richten, d. h. die gewünschte Dicke der gegen Zündung und Brand passivierenden Oxidschicht. Die technische Durchführung kann in einem einfachen geschlossenen Volumen mit Heizvorrichtung (600–1000°C) und Sauerstoffzufuhr (Durchfluss, 0–1 atm) erfolgen. Das Verfahren hat als Resultat eine einfache und kostengünstige Lösung zum Erhöhen des Sauerstoffschwellendruckes.There the pre-oxidation (reaction kinetics) exponential to an Arrhenius form depending on the temperature is and this as well one dependent on the material Factor (scale constant k) includes temperature and reaction time Parameters that vary according to the desired Judge the result of the reaction, i. H. the desired thickness of the ignition and Brand passivating oxide film. The technical implementation can in a simple closed volume with heating device (600-1000 ° C) and oxygen supply (Flow, 0-1 atm) respectively. The process has as a result a simple and inexpensive solution to Increase the Oxygen threshold pressure.
Werkstoffe können Nickel- oder Cobaltbasislegierungen mit einem geringeren Gehalt an Aluminium als 5 Gew.-% in Kombination mit Cr beinhalten, da ansonsten eine innere Oxidation durch das Zusammenspiel von Cr und Al geschieht, was die mechanischen Eigenschaften des Bauteils senkt. Beispiele sind Ni-Legierungen wie Inconel 600, Inconel 617 oder Co-Legierungen wie Haynes 25 oder Haynes 188. Letzte sind besonders interessant, da sie zusammen mit dem hier beschriebenen Verfahren für oxidatorreiche Antriebskonzepte verwendet werden können.materials can Nickel or cobalt base alloys with a lower content aluminum as 5 wt% in combination with Cr, otherwise an internal oxidation occurs through the interaction of Cr and Al, which lowers the mechanical properties of the component. Examples are Ni alloys such as Inconel 600, Inconel 617 or Co alloys like Haynes 25 or Haynes 188. Last ones are particularly interesting, since they are oxidator-rich along with the process described here Drive concepts can be used.
Auch Stähle sind inbegriffen. Es lassen sich alle Legierungen, die eine fest haftende Oxidschicht bilden (Cr- und Cr-Ni-Stähle, Co- und Ni-Legierungen mit < 5 Gew.-% Al) einer solchen Behandlung unterziehen. Für Stähle ist dies besonders interessant, weil soie eine sehr hohe Neigung zum Zünden bzw. zum Brennen (niedriger Sauerstoffschwellendruck) haben.Also steels are included. It can be all alloys, a fixed form adherent oxide layer (Cr and Cr-Ni steels, Co and Ni alloys with <5 wt .-% Al) one undergo such treatment. This is especially interesting for steels because Soie a very high tendency to ignite or burning (lower Oxygen threshold pressure).
Beispiel:Example:
Voroxidation von Haynes 188. Diese Legierung hat einen Sauerstoffschwellendruck von 345 bar nach ASTM G-124, was für sicheren Betrieb eines oxidatorreichen Antriebskonzepts nicht aus reicht (ca. 500 bar sind nötig). Eine Voroxidation über 5 h bei 750°C führt zu einer passivierenden Deckschicht die nach VDI/DIN Norm 3198 eine Haftfestigkeit der Klasse HF I (sehr gut) hat. Die Dicke der Schicht beträgt in diesem Fall etwa 2 μm. Sie kann aber nahezu beliebig über die Temperatur und die Zeit bei 1 atm Sauerstoffatmosphäre eingestellt werden. Nach der Behandlung ist der Sauerstoffschwellendruck bedeutend gestiegen. Damit ist eine sehr leichte Methode gegeben, ohne aufwendige Konstruktionen oder Prozesse die Sauerstoffkompatibilität zu erhöhen.preoxidation by Haynes 188. This alloy has an oxygen threshold pressure from 345 bar to ASTM G-124, indicating safe operation of an oxidator-rich Drive concept is insufficient (about 500 bar are needed). A Pre-oxidation over 5 hours at 750 ° C leads to a passivating topcoat according to VDI / DIN standard 3198 a Adhesive strength class HF I (very good) has. The thickness of the layer is in this case about 2 microns. But you can almost arbitrarily over the temperature and time are set at 1 atm oxygen atmosphere become. After treatment, the oxygen threshold pressure is significant gone up. This is a very easy method, without consuming Constructions or processes to increase oxygen compatibility.
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