DE1108947B - Vorrichtung zum Pruefen von Geschossmaterial mittels eines Plasmaerzeugers - Google Patents

Vorrichtung zum Pruefen von Geschossmaterial mittels eines Plasmaerzeugers

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DE1108947B
DE1108947B DEU5993A DEU0005993A DE1108947B DE 1108947 B DE1108947 B DE 1108947B DE U5993 A DEU5993 A DE U5993A DE U0005993 A DEU0005993 A DE U0005993A DE 1108947 B DE1108947 B DE 1108947B
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Thomas Binnington Reed
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Description

DEUTSCHES
PATENTAMT
kl. 42 k 20
INTERNATIONALE KL.
G 01m; η
U 5993 EK/42k
ANMELDETAG: 14. F E B RU AR 1959
BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 15. JUNI 1961
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Prüfen von Geschoßmaterialien in einem Luftstrom unter Nachahmung tatsächlicher Temperatur- und Geschwindigkeitsbedingungen, denen derartige Materialien beim Flug durch die Erdatmosphäre und Stratosphäre vermutlich unterworfen sind.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Prüfen von Geschoßmaterial, bei der das Material einem hocherhitzten, mit hoher Geschwindigkeit strömenden gasförmigen Medium ausgesetzt wird, das der Expansionsdüse ernes Plasmaerzeugers entströmt, welcher eine zentral angeordnete Stabkathode, eine im Abstand von der Stabkathode und in Längsrichtung mit derselben angeordneten Anodenkanal und Mittel zum Zuführen von Gas um das vordere Ende der Stabkathode herum aufweist.
Bei der Flugzeug- und Geschoßindustrie liegt ein dringendes Bedürfnis nach Wegen und Mitteln vor, um tatsächliche Bestandteile oder maßstäbliche Modelle von Geschoßanordnungen unter nachgeahm- ao ten Betriebsbedingungen zu prüfen. Die Prüfbedingungen sind insofern schwierig, als Luftströme von beispielsweise 3650 m/Sek. und 5000° K (näherungsweise Mach 2) und 5490 m/Sek. und 300° K (näherungsweise Mach 18) erforderlich sind. as
Ein elektrischer Lichtbogen scheint gegenwärtig die wirtschaftlichste Wärmequelle zur Lieferung der zum Erreichen derart schwieriger Bedingungen nötigen Energie zu sein. Dabei wird im allgemeinen eine derartige Plasmaströmung mittels eines Lichtbogenbrenners mit zentraler Stabelektrode und einer axial längsgestreckten, divergenten Düse als Gegenelektrode erzeugt, die ihrerseits eine hochtemperierte Gasausströmung mit hoher Geschwindigkeit abgibt. Das zu prüfende Material wird in diese Strömung eingebracht, welche in Temperatur und Geschwindigkeit die Bedingungen nachahmt, denen das Material im praktischen Gebrauch unterliegen kann.
Eine bekannte, vorgeschlagene Vorrichtung zur Erzeugung eines hochtemperierten Luftstromes hoher Geschwindigkeit weist eine Kammer auf, in der ein Bogen zwischen einer Kohlenstoffstabelektrode und einer Kohlenstoffdüsenelektrode am Auslaß der Kammer gezündet wird. Luft tritt in die Kammer tangential ein, wird längs der inneren Kammerwandung herumgewirbelt sowie durch die Düsenelektrode ausgetrieben. Die Hauptnachteile einer derartigen Vorrichtung sind die unerwünschte Verunreinigung des ausströmenden Gasstromes durch die sich verbrauchenden Kohlenstoffelektroden sowie die Turbulenz des austretenden Gasstromes.
Ferner ist auch bekannt, bei Plasmageneratoren zur Vorrichtung zum Prüfen von Geschoßmaterial mittels eines Plasmaerzeugers
Anmelder:
Union Carbide Corporation, New York, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter: Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt, Frankfurt/M., Schneckenhofstr. 27
Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 20. Februar 1958
Robert MacCornack Gage, Indianapolis, Ind.,
Thomas Binnington Reed, Danville, Ind., und Richard Corey Eschenbach, Indianapolis, Ind.
(V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden
Erzielung hoher Geschwindigkeiten eine Lavaldüse zu verwenden.
Bei einer weiteren bekannten Vorrichtung wird statt Luft Wasser tangential in die Brennerkammer eingeleitet, unter der Wärmeentwicklung des Bogens ganz oder teilweise verdampft und der Wasserdampf als Plasmaträger verwendet. Auch hier erhält man eine unerwünschte Turbulenz des ausströmenden Plasmas.
Der Hauptnachteil der bekannten Vorrichtungen ist ihre verhältnismäßig kurze Lebensdauer. Infolge der herrschenden extremen Betriebsbedingungen erodieren die Elektroden derart stark, daß die Anlagen bereits nach einer Betriebszeit von einigen Sekunden, maximal einer Minute, betriebsunfähig sind.
Außerdem sind komplizierte und teure Einrichtungen zum Vorschub im Falle sich verbrauchender Stabelektroden und zur Aufrechterhaltung einer einigermaßen konstanten Bogenlänge erforderlich. Als Folge hiervon ändern sich die Strömungseigenschaften des Gasstromes durch den Brenner und durch die Düse hindurch dauernd, was zu streuenden Prüfergebnissen führt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die oben beschriebenen Nachteile in äußerst einfacher Weise dadurch vermieden, daß das vordere Ende der Stabkathode im Hals einer ringförmigen Abschirm-
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sperre liegt, deren Auslaßmündung in einem konvergierenden Luftkanal axial angeordnet ist, der am Eingang der geeignet geformten, nicht abschmelzenden Expansionsdüse des Plasmaerzeugers endet.
Die vorliegende Erfindung schafft daher eine Prüfvorrichtung mit einem sehr stabilen, hochtemperierten Plasmastrom hoher Geschwindigkeit und besitzt eine ungleich längere Lebensdauer als die bisher bekannten Vorrichtungen. Vorteilhafterweise besteht die Abschirmsperre aus einem Metall mit Wasserkühlung oder aus Quarz.
Ferner besitzt die Vorrichtung gemäß der Erfindung vorteilhafterweise Mittel, um dem Expansionsdüsenhals das gasförmige Medium mit einem Druck zuzuführen, der ausreicht, um dem gasförmigen Medium unter Überdruck eine Geschwindigkeit von Mach 1 (bezogen auf die Schallgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums unter den dort herrschenden Zustandsbedingungen) im Düsenhals zu geben, so daß am Expansionsdüsenende Überschallgeschwindigkeiten erreicht werden können.
Des weiteren ist die bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung verwendete Düse derart ausgebildet, daß die axiale Länge der divergenten Expansionsdüsenmündung zumindest das Sechsfache des Halsdurchmessers der Mündung beträgt, so daß der zwischen der Kathode und der die Anode darstellenden Expansionsdüse gezündete Bogen gut innerhalb der Düsenmündung endet und daß vorteilhafterweise der eingeschlossene Winkel der Wanddivergenz der Düsenmündung unter 30° liegt.
Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung wurde mit Erfolg mit Luft und elektrischen Eingangsleistungen bis zu 40 kW über ausgedehnte Zeiträume hinweg ohne Verunreinigung der heißen Luftausströmung hoher Geschwindigkeit und praktisch ohne Beschädigung der Anode betrieben. Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung stellt in dieser Hinsicht eine ganz wesentliche Verbesserung gegenüber den bekannten Vorrichtungen dar.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigt
Fig. 1 einen Teillängsschnitt eines Windgenerators nach der Erfindung,
Fig. 2 eine ähnliche Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform und
Fig. 3 eine Teilansicht im Längsschnitt eines Windkanals, welche schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
Wie in Fig. 1 gezeigt, weist die Vorrichtung T einen Brennerkörper 10 auf, ferner eine innere Stabkathode 11, vorzugsweise aus hitzebeständigem Material, beispielsweise thoriertes Wolfram, und eine austauschbare, sich nicht verbrauchende Düsenanode 13, vorzugsweise aus Metall, beispielsweise Kupfer. Andere Düsenmaterialien, wie Silber, Wolfram und Aluminium, lassen sich nach Wunsch ebenfalls anwenden. Die Düse ist mittels einer Haltehülse 14 an Ort und Stelle gehalten. Kühlwasser tritt über den Einlaß 15 und den Durchlaß 16 ein, tritt durch den Ringraum 17 und strömt dann aus dem Brenner über einen nicht veranschaulichten Auslaß aus. Ein Auslecken von Kühlwasser wird durch eine Scheibe 18 und einen O-Ringl9 verhindert.
Schutzgas, beispielsweise unter Druck stehendes Argon, tritt über den Einlaß 20 und den Durchlaß 21 ein, läuft durch den Ringraum 22 zwischen der Bohrung 23 im Brennkörper 10 und dem Elektrodenstützorgan 24 nach unten, so dann um die Spitze der Kathode 11 herum und tritt durch die divergente Mündung 25 in der Düsenanode 13 aus.
Unter Druck stehende Luft tritt über den Einlaß 26 und den Durchlaß 27 ein, läuft durch Durchlässe 28 sowie dann durch einen Ringraum 29 zwischen der konischen Einlaßbohrung 30 in der Düsenelektrode 13
ίο und einem Abschirmdamm 31 in Form eines Bechers nach unten. Der Gasaustrittrand des Abschirmdammes erstreckt sich zumindest bis zur Spitze der Kathode, um für diese einen vollständigen Schutz sicherzustellen. Der Abschirmdamm 31 kann aus Quarz bestehen, ist vorzugsweise jedoch aus Metall aufgebaut, wassergekühlt und gegen die Elektroden 11 und 13 elektrisch isoliert. Die Luft mischt sich sodann mit dem Schutzgas und läuft durch die divergente Mündung 25. Der eingeschlossene Winkel der
ao Wanddivergenz dieses Durchlasses sollte unter 30° und vorzugsweise zwischen 5 und 10° liegen. Die Mündung 25 ist hinreichend lang, d. h. besitzt eine Länge von mindestens dem sechsfachen Halsdurchmesser, so daß der Bogen von der Elektrode 11 zwecks besonderer Betriebsbedingungen gut innerhalb der Düsenmündung endet. Die Stromverteilung entlang einer Düsen-Anoden-Oberfläche ist inLängsrichrichtung ausgedehnt. Die Anwendung einer Düsenanode, die für einen gegebenen Bogen zu kurz ist, führt am Ende der Düse zu einer Konzentration des Stromes, der normalerweise an einem Punkt jenseits des Endes enden würde, was zu einer unerwünschten Kraterbildung infolge des Lichtbogens führt. Gegenwärtig werden unter den vorliegenden Bedingungen des Gasflusses und der Eingangsleistung gemäß der Erfindung Düsenelektroden verwendet, die 25 bis 50 mm lang sind, einen Düsenhals von 3 mm Durchmesser besitzen, sowie einen Düsenauslaß mit 5 mm Durchmesser. Die Düseneroison nahm beträchtlich zu, wenn Düsen unter ähnlichen Betriebsbedingungen mit einer axialen Mündungslänge von nur 19 mm verwendet wurden.
Beim Betrieb wird eine nicht veranschaulichte elektrische Kraftquelle zwischen die Stabelektrode 11 und die Düsenelektrode 13 gelegt, und der Bogen üblicherweise gezündet, indem die Elektrode 11 bis zur Bogenbildung zur Düsenelektrode 13 hin nach unten gestoßen sowie dann in die gewünschte Betriebslage zurückgezogen wird.
Ein Bogen mit 160 Volt (DCSP) und 250 Ampere (41,6 kW) wurde zwischen einer Stabelektrode aus thoriertem Wolfram mit 3 mm Durchmesser und einer Düsenelektrode mit einer divergenten Mündung, die von einem Durchmesser von 3 mm auf einen Auslaßdurchmesser von 5 mm zunahm, aufrechterhalten. Die Düsenelektrode hatte einen Außendurchmesser von 25 mm. Argonschutzgas mit 1,62 m3/Std. und Luft mit 10 ms/Std. traten gesondert in die Vorrichtung ein und mischten sich dann beim Auslaufen durch die Mündung der Düsenelektrode.
Die bei einem Kammerdruck von 5,1 kg/cm2 durch die Düse austretende Heißluftausströmung hatte eine berechnete Austrittsgeschwindigkeit von 1890 m/Sek., was für diese Bedingungen näherungsweise Mach 1,6 entspricht. Der Brenner wurde bei praktisch dem oben angegebenen Leistungseingang 13 Minuten lang betrieben, in welche Zeit der Versuch abgeschlossen wurde. Eine Prüfung der Anlage ergab nur eine ge-
ringe Düsenelektrodenerosion. Die Vorrichtung läßt sich bei derartigen Leistungspegeln für einen beträchtlich ausgedehnten Zeitraum betreiben, um einen nicht verunreinigten Heißluftstrahl hoher Geschwindigkeit zu erzeugen.
Die Vorrichtung Γ 2 nach Fig. 2 ist im wesentlichen die gleiche wie diejenige in Fig. 1 mit Ausnahme der Mittel zum Einführen des Luftstroms. Die Durchlässe 32 treten in den Düsenmündungskanal 25 stromabseits des Düseneinlasses ein.
Das zu prüfende Material oder ein Prüfling werden bei X in dem Luftbogen oder Plasma angeordnet, der bzw. das aus der Vorrichtung austritt. Die Prüfung wird hierdurch unter Bedingungen vorgenommen, die sehr gut die Bedingungen des tatsächlichen Fluges eines derartigen Körpers oder Materials nachahmen.
Fig. 3 veranschaulicht einen Windkanal zum Prüfen von Geschoßteilen bei Anwendung der vorliegenden Erfindung zum Schaffen des gewünschten hochtemperierten Luftstromes hoher Geschwindigkeit, Zwischen der Kathode 11 und der Anode 13 wird ein durch die Gleichstromquelle 33 gezündeter Lichtbogen geschlagen. Ein Inertgasstrom fließt um die Kathode 11, während ein Luftstrom am Durchlaß 26 eingeführt wird. Kühlwasser tritt durch das Rohr 16 ein, läuft durch den Ringraum 17 und tritt durch den Auslaß 34 aus. Die Heißluftausströmung von dem divergenten Düsendurchlaß tritt in einen durch die Wandung 35 begrenzten Windkanal ein. Ein Prüfmodell 36 ist innerhalb des inneren Windkanaldurchlasses 37 angeordnet. Eine nicht veranschaulichte Stromabseits vom Prüfling vorgesehene Pumpe zieht das Gas aus dem Prüfbereich ab und vermindert, wenn nötig, den Druck in diesem Bereich, um Überschallgeschwindigkeiten zu erreichen.
Der genaue Grund, weshalb die Düsenanode nach der vorliegenden Erfindung eine wesentlich höhere Lebensdauer als bekannte Anordnungen hat, wurde noch nicht gefunden. Jedoch ist die folgende Diskussion ein Versuch einer Erklärung, ohne daß die Erfindung auf diese Theorie eingeschränkt werden soll.
Eine divergente Düse hat im Vergleich zu einer zylindrischen Düse eine größere Innenoberfläche für eine gegebene Länge. Daher wird die zum Aufnehmen des Bogenstromes verfügbare Anodenoberfläche erhöht, was eine geringere Stromdichte pro Flächeneinheit ermöglicht. Dies vermindert Kraterbildung od. dgl. durch den Bogen. In ähnlicher Weise lassen sich bei derselben Anodenstromdichte größere Gesamtbogenstromwerte verwenden als bei zylindrischen Düsen. Eine Stromlinienausbildung einer divergenten Düsenmündung paßt sich eng an den Fluß des expandierenden Bogen-Gasstromes an. Bei dieser Ausführungsform tritt ferner eine verminderte Turbulenz entlang der Düsenwandung auf, die gestattet, daß das der Anode am nächsten befindliche kühlere Gas die Anode gegen Oxydation, Erosion und Kraterbildung schützt. Durch Anwendung einer divergenten Düse wird der Düsendruck im Vergleich zu einer zylindrischen oder konvergenten Düse herabgesetzt. Der Bogenspannungsgradient ist in einer erweiterten Düse vermindert, so daß die Bogenlänge für eine gegebene Spannung erhöht und die Anodenaufwärmung infolge Elektronenkondensation über einen größeren Oberflächenbereich verteilt wird, wodurch heiße Flecken entlang der Anodendüsenwand verhindert werden.
Da die vorliegende Vorrichtung in erster Linie bei Überschall- (Mach 1 bis 10) und Ultraschall- (Mach 10 und höher) Geschwindigkeiten in der Luftauslaßströmung betrieben werden soll, unterstützt ein divergenter Kanal das Erreichen derartiger Geschwindigkeiten. Der Gasdruck am Einlaß der Düsenelektrode wird oberhalb 2,1 kg/cm2 absolut und für gewöhnlich oberhalb 5,1 kg/cm2 absolut gehalten, wenn der Brennerauslaß zur Atmosphäre führt.
Der zum Schutz der inneren Stabelektrode gegen Luftoxydation verwendete gesonderte Inertgasstrom stellt in der Luftausströmung keine bedenkliche Verunreinigung dar, da er für gewöhnlich chemisch inert ist und nur in kleinen Mengen vorliegt. In jedem Fall kann nach Wunsch die Gesamtausströmung auf die genaue Zusammensetzung von Luft gebracht werden, indem lediglich die Gesamtmenge des durch den Brenner laufenden Sauerstoffs, Stickstoffs und Argons eingestellt wird.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, das zu einem besseren Betrieb der vorliegenden Vorrichtung im Vergleich zu bekannten Einrichtungen führt, ist die spezielle Düsenausbildung im Hinblick auf ihre Größe. Bei bekannten Vorrichtungen mit Düsenelektroden wurden die Düsenwände verhältnismäßig dünn gehalten, in dem Bestreben, den Wärmeübergang von der Wandung des inneren Düsenkanals zum umgebenden Kühlmedium zu erhöhen. Dies war jedoch im Hinblick auf durch heiße Stellen verursachte Beschädigung der Düse keine völlig zufriedenstellende Lösung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Düsenelektroden mit einem hohen Verhältnis von Außendurchmesser zu minimalem Innendurchmesser verwendet. Dieses Verhältnis schwankt von etwa 500 mm für Düsen mit 1,7 mm Durchmesser bis 100 mm für Düsen mit 1,2 mm Durchmesser, die aus hochwärmeleitfähigen Materialien, wie Kupfer und Wolfram, aufgebaut sind. Der die Düsenaußenflächen umgebende Kühlwasserkanal ist ebenfalls verhältnismäßig dünn gemacht, um die Geschwindigkeit des in direktem Kontakt mit der Düsenelektrode stehenden Kühlmediums zu erhöhen. Eine derartige Vorrichtung kann für eine gegebene Brennergröße bei höheren Eingangsleistungen arbeiten als bekannte Vorrichtungen.
Während im obigen beispielsweise Luft und Argon erwähnt wurden, versteht sich, daß andere reaktionsfähige Gase, beispielsweise CO2 und Sauerstoff in Zumischung zu oder an Stelle von Luft, oder andere inerte Gase, beispielsweise Helium, Wasserstoff, Krypton, Neon, Stickstoff, Xenon und Mischungen derselben, in Zumischung zu oder an Stelle von Argon verwendet werden können. Letzteres kann auch in Mischung mit oder an Stelle von Luft verwendet werden, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.

Claims (10)

PATENTANSPRÜCHE:
1. Vorrichtung zum Prüfen von Geschoßmaterial, bei der das Material einem hocherhitzten, mit hoher Geschwindigkit strömenden gasförmigen Medium ausgesetzt wird, das der Expansionsdüse eines Plasmaerzeugers entströmt, welcher eine zentral angeordnete Stabkathode, einen im Abstand von der Stabkathode und in Längsausrichtung mit derselben angeordneten Anodenkanal und Mittel zum Zuführen von Gas um das vordere Ende der Stabkathode herum aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß das vordere Ende der Stabkathode (11) im Hals einer ringförmigen Abschirmsperre (31) liegt, deren Auslaßmündung in einem konvergierenden Luftkanal (29) axial angeordnet ist, der am Eingang der geeignet geformten nicht abschmelzenden Expansionsdüse (25) des Plasmaerzeugers endet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmsperre aus einem Metall mit Wasserkühlung oder aus Quarz be- ίο steht.
3. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (26, 27, 28, 32) besitzt, um dem Expansionsdüsenhals das gasförmige Medium mit einem Druck zuzuführen, der ausreicht, um dem gasförmigen Medium noch unter Überdruck eine Geschwindigkeit von Mach 1 (bezogen auf die Schallgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums unter den dort herrschenden Zustandsbedingungen) im Düsenhals zu geben, so daß am Expansionsdüsenende Überschallgeschwindigkeiten erreicht werden können.
4. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge der divergenten Expansionsdüsenmündung (25) zumindest das Sechsfache des Halsdurchmessers der Mündung beträgt, so daß der zwischen der Kathode und der die Anode darstellenden Expansionsdüse gezündete Bogen gut innerhalb der Düsenmündung endet.
5. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeschlossene Winkel der Wanddivergenz der Düsenmündung (25) unter 30° liegt.
6. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeschlossene Winkel der Wanddivergenz der Düsenmündung (25) zwischen 5 und 10° liegt.
7. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Außendurchmessers zum minimalen Innendurchmesser der Düse zumindest vier ist.
8. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse aus Kupfer, Silber, Wolfram oder Aluminium besteht.
9. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabkathode aus hitzebeständigem Material besteht.
10. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Zuführen des gasförmigen Mediums einen Durchlaß (32) aufweisen, um das gasförmige Medium an einer Stelle stromabwärts des Düseneinlasses in die Düsenmündung fließen zu lassen.
In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 819 423;
»Mitteilungen aus dem Forschungsinstitut für Physik der Strahlantriebe e. V.«, Nr. 6, September 1956, Stuttgart.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 109 617/224 6.61
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