DE1917387A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung supersonischer Gasstroeme - Google Patents

Description

Energy Sciences, Inc., El Segundo, California / USA

Verfahren und Vorrichtung: zur Erzeugung supersonischer

Gasströme

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung eines supersonischen Strahls sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Supersonische Ströme können mit relativ kleinen Düsen und relativ geringen Einlaßtrücken P^ erzeugt werden (siehe USA-Patentschriften.3 230 9?3, 3 230 927, 3 232 26?,

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3 240 253 und 3 2^0 25¹I-). Für bestimmte Anwendungsfälle scheint es jedoch zweckmäßig, noch kleinere Düsen und noch geringere Einlaßdrücke zu verwenden.

Demzufolge ist es Ziel rer vorliegenden Erfindung:, ein Verfahren zu schaffen, ^as die Erzeugung von noch feineren supersonischer Gasptrömen mit noch geringerer Einlaßdrücken ermöglicht.

Es ist ferner das Ziel der vorliegenden Erfindung·, eine Vorrichtung zu schaffen, die nach dem erfindunrsgemäßen Verfahren arbeitet.

Erfindungsgemäß wird dies flariurch erreicht, daß zuerst ein unter einem niedrigen Druck stehendes, eine subsonische Geschwindigkeit aufweisendes Gas in eine einen kleinen Durchmesser aufweisende Düse eingeführt wird, daß das Gas unter Ausbildung eines konvergierenden und anschließend divergierenden Strahls entlang der Düse eine sich verdickende Grenzschicht bildet, daß der auf einen effekt tiven Durchmesser D zusammengedrängte, unter einem Druck von P stehende- Strahl in jenem Bereich, in welchem er eine suOersonische Geschwindigkeit erhält, stabilisiert wird, daß stromabwärts vor ,ienem l^!berFangsbereich die Grenzschichtdicke verkleinert wird, unfl r*afi ^er Strahl im Bereich des Verschwindens der Grenzschicht aus der Düse herausgeführt vrird, wobei der effektive Auslaßdurchmesser D- mindestens doppelt so groß wie der eine supersonische Strömung erzeugende Durchmesser D ist.

Eine Verrichtung zur Durchführung des erfindungsge-r mäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Düse zwischen der Düseneinlaßöffnung und dem Auslaß Stabil 5-sat ionselemente aufweist und daß die Düse derart ausgebildet ist,

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der mit subsonischer Geschwindigkeit und einem Druck zugeführte Strahl im Bereich ,iener Stabilisationselemente eine supersonische Geschwindigkeit erreicht«

Entsprechend der Erfindung besteht die Möglichkeit einer sehr billigen Herstellung von supersonischen Düsen. Derartige Düsen sind ferner relativ frei von durch Druckfluktuationen bedingten Störungen. Die Düsen i^eisen eine äußerst hohe supersonische Strahlfreauenz - d.h. eine Anzahl von supersonischen Druckstößen pro Minute - auf. Schließlich ergibt sich die Möglichkeit, mit kleineren Druckstößen eine sehr wirksame Zerstäubung eines vorgegebenen Plüssigkeitsvolumens zu erwirken. Zusätzlich ergibt sich im Bereich der Auslaßöffnung eine sehr gute Stabilisation des supersonischen Strahls.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sollen im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigen:

Pie:, i eine vordere Ansicht - teilweise im Schnitt - einer ersten Ausführungsform^er Erfindung;

Fic:. 2 eine seitliche Ansicht - teilweise im Schnitt der in Fier. 1 dargestellten Ausführung-sform;

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 von Fig. 2; Fig. ^- eine Schnittansicht entlang der Linie k-k von Fig. 3ΐ

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer der vier Düsen der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform;

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Pig. 6 bis 8 vertikale, entlang der Mittellinie verlaufende Schnittansichten von abgewandelten Ausführungsformen der Düse gemäß der Erfindung;

Fig. 9 eine Stirnansicht der in Fig. 8 dargestellten Düse;

Fig. IO eine perspektivische Ansicht - teilweise im Schnitt der in Fig. 8 dargestellten Düse;

jf Fig. 11 eine perspektivische Ansicht - teilweise im Schnitt -

entlang der Linie 2-2 von Fig. 10; und

Fig. 12 eine Schnitt ansicht entlang der Linie 3-3 von Fig. 10-,

Im folgenden soll auf die Zeichnung - insbesondere Fig. 1 bis 4 - Bezug genommen werden, in welcher eine·vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist. Wie man anhand dieser Figur erkennen kann, ist eine Brennstoffzuführleitung 10 an einem Brennstoffverteiler 12 befestigt, in dessen vorderer Wandung 8 Bohrungen kO für die Zufuhr von Brennstoff angeordnet sind. An einem ersten Luftverteiler 18 sind auf der einen Seite eine Luftzufuhrleitung l6 und auf der anderen vier Düsenleitungen 20 und vier LuftZuleitungen ?M angeordnet. Letztere stehen mit einem zweiten Luftverteiler 20 in Verbindung. In derselben Ebene wie die Enden der Luftzufuhrleitungen 20 sind vier beidseitig offene Düsen 26 angeordnet. Da der Innendurchmesser dieser Düsen 26 größer als der Außendurchmesser der Luftzuleitungen 20 ist, bilden sich Ringbereiche 28, die eine Verbindung des Inneren der Düsen 26 mit der Außenatmosphäre herstellen. In den Seitenwandungen der Düsen 26 sind vier .senkrecht zur Längsachse der'Düsen 26 verlaufende Bohrungen

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30 angeordnet, die eine Verbindung des Inneren der Düsen 26 mit dem zweiten Luftverteiler 22 herstellen.

Die Funktionsweise der in Fig.l beschriebenen dargestellten Anordnung ist wie folgt:

Unter Druck stehendes leichtes Öl gelangt durch die Brennstoffzuführleitung 10 in den Brennstoffverteiler 12, von welchem es in acht Strömen durch die Bohrungen l4 eingespritzt wird. Zur selben Zeit wird Druckluft durch die Luftzufuhrleitung l6 dem ersten Luftverteiler 18 und von dort durchkie Luftzufuhrleitungen 20 den Einlassen der Düsen 26 zugeführt. Die Luftströmung durch die Einlasse der Düsen 26 bringt in dieselben sowohl atmosphärische Luft als auch Öl, das durch die im allgemeinen mit den Ringbereichen fluchtenden Bohrungen 14 zugeführt ist. Aufgrund eines sehr geringen Einlaßdruckes und eines sehr geringen Düsendurchmessers wird stromabwärts von dem Düseneinlaß ein sehr schneller Aufbau der Grenzschichtdicke erreicht, was eine rasche Verminderung des effektiven Durchmessers des Düsenauslasses zur Folge hat. Der Düsenauslaß wird somit durch die Grenzschicht in sehr starkem Maße eingeengt. Durch diesen Grenzschichtaufbau wird der effektive Durchmesser D in der Ebene der Bohrungen JO derart klein, daß das Verhältnis des Einlaßdruckes zu dem innerhalb der Einschnürung herrsehenden Druck (P^/P ) einen Übergang vom subsonischen in den übersonischen Bereich erwirkt. (Es sei bemerkt, daß selbstverständlich innerhalb der Grenzschicht ebenfalls eine Strömung stattfindet. Da jedoch dieselbe wesentlich langsamer ist, kann für Berechnungen von P die Grenzschicht als strömungsfrei angesehen werden).

Luft wird ferner durch die Bohrungen 30 zugeführt, die zum Aus trie ich en immer Paarweise gegenüb erliegend, ange-

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ordnet sind. Durch diese zusätzliche Luft wira J* in axialer flichtung stabilisiert. Zusitzlich wird dadurch aie crrofie von L beeinflußt, indem eine zunehmende Strömung, durch, die; bohrung 30 eine Verkleinerung von D* bewirkt. Das zusätzliche Einführerjvon Luft in der Einschnürungsebene fit Hilfe der den Druck P, in dem Düseneinlaß erzeugenden Druckmittelquelle hat zusätzlich den wesentlichen Vorteil, daß die Einflüsse von Druckmittelschwankungen innerhalb der Leitung verringert werden. Wenn beispielsweise der innerhalb der Leitung herrschende Druck P* abfällt, wird das durch die Düse ausgestoßene Gasvolumen verringert, ßei gleichbleibendem r würde das Verhältnis P, /P* eine subsonische strömung bedingen, so daß die Düse ihre supersonischen Eigenschaften verlieren würde. Da jedoch die durch die Bohrungen 30 zugeführte Luft von der gleichen Druckmittelquelle hergeleitet ist, bewirkt ein Abfall des Druckes P₁ am Einlaß ebenfalls einen abfall des Druckes im öereioh der Bohrungen 3ü, wodurch P* automatisch zunimmt, so daß eine automatische Einstellung der Strömungsmenge vorgenommen wird. Demzufolge ergibt sich ein wesentlich größerer Änderungsbereich der Strömungsmenge, ohne daß die supersonischen Eigenschaften verloren gehen.

Aufgrund der Tatsache, daß der Innendurchmesser der Luftzufuhrleitungen 20 sehr klein - d.h. geringer als der halbe Innendurchmesser des Düseneinlasses - 1st, wird die Empfindlichkeit des Düsenbetriebs auf Änderungen der Luftzufuhr weiter vermindert.

Mit einem entsprechend den FIg, 1 bis 4 ausgeführten Modell wurden Versuche durchgeführt. Dieses Versuchsmodell hatte dabei folgende in cm angegebene Abmessungen. (Jei j_angenangaben entsprechen'die in Klammern angegebenen Werte den Abmessungen In Zoll).

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0.70	cm	(0.275)
0.51	cm	(0.200)
0.48	cm	(0.190)
0.16	cm	(0.063)
ο.υδ	cm	(0.032)
0.19	cm	(0.073)

Gesamte Länge L
.Innendurchmesser D_f
Düsenlänge L* ■
Durchmesser der Bohrungen 3°
Durchmesser der Bohrungen 14
Innendurchmesser der Luftzufuhrleltungen 20

Die die Divergenz der Grenzschicht erhöhende Diisenöffnung 32 war unter 45 gegenüber der Achse der Düse geneigt} durch die Bohrungen 14 wurde leichtes Öl mit einer Geschwindigkeit von 14.5 kg pro Stunde (32 GFM) unter einem Druck von O.35 kg/cm (5 p.s.i.g.) zugeführt. Der an dem Düseneinlaß auftretende Druck P. betrug 0,42 kg/cm (6 p.s.i.g.). Unter diesen Bedingungen wurde eine Austrittsmenge von Jh 1 pro Minute (1.2 CFM) erreicht, wobei der Durchmesser D* 0.17 cm (0.065) betrug. Der effektive Auslaßdurchmesser D_Q der Düse betrug 0.26 cm (C.1). Die Grenzschicht ist in diesem Bereich immer noch so dick, daß die Strömung im wesentlichen durch den Auslaßdurchmesser D_Q erfolgt. Das im Bereich des Auslasses erzeugte Vakuum P betrug U.07 kg/cm (1 p.s.i.a.) und die Geschwindigkeit des austretenden Strahles M 2.6 haeh.

Das Vorsehen einer subsonischen Implosion innerhalb des Ringbereiches 28 trägt dazu bei, die gewünschte Dicke der Grenzschicht zu erzeugen, wodurch der durch das Zuführen von Luft in^tede Düse bedingte Energieverlust verringert wird. Ferner werden jegliche Tendenzen einer Grenzschichtablösung vermieden. Die Größe der Implosion reguliert sich selbst, so daß die Abmessungenjdes Ringbereiches 28 nicht kritisch sind. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung scheint es wesentlich, daß die Strömung innerhalb der Grenzschicht laminar, d.h. nicht turbulent verlauft.

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Naoh dem Einführen des Leichtöls durch die Düse wird dasselbe innerhalb der Grenzschicht transportiert und im allgemeinen spiralförmig über die gesamte innere Düsenober-

. fläche verteilt. Da der Druck P_Q unterhalb des atmosphärischen Druckes ist, wird das aus der Düse austretende Leichtöl von den im Bereich der Düseninnenwandung liegenden Grenzschicht-

_t zonen in den supersonischen 3trahl gesaugt. Durch die atmosphärische Implosion wird dasselbe in sehr starkem MaBe verstäubt, so daß eine sehr gute Verbrennung mit hohem Wirkungsgrad stattfinden kann.

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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist demzufolge die Formgebung der Düse von ausschlaggebender Wichtigkeit für den Aufbau der Grenzschicht. Während diese Grenzschicht bei bisherigen Düsen nur als unvermeidbares Übel angesehen worden ist, bildet dieselbe gemäß der vorliegenden Erfindung jene Größe, die bei sehr einfacher Formgebung der Düse eine sehr spezlfisohe Funktionswelse zur Folge hat. Bei subsonischen Strömungegeschwindigkeiten, bei welchen der Druck P₁ abfällt und der Durohmesser D* sich verringert, wird die Grenzschicht dicker. Bei supersonischen Strömungsgeschwindigkeiten vermindert sich die Dicke der Grenzschicht Innerhalb einer divergierenden Düse. Zusammen mit der Stabilisation von D* im t Bereich des 3trahleneingangs«teilt dies das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung dar.

Bei der Konstruktion einer derartigen Düse muß zuerst die erforderliche Leistung festgelegt werden, die gleich P₁V ist. Demzufolge müssen P₁ und V derart gewählt werden, daß sich das gewünschte Produkt ergibt. Daraufhin muß festgelegt werden, wie hoch das Vakuum bei einem supersonischen Strahl für den betreffenden Anwendungsfall sein soll. Dies bestimmt den Auslaßdruok P_Q. Mit den festgelegten Werten P₁ und P_Q ermöglicht eine Standardtabelle der eindimensionalen isotropischen

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zusammendrückbaren StrÖmungsfunktionen die Wahl dea Verhältnisses der effektiven Düsenauslaßfläche A_Q zu der effektiven Einschnürungsfläche A*, um den gewählten P-Wert zu erhalten. (Aus einer derartigen Tabelle kann ebenfalls die am Auslaß auftretende Geschwindigkeit M gewählt werden). Daraufhin ist es notwendig, willkürlich eine bestimmte Länge der Düse für den betreffenden Innendurchmesser zu wählen, wobei der Aufbau einer Grenzschicht von dem Einlaß zu der Einschnürungsebene berücksichtigt werden muß, damit ein effektiver Absohnurungsdurohmesser - D* entsprechend der bereits festgelegten Fläche A* - und ein Grenzschichtabfall von der Einschnür-ungsebene bis zum Auslaß fixiert ist, wobei ebenfalls die effektive Auslaßfläohe A_Q berücksichtigt werden muß. Die Grenzschichtdicke kann selbstverständlich für verschiedene Bedingungen empirisch festgestellt werden, indem Proben in bekannter Welse vorgesehen werden, so daß aufgrund von Informationen des Grenzsohichtwachstums unter verschiedenen Bedingung η ein geeigneter Abstand von dem Einlaß zu der Einsohnürungsebene festgelegt werden kann, (in diesem Zusammenhang wurde festgestellt, daß bei Düsen der gleichen Länge und Gasen gleicher spezifischer Wärme und gleichen Einlaßdrüoken P^ die Grenzsohichtdioke in entsprechenden längspositIonen bei kleinerem Durohmesser größer ist. Dabei verändert sich die Grenzschichtdicke über einen Durohmesserbereioh von hinweg ungefähr wie die dritte Potenz der Durohmesser.) Ein die Einengung stabilisierender Stabilisator wird dann in einem geeigneten Abstand von dem Einlaß vorgesehen. Die Länge der Düse stromabwärts von der Einengungsebene wird vorzugsweise so kurz wie möglich gemacht, wobei eine maximale supersonische Divergenz von ungefähr 45° vorgesehen

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wird. Dabei muß ferner berücksichlgt werden» daß selbst in diesem Bereich eine gewisse Grenzschicht notwendig ist, damit die Quersohnittsfläche A_Q an der gewünschten Stelle auftritt.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform dererflndungsgemäßenDüse wird der Ort von D* primär durch vier 90° gegeneinander versetzte Öffnungen und die dadurch bewirkte Implosion der Luft von der Atmosphäre und sekundär mit Hilfe eines Ringansatzes 42 erwirkt, der sich unter Ausbildung eines scharfen Winkels in die Düsenkammer erstreckt. Trotz der Anwesenheit dieses Hingansatzes 42 kann als Df der Innendurchmesser der Düse angesehen werden, da die Ringansatzdicke im Verhältnis zum Durchmesser weniger als 0.3 beträgt.

Gemäß dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wurde ein Versuchsmodell gebaut, das folgende Abmessungen hatte: ? "

Länge L

Durchmesser D-Länge L*

Durchmesser der Bohrung 40 Durchmesser der Bohrung 14 Innendurchmesser der Luftzufuhrleitung 20

Die konische Fläche des Ringes 42 verläuft dabei gegenüber der Düsenachse unter einem Winkel von 30°. Bei einem Druck P₁ von 0.42 kg/cm (6 p.s*i.g.) und einer Ausstoßmenge von 34 1 pro Minute (1.2 GFM) ergibt sich bei dieser Ausführungsform ein Durchmesser D* von 0,17 em (O.O65)t

O.7O cm	(0.275)
O.51 cm	(0.200)
0.48 cm	(0.190)
0.16 cm	(0.063)
0.081 cm	(0.032)
0.185 cm	(0.073)

ein Durohmesser D_Q von 0.28 cm (0.11) und eine Ausstoßgesohwindigkelt M_Q von 2.60 Mach.

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Wie sich anhand der obigen Tabelle ergibt, ist diese Düse ebenfalls zur Verbrennung von pulverisiertem Öl geeignet, wobei sowohl die Zuführung des Öls als auch die von der Außenatmosphäre her erfolgende subsonische Einlaßimplosion entsprechend dem zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt.

Falls dies erwünscht sein sollte, kann die zu zerstäubende Flüssigkeit anstelle durch die Einlaßöffnung durch die die Ebene der Verengung stabilisierenden Bohrungen zugeführt werden. Dabei kann diese Flüssigkeit selbst das Medium zur Stabilisation bilden. Die Flüssigkeit wird innerhalb der Grenzschicht zu dem Düsenauslaß geführt, worauf der weitere Transport des Brennstoffes in der bereits beschriebenen Art und Weise erfolgt. Falls dies erwünscht sein sollte_a kann die zu zerstäubende Flüssigkeit ebenfalls außerhalb der Düse in der Nähe des supersonischen Strahles eingeführt werden, wodurch dieselbe durch das von dem Strahl erzeugte Vakuum in der bereite beschriebenen Art und Weise zerstäubt wird. Wenn zur Erzielung einer hohen Reaktionsgeschwindigkeit zwei Flüssigkelten miteinander in Berührung gebracht werden, kann eine davon in . der zuletzt beschriebenen Art und W_eise eingeführt werden, während die andere auf einer der beiden zuerst beschriebenen Art und Welsen zugeführt wird. Die Menge der zugeführten Flüssigkeit sollte selbstverständlich der Energie und der Art des supersonischen Strahles angepaßt werden, damit weder aufgrund einer zu großen Flüssigkeitsmenge der supersonische Implosionseffekt zerstört noch aufgrund einer zu kleinen flüssigkeitsmenge eine zu geringe supersonische Strahlenergie erzeugt wird.

Während vorzugsweise die Stabilisation des Strahls hauptsächlich durch das Einführen eines Mediums im Be-

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reich der Einschnürungsebene erfolgt, so kann diese Stabilisation ebenfalls allein mit Hilfe des sich in die Düse erstreckenden Ringansatzes erfolgen. (Bei einem be- · sonderen Ausführungsbeispiel wird der dieEinengung bildende Durchmesser einfach durch den Innendurchmesser der zylindrischen Düse erwirkt. Dieser Innendurchmesser wird durch jenen Durchmesser D_f gebildet, der zwischen dem Düseneinlaß und dem Düsenauslaß auftritt, und zwar in jenem Bereich, in welchem die längsweise Erstreckung Lf dividiert durch den Durchmesser D_f mehr als 0..3 beträgt.)

Bei dem in Fig. k dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Stabilisation durch Verwendung eines Ringansatzes 60 allein erwirkt. Die Brennstoffzufuhr erfolgt dabei entsprechend dem in Pig. I dargestellten Ausführungsbeispiel. Ein entsprechendes Versuchsmodell hatte dabei folgende Abmessungen:

Länge L
Durohmesser D^ Länge L*

Der Innendurchmesser im Bereich des Ringansatzes 60 betrug 0.2 cm (0.165). Der Winkel der konischen Fläche gegenüber der Mittelachse der Düse betrug ferner 1?°\ Bei einem Zufuhrdruck P₁ von O.i*2 kg/cm (6 p.s.i.g. ) und einem Ausstoß von 3*1* 1 pro Minute (1.2 CFM) ergibt sich bei diesem Ausführungsbelsplel ein Durchmesser D* von 0.I7 cm (O.O65), ein Durchmesser D_Q von 0.28 cm (0.11) und eine Ausstoßgeschwindigkeit von 2.60 Mach.

Bei diesem Ausführungsbelsplel erfolgt die Naohregullerung von D# bei Änderungen der Ausstoßmenge zur Aufrecht erhaltung der supersonischen Strömung vor allem durch

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0.	66	cm	(0.	26)
0.	53	cm	(0.	21)
0.	38	cm	(0.	15)

Änderung der Implosionsgeschwindigkeit, wie dies bereits teilweise bei den vorigen Ausführungsbeispielen der Fall ist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jedoch gerade die Implosion von äußerster Wichtigkeit.

Bei dem in Pig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Stabilisation im Bereich der Einschnürung ebenfalls durch Emplosion von vier 90 gegeneinander versetzten koplanaren Gas.strömen erreicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel 1st ,jedoch kein Einlaß für eine atmosphärische Implosion vorgesehen. Es wird hingegen ein bei niederem Druck verdampfendes Freon - beispielsweise Freon 114 - gasförmig unter einem Druck von P₁ eingeführt, wobei durch dieses Gas ebenfalls noch nicht verdampftes Freon und anderes Material - beispielsweise Haarlaok - mitgeführt wird, wobei diese flüssigen und gasförmigen Stoffe aus einem nicht dargestellten Aerosolbehälter stammen.

Die in FIg₄ 8 dargestellte Düse besteht aus zwei billig herzustellenden Elementen, nämlich einem aus einem Standardkupferrohr mit einem Durohmesser von 0.64 om (0.25) be~ stehenden Gehäuse 70 und einem auf einer Schraubendrehbank ebenfalls aus Kupfer hergestellten inneren Einsatz 72. Der innere linsatz 72 besteht aus einem runden Hauptkörper 74, an welchem durch Entfernung entsprechender Segmente zwei flache Oberflächen 76 ausgebildet sind. Diese Oberflächen 76 bilden mit der inneren Oberfläche des Gehäuses Kanäle 78, die mit einer Ringkammer 80 in Verbindung stehen, die wiederum mittels vier Bohrungen 82 mit der Innenseite des Einsatzes 72 verbunden sind. Innerhalb des Gehäuses 70 1st eine Bohrung 84 und innerhalb des Einsatzes 72 eine mit dieser Bohrung 84 fluchtende Blindbohrung 86 vorgesehen. In diese Bohrungen 84, 86 ist eine Bohrleitung 88 eingesetzt1 die mit einem nicht dargestellten Aerosolbe-

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hälter in Verbindung steht. Die Blindbohrung 86 steht über eine weitere Blindbohrung mit einer Düsenöffnung 92 in Verbindung.

Ein Versuchsmodell entsprechend dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel hatte dabei folgende Abmessungen:

Länge der Düse L	0.80	cm	(C 315)
Durchmesser D-	0.43	cm	(0.169)
Länge L*	0.66	cm	(0.257)
Durchmesser der Bohrung 82	0.16	cm	(C 063)
Durchmesser der Düsen-
öffnunp: 92	0.041	cm	iO.Olö)

Eine Übereinstimmung der Konzentrizität der iXiseaöffnung 92 gegenüber D_f muß dabei innerhalb von 0.025 cm (0.001) gehalten werden. Die konische Fläche 94 verlief unter einem Winkel von 45° gegenüber der Düsenaehse. ^reon 114 wurde gasförmig durch die Düsenöffnung 92 mit einem Druck von 0.14 kg/cm (2.0 p.s.i.g. ) zugeführt. Das Ausstoßvolumen betrug 18.1 1 pro Minute (0.65 CFM). unter diesen Bedingungen ergab sich ein Durchmesser D* von 0.12 cm (0.Ü46), ein Durohmesser D_Q von 0.22 cm (0.08?> und eine Auslaßgeschwindigkeit von 2.4 Mach.

Die Ringkammer 80 dient dabei nicht nur für die Zuführung des Gases durch die Bohrungen 82, sondern stellt ebenfalls eine durch den Rohransatz 96 hindurch mit Wärme gespeiste Kammer dar, in welcher flüssig gebliebenes Freon verdampft und das durch Verdampfung abgekühlte Freongas erwärmt wird. Aufgrund von Wärmeleitung werden ferner die Bohrungen 84, 90, 92 erwärmt, wodurcijdie Verdampfung verbessert wird. Demzufolge erzeugt diese Düse nicht nur eine sehr feine Versprühung, sondern im Gegensatz zu bisher be-

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kannten Aerosolsprühgefäßen ein Sprühgas, das nicht kalt sondern angewärmt ist. Die erfindungsgemäße Düse hat den zusätzlichen Vorteil, daß das eine hohe Dichte aufweisende Freon aualaSseitig von der Düse mit der Luft in Wechselwirkung tritt, wodurch im Gegensatz zu gewöhnlichen Düsen, bei Kelchen die hohe Dichte keinen besonderen Vorteil
bringt, die Zerstäubung noch welter verbessert wird.

In den t?ig. 10 bis 12 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung mit einer Düseneinheit 110 Dargestellt, die aus einem Gehäuse 112 und einem Düsenkörper 114 besteht. Beide Elemente 112 und 114 bestehen aus Bronze, das nicht nachbearbeitet zu werden braucht. Die zylindrische Außenfläche des üüsenkörpers 114 1st
in die zylindrische Innenoberfläche des Gehäuses 112 eingesetzt. Bas Gehäuse 112 ist mit einem Außengewinde 116 versehen, das zur Verbindung der Düseneinheit 110 mit einer Druckluftquelle dient. Zur Erleichterung des Ansetzens eines Schlüssels 1st die Außenfläche des Gehäuses 112 mit zwei gegenüberliegenden flachen Oberflächen 118 versehen. Der Düsenkörper 114 weist einlaßseltig einen Hauptkörper 120 auf, in welchen koaxial eine Bohrung 122 und auslaßseitig dazu eine Einlaßöffnung 124 angeordnet 1st. Auslaßseitig ist ferner an dem Hauptkörper 120 ein Ringansätz 126 angeordnet, der auf der Innenseite die Wandung für die Begrenzung der Grenzschichtjbildet, Die äußere Oberfläche
des Düsenkörpers 114 ist über den größten Teil des Ringansatzes 126 mit einer Ausnehmung versehen. Das Ende dieses Hingansatzes 126 bildet jedoch einen Hing 128, der
entlang seines Umfangs am Gehäuse anliegt. Innerhalb des Hingansatzes 126 sind vier je um 90° gegeneinander versetzte, In einer Ebene liegende Bohrungen 130 angeordnet. Der Hingansatz 126 bildet zusammen mit der inneren Ober-

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fläche des Gehäuses 112 und dem Ring 128 eine Verteilerkammer 132. Diese Vertellerkammer 132 wird von zwei Kanälen gespeist, die durch die Flächbereiche 134 des • Rauptkörpers 120 und die Innenfläche des Gehäuses 112 gebildet sind. Diese Kanäle führen elnlaßseltlg bis an das Ende des Ringansatzes 126. Der Ringansatz 126 weist an seinem auslaßseitigen befindlichen Ende eine konische Flache I38 auf, die unter 45° gegenüber der Achse der Düseneinheit 110 geneigt ist. Die innere Oberfläche des Ringansatzes I26 und die Einlaßöffnung 124 sind innerhalb f einer Toleranz von 0.025 cn (0,001) konzentrisch zueinander.

Die Funktionswelse des In den Fig. 10 bis 12 dargestellten Ausführungsbeispieles ist wie folgtt

Unter einem niederen Druck stehende Luft wird dem mit Gewinde versehenen Ende des Gehäuses Ü2 zugeführt. Ein Teil der Luft gelangt durch die Bohrung 122 und die Einlaßöffnung 124 In die eigentliche Düse, die durch den Ringansatz 126 umschlossen ist. Ein anderer Tgil der Luft bewegt sich entlang der <iurch die Flächbereiche.-1'3^ gebildeten Kanäle und wird daraufhin im Bereich des Ringansatzes I26 geteilt. Ein' Teil strömt durch rlngsegmentförmige Öffnungen I36 In die Düse, wodurch die Grenzsohlohtströmung verbessert und dadurch die von der Düseneinheit erzeugte Energie erhöht wird. Der Rest strömt außerhalb des Ringansatzes 126 in die VerteJLerkammer 132 und von dort durch die Bohrungen I30» wodurch die durch die Grenzschicht innerhalb der Düse gebldete Einengung stabilisiert wird. Bei der Abwärtsbewegung der Luft von der Düseneinlaßebene gewinnt die Grenzschicht sehr stark an Dicke, wodurch ein konvergierender Teil des zuerst konvergierenden und dann divergierenden Strahls festgelegt wird. Die Bohrungen 30 werden mit ihren Achsen in den Bereich der EIn-

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schnürung gelegt, in welchem der effektive Düsendurchmesser am kleinsten 1st und die LuftgeBohwindigkeit supersonisch wird. Auslaßseitig von der Einscnnürung bewirkt der eine supersonische Geschwindigkeit aufweisende strahl einen Abbau der Grenzschicht, wodurch ein divergierender Teil des Düsenstrahls entsteht. Die beispielsweise unter einem Winkel von 45° verlaufende konische Fläche 138 erleichtert das Eintreten des Strahles in die.Atmosphäre.

Entsprechend dem in Fig. 10 bis 12 dargestellten Ausführungsbeispiel wurde ein Versuchsmodell konstruiert, das folgende Abmessungen hatte!

Länge L* 0.39 cm (0.152)

Länge L 0.65 cm (0.255)

Durohmesser D_Q 0.26 cm (0.103)

Durchmesser D* O.I7 cm (0.06?)

Durchmesser D- 0.66 cm (0.260)

Durchmesser der Bohrung I30 0.157 cm (0.062)

Durchmesser der Bohrung 124 0.10 cm (O.O76)

Länge der Einlaßöffnung 124 0.064 cm (0.025)

Einlaßdruck: P₁ 0.07 kg/cm² (1 p.s.i.g. )

Ausstoßvolumen V 63 1 pro Min. (2.23 GFM)

Druck P₀ 0.07 kg/cm² (1.0 p.s.l.a. )

Das Vorsehen einer erzwungenen subsonischen Implosion der Luft durch die von den Flachteilen 134 gebildeten Kanäle und die Einlasse 136 beeinflußt wesentlich die Grenzschicht und damit die Energie des supersonischen Strahls. Einlaßseitig von dem mit Gewinde versehenen Ende 116 kann der Luft zusätzlich eine Flüssigkeit oder ein anderes Gas durch Vorsehen einer einfachen Rohrverzweigung zugeführt werden, wobei das Gewichtsverhältnis zu Luft in etwa 1:4 oder 5 betragen kann. Das Misshen erfolgt aufgrund von Kreiselwirkung, die bereits einlaßseitlg von

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BAD OBiGlNAU

der Bohrung 122 einsetzt und sich innerhalb derselben fortsetzt. Obwohl die durch die Flachteile 134- gebildeten Kanäle einen größeren Querschnitt aufweisen als die Einlaßöffnung 12^, ist die Strömungsgeschwindigkeit pro Flächeneinheit innerhalb der Düseneinlaßebene viel geringer als in diesen Kanälen, da Unterschiede in bezu& auf die Dicke der eine langsamere Strömung aufweisenden Grenzschicht und des eine schnellere Strömundaufweisenden mittigen Strahls vorliegen. Innerhalb der durch den Ringeinsatz 126 gebildeten Düse bewegt sich die i?lüssigkeit

P innerhalb der Grenzschicht unter der Wirkung von Zentrifugal kr if ten. Mit einem Gas gelangt weitere flüssigkeit durch die Bohrungen 13^ in die. Grenzschicht. Diese in die Grenzschicht eindringende rlüssigkeit tr "igt dazu bei, daß für deren Aufbau weniger Gas notwendig 1st, so daß mehr Gas für den supersonischen mittleren Bereich der Düse zur Verfügung steht. Die Flüssigkeit erhöht ferner das Moment der aus der Düse austretenden Grenzschichtaioleküle, wodurch die Stoßwirkung und damit die geleistete Arbeit erhöht wird. Die Stoßwirkung wird ferner drastisch erhöht, indem der Druck P^ um einen Faktor erhöht wird, der in etwa dem Quadrat der Druckdifferenz zwischen P^

. und dem Außendruck entspricht. Dies bewirkt, daß chemische Reaktionen einschließlich Verbrennung mit großer Intensität stattfinden, wobei die Vermutung besteht, daß vor der Reaktion selbst aufgrund von dtoßwirkung ein Auseinanderbrechen der Moleküle stattfindet.

Die Düseneinheit 110 weist In sehr starkem Maße selbstregulierende Eigenschaften auf. Bei einer ein konstantes Gas volumen fördernden Druckmittelquelle - beispielsweise einer ein Viertel PS aufweisenden Pumpe steigt der Druck P₁ an, wenn mehr Flüssigkeit durch die Einlaßöffnung 124 zugeführt wird und die Kanäle einen

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verringerten effektiven Querschnitt aufweisen, wodurch jene zusätzliche Leistung übermittelt wird, die für die Verarbeitung von zusätzlicher Flüssigkeit benötigt ist. Das Flüssigkeitsvolumen hängt selbstverständlich sowohl von der Dichte als von dem pro Minute zugeführten Gewicht ab. Eine erhöhte Flüssigkeitsmenge führt ferner zu einem Ansteigen der Energiezufuhr, indem der Durchmesser D vermindert wird, was zu einem Ansteigen des Druckes F₁ führt. Demzufolge können große unterschiedliche 14engen von Flüssigkeiten zugeführt werden.

Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß durch die Vermeidung von Resonatoren die Zusammenschaltung einer Vielzahl von Düsen möglich ist, was bisher zu Schwierigkeiten führte, da die Resonatoren bzw. die Auslaßstrahlen sich gegenseitig störten.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   IJ Verfahren zur Erzeugung eines supersonischen Strahls, dadurch gekennzeichnet , daß zuerst ein unter einen niedrigen Druck stehendes, eine subsonische Geschwindigkeit aufweisendes Gas in eine, ■

   * einen kleinen Durchmesser aufweisende Düse eingeführt wird, daß das Gas unter Ausbildung eines -konvergierenden und anschließend divergierenden Strahls entlang der Düse, eine stark sich verdickende Grenzschicht bildet, daß der auf einen effektiven Durchmesser D zusammengedrängte, unter einem Druck von P stehende Strahl in jenem Bereich, .. in welchem er eine supersonische Geschwindigkeit, erhält, . stabilisiert wird, daß stromabwärts von jenem Ubergangsberelch die Grenzschichtdicke verkleinert wird, und daß der Strahl im Bereich des Verschwindens der Grenzschicht aus der Du- , se herausgeführt wird, wobei der effektive Auslaßdurchmesser Df mindestens doppelt so groß wie der eine supersoni- sehe Strömung erzeugende.Durchmesser D ist.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das im Bereich der.Einlaßöffnung der Düse zugeführte Gas implodiert wird.

   3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas durch eine Offnung.mit einem Durchmesser kleiner als die Hälfte des Innendurchmessers der Düse im Bereich des Einlasses eingeführt wird.

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   4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als Gas ein unter niedrigem Druck stehendes Freongas verwendet wird.

   5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß eine Flüssigkeit in das Gas injiziert wird, und daß anschließend die Mischung einerseits der Düseneinlaßöffnung für die Zufuhr in eine Implosionszone und andererseits den eine Stabilisation in der Einschnürungsebene bildenden Bohrungen zugeführt wird.

   6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet , daß die Düse (26, 110) zwischen der Düseneinlaßöffnung (20, 92, 124-) und dem Auslaß (32, 94 und 138) Stabilisationselemente (30, 42, 6o, 82, 130) aufweist, und daß die Düse (26, 110) derart ausgebildet ist, daß der mit subsonischer Geschwindigkeit und einem Druck P, zugeführte Strahl im Bereich jener Stabilisationselemente (30, 42, 60, 82, 130) eine supersonische Geschwindigkeit erreicht.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Stabilisationselemente eine Mehrzahl von Bohrungen (30, 82, 130) aufweisen.

   8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Bohrungen (30, 4o, 82, I30) und die Düseneinlaßöffnung (20, 92, 124) mit derselben Druckmittelquelle in Verbindung stehen.

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   9. Vorrichtung; nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (30, 40, 82, 130) mit einer verschiedenen Druckmittelquelle, wie die Düseneinlaßöffnung: (20, 92, 124), in Verbindung stehen.

   10. Vorrichtung: nach Anspruch 9, dadurch ε e kennzeichnet , daß die Bohrungen (30, 4o, 62): mit der Außenatmosphäre in Verbindung: stehen.

   11. Vorrichtung· nach Anspruch 6, dadurch pt e kennzeichnet , daß die stabilisatio.nselemente durch eine Ring;kante (60) gebildet sind.

   12. Vorrichtung· nach Anspruch 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Düse (26, 110) eine zylindrische Innenwandung· aufweist..

   13. Vorrichtung· nach Anspruch 12, dadurch ζ e ken η ze i c h η e t , daß der Durchmesser der Düseneinlaßöffnung (20, 92, 124) kleiner als der Innendurchmesser der zylindrischen Düse (26, 110) ist.

   14. Vorrichtung: nach einem der Ansprüche 6 - 13, dadurch gekennzeichnet , daß im Jüseneinlaßbereich subsonische Implosion stattfindet.

   15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch g: e kennzeichnet, daß innerhalb des Implosionsbereichs eine Flüssigkeit zuführende Elemente vorgesehen sind.

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   Ιό. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 - 15, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis L /D_f zwischen 0,9 und 1,5 beträft.

   17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß Df, geringer als 0,6^ cm (Ο.25), P geringer als 0,25 cm (0.1), M wenierer als 3, P. im Bereich von 0.07 bis 1 kg/cm (0.1 bis 15 psig) und V im Bereich von 5,7 bis 1420 1 pro Minute (0.2 bis 50 CF-M) ist.

   18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 - 16, dadurch gekennzeichnet , daß die Düsenanordnung Zivi sehen ^ und 1000 Düsen (26, 110) enthält.

   19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-18, dadurch sre" kennzeichnet , daß eine die Grenzschicht seitlich begrenzende Wandung (96, 126) mit einem Einlaß- und Auslaßende vorgesehen ist, und daß an dem Einlaßende dieser Wandung (96, 126) und koaxial dazu ein Element (20, 120) vorgesehen sind, durch welche die Düseneinlaßöffnung (20, 92, 12*0 in Längsrichtung festgelegt ist.

   20. Vorrichtung: nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Düseneinlaßö'ffnuns (20, 92, 12*1-) mit einer Druckmittelauelle verbunden ist.

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   21. Vorrichtung: nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß die Wandung: (96, 126) eine Mehrzahl von die Einschnürung des Strahls stabilisierenden Bohrungen (30, 40, 82, 130) aufweist, die mit der Druckmittelquelle verbunden sind.

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