DE19543163C1 - Anordnung von Auslaßvorrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von Auslaßvorrichtungen zur Freiset­ zung kryogener, brennbarer Abdämpfe, gemaß dem Oberbegriff des Patentan­ spruches 1.

Es besteht zunehmendes Interesse daran, Fahrzeuge verschiedenster Art mit kryogenen Kraftstoffen, wie z. B. Flüssigwasserstoff (LH₂), flüssigem Erdgas (LNG) oder Flüssigmethan, zu betreiben, insbesondere aus Gründen der Emis­ sionsreduzierung. Nicht zuletzt darum besteht auch die Notwendigkeit, solche Stoffe über größere Entfernungen in geeigneten Fahrzeugen zu transportieren, so daß Fahrzeuge sowohl als Verbraucher als auch als Transportmittel oder in beiden Funktionen zugleich auftreten. In all diesen Fällen werden wärmeisolier­ te Tanks in bzw. an den Fahrzeugen mitgeführt, wobei sich ein gewisser, per­ manenter Wärmeeintrag in den Tankinhalt praktisch nie vermeiden läßt. Er­ hebliche, zusätzliche Wärmebelastungen können sich im Falle der Beschädi­ gung bzw. Zerstörung der Tankisolation ergeben. Weiterhin sind in der Regel funktionsmäßig erforderliche Wärmequellen, wie z. B. Pumpen oder Umwälz­ vorrichtungen, im Tank vorhanden. Die durch den Wärmeeintrag bedingte Druckzunahme muß spätestens bei Erreichen der Belastbarkeitsgrenzen der Tankstruktur durch Dampfablaß kontrolliert werden. Dabei ist eine weitere Nutzung des energiereichen Abdampfes zwar wünschenswert, aber oft nicht realisierbar, so daß letztlich dann nur die Freisetzung in die Atmosphäre mög­ lich ist.

Bei stationären Tankanlagen ist eine gefahrlose Freisetzung des Abdampfes über entsprechend hohe Kamine zweckmäßig, wobei ein gezieltes Abfackeln sinnvoll bzw. notwendig sein kann.

Bei schnelleren Fahrzeugen mit der Notwendigkeit der Beachtung aerodynami­ scher Einflüsse sind derartige Ausführungen nicht angebracht.

Tankentlüftungen, wie sie von mit Kerosin betriebenen Fluggeräten bekannt sind, sind auf Kryogenanwendungen deshalb nicht übertragbar, weil die kyrogenen Treibstoffe infolge ihrer extrem tiefen Temperaturen Materialschäden durch Versprödung sowie infolge ihrer meist hohen Zündwilligkeit nach ungewollter Zündung Brandschäden mit z. T. katastrophalen Folgen her­ vorrufen können.

Die bekannten Kerosintank-Entlüftungen tragen weder von der Anordnung noch von der Ausführung her den kryogenspezifischen Sicherheitsanforderun­ gen (Strukturschutz) ausreichend Rechnung.

In Berechnungen und praktischen Versuchen hat sich gezeigt, daß mit Ab­ dampfstrahlen zu rechnen ist, deren Länge bis über 10 Meter bei einem Durch­ messer von bis zu drei Meter betragen kann. Bei ungewollter Zündung entsteht daraus eine Stichflamme in vergleichbarer Größenordnung mit einer Tempera­ tur von über 2000°C.

Bei einem bereits mit LH₂ betriebenem Experimentalflugzeug TU-155 wird der Treibstoffabdampf deswegen am oberen Ende des Seitenleitwerkes freigesetzt. Je nach Einbauort der Tanks, z. B. an den Tragflächen, können sich dabei un­ günstig lange schwere, sicherheitstechnisch bedenkliche Leitungskonfiguratio­ nen zwischen dem Tank und der Auslaßvorrichtung ergeben.

Angesichts der geschilderten Problematik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, dem Fachmann Konstruktionsregeln für die Anordnung von Auslaßvor­ richtungen zur Freisetzung kryogener, brennbarer Abdämpfe im oberflächen­ nahen, umströmten Außenbereich von Luft, Land- und Wasserfahrzeugen in die Atmosphäre anzugeben, bei deren Beachtung eine Tieftemperaturschä­ digung der Fahrzeugstruktur sicher vermieden wird, eine ungewollte Zündung der Abdämpfe weitgehend ausgeschlossen ist, selbst bei Zündung der Abdämp­ fe nennenswerte Brandschäden ausbleiben, und die Auslaßvorrichtungen in Tanknähe mit kurzen, einfachen, sicheren und leichtgewichtigen Verbindungsleitungen installierbar sind.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst.

Jede Auslaßvorrichtung ist auf der Oberseite eines Bauteiles am oberen Ende eines strömungsgünstigen Pylons in der freien, ungestörten Luftströmung anzu­ ordnen. Die "Oben-Anordnung" ist besonders wichtig bei kryogenen Wasser­ stoffdämpfen mit der Eigenschaft, in der Umgebungsluft dichtebedingt sofort nach oben zu steigen. Die Freisetzung in ungestörter Strömung sowie die strö­ mungsgünstige Pylonausführung verhindern "Flammhaltereffekte", so daß die Abdämpfe zügig und ohne störende Verwirbelung von den Auslaßvorrichtun­ gen weggeleitet werden, was insbesondere bei ungewollter Zündung von gro­ ßer Bedeutung ist.

Die Abdämpfe werden in gerichteten Strahlen mit der Hauptströmungskomponente entgegen der Fahrt-/Flugrichtung freigesetzt, was ebenfalls zu einem raschen Entfernen vom Fahrzeug führt. Dabei können seitliche bzw. nach oben gerich­ tete Strömungskomponenten überlagert sein. Bei kryogenen Abdämpfen schwerer als Luft und stehendem Fahrzeug ist so ein Absinken der Abdämpfe im Fahrzeugbereich bzw. in gefährlicher Nähe zu diesem zu vermeiden. Die Abdampfstrahlen sind von Lufteinlässen, heißen Abgasstrahlen und anderen Zündquellen sowie von Bauteiloberflächen fernzuhalten im Hinblick auf Brandgefahr, Tieftemperaturschäden und fahrzeuginterner Luftverunreinigung.

Die Unteransprüche 2 bis 4 geben bevorzugte Ausführungsbeispiele der An­ ordnung nach dem Hauptanspruch an.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfachter Darstellung:

Fig. 1 ein Flugzeug mit zwei Rumpftanks und zwei zugeordneten Auslaß­ vorrichtungen in Seitenansicht,

Fig. 2 ein Flugzeug mit vier oben auf dem Rumpf angeordneten, entspre­ chend verkleideten Tanks in Draufsicht, mit einer Auslaßvorrichtung,

Fig. 3 ein Flugzeug mit zwei Außentanks und zwei daran angeordneten Auslaßvorrichtungen, in Draufsicht.

Das Flugzeug 1 gemäß Fig. 1 besitzt ein konventionelles aerodynamisches Konzept, d. h. einen Rumpf 16, Tragflächen 19 mit je einem Triebwerk 35 so­ wie einem Heckleitwerk, bestehend aus Seitenleitwerk 22 und Höhenleitwerk 25. Je ein Tank 28, 29 für kryogenen Treibstoff ist im Rumpf 16 im Bereich seines vorderen und hinteren Endes untergebracht. Die Tankabdampfleitungen - nicht näher bezeichnet - führen nach oben durch strömungsgünstige Pylone 8 bzw. 9 zu Auslaßvorrichtungen 4 bzw. 5 - möglichst weit - vorne auf dem Rumpf 16 bzw. oben auf dem Seitenleitwerk 22. Die zeitweise aus den Aus­ laßvorrichtungen 4, 5 austretenden Abdampfstrahlen 12, 13 sind hier mit "lanzenförmigen" Kernzonen und divergierenden Durchmischungszonen (mit Außenluft) dargestellt.

In gleicher Weise sind übrigens auch die beiden Triebwerksabgasstrahlen 38 gezeichnet. Der Abstand von der Auslaßvorrichtung 4 zum Seitenleitwerk 22 muß deutlich größer sein als die maximale Länge des Bereiches, in welchem Strukturbeschädigungen durch Kälte oder Hitze (bei Entzündung) zu erwarten sind. Falls dies nicht möglich ist, empfiehlt es sich, den vorderen Abdampf­ strahl, wie nach Fig. 2, in zwei seitlich am Leitwerk vorbeiführende Teilstrah­ len aufzuspalten.

Das Flugzeug 2, wiederum in konventioneller Bauweise mit Rumpf 17, Trag­ flächen 20, Triebwerken 36 und Leitwerk 23, 26 besitzt vier oben auf dem Rumpf 17 angeordnete Tanks 30 bis 33, welche durch entsprechende Verklei­ dungen mit dem Rumpf 17 zu einer strömungsgünstigen Einheit verbunden sind. Die gemeinsame Tankabdampfleitung führt durch den Pylon 10 zur Aus­ laßvorrichtung 6 im Vorderrumpfbereich, wobei die Abdampfmenge in zwei mengengleiche, symmetrisch seitlich nach hinten - und ggf. nach oben - gerich­ tete, am Leitwerk 23, 26 vorbeizielende Strahlen 14 aufgeteilt wird.

Das Flugzeug 3 nach Fig. 3, mit Rumpf 18, Tragflächen 21, Triebwerken 37 und Leitwerk 24, 27, weist als Besonderheit zwei Außentanks 34 für den kryo­ genen Treibstoff auf, welche unter den Tragflächen 21 aufgehängt sind und so­ mit den heißen Triebwerksabgasstrahlen 39 sehr nahe sind. Die Außentanks 34 sind mit Pylonen 11 und Auslaßvorrichtungen 7 versehen, welch letzte den Ab­ dampf in seitlich nach außen vom Triebwerksabgas wegführenden Strahlen 15 ins Freie entlassen.

Der hier wiedergegebene Abgasstrahl 40 stellt, wie die Haupttrieb­ werksstrahlen 39, eine mögliche Zündquelle dar, welche jedoch sicher umgan­ gen wird.

Claims (4)

1. Anordnung von Auslaßvorrichtungen zur Freisetzung kryogener, brennbarer Abdämpfe im oberflächennahen, umströmten Außenbereich von Luft-, Land- und Wasserfahrzeugen, insbesondere von kryogene Treibstoffe nutzenden Flugzeugen, in die Atmosphäre, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine Auslaßvorrichtung (4 bis 7) auf der Oberseite eines Bau­ teiles am oberen Ende eines strömungsgünstigen Pylons (8 bis 11) in der freien, ungestörten Luftströmung angeordnet ist, und
daß die Auslaßvorrichtung (4 bis 7) oder jede Auslaßvorrichtung so angeord­ net, beschaffen und orientiert ist, daß der Abdampf in mindestens einem gerich­ teten, bezüglich der Fahrt- oder Flugrichtung nach hinten oder nach hinten und oben orientierten Strahl (12 bis 15) mit oder ohne seitliche Richtungskompo­ nente freigesetzt und dabei von Lufteinlässen, heißen Abgasstrahlen (38 bis 40) und anderen Zündquellen sowie von Bauteiloberflächen ferngehalten wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1 für Flugzeuge mit konventionellem aero­ dynamischem Konzept, d. h. mit Rumpf, Tragflächen, Höhen- und Seitenleit­ werk, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auslaßvorrichtung (5) auf der Ober­ seite des Seitenleitwerkes (22) angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 für Flugzeuge mit konventionellem aerodynamischem Konzept, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auslaßvor­ richtung (4, 6) auf der Oberseite des vorderen Rumpfendes angeordnet und so beschaffen ist, daß der dort freigesetzte Abdampf in zwei beiderseits am Sei­ tenleitwerk (22, 23) vorbeizielende Strahlen (12, 14) aufgeteilt wird.

4. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 für Flug­ zeuge mit konventionellem aerodynamischem Konzept und mit Außentanks unter den Tragflächen seitlich außerhalb der dort angeordneten Triebwerke, dadurch gekennzeichnet, daß am stromabwärtigen Ende jedes Außentanks (34) auf dessen Oberseite eine Auslaßvorrichtung (7) angeordnet und so orien­ tiert ist, daß der dort freigesetzte Abdampf sich in einem seitlich nach außen zielenden Strahl (15) vom heißen Triebwerksabgasstrahl (39) entfernt.