DE1954851A1 - Einrichtung zur Erzeugung eines Gasstrahls - Google Patents

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, 29. OKT. 1969

Berlin und München Werner-von-Siemens-Str.50

Unser Zeichen:

VPA 69/1416 Kin/Rd

Einrichtung zur Erzeugung eines Gasstrahls.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erzeugung eines Gasstrahls mit hoher Geschwindigkeit, der über eine Ausströmungsdiise aus einer Lichtbogenkammer austritt.

Auf mehreren Gebieten der modernen Technik werden Plasmaströmungen mit Überschallgeschwindigkeit gefordert. Solche Strömungen werden beispielsweise benötigt zur Nachbildung der Strömung sverhältnisse beim Plug von Raketen und bei Flugkörpern mit großen Machzahlen, z.B. bei Machzahlen von 10 und größer in sogenannten Hyperschall-Windkanälen und ferner bei Strahltriebwerken von Raketen. Aus der deutschen Patentschrift 1080 324 ist eine Einrichtung zur Erzeugung von ionisierten Gasströmungen mit Überschallgeschwindigkeit bekannt, die aus einem druckfesten Gehäuse, einer sogenannten Druckkammer, mit einer darin angebrachten Lichtbogenanordnung und einer Laval-Düse als Ausströmdüse besteht.

Eine der Elektroden zur Erzeugung des Lichtbogens kann als Becherelektrode ausgeführt sein, aus der der Lichtbogen während des Betriebes unter tangentialer Gaszufuhr in eine, Zylinderelektrode hineinbrennt. Solche Plasmabrenner sind aus der Zeitschrift "IEEE Transactions on Nuclear Science", Jan.1964, S.41 bis 46 bekannt. Im Axialbereich des Plasmabrenners wird eine durchgehende Strömungssäule ausgebildet, die sich bis in die Zylinderelektrode erstreckt. Durch diese Strömungsverhältnisse wird der Lichtbogen glasstabilisiert. Durch Magnetspulen, welche um die Elektroden angeordnet sind, kann man den Lichtbogen rotieren lassen.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1271 852 ist eine

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Lichtbogenkammer bekannt, deren Becherelektrode in Achsrichtung der Kammer, das ist zugleich die Achsrichtung des Gasstrahls, verstellbar ist. Die Becherelektrode kann mit einem zentralen.Gaszuführungskanal versehen sein. Eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Gasstrahls erhält man durch eine große Differenz zwischen dem Wärmeinhalt des Gases vor der Düse zu seinem Wärmeinhalt hinter der Düse, also nach der Expansion.

Bei den bekannten Plasmabrennern zur Lufterhitzung mit wirbelstabilisierten Lichtbögen sind bei Luftmengendurchsätzen zwischen 30 und 100 g/sec gute Betriebsbedingungen mit mittleren Lufttemperaturen bis zu 6000⁰K und Elektrodenstandzeiten bis zu etwa 25 Stunden erreichbar. Bei kleineren Luftmengen von etwa 1 bis 10 g/sec ist es dagegen schwierig, eine entsprechend hohe elektrische Leistung der Luft zu übertragen, weil die Dimensionen der Elektroden gegenüber dem Lichtbogendurchmesser zu klein werden und das Verhältnis von Oberfläche zum Volumen des Brennraumes zu groß wird. Dann erhält man einen entsprechend geringen Wirkungsgrad. Eine geringe elektrische Leistung und ein geringer Wirkungsgrad ergeben niedrige Lufttemperaturen und eine entsprechend geringe Gasgeschwindigkeit.

Aus der deutschen Patentschrift 685 455 ist es bekannt, einem Werkstück einen heißen Gasstrom zuzuführen, dessen äußere kalte Hülle durch Ablenkschirme abgeschält wird. Diese Ablenkschirme sind in einem gewissen Abstand vor der Düse außerhalb der Lichtbogenkammer angeordnet. Mit dieser Abschäleinrichtung kann somit die Geschwindigkeit des Gasstrahls nicht beeinflußt werden, im Gegenteil durch Wirbelbildung hinter den Ablenkschirmen wird die Geschwindigkeit vermindert und die Gasströmung gestört.

Nach der österr.Patentschrift 128 301 kann von dem Gasstrom innerhalb der Lichtbogenkammer ein Teilstrom abgeleitet werden. Dieser Teilstrom wird durch Bohrungen hindurchgeführt, die in einem vorgegebenen Abstand von der Düsenmündung angeordnet sind.

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Der Teilgasstrom wird mittels entsprechender Bleche dem Hauptgasstrom nach dem Austreten aus der Düse wieder zugeführt. Dieser Teilgasstrom hat die Aufgabe, die Düse zu schützen.

Ferner ist die Anordnung von Doppeldüsen bekannt, beispielsweise aus der britischen Patentschrift 958 375· Diese Doppeldüsen sind in Richtung des Gasstrahls hintereinander angeordnet. Zwischen den beiden Düsenteilen sind Mittel zur Zuführung von Trägergas mit einem Pulver vorgesehen. Das Trägergas mit dem Pulver kann gegebenenfalls auch durch eine Bohrung der vorderen Düse, der sogenannten Sekundärdüse, zugeführt werden.

Die deutsche Auslegeschrift 1085 353 zeigt einen Plamabeschleuniger zur Erzeugung von Strömungen mit Überschallgeschwindigkeit, bei dem ein zusätzliches Medium in die Lichtbogenkammer eingelassen wird, um die Dichte des Plasmas zu erhöhen und das Plasma auf einen dünnen Strahl zu begrenzen. Ein nicht verbrauchter Teil des Mediums kann durch Ableitungsschlitze entweichen, die in der Nähe der Düse angeordnet sind. Diese Einrichtung erfordert somit ein zusätzliches Medium, das zum Teil durch die Schlitze wieder abgeführt wird.

Aus der US-Patentschrift 3226 592 ist auch eine Doppeldüse "^: koaxialer Anordnung bekannt. Diese Doppeldüse ist zum Ansaugen eines ionisierten Mediums vorgesehen. Die Polarität des Potentials der beiden koaxialen Düsenteile wird mit hoher Frequenz verändert. Dadurch sollen jeweils die Ionen und Elektronen zu verschiedenen Zeiten in der Lichtbogenkammer eintreffen.

Demgegenüber ist nach der Erfindung als Ausströmungsdüse der eingangs erwähnten Einrichtung zur Erzeugung eines Gasstrahls hoher Temperatur eine konzentrische Doppeldüse vorgesehen, aus derem inneren Düsenmund der Gasstrahl austritt. Durch den inneren Düsenhals wird aus dem heißen Kern der Wirbelströmung die benötigte Luftmenge selektiert und beschleunigt. Die benötigte Luftmenge soll nur einen Teil, beispielsweise etwa 1/3 bis 1/1O der Gesamtmenge des Gasstrahls betragen. Die

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äußeren, meist kälteren Schichten der Wirbelströmung werden durch die größere, ringförmig ausgebildete Düse und anschliessend durch ein oder mehrere, vorzugsweise flüssigkeitsgekühlte, Rohre nach außen abgeführt. Diese Abführungsrohre können zweckmäßig etwa tangential zum Gasstrom verlaufen.

Das abgeführte Gas kann in einem Kühler auf geringe Temperaturen abgekühlt werden und durch ein Ventil in die TJmgebungsatmosphäre ausströmen. Das Ventil kann vorteilhaft selbst zur Steuerung oder Regelung des abgeschälten Teilgasstromes verwendet werden. Die aus der äußeren Düse austretende Luft kann ferner durch Mischung mit einem kalten Luftstrom, der um die Lichtbogenkammer in deren Achsrichtung verläuft, abgeführt werden. Der die Lichtbogenkammer umgebende kalte Luftstrom wirkt dann auf den Teilgasstrom wie eine Strahlpumpe. Ferner ist eine Regelung des abgeschälten Teilgasstromes durch axiales Verschieben der beiden Düsenteile möglich. Durch Bewegung in Achsrichtung der beiden Düsenteile wird der äußere ringförmige Düsenschlitz vergrößert oder verkleinert.

Mit der Einrichtung nach der Erfindung sind große elektrische Bogenleistungen erreichbar, weil die Bogenfußpunkte weit in die Elektroden hineinlaufen. Durch ein kleines Verhältnis von Oberfläche zum Volumen des Brennraumes und die hohe Lichtbogenleistung erhält man einen guten Wirkungsgrad des Brenners mit großer Luftmenge. Es kann somit zur Erzeugung eines Gasstrahls geringer Luftmenge ein verhältnismäßig großer Brenner verwendet werden und man erhält mit dem großen Brenner eine hohe Lufttemperatur, weil aus dem aufgeheizten Gasstrahl der Kern mit der höchsten Temperatur herausgeschält wird. Der Gesamtwirkungsgrad

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der sich aus dem Brennwirkungsgrad V[ -g und dem Verhältnis der Leistung N^ des abgeschälten Kerns zur gesamten, im Brenner in die Luft übergetretenen Leistung N_R + N_a ergibt, kann wenigstens in der gleichen Größenordnung oder höher sein als bei

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einem Brenner mit kleinen Elektroden. Dabei ist N die Leistung der durch die äußere Düse strömenden Luft. Da für den Lichtbogen in einer großen Elektrode auch eine große Lauffläche 'zur Verfügung steht, wird die Lebensdauer der Elektroden entsprechend erhöht. Im Lichtbogenfußpunkt abgetragenes oder abgebranntes Kupfer bzw. Kupferoxyd wird durch die Wirbelströmung zur äußeren Düse abgeführt. Diese abgetragenen Metallteile sind deshalb in der Nutzströmung durch die innere Düse nicht enthalten. Die innere Düse kann somit nicht verstopfen und ein in einem nachgeschalteten Windkanal befindliches Modell wird durch diese Metallteile nicht beeinflußt. Die Gasteilchen im äußeren Teil des Gasstrahls haben das größte Impulsmoment, weil die größte azimutale Geschwindigkeitskomponente und die größte Dichte im äußeren Teil der Wirbelströmung auftritt. Da dieser Teil des Gasstrahls durch die äußere Düse abgeschält wird, enthalten die aus der inneren Düse austretenden Gasteilchen nur noch ein vernachlässigbar kleines Impulsmoment und dieser austretende Gasstrahl hat somit eine im wesentlichen gleichmäßige Axialströmung.

Beim Durchbrennen einer kalten Elektrode wird der Hauptanteil des in den Luftraum strömenden Kühlwassers, vor allem die nicht verdampften Wassertropfen, mit dem Gasdrall durch die äußere Düse abgeführt. Die Nutzströmung kann durch die Regelung des abgeschälten Gasteils bei gleichbleibendem Gesamtstrom geregelt werden. Die Regelung ist im Gegensatz zur Mengenregelung bei einem kleinen Brenner nicht mit einer Änderung'der elektrischen Leistung verbunden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen. In Fig.1 ist ein AusfUhrungsbeispiel einer Einrichtung nach der Erfindung schematisch veranschaulicht. Pig.2 zeigt ein Ventil zur Mengenregelung des abgeschälten Teilgases. In Pig.3 ist die Abführung des Teilgases mit Hilfe eines Windkanals nach dem Strahlprinzip dargestellt.

Nach Pig.1 ist eine Lichtbogenkammer 2 von einer zylinderförmigen Kammerwand 3 und einer Bodenplatte 4· sowie einem Deckel 5

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abgeschlossen. Durch die Bodenplatte 4 ragt die Antriebsvorrichtung 8 einer Becherelektrode 10, die vorzugsweise in Richtung der Achse der Lichtbogenkammer verstellbar sein kann, deren Verstelleinrichtung in der Figur jedoch nicht dargesxellt 1st. Der Boden der Elektrode 10 kann ferner bekannterweise mit einer zentralen Bohrung zur Zuführung eines Gasstroms versehen sein. Der Öffnung der Becherelektrode in Achsrichtung der Lichtbogenkammer 2 gegenüber ist eine Zylinderelektrode 12 angeordnet. Die Lichtbogenkammer 2 kann in bekannter Weise ausgestaltet sein. Die Einzelteile sind in der Figur nicht dargestellt. Dasein die Becherelektrode 10 eintretende Gas wird mittels eines Lichtbogens 14 aufgeheizt, der zwischen den Elektroden 10 und 12 brennt. Vor der Kammeröffnung in der Bewegungsrichtung des Gasstrahls ist eine Austrittsdüse angeordnet, die nach der Erfindung als Doppeldüse mit vorzugsweise in Achsrichtung des Gasstrahls verstellbaren Teilen 16 und 18 bestehen kann. Der innere Düsenteil 16 ist mit einer Fremdkühlung, vorzugsweise Flüssigkeitskühlung, insbesondere Wasserkühlung, versehen. Die Kühlflüssigkeit wird über einen Wasseranschluß 20 zugeführt und über einen entsprechenden Anschluß

21 wieder abgeführt. In gleicher Weise ist der äußere DUsenteil mit einer Flüssigkeitszuführung 23 und einer Abführung 24 versehen. Der Querschnitt der inneren Düsenaustrittsöffnung 26 hat die Form einer Laval-Düse. Die äußere, ringförmige Düsenaustrittsöffnung 28 kann ebenfalls in Form der strömungsgünstigen Laval-Düse gestaltet sein. Zur Abführung des abgeschälten Teils des Gasstromes können ein oder mehrere, vorzugsweise tangential zur Gasströmung verlaufende, Auslaßkanäle 30 vorgesehen sein.

Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, die Form der äußeren Düsenöffnung so zu wählen, daß beim Austreten des Gasstrahls keine wesentliche Änderung der Gasgeschwindigkeit erfolgt.

Die inneren und äußeren Düsenteile sollen in Achsrichtung der Lichtbogenkammer und damit des Gasstrahls relativ zueinander verschiebbar sein. Diese Verschiebbarkeit ist in der Figur dadurch angedeutet, daß ein Teil der Außenwand des äußeren

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Düsenteils 18 von der Außenwandung 32 des inneren Düsenteils eingeschlossen ist. Dieser Teil der Außenwand 32 soll den überdeckten Teil der Außenwand 32 des Düsenteils 18 gasdicht einschließen. Die erforderlichen Dichtungen sind in der Figur nicht dargestellt.

Die dargestellte konstruktive Gestaltung der verschiebbaren Düsenteile ist lediglich als Beispiel zu betrachten, weil verschiedene gleichwertige Ausgestaltungen solcher Düsenteile denkbar sind. Die beiden Düsenteile 16 und 18 können beispielsweise mit einer gemeinsamen zylindrischen Außenwand versehen sein und wenigstens eines der beiden Düsenteile an dieser Außenwand in Achsrichtung verstellbar bzw. verschiebbar angeordnet sein.

Die Anordnung nach Fig.1 ist lediglich als schematische Darstellung zu betrachten, in der Einzelheiten, beispielsweise die elektrische Isolation der stromführenden Teile, nicht enthalten sind.

Nach Fig.2 kann wenigstens einer der Austrittskanäle 30 für den abgeschalteten Teil des G-asstroms mit verstellbarem Querschnitt vorgesehen sein. Der Austrittskanal kann von zwei Wandteilen 32 und 36 begrenzt sein, von denen der eine Teil 36 als Schieber ausgebildet ist. Durch Verschiebung dieses Schiebers 36 quer zur Strömungsrichtung des auströmenden Gases, das ist die Achsrichtung des Austrittskanals 30, wird der Querschnitt des Kanals 30 entsprechend verändert und damit der abzuschälende Teil des Gasstroms eingestellt. Der Schieber 36 kann vorzugsweise mit einer Wasserkühlung versehen sein, deren Zu- und Abführung durch Pfeile angedeutet sind. Die Kühlflüssigkeit durchfließt einen Kühlkanal 38 des Schiebers 36. In gleicher Weise können die Wände 32, 33 und 34 des Ausströmkanals mit einer zusätzlichen Kühlung versehen sein. Der Schieber 36 soll mittels besonderer Dichtungen 39 und 40 gegen die Kanalwand 32 und 34 abgedichtet sein. Zum Schutz dieser Dichtungen 39 und 40 kann in der Nähe der Dichtungen Kaltluft zugeführt werden, die Über eine Zuführungsöffnung 42 in den Kanal 30 einströmt.

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Nach Fig.3 soll durch eine im wesentlichen zylindrische Außenwand 50 ein Strömungskanal um die Lichtbogenkammer 2 mit den Elektroden 10 und 12 und der Düse 16, 18 gebildet werden. Durch das mit hoher Geschwindigkeit aus der äußeren Düse 28 aus der Lichtbogenkammer 2 ausströmende Teilgas wird die Luft im Strö-' mungskanal nach dem Strahlprinzip migerissen und kühlt das austretende Teilgas entsprechend ab. Das abgekühlte Gasgemisch kann durch einen Stutzen 52 wieder abgeführt werden. Zu diesem Zweck können die beiden Düsenteile 16 und 18, insbesondere der äußere Düsenteil 18, so gestaltet sein, daß sich eine gute Strahlwirkung ergibt. Der aus der inneren Düsenöffnung 26 austretende Kern des Gasstrahls bleibt im wesentlichen ohne axiale Wirbelkräfte, so daß sich in der Gasstrecke 54 eines nachgeordneten Windkanals eine im wesentlichen in Achsrichtung des Strahls verlaufende Strömung ergibt.

Bei verhältnismäßig kleinem Druck in der Lichtbogenkammer 2 und entsprechend geringer Geschwindigkeit des aus der Düse 28 austretenden Teilgases kann auch der Kühlluftstrom mittels eines in der Figur nicht dargestellten Gebläses zugeführt werden.

10 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims (10)

Patentansprüche

1. Einrichtung zur Erzeugung eines Gasstrahls hoher Geschwindigkeit, der über eine Ausströmungsdüse aus einer Lichtbogenkammer austritt, dadurch gekennzeichnet, daS als Ausströmungsdüse eine konzentrische Doppeldüse (16,18) vorgesehen ist, aus derem inneren Düaenmund (26) der Gasstrahl austritt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Düsenmund (26) die Form einer Laval-Düse hat*

3· Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des äußeren ringförmigen Düsenmundes (28) die Form einer Laval-Düse hat.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Düsenmund (28) in einem Ausströmkanal (30) oder mehrere Ausströmungskanäle endet.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine radiale Anordnung des Ausströmkanals (30) oder der Ausströmkanäle .

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, gekennzeichnet durch einen veränderbaren Querschnitt wenigstens eines der Ausströmkanäle.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz der Dichtung eines Schiebers (36) wenigstens eines der Ausströmkanäle die Zuführung von Kaltluft vorgesehen ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 oder den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der beiden Düsenteile (16,18) in Achsrichtung des Gasstrahls beweglich ist.

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9. Einrichtung nach einem der Ansprüche oder den- Ansprüchen 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Flüssigkeitskühlung wenigstens einzelner Teile der Einrichtung.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche oder den Ansprüchen 1 . bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem äußeren Düsenmund (28) ausströmende Teil des Gasstrahls einen um die Lichtbogenkammer im wesentlichen in deren axialer Richtung verlaufenden Gasstrom nach Art einer Strahlpumpe mitreißt.

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