DE1954851B2 - Plasmastrahlgenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasmastrahlgenerator, aus dessen Lichtbogenbrennkammer der Plasmastrahl aus einer zentralen Austrittsöffnung und einer koaxial dazu angeordneten ringförmigen Austrittsöflnung austritt.

Auf mehreren Gebieten der modernen Technik werden Plasmaströmungen mit Überschallgeschwindigkeit gefordert. Solche Strömur^en werden beispielsweise benötigt zur Nachbildung der Strömungsverhältnisse beim Flug von Raketen und bei Flugkörpern mit großen Machzahlen, z. B. bei Machzahlen von 10 und größer in sogenannten Hyperscha'l-Windkanälen, und ferner bei Strahltriebwerken von Raketen. Aus der deutschen Patentschrift 080 324 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.

Bei den bekannten Plasmabrennern zur Lufterhitzung mit wirbelstabilisierten Lichtbogen sind bei Luftmengendurchsätzen zwischen 30 und lOOg/sec gute Betriebsbedingungen mit mittleren Lufttemperaturen bis zu 6000° K und Elektrodenstandzeiten bis zu etwa 25 Stunden erreichbar. Bei kleineren Luftmengen von etwa 1 bis lOg/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 .5 wird. Dann erhält man einen entsprechend geringen Wirkungsgrad. Eine geringe elektrische Leistung und ein geringer Wirkungsgrad ergeben niedrige Lufttemperaturen und eine entsprechend geringe Gasgeschwindigkeit.

ίο Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Geschwindigkeit des aus der Düse austretenden Plasmastrahls bei Plasmastrahlgeneratoren zu erhöhen.

Hohe Austrittsgeschwindigkeiten erfordern hohe Temperaturen. Die Temperatur des über eine erste Düse aus der Brennkammer austretenden Plasmas wird aber bei den bekannten Generatoren begrenzt durch ungleichmäßiges Aufheizen des zugeführtcrt Gases. Man hat deshalb der Brennkammer noch eine Ausgleichskammer nachgeschaltet, die mit einer Expansionsdüse versehen ist. In der Ausgleichskammer sollen die Gaselemente ihre Energie austauschen (»Raumfahrtforschung«, Heft 1/1965, S. 1 bis 6). Diese Ausgleichskammern werden auch als Beruhigungskammern bezeichnet, weil das Gas in dieser Kammer einen ausgeglichenen Zustand annehmen soll, damit es beim Eintritt in die als Ausströmdüse der Beruhigungskammer dienende zweite Düse eine gleichmäßige Strömung hat (»Raumfahrtforschung«, Heft 2, 1968, S. 103 bis 107). In dieser Anordnung tritt somit das gesamte Plasma nacheinander durch beide Düsen.

Es ist ferner eine Einrichtung zur Trennung der Bestandteile einer ionisierten Gasmischung bekannt.

die über eine zentrale Austrittsöflnung aus einer Lichtbogen-Brennkammer austritt. Koaxial zu dieser öffnung sind mehrere ringförmige Austrittsöffnungen angeordnet. Die ionisierten Gasteilchen durchlaufen elektrische oder magnetische Felder. Auf Grund der unterschiedlichen Gewichte und einer entsprechend abweichenden Zentrifugalkraft werden die Gasteilchen getrennt und diejenigen mit dem größeren Gewicht durch die ringförmigen öffnungen abgeführt. Die Gasgeschwindigkeit ändert sich nicht (USA.-Patentschrift 3 277 631).

Die Erfindung macht Gebrauch von den Gestaltungsmerkmalen dieser bekannten Einrichtung, und sie besteht darin, daß bei einem Plasmastrahlgenerator der eingangs genannten Art die beiden Austrittsöffnungen als den Plasmastrahl beschleunigende Lavaldüsen gestaltet sind und daß die Größe der ringförmigen Düse veränderbar ist. 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 Va bis V10 der Gesamtmenge des Gasstrahls betragen. Die äußeren, meist kälteren Schichten der Wirbelströmung werden durch die größere, ringförmig ausgebildete Düse und anschlie· ßend 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 Umgebungsatmosphäre 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 Lichtbogenleisumg 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, u id man erhält mit dem großen Brenner eine hohe Lufttemperatur, weil aus dem aufgeheizten Gasstrahl der Kern mit der höchsten Temperatur herausgeschält wird. Der Gesamtwirkungsgrad

N_K+N₍,

der sich aus dem Brennwirkungsgrad η_Β und dem Verhältnis der Leistung N_K des abgeschälten Kerns zur gesamten, im Brenner in die Luft übergetretenen Leistung N_K + N_a ergibt, kann wenigstens in der gleichen Größenordnung oder höher sein als bei einem Brenner mit kleinen Elektroden. Dabei ist N_ü die Leistung der durch die äußere Düse strömenden Luft. Da für den Lichtbogen in einer großen Elektrode auch eine große Lauffläche zur Verfugung 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 Ausfühmngsbeispiel einer Einrichtung nach der Erfindung schematisch veranschaulicht. F i g. 2 zeigt ein Ventil zur Mengenregelung des abgeschälten Teilgases. In F i g. 3 ist die Abführung des Teilgases mit Hilfe eines Windkanals nach dem Strahlprinzip dargestellt.

Nach F i g. 1 ist eine Lichtbogenkammer 2 von ίο einer zylinderförmigen Kammerwand 3 und einer Bodenplatte 4 sowie einem Deckel 5 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 dargestellt ist. Der Boden der Elektrode 10 kann ferner bekannterweise mit einer zentralen Bohrung zuv 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 i.xht dargestellt. Das in 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 Düsenteil 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 "erschiebbar sein. Diese Verschiebbarkeit ist in der Figur dadurch angedeutet, daß eh Teil der Außenwand des äußeren Düsenteils 18 von der Außenwandung 32 des inneren Düsenteils 16 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 verschiebba-en 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 Gasstroms 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 ausströmenden 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.

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 Strömungskanal nach dem Strahlprinzip

ίο mitgerissen 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 Achs-

ao richtung 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Plasmastrahlgenerator, aus dessen Lichtbogenbrennkammer der Plasmastrahl aus einer zentralen Austrittsöffnung und einer koaxial dazu angeordneten ringförmigen Austrittsöffnung austritt, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Austrittsöffnungen als den Plasmastrahl beschleunigende Lavaldüsen (26, 28) gestaltet sind und daß die Größe der ringförmigen Düse (28) veränderbar ist.

2. Plasmastrahlgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Düse (28) in wenigstens einem Ausströmungskanal (30) mit veränderbarem Querschnitt endet.

3. Plasmastrahlgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz der Dichtung eines Schiebers (36) wenigstens eines der Aussirömungskanäle die Zuführung von Kaltluft vorgesehen ist.

4. Plasmastrahlgenerator nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der beiden Düsenteile (16, 18) in Achsrichtung des Plasmastrahls beweglich ist.

5. Plasmastrahlgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Flüssigkeitskühlung wenigstens einzelner Teile der Einrichtung.

6. Plasmastrahlgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der ringförmigen Düse (28) ausströmende Teil des Plasmastrahls einen um die Lichtbogenkammer in deren axialer Richtung verlaufenden Gasstrom nach Art einer Strahlpumpe mitreißt.