DE2400030C2

DE2400030C2 - Anordnung emissionserhöhender Oberflächenschichten an gasumgebenen Bauteilen

Info

Publication number: DE2400030C2
Application number: DE2400030A
Authority: DE
Inventors: Hans Innsbruck Fimml
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-01-05
Filing date: 1974-01-02
Publication date: 1984-02-02
Also published as: FR2213429B1; US3921985A; DE2400030A1; JPS5723117B2; IT1010593B; FR2213429A1; GB1449343A; JPS50410A

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Anordnung emissionserhohender Oberflächenschichten an von Gasen umgebenen Bauteilen.

Das für verschiedene Zwecke zur Anwendung kommende Strahlgebläse stellt einen einfachen Strömungsapparat dar, der im wesentlichen aus einem Mischrohr und einer in diesem zentrisch angeordneten Strahldüse besteht. Von den mannigfachen Verwendungsmöglichkeiten eines solchen Apparates soll im Nachstehenden die damit erzielbare Schubverstärkung im Vordergrund stehen.

Bei dieser Anwendungsart beschleunigt der aus der Düse mit hoher Geschwindigkeit austretende Treibstrahl die umgebende und nachströmende Luft, vermengt sich mit ihr und bildet nach einer gewissen Mischweglänge einen Mischstrahl annähernd gleichförmiger Geschwindigkeit. Ein Vergleich mit dem als Primärstrahl zu bezeichnenden Treibstrahl zeigt zwar im allgemeinen eine Zunahme an Schubkrafl 5 = m ■ v. jedoch einen relativ großen Verlust an lebendiger Kraft E=w- v²/2. Der Mischvorgang spielt sich dabei in der Weise ab, daß der in Form eines Strahlkegels ausströmende Treibstrahl eine ständig sich verbreiternde Mischzone bildet, die Luftieilchen des zuströmenden Sekundärstromes auf höhere Geschwindigkeit beschleunigt, sich mit ihnen vermischt und schließlich nach völliger Strahlauflösung als Mischstrahl das Strahlge- < blase verläßt. Der MischvGrgang erfolgt hierbei unter Ausoildung einer Energie verzehrenden Verwirbelung, die neben den auftretenden Reibungsverlusten als wesentliche Ursache für den schlechten Wirkungsgrad dieses Strahlapparates anzusehen ist.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades sind nun zwei Vorschläge bekanntgeworden, die beide auf eine Verbesserung des Vermischungsvorganges anzielen, hierzu jedoch gänzlich verschiedene Mittel benutzen. In einem Fall wird ein trommeiförmiges Mischgefäß verwendet, in welchem der Primärstrahl an der Innenfläche des Trommelmantels eine kreisende Bewegung ausführt und dabei mit dem Sekundärstrahl einen Energieaustausch erzielt; der andere Vorschlag nützt die Erscheinung der Reibungselektrizität und weitere Hilfsmittel zur elektrischen Aufladung des bewegten Gasstromes aus, auf den dann mit Hilfe eines Magnetfeldes im gewünschten Sinne eingewirkt wird.

Fs ist Aufgabe der Erfindung, daß bei Anordnungen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bezeichneten Art eine Verminderung der Reibungsverluste erzielt wird.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in den im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Maßnahmen.

Die Verbesserung wird dadurch erreicht, daß für die Verminderung der Reibungsverluste eine Oberflächenionisation des Treibstrahles bewirkt wird und hierzu ein bestimmter Teil oder bestimmte Teile oder die ganze Rohrinnenfläche mit einer Oberflächenschicht zur Verminderung der Austrittsarbeit ausgestattet sind, und daß zur Erreichung der Emissionstemperatur dieser Oberflächenschicht die Treibstrahlwärme Verwendung findet und/oder eine ohmsche Heizung vorgesehen ist, und daß die Rohrinnenfläche mit einem negativen elektrischen Sperrpotential versehen ist.

Der austretende Treibstrahl folgt der Rohrwand und legt sich mit einer gewissen seitlichen Ausbreitung eng an diese an. Es entsteht eine spiralig kreisende Wandströmung, die den Sekundärstrom im Mischrohr mit dem Ergebnis einer axialen Strömung mit Drall gleichfalls in kreisende Bewegung versetzt. Durch die sehr schnell kreisende Bewegung wird auf die bewegte Luft eine entsprechende Zentrifugalkraft ausgeübt, die einerseits einer Strahlauflösung entgegenwirkt, andererseits den Sekundärstrom an den Treibstrahl drückt, wodurch eine intensive Übertragung der Bewegungsenergie stattfindet. Der Energieaustausch erfolgt somit auf einer relativ kurzen Strahlstrecke, so daß für eine ausreichende Vermischung von Primär- und Sekundärstrom nur eine verhältnismäßig kurze Mischrohrlänge benötigt wird.

Wenn durch die vorstehend beschriebenen Vorgänge eine günstige Vermischung von Treibstrahl und Sekundärluft erreicht werden kann, so würde dieser Vorteil doch mit einem beachtlich vergrößerten Verlust durch die Wandreibung des Primärstrahls verbunden sein.

Dieser nachteiligen Begleiterscheinung wird erfindungsgemäß durch Ausbildung einer elektrostatischen Teilchenabstoßung cntgegengewirKt. Hierzu wird von der in der Elektrotechnik als Oberflächenionisation bekannten Erscheinung Gebrauch gemacht, wonach durch Anlagerung von Elektronen an neutrale Gasmoleküle negative Ionen gebildet werden und ferner von

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der bekannten Erscheinung, daß hoch erhitzte Metalle Elektronen emittieren. Um hierbei mit geringem Heizaufwand eine ausreichende Emission zu erreichen, wird vielfach ein Oxydüberzug hergestellt Besonders vorteilhaft hat sich z. B. ein Überzug aus Dariurnoxyd erwiesen, welches bei einer Heizleistung von etwa 2 W/cm³ einen Emissionsstrom von 2 A/cm² liefert. Die erforderliche Emissionstemperatur liegt dabei bei 1000° oder 727°C. (Zur Verminderung der Austrittsarbeit sind auch noch andere Erdalkalimetalle und auch seltene Erdmetalle sowie -Gemische bzw. -Verbindungen angewendet worden.) Wenn die Innenseite des Mischrohres nun mit einer derartigen Schicht versehen und auf die entsprechende Temperatur erwärmt wird, bewirken die von dieser Schicht ausgestoßenen Elementarteilchen eine Ionisation der der Wand zugekehrten Strömung. Wird weiteres der Wandinnenseite ein negatives elektrisches Potential aufgedrückt, so tritt eine Teilchenabstoßung ein, die eine direkte Wandberührung und die damit verbundene Wandreibung verhindert.

Ein weiteres Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Abdichtung eines bewegten Arbeitsteiles einer Wärmekraftmaschine gegen den Arbeitsraum, z. B. die Abdichtung eines zylindrischen Kolbens gegenüber der ^; Zylinderwandung.

Die Zeichnungen veranschaulichen eine beispielsweise Darstellung des Erfindungsgegenstandes an verschiedenen Ausführungsformen und Verwendungen, anhand derer die Erfindung nachstehend erläutert ist. Es stellt dar:

F i g. 1 eine achsonometrische Darstellung eines Strahlgebläses,

Fig.2 einen Schnitt durch ein Mischrohr des Gebläses nach F i g. 1 senkrecht zur Rohrachse im Strahleintrittsquerschnitt,

Fig. 3 einen Rohrquerschnitt mit anderer Wandausbildung und Sicht gegen das Mischrohrende,

F i g. 4 einen vergrößerten Wandschnitt senkrecht zur Rohrachse,

F i g. 5 einen vergrößerten Wandschnitt in Rohrlängsrichtung,

Fig.6 den Kolben einer Wärmekraftmaschine in perspektivischer Darstellung und erfindungsgemäß ausgebildet,

F i g. 7 einen Radialschnitt durch einen Kolbenteil und Zylinderwandung in einem gegenüber Fig.6 vergrößerten Maßstab,

Fig. 8 einen Radialschnitt gemäß Fig. 7 durch eine abgewandelte Ausführungsform.

In den Fig. 1 und 2 ist 1 ein Mischrohr und 2 eine Düse, die hier derart angebracht ist, daß der Treibstrahl durch die Wandöffnung 3 tangential zur Rohrinnenwand eintritt. Dabei kann der Winkel 5 zwischen Düse 2 und Mischrohrwand zwischen 0° und 90° betragen, wodurch der nur durch seine Mittellinie angegebene Treibstrahl 6 im Rohrinnern eine spiraiige Bahn erhält. Der Sekundärstrom 8. z. B. Sekundärluft, strömt eingangsseitig bei 7 durch das Mischrohr 1 ein und vermengt sich mit dem Treibstrahl. Die am Mischrohr- ' ausgang vorgesehenen Leitbleche 9 sollen einen rein axialen Strömungsaustritt ohne Drall bewirken.

Um eine Anpassung des Stromes 8 an den Strömungsvorgang im Inneren des Mischrohres 1 zu erreichen, könnte auch eingangsseitig ein solcher ^f Leitblechkranz (nicht dargestellt) vorgesehen werden. Für eine gleichmäßigere Strömungsverteilung könnte die Treibgas>cinblasung auch auf zwei oder mehr Düsen 2 verteilt werden, die am Umfang des Mischrohres in passend gewählter Verteilung anzuordnen wären. Zwei verschiedenen Betriebszuständen, nämlich, daß der Sekundärstrom 8 am Mischrohreingang aus der Geschwindigkeit Null beschleunigt werden muß oder ihm bereits mit einer gewissen Anfangsgeschwindigkeit zuströmt, könnte dadurch Rechnung getragen werden, daß die Düse 2 bzw. die Düsen 2 derart drehbar ausgeführt werden, daß der Drehpunkt in der Eintrittsspitze des Treibstrahis zu liegen kommt und die tangentiale Lage des Treibstrahls zur Rohrwand erhalten bleibt.

Um die erforderliche Emissionstemperatur zu erreichen, wird zweckmäßig ein heißer Treibstrahl angewendet, wie ihn z. B. Turbinentriebwerke erzeugen. Mit einem solchen Treibstrahl kann auf eine gewisse Strahistrecke die erforderliche Aufheizung hergestellt werden, bis infolge Vermischung mit kalter Außenluft die Temperatur absinkt

Die Strömung längs der spiraligen Strombahn wird unter dem Einfluß des Mischvorganges zweifellos turbulent verlaufen bis in den Bereich der Grenzschicht. Im unmittelbaren Wandbereich dürfte sich jedoch eine dünne laminare Strömung einstellen, die für die Aufrechterhaltung der Oberflächenionisation ausreicht. Damit wäre dann aber auch für die Erzeugung einer ausreichenden Ionisation die Aufheizung nur einer beschränkten Anfangszone notwendig. Anderenfalls wäre für eine zusätzliche Aufheizung im unterkühlten Bereich vorzusorgen, die beispielsweise, wie in F i g. 5 dargestellt, in Form einer ohmschen Widerstandsheizung sich unschwer durchführen läßt. In Fig. 5 ist ein Wandschnitt in Längsrichtung des Mischrohres gezeichnet mit der Wand des Mischrohres 1, Oberflächenschicht 10, Isolierschicht 12 und in diese eingebettet, der Heizdraht 11, der die aufzuheizende Zone des Mischrohres etwa als Heizspirale umgibt. Zur Beschleunigung der Aufheizung im Strahlanfang bzw. zur Verlängerung der Heizzone könnte auch durch Anordnung von Schutzblechen der kalte Sekundärstrom auf eine gewisse Länge vom Treibstrahl abgehalten werden.

Zur Frage, welchen energiemäßigen Aufwand die vorstehend beschriebenen Maßnahmen erfordern, wäre zunächst festzustellen, daß ein nennenswerter Verbrauch von elektrischer Energie für die Aufladung der Mischrohrwand nicht auftreten kann, weil ein Stromfluß nicht stattfindet. Die unmittelbare Erwärmung der Mischrohrwand bildet natürlich eine Verlustquelle durch Wärmeabgabe an die Umgebung. Diesem Wärmeverlust kann aber einerseits durch entsprechende Isolierung begegnet werden, andererseits werden nach den vorstehenden Ausführungen heiße Zonen nur in verhältnismäßig kleinen Bereichen erforderlich.

Eine besonders einfache Anwendung der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung zur Verminderung der Wandreibung eines heißen Gasstrahls ergibt sich bei Turbinenschaufeln, wenn die der Gasströmung ausgesetzten Schaufeloberflächen für eine kleine Elektronenaustrittsarbeit präpariert werden. Nachdem es sich dabei um eine jedenfalls genügend heiße Strömung handelt, die während des Betriebes der Turbine dauernd und gleichmäßig aufrecht bleibt, kann auch mit einer gleichmäßigen Emission gerechnet werden, die sich auf die gesamte vom Treibgas bestrichenen Fläche erstreckt. Dasselbe gilt naturgemäß auch für die Leitschaufeln.

Da gemäß Verstehendem eine unmittelbare Beruh-

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rung des Schaufelwerkstoffs durch die heißen Gase verhindert wird, kann weiters auch eine Verminderung der Aufheizung der Schaufein erwartet werden, so daß eine sehr erwünschte thermische Entlastung erzielbar erscheint.

Unter der bereits gemachten Voraussetzung, daß die der Gasströmung ausgesetzten Schaufelflachen mit einer geeigneten Oberflächenschicht versehen werden, kann nicht nur auf eine Zusatzheizung verzichtet werden, sondern es erübrigt sich auch das Anlegen einer negativen Spannung. Die Aufbringung der Oberflächenschicht auf allen angeströmten Flächen wird allerdings auch aus dem Grunde notwendig, weil hier wohl mit einer vollturbulenten Strömung zu rechnen ist.

Eine weitere, zur vorstehenden völlig analogen Anwendung ergibt sich auch für eine Strahldüse für heiße Gase. In diesem Fall bedarf es nur der Ausstattung der Düseninnenfläche mit einer Oberflächenschicht gemäß den vorstehenden Ausführungen; die Erwärmung als Bedingung für eine genügende Emission erscheint hier gleichfalls sichergestellt.

Die F i g. 6 bis 8 stellen schematisch die erfindungsgemäße Anwendung einer emissionserhöhenden Oberflächenschicht beispielsweise zur Ausgestaltung einer Abdichtung eines zylindrischen Kolbens dar, und zwar zeigt Fig.6 schaubildlich die äußeren Umrisse des Kolbens mit zwei Emissionsbändern, Fig. 7 ist ein vergrößerter Radialschnitt durch einen Kolbenteil mit Emissionsband, und Fig. 8 zeigt eine geänderte Ausführungsform der F i g. 7.

Bei der in den F i g. 6 bis 8 dargestellten Ausführungsform einer berührungslosen Dichtung wird der herkömmliche Kolbenring durch eine Dichtungseinrichtung ersetzt, die im wesentlichen aus einem Emissionsband 10a aus einer obenerwähnten Oberflächenschicht 10 und einer Potentialschwelle 15 besteht. Der Forderung nach ausreichender Erwärmung des Emissionsbandes wird dadurch Rechnung getragen, daß diese Dichtungseinrichtung in eine Zone starker Kolbenerwärmung, also zum oberen Rand gegen den Verbrennungsraum hin, verlegt ist. Einer ausreichenden Erwärmung kann weiters dadurch nachgeholfen werden, daß als Material, auf welches die Oberflächenschicht 10 aufgebracht wird, ein solches mit relativ schlechter Wärmeleitung gewählt ist und das Emissionsband 10ä mit einer Wärmedämmung 16 gegen den Kolben 114 versehen ist. Bei Annahme eines kleinen Luftspaltes zwischen dem Emissionsband 10a und der Zylinderwand 17 wird das Arbeitsmedium in diesem Spalt vollständig ionisiert. Wird nun der Spaltaustritt durch eine Potentialschwelle 15, etwa in Form einer zum Spalt und zur Wand 17 hin gerichteten Kante mit hoher Spannung 18 versehen, so können auch hohe Drucke des Arbeitsmediums ohne Gasverluste bewältigt werden. Um dieses Sperrpotential der Schwelle 15 auf letztere zu beschränken, ist nach Fig. 7 eine Isolierschicht 12 vorgesehen.

So wie bei der herkömmlichen Ausführung mit Kolbenringen können auch hier zwei oder mehrere Dichtungseinrichtungen der erfindungsgemäßen Art

angebracht werden. Beim Anlaufen der Maschine werden zweckmäßigerweise bis zum Erreichen der erforderlichen Emissionstemperatur entweder Gasverluste in Kauf genommen, oder es wird für eine Vorheizung des Dichtungsteiles, etwa in Form einer elektrischen Widerstandsheizung vorgesorgt, wie eine solche in Fig. 8 dargestellt ist. Das Emissionsband 10a ist hier wieder in einer etwas stärkeren Isolierschicht 12 gelagert, und in letzterer ist knapp hinter dem Emissionsband 10;) eine elektrische Widerstandsheizung, dargestellt durch im Schnitt gezeichnete Heizdrähte 11, eingebettet. Um die Qucrschnittsschwächung in diesem Bereich auszugleichen, kann der Kolben 14 mit einer Wandverstärkung 19, wie in F i g. 8 strichlicrt angedeutet, versehen werden. Eine solche Zusatzheizung bietet den Vorteil, daß Temperaturschwankungen während des Arbeitsprozesses überbrückt werden können. Die Heizung kann dabei auf den erforderlichen Differenzbetrag absinken, so daß keineswegs ein übermäßiger Heizungsaufwand zu befürchten ist. Nachdem im Dichtungsspalt kaum eine nennenswerte Gasströmung auftreten wird, reicht eine verhältnismäßig kleine Emission für die dauernde Ionisation im Dichtungsspalt aus.

Eine Entladung der ionisierten Gasteilchen an der Zylinderwand 17 kann durch Anlegen einer negativen Spannung 13. wie in F i g. 7 dargestellt, verhindert werden. Wird der Zylinderwand 17 und dem Kolben 14 gemäß F i g. 8 eine entsprechend hohe negative Spannung 13 aufgedrückt, dann kann im dargestellten Fall eines zylindrischen Kolbens eine Richtkraft erzielt werden, durch die eine Berührung der Zylinderwand 17 durch den Kolben 14 wegen der dann auftretenden großen elektrischen Abstoßung verhindert wird. Wegen der gleichnamigen Aufladung von Kolben 14 und Zylinderwand 17 können unschwer entsprechend hohe Spannungswerte angewendet werden.

Bezugszeichenaufstellung

1 Mischrohr

2 Düse

3 Wandöffnung

4 Mantelerzeugende

5 Winkel

6 Treibstrahl

7 eingangsseitig

8 Sekundärstrom

9 Leitbleche

10 Oberflächenschicht
10a Emissionsband

11 Heizdraht

v2 isolierschicht

13 negative Spannung

14 Kolben

15 Potentialschwelle

16 Wärmedämmung

17 Zylinderwand

18 hohe Spannung

19 Wandverstärkung

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 24 OO 030

1. Anordnung emissionserhohender Oberflachenschichlen an von Gasen umgebenen Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der Bauteile mit einer Oberflächenschicht (10) versehen sind, die bei Erhitzung die Elektronenaustrittsarbeit wesentlich vermindert, und diese Flächen aufheizbar sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die angeströmten Wände eine Einrichtung zum Anlegen einer negativen elektrischen Vorspannung aufweisen.

3. Strahlgebläse, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Mischrohres (1) mindestens zum Teil mit einer Oberflächenschicht (10) nach Anspruch 1 oder 1 und 2 versehen ist, und daß Einrichtungen zur Erhitzung dieser Oberflächenschicht vorgesehen sind.

4. Strahlgebläse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhitzung der Oberflächenschicht die Treibstrahlwärme dient.

5. Strahlgebläse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhitzung der Oberflächenschicht eine elektrische Widerstandsheizung vorgesehen ist.

6. Abdichtung eines bewegten Arbeitsteiles einer Wärmekraftmaschine gegen den Arbeitsraum unter Verwendung einer Anordnung nach Anspruch 1 oder 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Abdichtung dienenden Dichtflächen mindestens zum Teil mit der bei Erhitzung die Elektronenaustrittsarbeit wesentlich vermindernden Oberflächenschicht (10) versehen sind.

7. Abdichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht in Form eines Emissionsbandes (10a,) vorgesehen ist.

8. Abdichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Potentialschwelle am Austritt des Dichtungsspaltes vorgesehen ist.