DE2400030C2 - Anordnung emissionserhöhender Oberflächenschichten an gasumgebenen Bauteilen - Google Patents
Anordnung emissionserhöhender Oberflächenschichten an gasumgebenen BauteilenInfo
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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
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 (8)
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.
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Ipc: F15D 1/06 |
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