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Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung und Belastung von Bauteilen
u.dgl. unter nuklearen Explosionsbedingungen durch Erzeugung energiereicher Stoßwellen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung und
Belastung von Bauteilen, Werkstoffen u.dgl. unter nuklearen Explosionsbedingungen
durch Erzeugung energiereicher Stoßwellen mittels Freisetzen von hochgespannten
Gasmassen.
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Stoßwellen werden in neuerer Zeit zur Prüfung und Belastung von Bauteilen,
Armaturen, Toren, Klappen und diversen Werkstoffen herangezogen, wie sie bei Schutzbauten
gegen nukleare Explosionen Verwendung finden. Man kann Stoßwellen, die bei Kernexplosionen
auftreten, auch ohne atomare Explosion erzeugen, wenn man sich auf die belastende
Wirkung der Stoßwellenfront und der hinter der Front auftretenden hohen Windgeschwindigkeit
beschränkt. Eine solche Vereinfachung
ist meist ohne wesentlichen
negativen Einfluß auf das Prüfergebnis möglich, da im Gegensatz zu Lebewesen der
Einfluß der Strahlung auf die verwendeten Baustoffe (Stahl, Beton u.dgl.) nur gering
ist.
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Grundsätzlich bildet sich eine Stoßwelle, wenn eine freigesetzte Gasmasse
sich aufgrund ihres Aggregatzustandes schneller ausdehnt als es der Schallgeschwindigkeit
des umgebenden Gases (Luft) entspricht. Fast alle Stoßwellengeneratoren arbeiten
nach diesem Prinzip. Man verwendet z.B. Sprengstoffe, die in geeigneter Weise zur
Detonation gebracht werden, oder hochkomprimiertes Gas, das durch Aufsprengen einer
Öffnung im Gasbehälter sehr rasch austritt. Werden derartige Versuche im Freien
durchgeführt, so nimmt die Intensität der Stoßwelle nach den räumli-chen Ausbreitungsgesetzen
rasch ab. Da nur ein ganz geringer Teil der Energie auf den Prüfling auftreffen
kann, ist diese Methode sehr unwirtschaftlich und wird heute nur noch in den seltensten
Fällen angewendet. Um die Energie besser auszunutzen, verwendet man sogenannte Stoßrohre.
In einem solchen wird z.B. am Ende eines ein- oder beidseitig verschlossenen Rohres
eine entsprechende Sprengstoffmenge zur Detonation gebracht. Die entstehende Stoßwelle
läuft nun im Inneren des Rohres gegen das gegenüberliegende Ende, wo sich der Prüfling
befinden kann. Die Art der Verbrennung (detonativ) bedingt einen Mindestabstand
von der Rohrwand und beschränkt die Sprengstoffmenge und somit die Energie der Stoßfront.
Langsamer brennende Pulversorten anstelle von Sprengstoffen zu verwenden, ist nicht
ohne weiteres realisierbar, da in diesem Falle die Brennzeiten im zehntel Sekundenbereich
liegen. Man hat daher in neuerer Zeit Pulverbrennkammern an einem Ende des Stoßrohres
angeordnet und das Pulver durch spezielle Maßnahmen zur raschen Verbrennung
gebracht.
Auf diese Weise lassen sich höhere Ener-' giedichten erzielen. Auch wird zum gleichen
Zweck hochkomprimierte Luft (oder auch ein anderes Gas) verwendet. In diesem Fall
ist am Ende des Rohres eine mit einer Membrane verschlossene Druckkammer angebracht.
deren Membrane meist mit Hilfe einer mechanischen oder pyrotechnischen Vorrichtung
zum Bersten gebracht wird. Die Größe membranverschlossener Stoßrohre ist meist begrenzt.
Ihr Durchmesser liegt im Meterbereich-.
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Den bekannten Ausführungen haften nachstehende Nachteile an. Sprengstoffe
sind nur bis zu relativ niedrigen Energiedichten verwendbar und auch in der Handhabung
nicht ungefährlich. Sie unterliegen besonderen Vorschriften. Bei der Verbrennung
entstehen feststoffhaltige und undurchsichtige Gase, die z.B. eine fötografische
Dokumentation verhindern. Darüber hinaus ist der Preis pro Energieeinheit sehr hoch
Pulverraketen haben die gleichen Nachteile; es lassen sich jedoch höhere Energiedichten
im Rohr erzeugen.
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Nachteilig gegenüber Sprengstoffen ist der wesentlich geringere Masseausstoß
pro Zeiteinheit, wodurch eine größere Strecke (Rohrlänge) zum Aufbau der Stoßfront
erforderlich wird. Ein weiterer Nachteil ist auch der durch die recht aufwendige
Art der Wiederbeschickung bedingte hohe Zeitaufwand, was die Wiederholzeit heraufsetzt
und die Versuchsbedingungen wegen der Einhaltung der Sicherheit während der Rüstzeit
erheblich erschwert. Preßgasrohre bzw. -kammern haben zwar die Nachteile der pulver-
oder sprengstoffgetriebenen Rohre nicht, ihnen haftet Jedoch ein physikalisch bedingter
Nachteil an, der durch den notwendigen hohen Anfangsdruck der Preßluft bzw. des
Preßgases bedingt ist. Wenn solche Rohre noch mit wirtschaftlichen Kompressoren
gefüllt werden, so liegt der Druck bei etwa 200 bis max. 250 bar. Sollen noch höhere
Anfangsdrücke erreicht
werden, müssen sehr schwere und relativ
leistungsschwache Membrankompressoren verwendet werden, damit derwirtschaftlich
noch erreichbare Anfangsdruck gegeben ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es> energiereiche Stoßwellen in Stoßrohren
und auch im Freien zur Prüfung von Bauteilen u.dgl. unter nuklearen Explosionsbedingungen
zu schaffen, die eine hohe Geschwindigkeit und Stoßfrontdichte bei sehrhohen Drücken
aufweisen, preiswert und wirtschaftlich in der Erzeugung sind und bei der Montage
eine hohe Sicherheit bieten. Das Verfahren zur Erzeugung energiereicher Stoßwellen
mittels Freisetzen von hochgespannten Gasmassen, die in einem geschlossenen Behälter
(Brennkammer) enthalten sind, zeichnet sich gemäß der Erfindung daß als Energiequelle
ein brennbares Gasgemisch oder ein-Brennstoff-Lurtgemisch verwendet, gezündet und
verbrannt wird.
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Durch eine solche Gasrakete ergeben sich erhebliche Vorteile und Vorzüge
gegenüber den bekannten Stoßwellengeneratoren. Das brennbare Gas-Luftgemisch oder
Brennstoff-Luftgemisch führt zu einer sehr hohen Energiedichte Es ergibt sich eine
sehr hohe Geschwindigkeit der Stoßwe front aufgrund der hohen Gastemperatur (je
nach Zustand und Gemisch Heizwert bis 2300 K). Die erzeugte Wärme bleibt im Gas.
Man erzielt weiterhin einen bisher unerreicht hohen Druckanstiegsgradienten, was
die Verkürzung der der Formierstrecke zur Folge hat. Ferner ist ein sehr hoher Öffnungsdruck
ohne Sonderkompressoren möglich, da der Platzdruck um den Faktor 4 bis 6 höher liegt
als der Fülldruck. Es entsteht keine Kondensatnebelbildung im Abgas. Es ergibt sich
ein luftklarer Gaszustand, der für Dokumentarzwecke fotofreundlich ist. Die Betriebskosten
sind
äußerst niedrig. Die Zeit für die Wiederbereitschaft der Anlage fällt kurz aus.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird das Gas-Luftgemisch
oder das Brennstoff-Luftgemisch in der die Energie freisetzenden Kammer durch Einblasen
von Druckluft in das Gas bzw. den Brennstoff erst hergestellt, nachdem die sonstigen
Vorbereitungen vollständig beendet sind. Beispielsweise wird die Zündung vorher
in der leeren Kammer angebracht un4 die Kammer wird in ungefülltem Zustand fertiggemacht.
Danach erst erfolgt das Einfüllen mit Gas und Preßluft. Man erreicht auf diese Weise
eine hohe Sicherheit bei der Montage. Dadurch wird das Sicherheitsgebot erst kurz
vor dem t'Schuß" erforderlich, da vorher keine zündfähigen Gemische vorhanden sind.
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Als Brennstoffe werden zweckmäßig gasförmige oder flüssige reine Kohlenwasserstoffe,
z.B. Methan, Acethylen u.dgl., verwendet. Es ergeben sich dadurch umweltfreundliche
Verbrennungsprodukte (Co2 und H20). Dies ergibt sich ebenfalls bei Verwendung flüssiger
Treibstoffe (C6H6). Es kann auch Erdgas verwendet werden. Der Einfülldruck für die
Gase beträgt etwa 4 bis 5 bar Es wird zweckmäßig vorkomprimierte Luft eingeblasen,
z.B. von etwa 10 bar bis etwa 50 bar Durch die Höhe der Vorkomprimierung läßt sich
eine Steuerung der Stoßwelle erreichen.
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Der Stoßwellengenerator gemäß der Erfindung weist einen Behälter auf,
der beispielsweise rohrartige Form hat, in dem eine durch eine Membran verschlossene
Kammer vorgesehen ist.' In dieser Kammer ist mindestens ein Mischdüsenrohr angeordnet.
Dieses besitzt vorteilhaft kleine Düsen, die gegen überliegend angeordnet und möglichst
gegen die Rohrwand
gerichtet sind. Bei flüssigem Treibstoff sind
die Düsen zweckmäßig so vorgesehen, daß der in der Kammer befindliche Kraftstoff
von dem austretenden Gasstrahl verteilt und vergast wird.
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Die Kammer wird zweckmäßig in an sich bekannter Weise durch eine Membran
abgeschlossen. Hierbei soll die Membran Kerblinien aufweisen, welche durch den Mittelpunkt
der Membranfläche verlaufen. Dadurch wird erreicht, daß die Membran in einer vorbestimmten
Weise aufplatzt und sich nicht Stücke von der Membran losreißen können, die in Richtung
zu dem zu prüfenden Gegenstand weggeschleudert werden, wodurch gegebenenfalls der
Prüfgegenstand oder sonstige aufgestellte Meßgeräte od.dgl. beschädigt werden können.
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Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausrührungsbeispile
nachstehend erläutert.
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Fig. 1 zeigt einen Stoßwellengenerator gemäß der Erfindung im Längsschnitt
und im Schema.
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Fig. 2 ist ein Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1.
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Fig. 3 stellt eine Ansicht auf die Membran nach der Linie III-III
der Fig. 1 dar.
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Fig. 4 veranschaulicht den Zustand einer aufgeplatzten Membran gemäß
der Erfindung im Schaubild schematisch.
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In Fig. 5 ist eine Gesamtanordnung der Vorrichtung zur Prüfung und
Belastung von Bauteilen u.dgl. durch Erzeugung energiereicher Stoßwellen mit den
erfindungsgemäßen Mitteln in einer Ausführungsform dargestellt.
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Fig. 6 stellt eine weitere Ausbildung des Stoßwellengenerators im
Längsschnitt schematisch dar.
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Der Stoßwellengenerator 1 weist einen Behälter 2 von vorzugsweise
rohrförmiger Gestalt auf, der an dem einen Ende durch einen Bodenflansch 3 verschlossen
ist und an dem anderen Ende einen Kopfflansch 4 aufweist, an den sich eine Membran
5 anschließt, die durch einen Spannflansch 6 in Ringform eingespannt gehalten wird,
wozu Schrauben 7 dienen.
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Der Behälter 2 enthält somit eine Kammer 8, in der ein brennbares
Gasgemisch oder Brennstoff-Luftgemisch gezündet und verbrannt wird. Das Gemisch
wird in dem Brennkammerrohr 2 durch Einblasen von Druckluft in das Gas bzw. den
Brennstoff hergestellt. In dem Kopfflansch 4 befindet sich mindestens eine Einlaßöffnung
9 für die Zuführung von Luft, insbesondere Druckluft. Das Einführen des brennbaren
Gases.
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bzw. des Brennstoffes erfolgt über einen oder mehrere Einlässe wo,
die sich in dem Bodenflansch 3 befinden, wobei diese Einlässe 10 mit Mischdüsenrohren
11 in Verbindung stehen, die sich in Längsrichtung der Kammer 8 erstrecken und durch
Halter 12 nahe der Innenwand des Behälters 2 befestigt sind. Die Mischdüsenrohre
sind Je nach Art des Brennstoffes im oberen Teil oder unteren Teil des normalerweise
horizontal angeordneten Behälterrohres 2 eingebaut.
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Jedes Mischdüsenrohr besitzt kleine Düsen 13, die zweckmäßig gegenüberliegend
angeordnet sind und gegen die Rohrwand blasen. Falls flüssige Treibstoffe verwendet
werden, sind die Düsen 13 so angeordnet, daß der in der Rohrsohle befindliche Kraftstoff
vom austretenden Luftstrahl zerteilt und vergast wird.
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Es werden Membrane 5 verwendet, die vorgekerbt sind. Die Kerben 14,
vorzugsweise etwa 4 bis 8, verlaufen durch den Mittelpunkt der Membranfläche, so
daß beim Platzen dreieckähnliche Segmente 14a entstehen, die sich an die prismatischen
oder zylindrischen Innenflächen des Membranflansches
6 voll der
Länge nach anlegen und mit ihren Einspannflächen verbunden bleiben. Durch die Kerbung
und die Form des Einspannflansches 6 wird gewährleistet, daß keine Membransplitter
oder -teile mit dem Gasstrom weggeschleudert werden und gegebenenfalls die zwischen
dem Stoßwellengenerator und dem zu prüfenden Gegenstand vorgesehenen Meßwertaufnehmer
oder den Prüfling selbst nicht beschädigen.
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Fig. 5 veranschaulicht eine Prüfanlage mittels der beschriebenen Stoßwellengeneratoren.
In einem sogenannten Stoßrohr 15 sind an dem einen Ende die Stoßwellengeneratoren
1 in geeigneter Anzahl vorgesehen, während am anderen Ende des Stoßrohres 15 in
entsprechender Entfernung von den Stoßwellengeneratoren das zu prüfende und zu belastende
ObJekt 16, z.B. ein Lastkraftwagen, vorgesehen ist.
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Das Stoßrohr 15 kann z.B. auch ein Stollen von entsprechender Länge
sein. Die Länge eines solchen Stoßrohres kann das 40- bis 50-fache des Durchmessers
desselben betragen. Das Verhältnis der Länge des Behälters 2 zu dem Durchmesser
desselben bei einem Stoßwellengenerator beträgt etwa das 15- bis 20-fache.
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Nachdem der Behälter 2 des Stoßwellengenerators mit dem Gas oder dem
Brennstoff und der Preßluft gefüllt worden ist, kann das Gemisch an einer Stelle
oder gleichzeitig an mehreren Stellen oder auch in programmierten Abständen gezündet
werden. Durch die Art der Zündung kann oder wird der Ablauf der Verbrennung in gewolltem-Sinn
beeinflußt.
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Wenn in einem Stoßrohr 15 großer Dimension aus technologischen Gründen
ein Stoßwellengeneratof nicht ausreicht, können mehrere Stoßwellengeneratoren verwendet
werden. Hierbei ist es im Hinblick auf einen günstigen Stoßwellenfrontaufbau erforderlich,
daß alle Brennkammern der
Stoßwellengeneratoren-relativ gleichzeitig
geöffnet werden.
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Dies kann beispielsweise auf zweierlei Art erreicht werden.
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Einerseits kann durch Auslösung einer Detonation in der Nähe der Membran
das von der durch das am gegenüberliegenden Ende mittels einer Zündschnur 17 am
Bodenflansch 3 gezUndete Gemisch ausgehenden Flammenfront hochverdichtete Gasgemisch
gezündet werden, wobei eine detonative Verbrennung des Restgases eingeleitet wird.
Diese Zündung soll an allen Rohren gleichzeitig vorgenommen werden, so daß auch
eine praktisch gleichzeitige Öffnung der Brennkammern erfolgt. Die zweite Möglichkeit
besteht darin, daß nach dem Erreichen eines vorgewählten Druckes, der über einen
Rechner aus den einzelnen Behältern 1 ermittelt wird und somit einen Mittelwert
darstellt, die Membranen 5 in herkömmlicher Weise, z.B. mittels einer Sprengschnur,
geöffnet werden.
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Eine weitere Möglichkeit zum Erreichen eines gut reproduzierbaren
Verbrennungsablaufes besteht darin, daß der aus einer mit einem Gas-Luft-Gemisch
befüllten Vorkammer 21 austretende brennende Gas strahl zur Zündung des Gemisches
in der Hauptkammer 20, d.h. in dem eigentlichen Stoßwellengenerator, benutzt werden
kann. Wie Fig. 6 veranschaulicht, ist hierzu der Stoßwellengenerator in eine Vorkammer
21 und eine Hauptkammer 20 unterteilt. Die Vorkammer und die Hauptkammer stehen
durch eine Düse 18 in Verbindung, die gegenüber der Hauptkammer mit einer Membran
19 abgeschlossen ist. Die Membranstärke wird so bemessen, daß der Lavaldruck mindestens
erreicht ist. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, daß keine pyrotechnischen Zündmittel
er-' forderlich sind.
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Infolge des hohen öffnungsdruckes und der hohen Gastemperatur sowie
der großen Energiedichte können auch Gegenstände im freien Gelände untersucht bzw.
ihr Verhalten bei StoBwelleneinwirkung geprüft werden. In diesem Fall wird aus den
einzelnen Stoßwellengeneratoren 1 eine Batterie zusammengestellt, die an ihrer Ausdehnung
dem Prüfling angepaßt ist. Dabei werden die rohrförmigen Behälter 2 in gleichem
Abstand neben- und übereinander angeordnet, wodurch sich eine gerichtete und nahezu
ebene Stoßwellenfront erreichen läßt. Die Reinheit der Abgase erleichtert auch hier
in hohem Maße die Beobachtung.