DE2810444A1 - Einrichtung zur beeinflussung der grenzschichten an wandungen - Google Patents

Einrichtung zur beeinflussung der grenzschichten an wandungen

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Description

28104.
KRAFTWERK UNION AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen
78 P 9 3 0 9 BRD
Einrichtung zur Beeinflussung der Grenzschichten an Wandungen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Beeinflussung der Grenzschichten an Wandungen von eine vorzugsweise gasförmige Strömung umhüllenden Leitapparaturen, wie z.B. von Düsen, Diffusoren usw., wie sie insbesondere für die Isotopentrennverfahren mit selektiver Laseranregung Verwendung finden. Es ist schon frühzeitig erkannt worden, daß der Ausbildung und Beeinflussung von Grenzschichten an umströmten Flächen große Bedeutung zukommt, siehe z.B. das Buch "Grenzschicht-Theorie" von Dr. Hermann Schlichting aus dem Verlag G. Braun, Karlsruhe. Die Grenzschichten entstehen bekanntlich durch Reibung des Gases an der Wand und führen zu einer unerwünschten Geschwindigkeitsabnahme des Gases, zu einer Kompression und damit zu
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einer adiabatischen Erwärmung desselben, zum Umschlag der Strömung vom laminaren in den turbulenten Zustand, zur Ablösung der Gasströmung von der Wand und damit zu einer Verlegung des Gasweges sowie bei Überschallströmungen zu Verdichtungsstoßen, sobald eine gewisse Dicke der Grenzschicht entstanden ist. Diese Erscheinungen wurden in Verbindung mit Problemen der Flugtechnik erkannt, in Windkanälen gemessen und durch konstruktive Maßnahmen wenigstens zum Teil gelöst bzw. beherrscht. Es sei hier an die Ausbildung von Schlitzflügeln an Flugzeugen erinnert, aber auch an die Absaugung der Grenzschicht, wie sie im Kapitel XIV des vorgenannten Buches besprochen wird. Hieraus ist ersichtlich, daß es sich bisher stets darum handelte, das Verhalten von umströmten Körpern zu verbessern, sei es aus energetischen Gründen oder auch z.B. zur Verbesserung flugtechnischer Eigenschaften.
Solche Gesichtspunkte spielen aber bei der Führung gasförmiger Strömungen durch umhüllende Leitapparaturen, wie z.B. Düsen, Diffusoren usw., keine Rolle. Solche Strömungen sind beispielsweise wesentliche Bestandteile der Verfahren zur Isotopentrennung mit selektiver Laseranregung, der Tieftemperaturspektroskopie sowie auch beim gasdynamisehen Laser. Dort werden die Strömungen, die oftmals Überschallgeschwindigkeit erreichen sollen, durch sehr kleine Düsen mit einer Spaltweite oftmals <1 mm sowie durch Diffusoren entsprechender Öffnungsweite geführt. Wenn bei derartigen Apparaturen Grenzschichten an den die Strömung führenden Wandungen entstehen, so ist es klar, daß diese bei den
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kleinen Strömungsquerschnitten eine besonders große Wirkung auf die Hauptströmung haben und diese z.B. hinsichtlich der Geschwindigkeit bzw, des Druckes so nachteilig beeinflussen, daß die durch diese Strömungseinrichtungen zu erzeugenden Gaszustände nicht erreicht werden können. Diese Erscheinungen sind aber nicht mehr vergleichbar mit jenen, wie sie aus der Flugtechnik her bekannt sind und dort zum größten Teil gelöst wurden.
Es stellte sich daher die Aufgabe, auch jene Grenzschichten, wie sie sich bei so kleinen Strömungsleiteinrichtungen der vorgenannten Art ausbilden, so zu beeinflussen, daß die mit diesen Apparaten angestrebten Ziele auch tatsächlich erreicht werden können. Bei der Isotopentrennung besteht das Ziel beispielsweise darin, das Gasgemisch durch adiabatische Entspannung in einer Düse unter 100 K zu entspannen, da erst bei diesen tiefen Temperaturen eine isotopenspezifische Anregung mit bestimmten Laserfrequenzen möglich wird. Ohne eine Grenzschichtbeeinflussung ist es aber kaum möglich, diese Temperaturschwelle in ausreichendem Maße zu unterschrei ten.
Diese Aufgabe wird nun erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die die Strömung umhüllenden Leitapparaturen, d.h. die wesentlichen Wandungsbereiche derselben, mit feinen Bohrungen oder,Löchern versehen sind, die mit im Inneren der Wandungen verlaufenden, der gesteuerten Gasabsaugung bzw. Gaszuführung dienenden Sammelkanälen verbunden sind. Bei der geschilderten Kleinheit dieser
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Apparaturen stößt jedoch diese Anordnung von Bohrungen usw. auf allergrößte mechanische Schwierigkeiten. Es wird daher vorgeschlagen, diese Wandungen aus exakt gestapelten dünnen Blechen oder Folien aufzubauen und diese mit die Sammelkanäle bildenden Bohrungen sowie mit von diesen ausgehenden sich bis zu den die Wand bildenden Blech- bzw. Folienrändern erstreckenden Schlitzen zu versehen. Infolge der Kleinheit dieser Bauteile müssen diese Schlitze und Bohrungen mit größtmöglicher Genauigkeit hergestellt werden, was z.B. mit Hilfe der bekannten Fotoätztechnik möglich ist, wie sie z.B. bereits für die Herstellung der Trenndüsen für die Urananreicherung (nach Prof. Becker) Verwendung gefunden hat. Mit dieser Technik ist es möglich, in einfächer Weise die zur Strömung hinweisenden Innenflächen der die Strömung führenden Bauteile mit nahezu beliebig vielen kleinen Öffnungen zu versehen, die über kleine Kanäle zu Hauptkanälen führen. Über diese Hauptkanäle kann dann entweder Gas in die Grenzschicht eingeführt oder, was die wichtigere Anwendung ist, Gas aus der Grenzschicht abgesaugt werden. Die erwähnte Fotoätztechnik stellt ein bewährtes Verfahren zur Fertigung in großer Zahl herzustellender Einzelbauteile dar, jedoch sind auch andere Möglichkeiten, wie z.B.
die Elektronenstrahltechnik, denkbar, mit deren Hilfe ähnliche Genauigkeiten erzielbar sind. Da die Strömungsleitkörper, die mit solchen Einrichten versehen werden müssen, mit Hilfe der Stapeltechnik aufgebaut werden, handelt es sich dabei stets um eine außerordentlich große Anzahl von absolut gleich bemessenen Einzelteilen.
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Weitere Einzelheiten über diese Einrichtungen zur Beeinflussung von Grenzschichten sind den zur Erläuterung dieser Erfindung anhand der Fig. 1-13 beschriebenen Ausführungsbeispielen zu entnehmen. 5
Die Fig. 1 zeigt schematisch die räumliche Zuordnung zwischen einer Entspannungsdüse und dem Laserstrahl zur isotopenselektiven Anregung einer einzelnen im Gasstrahl enthaltenen Isotopenverbindung. Diese Darstellung zeigt einen Querschnitt durch die Düsenanordnung, wobei mit 1 der obere und mit 2 der untere Teil des Düsenkörpers bezeichnet ist. Der eigentliche Düsenspalt, also die engste Stelle der Düse, ist mit 3 bezeichnet, die Düsenwandung auf die Austrittsöffnung derselben zu mit 10. Von der linken Seite tritt eine Gasmischung 5, also z.B. aus UFg und einem Reaktionsgas in den Düsenspalt ein, entspannt sich über die Düsenlänge 4 adiabatisch, kühlt sich dabei auf unter 100 K ab und wird anschließend vom Laserstrahl 6 (Querschnitt desselben) durchsetzt. Derartige Düsen sind normalerweise schlitzförmig und haben beispielsweise an der engsten Stelle 3 eine Weite von 0,5 mm und eine Breite von z.B. 50 cm. Die Düsenlänge liegt dabei in der Größenordnung von 20 - 50 mm. Solche kleinen Dimensionen sind für die Zwecke der Isotopentrennung, Z0B. aus UFg, notwendig, da sonst bereits eine merkliche Kondensation auftritt und damit die selektive Anregung der einen Isotopenverbindung mit anschließender dadurch ausgelöster Bildung von beispielsweise UF,- oder UF- wenigstens teilweise unmöglich gemacht werden würde»
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Eine solche Dimensionierung birgt aber die Gefahr In sich, daß die Düse von einer Grenzschicht nahezu vollständig verstopft wird und damit das Ziel der adiabatischen Entspannung, nämlich die bereits erwähnte Temperaturabsenkung, nicht mehr erreicht werden kann. Es muß daher dafür gesorgt werden, daß die an den Wandungen 10 sich ausbildenden Grenzschichten nicht zu groß werden, was durch die mit dieser Erfindung vorgeschlagenen Maßnahmen erreicht wird.
In Fig. 2 sind diese Maßnahmen schematisch dargestellt, wobei die sich entlang der Düsenwände 10 ausbildende Grenzschicht mit 19 bezeichnet wurde. Zur Verringerung der Grenzschicht sind nun in den Wandungen eine große Anzahl von feinen Bohrungen 16 vorgesehen, die in Sammelkanäle 11-15 im oberen Teil 1 der Düse und in Sammelkanäle 21-25 im unteren Teil 2 der Düse einmünden. Diese Sammelkanäle sind nun wiederum für den oberen Düsenteil 1 über Ventile 71-75 an eine Pumpe 7 und für den unteren Düsenteil 2 über die Ventile 81-85 an die Pumpe 8 angeschlossen. Über diese Pumpen 7 bzw. 8 kann nun die Grenzschicht 19 verringert oder ganz abgesaugt werden,wobei die Ventile 71-75 sowie 31-85 örtlich eine gezielte Absaugung bzw. Dimensionsverringerung der Grenzschicht 19 ermöglichen.
Bei der bereits erwähnten Kleinheit der Düse stößt die Anbringung dieses Gasab- bzw. Zuführungssystem In den beiden Körpern 1 und 2 bei einer massiven Gestaltung derselben auf nahezu unüberwlndbare Schwierigkeiten. Dieses Problem wurde daher erfindungsgemäß da-
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durch gelöst, daß der Düsenkörper 1/2 aus entsprechend geformten Blechen bzw. Folien mit Hilfe der an sich bekannten Stapeltechnik aufgebaut wird, wobei es besonders vorteilhaft ist, die Formgebung des Düsenkanals sowie die der Kanäle mit Hilfe der Fotoätztechnik vorzunehmen, da diese die für derart erforderlich große Stückzahlen notwendige Genauigkeit erlaubt. Diese Stapeltechnik und auch die Fotoätztechnik sind an sich bekannt und wurden beispielsweise bereits für die Herstellung von Trenndüsen (nach Prof. Becker) angewendet, (diese Trenndüsen dienen einem anderen - ohne Laser arbeitenden Verfahren zur Isotopentrennung bzw« zur Urananreicherung)»
Die Fig. 3 und 4 zeigen nun die Ausbildung von Einzelfolien 20a und 20b, die aufeinander gestapelt einen Düsenkörper ergeben. Dabei bildet die große Bohrung den Zuführungskanal für das die Düse speisende Gasgemisch 5 und die kleinen Bohrungen 11-15 sowie 21-25 übereinander gestapelt die entsprechenden Sammelkanäle, wie sie in Fig. 2 besprochen wurden» Von diesen kleinen Bohrungen 11-15 bzw. 20-25 gehen nun nach Fig„ Schlitze 16 bis zur Kante 7 und in Fig. 4 Schlitze bis zur Kante 10, allerdings in anderer Neigung zur Kante 10. Diese Schlitze 16 und 17 bilden die Absaugekanäle, da sie seitlich von den benachbarten Folien abgedeckt sind und die Kante 10 der übereinander gestapelten Bleche 20a und 20b die Düsenwandung des Austrittskanals.
Die Fig. 5 zeigt nun die Lage der Kanäle 16 und 17 bei aufeinander gestapelten Folien 20a und 20b.- Diese Kanäle münden also in die gleichen Sammelkanäle 11-15 bzw. 21-25 ein.
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Eine perspektivische Seitenansicht der Düsenwand 10 ist in Fig. 6 dargestellt, es ist daraus zu ersehen, daß die Schlitze 16 und 17 als feine Kanäle in die Oberfläche der Düsenwandung 10 einmünden. Selbstverständlich ist es auch möglich, zur Beeinflussung der Verteilung dieser Bohrungen 16 und 17 in den Stapel Folien ohne diese Schlitze einzufügen, die aber ebenfalls die Bohrungen 30 sowie 11-15 sowie 21-25 haben.
Die in den Fig. 3f 4 und 5 gezeigte Lösung der Anbringung von Absaugekanälen usw. bringt jedoch Schwierigkeiten mit sich, wenn eine relativ große Dichte von Absaugeöffnungen auf den Düsenwandungen gefordert wird. Dann sind nämlich die zwischen den Schlitzen 16 bzw.17 stehen gebliebenen Folienstreifen ebenfalls recht dünn bzw. schmal, so daß beim Stapeln dieser Folien unter Umständen Schwierigkeiten entstehen können. Diese Schwierigkeit wird bei der in den Fig. 7-10 dargestellten Formgebung der Folien, hier mit 40a und 40b bezeichnet, umgangen. Hier ist jeweils nur der von einer Kanalbohrung 15 ausgehende Schlitz bis zur Düsenwand 10 dargestellt. Dieser Schlitz 41 geht jedoch nicht durch, sondern ist mit stehengebliebenen Materialstegen 42 überbrückt. Wie in den Fig. 7 und dargestellt, sind diese Brücken jedoch beim Stapeln der Folien 40a und 40b zueinander versetzt angeordnet, siehe die Fig. 9, so daß sich entsprechend Fig. 10,die einen Querschnitt durch den Stapel von Fig. 9 darstellt, ein geschlängelter Absaugeweg ausbildet. Durch die die Schlitze 41 überbrückenden Stege 42 ist aber
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eine einwandfreie mechanische Zuordnung der einzelnen Oberflächenteile der Folien erhalten geblieben, so daß damit auch eine Stapelung derselben ohne Schwierigkeiten möglich ist. In Figo 10 ist auch dargestellt, daß dieser Stapel zusätzlich noch aus Folien 43 bestehen kann, die nur mit der Bohrung 15 für die Ausbildung der Sammelkanäle und selbstverständlich der Zuführungsbohrung 30 für das Gasgemisch, siehe die Fig. 3 bis 5, versehen ist»
Selbstverständlich kann die Beeinflussung der Grenzschichten nicht nur in Düsen vorteilhaft und notwendig sein, sondern auch in sonstigen Apparaturen, wie sie zur Leitung von vorzugsweise gasförmigen Strömungen vorgesehen sind, so ZoB0 Diffusoren0 Auch hier sei wieder das Beispiel aus der Uranisotopentrenntechnik genommen. Die Fig. 11 zeigt sozusagen als Erweiterung zu Fig. 2 die schematische Darstellung der Strömungsführung in einer solchen Anlage„ Die Gasmischung 5 tritt in den Düsenspalt 3 ein, wird in der Düse 1/2 adiabatisch entspannt und mit Hilfe des Laserstrahles 6 isotopenspezifisch angeregt und in die angeregte Verbindung umgewandelt. Diese das angereicherte Isotop enthaltende Strömung 51 tritt dann in einen Diffusor aus den Teilen 91 und 92 ein und wird anschließend in die Teilkanäle 55 bzw. 56 abgelenkt. Diese Teilkanäle entstehen durch die im Strömungskanal 59 angeordnete keilförmige Schneide 57.
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¥£® dargestelltj Ist auch der Diffusor 91 und 92 mit dsn sr-£±ndungs gemäßen Einrichtungen versehen, die über Ventile und Pumpen eine gezielte Beeinflussung der Grenzschichten ermöglichen. So ist es z.B. möglich, über die Sammelkanäle 93 die Grenzschicht abzusaugen und über die Kanäle 54 ein Zusatzgas einzuführen und damit die Grenzschicht abzulösen. Die Folge dieser Maßnahme ist in Fig. 12 dargestellt. Durch die vor dem Diffusorteil 32 sich ausbildende Wirbelschicht wird die Strömung 51 abgelenkt und wird über den Kanal 55 weitergeleitet. Durch Umschaltung der Druckverhältnisse könnte die Strömung dann in den Kanal 56 abgeführt werden.
In Fig. 13 ist das gleiche Strömungsverhalten wie in Fig. 12 dargestellt. Hur, daß hier die die Strömung ablenkenden Wirbel 58 nicht durch das Einblasen von Zusatzgas erzeugt werden, sondern durch örtliche Erwärmung der Gasströmung, z.B. mit Hilfe eines energier-3iciien Laserstrahles 95 bzw. einer örtlichen Erwärmung der Diffusorwand an dieser Stelle. Durch eine d-si-artige plötzlich durchführbare Erwärmung wird ©csnfalls die Grenzschicht abgelöst, es bildet sich eins Wirbelzone 58 und die Gasströmung 51 wird in der dargestellten Weise abgelenkt. Disss Art der Ablenkung !"jam selbstverständlich auch mit der in Fig. 12 dargestellten kombiniert werden.
Ec-r technische Sinn dieser Maßnahmen sei nun kurz er- 1;·Ζ läutert. Das Problem der ilolenkung eines Gasstromes feitt E.B, äann auf- uenn der Gasstrahl mit gepulsten
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Lasern bestrahlt wird und daher die isotopenselektive Anregung nur der einen Isotopenverbindung nur auf jenem Teil des Gasstrahles eintritt, der belichtet wurde. So beträgt z.B. bei einem Laserstrahldurchmesser von 5 mm und einer Strömungsgeschwindigkeit des Gases von 500 m/sek die Verweilzeit 10 /usek. Die Pulszeit des Lasers liegt aber beispielsweise zwischen 10 Nanosekunden und 1 /usek. Das bedeutet, daß nicht mehr als 5 mm der Länge des Gasstrahles belichtet sind. Der nächste Laserimpuls erfolgt erst nach bestenfalls 2 msek (angenommene Pulsfrequenz 500 Hz). In dieser Zeit hat aber der Strahl des Gasgemisches 100 cm unbeeinflußt und unbelichtet zurückgelegt.
Das während der Pulszeit des Lasers angeregte Isotop (z.B. 235 UFg) wird in bekannter Weise chemisch und physikalisch abgetrennt, also z.B. in einen festen Stoff umgewandelt. Wird aber die bestrahlte Phase der Gasströmung nicht von der unbestrahlten und daher der unveränderten getrennt, so tritt eine Vermischung ein, die eine außerordentlich große Verschlechterung der Anreicherungswirkung zur Folge hat. Eine solche Verschlechterung hat aber enormen Einfluß auf die Kosten der sogenannten "Trennarbeitseinheit".
Wenn es nun aber möglich ist, den belichteten angeregten Teil der Strömung durch gesteuerte räumliche Ablenkung - siehe Fig. 11 bis 13 - von dem nicht belichteten Teil der Gasströmung zu trennen, bleibt der durch den Laserstrahl 6 erreichte Trenneffekt erhalten, so daß trotz der impulsförmigen Arbeitsweise des Lasergerätes der volle Wirkungsgrad dieses Verfahrens erhalten bleibt.
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Die aus vorstehendem Beispiel zu entnehmenden Schaltzeiten fordern eine hohe Schaltgeschwindigkeit der Ventile, die selbstverständlich außerdem noch abhängig ist vom Strömungswiderstand und der Länge der Absaugkanäle 93. Die Ventile erfordern zudem eine Sonderkonstruktion, da sie nicht nur in dieser Schaltgeschwindigkeit arbeiten müssen, sondern auch in der Lage sein sollen, von Unterdruck auf Überdruck zu schalten, damit die Strömungsablenkung zwischen den Kanälen 55 und 56 hin und her pendeln kann.
Die in Fig. 13 dargestellte Möglichkeit für die schnelle Verlegung des Gasstrahles mit Hilfe eines Lasers 95 arbeitet ohne bewegliche mechanische Teile und kann daher exakter gesteuert werden. Die Laserfrequenz ist dabei von untergeordneter Bedeutung, die Laserleistung für die direkte Aufheizung der Grenzschichtströmung ist z.B. durch einen COp-Laser ohne weiteres zu erbringen. Die dabei erzielte plötzliche Aufheizung führt zu einem Druckanstieg und damit zu einer Ablösung der Grenzschicht von der Wand, wie bereits erwähnt. Auch eine direkte Strahlungsaufheizung der Wandung des Diffusors an dieser Stelle mit Hilfe eines derartigen Lasers - die Diffusorwand ist an dieser · Stelle zweckmäßigerweise schwarz eingefärbt - ergib* den gleichen Effekt bereits bei wesentlich geringerer Laserleistung.
Auf diese Weise können Schaltzeiten im msek-Bereich realisiert werden und erlauben somit eine wirksame Abtrennung der belichteten Strömung 51 von der unbelichteten.
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Die Beeinflussung der Grenzschichten an Wandungen von ein® gasförmige Strömung umhüllenden Leitapparaturen führt somit dazu, nicht mir die theoretisch errechneten und angestrebten Strömungsverhältnisse auch praktisch zu erreichen, sondern auch noch Strömungsablenkungen ohne mechanisch bexuegte Teile in kürzester Zeit zu erreichen und damit die durch die Behandlung solcher Strömungen erzielten Effekte möglichst unbeeinflußt für die jeweils weitere Verfahrensführung zu erhalten«
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß sich die durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagene Beeinflussung der Grenzschichten nicht nur für die adiabatische Entspannung von Gasen im Zuge der Uranisotopentrennung eignet, sondern auch, wie bereits eingangs kurz erwähnt, für andere Verfahren, bei denen Gasströmungen in räumlich ähnlich bemessenen Strömungsleiteinrichtungen geführt werden müssen«
7 Patentansprüche
13 Figuren

Claims (7)

  1. VPA 78 P 9 309 BRD
    Patentansprüche
    M./Einrichtung zur Beeinflussung der Grenzschichten an Wandungen von eine vorzugsweise gasförmige Strömung umhüllenden Leitapparaturen, wie z.B. von Düsen, Diffusoren usw., wie sie insbesondere für die Isotopentrennverfahren mit selektiver Laseranregung Verwendung finden, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen mit feinen Bohrungen oder Löchern versehen sind, die mit im Inneren der Wandungen verlaufenden, der gesteuerten Gasabsaugung bzw. Gaszuführung dienenden Sammelkanälen verbunden sind.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e 15kennzeichnet , daß die Wandungen aus exakt gestapelten dünnen Blechen oder Folien bestehen, die mit die Sammelkanäle bildenden Bohrungen sowie mit von diesen ausgehenden, sich bis zu den die Wand bildenden Blech- bzw. Folienrändern erstreckenden Schlitzen versehen sind.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Schlitze der gestapelten Bleche oder Folien so gerichtet sind, daß sie von den jeweils benachbarten seitlich so abgedeckt sind, daß sie nur nach den Sammelkanälen und der Wandung hin offene feine Bohrungen bilden.
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  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Bohrungen und Schlitze der Folien bzw. Bleche nach dem an sich bekannten Fotoätzverfahren hergestellt sind.
  5. 5. Verwendung der Einrichtung nach den Ansprüchen 1-4 zur Verringerung der Grenzschicht an den Wandungen von Düsen, die bei Isotopentrennverfahren zur adiabatischen Entspannung der Prozeßgase, wie z.B. UFg, vorgesehen sind.
  6. 6. Verwendung der Einrichtung nach den Ansprüchen 1-4 zur Richtungsbeeinflussung von Gasströmen, insbesondere zur Ablenkung von durch Laserbestrahlung isotopenselektiv angeregten gasförmigen Verbindungen.
  7. 7. Einrichtung zur Beeinflussung der Grenzschichten an Wandungen von eine vorzugsweise gasförmige Strömung umhüllenden Leitapparaturen, wie z.B. von Düsen, Diffusoren usw., wie sie insbesondere für die Isotopentrennverfahren mit selektiver Laseranregung Verwendung finden, dadurch gekennzeichnet, daß für eine insbesondere der Strömungsablenkung dienende kurzzeitige gesteuerte Grenzschichtablösung eine Strahlungsheizapparatur für entsprechende Wandungs und/oder Grenzschichtbereiche vorgesehen ist.
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