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Flammenhalter für Staurohr-Strahltriebwerke Die Erfindung bezieht
sich auf einen Flammenhalter für Staurähr-#Strahltriebwerke und Nachbrenner von
Turbinen-Strahltriebwerken, bei dem in den Gasstrom der Triebwerke ein feuerfester
Metallträger eingebaut ist. .
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Staurohr-Strahltriebwerke erfordern zur Verbrennung sehr große Luftmengen,
so daß die Luft mit sehr großer Geschwindigkeit durch die Maschine strömt. Deshalb
ist es erforderlich, im Luftstrom einen Flammenhalter anzubringen, der Wirbel erzeugt
und Räume entstehen läßt, in denen die Verbrennung stattfindet :und der Brennstoff
vor dem Verlassen der Maschine verbraucht wird. Auch bei Turbinen.-Strahltriebwierken
empfiehlt es sich, wenn es nicht sogar notwendig ist, Luft im Überschuß einzuführen,
um verschiedene Teile des Turbinen-Strahltriebwerkes, wie Turbinenschaufeln und
andere Teile, auf zulässigen Temperaturen zu halten, so daß sie sich nicht krümmen
oder irgendwie verformen. Dieser Überschuß an Luft wird dann weiter durch einen
Nachbrenner auf der Abströmseite des Turbinen-iStrahltriebwerkes ausgenutzt und
zusätzlicher Brennstoff in den Luftstrom eingeführt, wenn er die Turbine verläßt.
Dieser zusätzliche Brennstoff und die überschüssige Luft mischen sich in den entweichenden
Gasen und bilden eine zusätzliche Mischung, die bei ihrer Ver= brenn:ung dem Turbinen-Strahltriebwerk
zusätzlichen Schub verleiht. Um die Verbrennung dieser Mischung zu bewirken, ist
die Anbringung eines
Flammenhalters im Gasstrom erforderlich, so
daß trotz der hohen Geschwindigkeit der Strömung der zugefügte Brennstoff vollständig
verbrennt, ohne daß die Flamme erlischt. Vollkommen aus Metall hergestellte Flammenhalter,
selbst wenn sie aus hitzebeständigeren .Metallen oder Legierungen bestehen, befriedigten
nicht, da sie sich bei den hohen Temperaturen krümmten, platzten und/oder an der
Oberfläche, an der die Verbrennung des Brennstoffes stattfindet, Erosion oder Korrosion
auftrat.
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Es sind Flammenstabilisatoren für Nachbrenner von Strahltriebwerken
bekannt, die aus Metall bestehen.
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Demgegenüber besteht die Erfindung darin, daß der Metallträger auf
der Ausgangsseite .mit einem feuerfesten gebundenen keramischen Körper verkleidet
ist, der der Gruppe der feuerfesten Karbide, Boride, Nitride und Silizide entstammt.
Ein solcher Flammenhalter ist den in einem Staurohr-Strahltriebwerk oder in einem
Nachbrenner des Turbinen-Strahltriebwerkes herrschenden abnormen Bedingungen gewachsen,
insbesondere unterliegt er bei den außerordentlich hohen Temperaturen nicht der
Gefahr der Krümmung oder des Platzens. Ein Material, das diese Bedingungen erfüllt,
besteht aus einem mit Siliziumnitrid gebundenen feuerfesten Körper, in welchem das
Siliziumnitrid mit oder ohne zusätzliches feuerfestes Füllmaterial, wie Siliziumkarbid,
feuerfeste Oxyde, wie Aluminiumoxyd, Thoriumoxyd u. dgl., zu den gewünschten Formen
gepreßt und an der heißen Fläche oder Flächen des Rahmens des Flammenhalters befestigt
ist. Obwohl die Verwendung von mit Siliziumnitrid gebundenen Verbindungen als Oberflächenmaterial
infolge ihrer Preiswürdigkeit :und leichten Verfügbarkeit vorzuziehen ist, lassen
sich auch andere ausreichend gebundene feuerfeste Materialien, wie verschiedene
schwerschmelzbare Karbide, Boride, Silizide oder Nitride, einschließlich Verbindungen,
wie Titankarbid, metallgebundenes Titankarbid, Siliziumkarbid, Titanborid, metallgebundenes
Titanborid, Zirkoniumborid, metallgebundenes Zirkoniumborid, Titansilizid, Zirkoniumsilizid
und Bornitrid, an Stelle von allem oder einem Teil der durch Siliziumnitrid gebundenen
Materialien verwenden.
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Eine weitere Abwandlung der Erfindung besteht in der Verwendung eines
Flammenhalters, der eine feuerfeste Verkleidung besitzt, in der eine verhältnismäßig
dünne Schicht eines feuerfesten gebundenen Karbids, Borids, Nitrids oder Silizids,
wie oben angeführt, durch eine mit Siliziumnitrid gebundene Masse oder durch gebundenes
Siliziumkarbid abgestützt ist und die ganze feuerfeste Schutzschicht mit einem hitzebeständigen
Metallträger verbunden ist. Die, feuerfeste Schicht füT die Flächen des Flammenhalters
wird gewöhnlich so angebracht, daß zunächst der Verkleidungsblock zu der gewünschten
Form gepreßt und dann gebrannt .,,wird, so daß eine Bindung entsteht und der entstandene
Körper in geeigneter Weise auf der Flammenh.altefläche befestigt wird. Jedoch läßt
sich die feuerfeste Schutzschicht für die Flammenhaltefläche auch auf die zu schützenden
Oberflächen in Form eines Breis oder Paste und anschließendem Brennen der gewünschten
schwerschmelzbaren, keramischen Masse der bereits beschriebenen Art aufbringen.
Zum Beispiel kann die zu schützende Fläche die Form einer Rinne oder Furche besitzen,
die mit dem gewünschten Material gefüllt wird.
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Der Flammenhalter kann verschiedene geometrische Formen, wie z. B.
ein oder mehrere konzentrische Ringe oder mehrere radial verlaufende Arme aufweisen,
die mit Vorrichtungen versehen sind, die den Halter mit der Flammenhaltefläche in
der Mitte des nach dem Ausgang zu gerichteten Luft- oder Gasstromes festhalten.
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Die Zeichnungen dienen der weiteren Erklärung der Erfindung.
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Fig. r stellt eine schaubildliche Darstellung eines erfindungsgemäß
hergestellten Flammenhalters dar; Fig. a stellt einen Schnitt längs der Linie
:2-2 in Fig. r dar und zeigt einen Teil des Flammenhalters; Fig. 3 ist eine Abwandlung
des erfindungsgemäß hergestellten Flammenhalters in schaubildlicher Darstellung;
Fig. 4 stellt einen Grundriß des Flammenhalters dar, bei dem die Flammenhaltefläche
des Flammenhalters aus mehreren feuerfesten Segmenten besteht; Fig. 5 stellt einen
Grundriß einer weiteren Abänderungsform der Erfindung dar; Fig. 6 ist ein Schnitt
nach der Linie 6-6 in Fig. 4; Fig. 7 ähnelt der Fig.6, zeigt aber eine abgewandelte
Konstruktion für die Anbringung der keramischen Auskleidung an dem Metallträger:
Fig. 8 ähnelt der Fig. 6 und zeigt eine weitere Abwandlung der Konstruktion für
einen Flammenhalter.
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Der erfindungsgemäße Flammenhalter besteht aus einem offenen Rahmen
to aus hitzebeständigem Metall, wie rostfreiem Stahl, und Haltevorrichtungen r r
aus dem gleichen Material zur Verankerung des Flammenhalters im Gasstrom eines Staurohr-Strahltriebwerkes
oder Nachbrenners eines Turbinen-Strahltriebwerkes.
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Ein rostfreier Stahl, der für diese Zwecke als geeignet befunden wurde,
besaß z. B. folgende Zusammensetzung:
| Chrom ................... 17 bis 19'% |
| NTickel ................... 8 bis r r °/o |
| Kohlenstoff .............. unter roo/o |
| Titan: mindestens das Vierfache von Kohlenstoff |
| Eisen als Rest |
Der Rahmen ro kann beliebige Gestalt aufweisen, die den Luft- und Verbrennungsgasstrom
um und hinter dem Rahmen ermöglicht, ohne ihren Durchgang zu behindern, die weitere
Verbrennung aufrechterhält, ohne daß die Flamme erlischt, das Ausströmen größerer
Mengen unverbrannten Brennstoffes verhindert und gewöhnlich die Gestalt von einem
oder mehreren Ringen besitzt, wie der Ring ro nach Fig. r oder die Mehrfachringe
ro" und roh nach Fig. 5. Jedoch kann der offene Rahmen ro
auch andere
Formen aufweisen, wie z. B. in Fig. 3 gezeigt, aus mehreren radialen Armen io, bestehen,
die nach innen wo sie -an dem Träger i i befestigt sind, der sich von der Flammen
haltefläche des Flammenhalters aus nach hinten erstreckt :und zur Befestigung des
Flammenhalters im Gasstrom dient. Der Metallträger oder Rahmen io ist unabhängig
von seiner Gestalt im Luftstrom untergebracht und mit Hilfe von Metallarmen i i
befestigt, so daß er sich in gleichem Abstand von den Wänden des Triebwerkes befindet.
Unabhängig von der Gestalt des Rahmens io bestehen die Fläche oder Flächen 12 aus
einem geeigneten gebundenen, keramischen, feuerfesten Material, das durch und durch
aus einer einzigen chemischen Verbindung der obengenannten Art bestehen kann oder
aus zwei Schichten unterschiedlicher chemischer Verbindungen zusammengesetzt sein,
wobei. auf die heiße Seite der Fläche das feuerfestere Material aufgetragen ist.
Die keramische Fläche oder Flächen sind mit dem Träger auf verschiedene Weise, wie
dies in den Fig. 2, 6, 7 und 8 gezeigt ist, verbunden.
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Als besonders geeignetes keramisches Material für den Flammenhalter
oder die heißen Flächen hat sich erfindungsgemäß ein mit Siliziumnitrid gebundenes
Material aus Siliziumnitrid mit oder ohne ein körniges oder pulvriges feuerfestes
Füllmaterial, wie Siliziumkarbid oder schwerschmelzbare Oxyde, wie z. B. Aluminiumoxyd,
Thoriumoxyd od. dgl. bewährt. Derartige durch Siliziumnitrid gebundene Körper sind
nicht nur gegen Hitzeschocks, gegen Korrosion und Erosion durch die umgebenden Gase
und die hohen Temperaturen, wie sie bei Staurohr-Strahltriebwerken und Turbinen-Strahltriebwerken
auftreten, beständig, sondern lassen sich auch leicht in den gewünschten Formen
herstellen. Sie brauchen nicht bei außergewöhnlich hohen Temperaturen gebrannt zu
werden und sind leicht erhältlich. Jedoch lassen sich auch andere feuerfeste 'Verbindungen
verwenden, die gegenüber den hohen Temperaturen, wie sie in den Staurohr-Strahltriebwerken
vorkommen, beständig sind, wie z. B. verschiedene Karbide, Boride, Silizide und
Nitride einschließlich der bereits obenerwähnten Verbindungen, und diese können
die gesamte oder einen Teil der durch Silizi:umnitrid gebundenen Auskleidung erzetzen,
Wenn höhere Ansprüche an die feuerfeste Auskleidung der Apparatur gestellt werden
und die Verwendung feuerfester Materialien, wie Zirkoniumborid, Molybdänsilizid,
Boriumnitrid od. dgl., wünschenswert ist oder wo Materialien erforderlich sind,
die eine sehr hohe Brenntemperatur erfordern und schwer zu beschaffen sind, kann
eine feuerfeste Auskleidung Verwendung finden, in der der größere Teil des feuerfesten
Körpers aus einem gebundenen Siliziumkarbid oder einem Siliziumnitrid zusammen mit
einer verhältnismäßig dünnen Überzugsschicht der gewünschten Borid-, Nitrid-. Karbid-
oder Silizidmasse besteht. Diese Massen lassen sich unabhängig von ihrer besonderen
Zusammensetzung nach jedem üblichen Preßverfahren herstellen und brennen, wie z.
B. durch heiße oder kalte Druckformung, wobei die Brenntemperatur und die Formtechnik
von der speziellen Zusammensetzung der Masse abhängt.
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In den Fig. i .und 2 hat die keramische, feuerfeste Auskleidung die
Form eines einzigen Ringes 13 in abgestumpfter V-Form als Querschnitt, wobei die
breite obere Fläche des abgestumpften V die Flammenhaltefläche 12 und die schmalere
den Boden 14 des feuerfesten Ringes bildet. Der Ring ist in den sich -erweiternden
und nach oben gerichteten Seiten 15 des Rahmens io mit V-förmigem Querschnitt befestigt
und ruht elastisch darin auf einer Grundschicht r6 aus feuerfesten Fasern. Die Bolzen
17 passen in vertikale Aussparungen 2o des feuerfesten Körpers 13 und in die Schraublöcher
18 der Platten rg des Rahmens io. Letztere dienen dazu, die feuerfeste Auskleidung
nach unten in den Rahmen io zu ziehen. Die Aussparung in der Oberfläche 13 für die
Bolzen 21 wird zum Schluß mit einer feuerfesten Masse oder Zement gefüllt, sobald
die Bolzen eingelassen sind. Die feuerfeste Faserpackung 16 kann auch weggelassen
werden. Es ist aber vorzuziehen sie beizubehalten, da sie einen elastischen Sitz
ermöglicht, der die Vorrichtung gegen mechanischen Stoß .und Schwankungen in der
Wärmeausdehnung festigt. Falls gewünscht, läßt sich auch ein geeigneter Zement mit
Vorteil in die Rinne als weiteres Mittel zum besseren Halt für die feuerfeste Auskleidung
einbringen. Obwohl die feuerfesten Ringe 13 wie in Fig. i und 5 aus einem einzigen
Stück bestehen können, empfiehlt es sich, zur leichteren Herstellung, die Auskleidung
in Form mehrerer Bogensegmente 23,- wie in Fig. 4, vorzunehmen.
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Obwohl- die Flammenhaltefläche in ihren verschiedenen Ausfühnungen
in den Zeichnungen mit flachen, ebenen Flächen gezeigt ist, kann die Fläche 12 auch
eine andere Gestalt haben. Zum Beispiel kann sie rinnenförmig sein oder mit mehreren
radial oder andersartig angebrachten Rippen oder Nuten versehen sein, um eine größere
Ausdehnung der Flammenhaltefläche zu erhalten, durch die die Verbrennung beschleunigt
wird.
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Fig. 6 zeigt eine andere Abwandlung der feuerfesten Verkleidung und
des dazugehörigen Schutzrahmens. Der gebundene feuerfeste Körper 13 weist eine flache
Flammenhaltefläche 12 und nach innen konisch zulaufende Seiten 25 mit Einbuchtungen
26 auf, die durch die Seiten 25 und die darunter vorspringenden Teile 27 gebildet
werden. Der Tragring io besteht aus einem Paar ringförmiger Glieder 28 und 29, deren
obere Kanten 30 nach innen umgebördelt sind, so daß die Ringe nach ihrer
Verschraubung durch Schrauben 31 ein V-Glied bilden, das den gebundenen feuerfesten
Körper 13 zwischen den umgebördelten Kanten 30 fußt. Der Raum 33 .unter dem Block
13 und zwischen den Ringgliedern 28, 29 kann mit einem feuerfesten Isoliermaterial
gefüllt sein, wie z. B. einer losen feuerfesten, keramischen Faserpackung oder einem
körnigen, feuerfesten Isoliermaterial.
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Fig. 7 zeigt, eine weitere Abwandlung der Erfindung, bei der die keramische,
feuerfeste Auskleidung
13, die die flammenhaltende Oberfläche 12
bildet, eine Verbundkonstruktion ist und aus einem gepreßten feuerfesten Körper
35 mit V-förmigem Querschnitt und einem oberen vorspringenden Teil 36 besteht, wobei
der Körper aus einer handelsüblichen, preiswerten, durch Siliziurnnitrid gebundenen
Siliziumkarbidverbindung, körnigem Siliziumkarbid mit dem üblichen hexagonal kristallinen
Gefüge, gebunden durch Siliziumkarbid von 1,äbischer Kristallform oder einem keramischen,
gebundenen Siliziumkarbidkörper besteht. Der Körper 35 ist mit einer Schicht 37
aus höherschmelzbarem Material derart überzogen, daß eine schwalbenschwanzartige
Rinne 38 entsteht, die zu dem vorspringenden Teil 36 paßt und mit diesem eng zusammenpaßt.
Die Auskleidung 37 kann aus schwerschmelzbaren Boriden, Nitriden, Sili.ziden oder
Karbiden, wie sie bereits oben genannt wurden, z. B. gebundenem Zirkoniumborid,
bestehen. Die entstandene Auskleidung 13 wird auf dem hitzebeständigen Metallträger
io mit den konvergienenden Seitenplatten 28, 29 mit @ Hilife mehrerer Schrauben
31 befestigt, die durch die Löcher im feuerfesten Körper 35 mit oder ohne Zuhilfenahme
zementierender Mittel gehen.
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Fig. 8 stellt noch eine andere Ausführungsart der Erfindung dar, bei
der der flammenhaltende Ring einen stufenweisen Aufbau zeigt, so daß mehrere konzentrische
flammenhaltende Flächen 40, 41 und 42 entstehen, von denen jede mit einer feuerfesten
Verkleidung versehen ist. Jede feuerfeste Verkleidung besteht aus dem Teil 43, der
in seiner Zusammensetzung der für den Körper 35 der Fig.7 verwendeten Masse entspricht,
ausreichend widerstandsfähig gegen Korrosion ist und mit einer Schicht 44 von höherschmelzbarem
Material, ähnlich der Auskleidungsschicht 37 in Fig. 7, belegt ist. Die feuerfeste
Verbundauskleidung wird mit Hilfe der Schrauben 45 gehalten.