DE1244990B - Plasmastrahlgenerator - Google Patents
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Description
DeutscheKl.: 21g-61/00
AUSLEGESCHRIFT
Nummer: 1244 990
Aktenzeichen: W 38686 VIII c/21:
1 244 990 Anmeldetag: 4. März 1965
Auslegetag: 20. Juli 1967
Die Erfindung betrifft, kurz gesagt, einen Plasmastrahlgenerator zum Aufheizen von Gasen in einer
Lichtbogenkammer, in der ein zwischen Elektroden brennender Lichtbogen in einem Magnetfeld rotiert.
Im einzelnen betrifft die Erfindung einen Plasma-Strahlgenerator, bestehend aus gleichachsig mit
axialem Abstand voneinander angeordneten gekühlten Ringelektroden, zwischen denen ein Lichtbogen
brennt, einer Kammer (Lichtbogenkammer) mit einer in der gemeinsamen Achse der Ringelektroden
gelegenen und in Achsenrichtung weisenden düsenförmigen Austrittsöffnung für den Plasmastrahl,
und Magnetspulen zur Erzeugung eines Magnetfeldes in der Kammer, das die Rotation des
Lichtbogens um die gemeinsame Achse der Ringelektroden erzwingt.
In solchen Plasmastrahlgeneratoren (häufig auch Plasmabrenner genannt) wird ein kontinuierlicher
Gasstrom in einem Lichtbogen erhitzt, wobei die Enthalpie des Gases erhöht wird. In Anlagen für ao
hohe Leistung ist es dabei erforderlich, örtliche Überhitzung der Elektroden, die von einem Verdampfen
des Elektrodenmaterials begleitet sein kann, zu verhindern.
Als oft ausreichende Abhilfe kann man Ringelektroden durch Wasser kühlen und die Fußpunkte
des zwischen den Ringelektroden brennenden Lichtbogens in einem Magnetfeld mit hoher Geschwindigkeit
über die Elektrodenoberfläche rotieren lassen (Mechanical Engineering, Band 82 von 1960, Nr. 11,
Seite 85 sowie Zeitschrift »Technische Rundschau«, Nr. 9 vom März 1962, Seite 2, rechte Spalte). Das
läßt sich durch Anlegen eines Magnetfeldes erreichen, dessen Feldlinien senkrecht zum Lichtbogen
verlaufen. Ein Einbrennen des Lichtbogenfußpunktes sowie Verdampfen von Elektrodenmaterial kann dadurch
meist verhindert werden.
Zusätzlich wird man gewöhnlich alle Teile der Lichtbogenkammer, die der direkten Hitzestrahlung
von Lichtbogen und Gas ausgesetzt sind, kühlen müssen, um einen Langzeitbetrieb zu ermöglichen.
Es empfiehlt sich, elektrisches Isoliermaterial, das auch wärmeisolierend wirkt und deshalb schlecht gekühlt
werden kann, in Labyrinthbauweise optisch verdeckt anzuordnen, um es vor direkter Strahlung
zu schützen.
Es ist meist schwierig, die einzelnen Bauteile einer Lichtbogenkammer ausreichend elektrisch voneinander
zu isolieren und einen bestimmten Lichtbogenpfad sicher zwischen den Elektroden zu
führen, so daß ein Uberspringen des Lichtbogens auf die Wände der Lichtbogenkammer vermieden wird.
Plasmastrahlgenerator
Anmelder:
Westinghouse Electric Corporation,
Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)
Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)
Vertreter:
Dr. jur. G. Hoepffner, Rechtsanwalt,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Als Erfinder benannt:
Charles B. Wolf, Irwin, Pa.;
George A. Kemeny, Export, Pa. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 6. März 1964 (349 893) ·
Weiterhin bereitet es Schwierigkeiten, das erhitzte Gas gut zu vermischen und auch nach dem Vermischen
noch ausreichend hohe Gastemperaturen zu behalten.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Gasdurchsatz durch den Lichtbogen weitgehend
zu erzwingen und eine große, vom Lichtbogen bestrichene Heizzone zu erzielen, ohne die zuvor geschilderten
Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Die Erfindung besteht darin, daß mehr als zwei
Ringelektroden mit dazwischenliegenden gleichachsig zu ihnen angeordneten Isolierringen zu einer
zylindrischen Wand der Lichtbogenkammer gestapelt sind, in der Gasverteilerkanäle zur Zuführung von
Arbeitsgas ausgebildet sind, welche über Abzweigkanäle mit dem Kammerinnenraum in Verbindung
stehen.
Dieser Plasmastrahlgenerator kann an ein Gleichspannungs-, Wechselspannungs- oder Drehstromnetz
angeschlossen werden. Dazu ist lediglich das Potential einer Phase zwischen zwei Ringelektroden
anzulegen. Zwischen einer bestimmten Anzahl von Elektrodenpaaren können also jeweils Lichtbögen
gleicher Anzahl gezündet werden. Da der Lichtbogen durch zuströmendes Gas jeweils zum Zentrum der
Lichtbogenkammer zu geblasen wird, steht die Lichtbogenlänge und somit die umgesetzte Leistung in
einem direkten Verhältnis zum Gasdurchsatz. Die Lichtbogenlänge läßt sich auch dadurch beeinflussen,
daß entfernter oder näher beieinander liegende Ringelektroden ausgewählt werden.
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Die Lichtbogenkammer des Plasmastrahlgenerators ist im übrigen auf der einen Seite durch eine
Bodenplatte und nach der anderen Seite durch eine eingesetzte Düse abgeschlossen.
Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
F i g. 1 zeigt einen Plasmastrahlgenerator im axialen Schnitt; in
Fig. 2a ist das Schaltschema für den Plasma-Strahlgenerator bei Anschluß an ein Drehstromnetz
dargestellt. Dabei können drei Lichtbogen brennen.
F i g. 2 b gibt schematisch den Betrieb mit mehreren, beispielsweise zwei Gleichspannungsquellen
wieder.
Betrachtet man nun F i g. 1 der Zeichnung, so sieht man, daß die zylindrischen Wände der Lichtbogenkammer
aus einem Stapel mehrerer wassergekühlter Ringe bestehen, von denen einige als Elektroden
verwendet sind. Das zu erhitzende Gas tritt zwischen den Ringelektroden ein. Die Ringelektroden
sind gegeneinander durch Ringkörper aus elektrisch isolierendem Material isoliert. Die Isolation ist
gegen Hitzestrahlung in Labyrinthbauweise verdeckt angeordnet. Die Strahlungsabschirmung wird durch
das zwischen den Elektroden ausströmende kalte Arbeitsgas verstärkt.
Im Ausführungsbeispiel sind Ringelektroden 111 bis 116 gestapelt, die man sich um jede Anzahl erweitert
denken kann. Die Ringelektroden haben eine Vielzahl von Bohrungen für Kühlmittel und Gaskanäle,
die teilweise erst im zusammengesetzten Elektrodenstapel durchgehende Kanäle bilden. Das
Arbeitsgas, beispielsweise Luft, wird dabei über eine Vielzahl am Umfang der durch die Ringelektroden
gebildeten Kammerwand verteilter Zuführungen (Gasverteilerkanäle) — die über Abzweigkanäle mit
dem Kammerinnenraum in Verbindung stehen — eingeleitet. Die Ringelektroden können zwischen
Endplatten 119 und 120 zusammengeschraubt werden. Die Endplatten haben dazu miteinander
fluchtende Bohrungen, durch die Bolzen durchgesteckt sind. Ein solcher Verbindungsbolzen, der mit
121 bezeichnet ist und eine Schraubenmutter 122 trägt, ist in der Zeichnung dargestellt.
Jeweils zwischen einem Paar benachbarter Ringelektroden befindet sich ein Dichtungsring aus elektrisch
isolierendem Material. Gleichartige isolierringe isolieren die Ringelektroden 111 gegen die
Bodenplatte 119 und die Ringelektrode 116 gegen die Deckplatte 120. Die Isolierringe sind mit 131 bis
137 bezeichnet. Bodenplatte 119 und Deckplatte 120 weisen Zuführungen 123 und 124 für kaltes Arbeitsgas auf, die mit Längsbohrungen 125 und 126 in
Verbindung stehen. Beim Zusammenbau der Endplatten mit den Ringelektroden fluchten die Längsbohrungen
125 und 126 mit Bohrungen 141 bis 146 gleichen Durchmessers in den einzelnen Ringelektroden
und mit Ringräumen oder sektorförmig begrenzten Ringräumen bzw. Durchlässen 151 bis
157 zwischen Isolierringen 131 bis 137 und Siebringen 160 und 162 bis 167.
Die Isolierringe 131 bis 137 weisen ersichtlich einen solchen Innendurchmesser auf, daß die Innenränder
der Isolierringe hinter dem mit den Bohrungen 125 und 126 fluchtenden Kanal enden. Man kann
sich eine Vielzahl solcher als Gasverteilerkanäle dienende Längskanäle zum Zuführen von Arbeitsgas
in der Kammerwand verteilt vorstellen. Zwischen den Durchlässen 151 bis 157 und dem Inneren der
Lichtbogenkammer sind eine Reihe von Siebringen 161 bis 167 angeordnet, die eine Vielzahl von
Bohrungen in radialer Richtung aufweisen und über den Umfang in einem bestimmten Abstand zueinander
verteilt sind. Das Arbeitsgas bzw. die zu erhitzende Luft wird der Lichtbogenkammer dadurch
über eine Vielzahl am Umfang verteilter Zuführungsstellen eingeleitet. Im Ring 161 sind zwei solcher
radialen Bohrungen dargestellt und mit 150 und 160 bezeichnet. Jeder der anderen Ringe 162 bis 167 hat
gleichartig ausgebildete radiale Bohrungen, was auch aus der Zeichnung zu ersehen ist. Die Abzweigkanäle
schließen im Ausführungsbeispiel den durch die radialen Bohrungen verlaufenden Strömungsweg
ein.
Jede der Ringelektroden 111 bis 116 weist ringsum verlaufende Ringnasen auf, die jeweils mit Ringnuten
in benachbarten Ringelektroden einen Strömungsringspalt frei lassen, der im Schnitt mäanderförmig
gekrümmt ist. Die Isolation zwischen den Ringelektroden bleibt dadurch erhalten. Die Ringnase
in der Elektrode 111 ist mit 168 und die Ringnut im Elektrodenring 112 ist mit 169 bezeichnet.
Eine solche Ringnase, z. B. die Nase 168, bildet eine optische Sperre, so daß der Isolierring 162 vor
Hitzestrahlung des Lichtbogens 255 sowie der Strahlung der heißen Gase in der Lichtbogenkammer
127 geschützt ist. Das ist deshalb wesentlich, da elektrisch isolierendes Material auch ein schlechter
Wärmeleiter ist, der nur schwer gekühlt werden kann und durch örtliche Überhitzung zerstört werden
kann oder dessen physikalische und elektrische Eigenschaften zumindest leiden würden. Jede der
Ringelektroden 111 bis 116 hat eine solche Ringnase auf der einen Seite und eine breitere Ringnut auf der
anderen Seite, um alle Isolierringe 161 bis 167 zu schützen.
Der innere Rand der Isolierringe 131 bis 137 schließt also mit der Wand der Bohrungen 125,126
und 141 bis 146 ab und gibt Ringspalte und Bohrungen frei, die über den Umfang der Wand der Lichtbogenkammer
verteilt sind. Auf der Innenseite zur Lichtbogenkammer zu sind dann die Siebringe 161
bis 167 aus Isoliermaterial angeordnet, die über eine Vielzahl am Umfang verteilter radialer Bohrungen
eine Verbindung zwischen den Gasverteilerkanälen und dem Inneren der Lichtbogenkammer 127 freigeben.
Jeder der Längskanäle stellt einen Verteiler für das zuzuführende Arbeitsgas bzw. die zu erhitzende
Luft dar, die über den ganzen Umfang der Lichtbogenkammerwand verteilte Zuführungsstellen
eingeleitet wird.
Erforderlichenfalls können weitere Gaszuführungsbohrungen nach Art der Bohrungen 123 bis 124
vorgesehen werden, um einen zweiten Längskanal zu versorgen. Den zweiten Längskanal kann man
sich am Umfang an einer geeigneten Stelle ausgebildet denken. Dieser Kanal steht dann ebenfalls
mit den Gasverteilungsringspalten 151 bis 157 in Verbindung oder speist einen weiteren sektorförmig
begrenzten Ringspalt.
In der Bodenplatte 119 ist eine Ringnut 158 eingefräst, in der ein Dichtungsring 159 eingelegt ist,
um zwischen der Wand der Bodenplatte und dem Isolierring 131 einen gasdichten Abschluß zu erhalten.
Jede der Ringelektroden 111 bis 116 weist
auf beiden Seiten solche Ringnuten auf, in denen solche Dichtungsringe eingelegt sind. Auch die
Deckplatte 120 an der anderen Kammerseite hat eine solche Ringnut für einen Dichtungsring.
Die Bodenplatte 119 läuft an der Innenseite zur Mitte spitz zu und ist also in der ersichtlichen Weise
konisch ausgebildet. Vor der konischen Innenseite 171 ist eine ebenfalls konisch ausgebildete Deckwand
177 aufgesetzt, die aus einem gut wärmeleitenden Stoff, wie Kupfer, besteht und eine Vielzahl
konzentrischer Ringnuten 188 aufweist. Durch diese Ringnuten mit nach außen größer werdendem
Durchmesser kann ein Kühlmittel, wie Wasser, geleitet werden, um den Boden der Lichtbogenkammer
zu kühlen. Die Bodenplatte 119 hat eine Ausfräsung bzw. einen Schlitz 174, der mit zwei Bohrungen 172
und 173 für Kühlmittelzuführung und mit einem Hauptverteiler 170 in Verbindung steht. Der Schlitz
174 bildet für die konzentrischen Ringnuten 188 den Kühlmittelverteiler. Etwa auf der gegenüberliegenden
Seite in der Bodenplatte hat man sich einen weiteren Schlitz als Kühlmittelsammler vorzustellen, der
gleichartig wie die Ausführung 174 ausgebildet sein kann und mit Bohrungen in Verbindung steht, die
den Bohrungen 172,173 und 170 entsprechen und der Kühlmittelabführung dienen. Die Lichtbogenkammer
kann zwei oder mehrere zur Bohrung 170 gleichartige Kühlmittelzuführungskanäle aufweisen,
die ebenso wie Kühlmittelabführungskanäle über den Umfang der zylindrischen Kammerwand der Lichtbogenkammer
gleichmäßig verteilt zu denken sind.
In jeder der Ringelektroden 111 bis 116 ist eine radiale Bohrung eingebracht, die sich mit einer
transversalen Bohrung von Seitenfläche zu Seitenfläche kreuzt. Im fertigmontierten Stapel der Ringelektroden
fluchten diese transversalen Bohrungen mit der Bohrung 170 in der Bodenplatte 119 und mit
der Bohrung 175 in der Deckplatte 120. Die radialen Bohrungen sind mit 181 bis 186 bezeichnet und die
transversalen Bohrungen durch die Ringelektroden mit 191 bis 196 angegeben. Die Isolierringe 131 bis
137 weisen Bohrungen auf, die mit den Bohrungen 170 und 175 sowie mit den Bohrungen 191 bis 196
in den Ringelektroden fluchtende Kanäle freigeben.
Die konische Deckwand 177 aus Kupfer oder aus einem anderen gut wärmeleitenden Material hat eine
Ringnase 178, die mit der benachbarten Ringnut 179 in der Ringelektrode 111 die schon geschilderte
optische Sperre bildet, um den Siebring 161 aus Isoliermaterial vor Strahlung aus der Lichtbogenkammer
127 zu schützen.
Die radialen Bohrungen 181 bis 186 in den Ringelektroden 111 bis 116 verlaufen durch einen
äußeren Ringteil aus Edelstahl oder einem anderen nichtmagnetischen Material und erstrecken sich bis
in das Innere der Ringelektroden, wo sie mit einer Vielzahl von konzentrischen Ringen oder Ringkanälen
in Verbindung stehen. Der innere Teil der Ringelektroden kann aus Kupfer oder einem anderen
geeigneten gut wärmeleitenden Material gefertigt sein. Das über die Bohrungen 170 und 175 zugeführte
Kühlwasser strömt über die radialen Bohrungen in den Ringelektroden, beispielsweise die Bohrung 181
beim Ausführungsbeispiel, in fünf über den ganzen Umfang verlaufende Ringkanäle. In der Ringelektrode
111 sind diese fünf Kanäle mit 201 bis 205 bezeichnet. An einer am Umfang etwa gegenüberliegenden
Stelle der Ringe können weitere
radiale Bohrungen vorgesehen sein, um das Kühlwasser aus den Kühlringen über ein Ableitungssystem,
das den Kanälen 170 bis 175 entspricht, abzuführen. Solche bei der Ringelektrode 111 beschriebenen
Ringkanäle sind auch in den Elektroden 112 bis 116 ausgebildet. Die Bodenplatte 119 hat
einen erhabenen Zentralbereich 208, um der aufgesetzten Feldspule 209 mit dem Isoliergehäuse 210
festen Paßsitz zu geben. Die Bodenplatte 119 ist aus nichtmagnetischem Material zu fertigen. Die elektrischen
Anschlüsse zur Erregung der Ringfeldspule 209 sind der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt.
Die Deckplatte 120 mit der Düse trägt auf der Innenseite eine Deckwand 212 aus Kupfer oder aus
einem anderen gut wärmeleitenden Material und weist eine Vielzahl von ringförmigen Kühlkanälen
213 auf. Dieser Deckwandformkörper ist in die Ausfräsung 214 eingepaßt. Die Deckwand 212 hat eine
Ringnut 215, die zur Ringnase in der Ringelektrode 116 benachbart liegt und die Umwegleitung des
Gases um die Strahlungssperre für den Siebring 167 bildet, der in dem Isolierring 137 koaxial angeordnet
liegt. Eine Ausfräsung 216 dient für die kreisringförmigen Kühlkanäle als Kühlmittelverteilkanal
und ist über die Bohrung 217 mit dem Kanal 175 verbunden.
Die radialen Bohrungen 172,173, 181 bis 186 und 217 erhält man einfach dadurch, daß die Ringelektroden
von außen in radialer Richtung eingebohrt werden und dann nach außen durch einen
Verschlußstopfen verschlossen werden. Solche Verschlußstopfen sind mit 218 und 219 angegeben.
Die Deckplatte 120 hat eine kreisförmige Aussparung 221, in die eine Düse 222 eingesetzt ist. Die
Düse kann aus nichtmagnetischem Material bestehen. In der Praxis hat es sich als wünschenswert
herausgestellt, die Düse gegen die übrigen Teile der Lichtbogenkammer elektrisch zu isolieren. Dazu ist
zwischen Deckplatte und Düse ein zur Lichtbogenkammer offener Ringspalt ausgebildet und in einer
Nut 224 in der Wand 221 der Deckplattenaussparung ein Siebring 225 untergebracht. Zwei seiner radialen
Bohrungen sind mit 226 und 227 bezeichnet. Die radialen Bohrungen des Siebringes stehen mit einem
ringförmigen Gasverteiler 228 in Verbindung, der über eine Bohnmg 229 an die Gaszuführung 124 angeschlossen
ist. Ein über die Bohrungen 226 und 227 unter Druck zugeführtes Gas strömt dann durch
den Siebring 225 in den Ringspalt 223 ein und verhindert dadurch, daß heißes Gas mit den Ringen
225 und 230 aus Isoliermaterial in Berührung kommt. Das kalte Gas strömt dann am Außenprofil
der Düse entlang und verringert dadurch die Gefahr eines Lichtbogenüberschlags auf die Düsenwand.
Der Isolierring 230 aus elektrisch isolierendem Material trennt die Düse von der benachbarten
Wand der Deckplatte 120. Zwei in Nuten untergebrachte Dichtungsringe 231 und 232 dichten die
Verbindung von Isolierring 230 mit der Deckplatte 120 und der Düse 222 ab. Die Düse 222 hat eine
Ringfläche, in die ein Schraubgewinde 233 eingeschnitten ist, das zu einem Gewinde 234 in einem
Zylinderkopf in der Deckplatte einpaßt. Um den Haltering 234 ist in einem Gehäuse 237 eine Feldspule
236 angeordnet. Der Übersichtlichkeit wegen sind die elektrischen Anschlüsse für die Erregung
der Feldspule 236 nicht dargestellt. Die ringförmigen
Claims (3)
1. Plasmastrahlgenerator, bestehend aus gleichachsig mit axialem Abstand voneinander angeordneten
gekühlten Ringelektroden, zwischen denen ein Lichtbogen brennt, einer Kammer (Lichtbogenkammer) mit einer in der gemeinsamen
Achse der Ringelektroden gelegenen und in Achsrichtung weisenden düsenförmigen Austrittsöffnung für den Plasmastrahl, und Magnetspulen
zur Erzeugung eines Magnetfeldes in der Kammer, das die Rotation des Lichtbogens um
die gemeinsame Achse der Ringelektroden erzwingt, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei Ringelektroden mit dazwischenliegenden
gleichachsig zu ihnen angeordneten Isolierringen zu einer zylindrischen Wand der Lichtbogenkammer
gestapelt sind, in der Gasverteüerkanäle zur Zuführung von Arbeitsgas ausgebildet
sind, welche über Abzweigkanäle mit dem Kammerinnenraum in Verbindung stehen.
2. Plasmastrahlgenerator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zur Lichtbogenkammer hin
offene, nach außen durch die Isolierringe abgeschlossene Ringspalte zwischen den Ringelektroden.
3. Plasmastrahlgenerator nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ineinandergreifende Ringnasen und Ringnuten in einander zugewandten
Ringelektrodenseiten, zwischen denen der Ringspalt jeweils mäanderförmig gekrümmt ist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Mechanical Engineering, Vol. 82, 1960, Nr. 11,
85;
85;
Technische Rundschau, Nr. 9, v. 2. 3. 1962, S. 2.
Bei der Bekanntmachung der Anmeldung ist ein Prioritätsbeleg ausgelegt worden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
709 617/410 7.67 ® Bundesdruckerei Berlin
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Family Applications After (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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