DE1248827B - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H05h

Deutsche Kl.: 21g-61/00

Nummer: 1 248 827

Aktenzeichen: W 39278 VIII c/21 g

Anmeldetag: 3. Juni 1965

Auslegetag: 31. August 1967

Die Erfindung betrifft Verbesserungen an Düsenanordnungen für Plasmastrahlgeräte bzw. ein Düsenaggregat für Plasmabrenner und MHD-Generatoren, um höhere Düsenstandfestigkeit bei höheren Betriebstemperaturen zu gewährleisten.

Es ist bei Plasmastrahlgeräten mit Beschleunigungsdüsen bisher nicht gelungen, den hohen Gesamtwärmestrom, durch den die Düse beaufschlagt wird, zufriedenstellend zu beherrschen. So sind die Düsen in Windkanalanlagen zur Erforschung der Verhältnisse, wie sie beim Wiedereintritt von Raketen in die Atmosphäre auftreten, Plasmatemperaturen von 16 000° C ausgesetzt. In solchen Düsen mit einem konvergierenden und divergierenden Wandverlauf ist der konvergierende Wandbereich vor dem Düsenhals einem extrem hohen Wärmefluß ausgesetzt. Diese hohe Wärmebeaufschlagung resultiert im wesentlichen aus Wärmestrahlung und aus einem Konvektionsfluß, die beide annähernd von der gleichen Größenordnung sind. Flüssigkeitskühlung der Düsenwände sowie Leitbleche und andere Maßnahmen, um die Wärmeabfuhr von der Düsenwand zu erhöhen, lösen dieses Problem nicht zufriedenstellend. Die meisten Kühlsysteme weisen nämlich eine scharfe Belastungsgrenze auf, die den tragbaren Wärmefluß vom Plasma zur Kanalwand der Düse beschränkt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, diese Teniperaturgrenze zu überschreiten und es zu ermöglichen, Plasmageräte mit Strömungsdüsen, die einen Halsbereich verengten Querschnitts aufweisen, bei höheren Betriebstemperaturen arbeiten zu lassen. Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung eine stromauf des Düsenhalses angeordnete Wärmestrahlungssperre vor, die den Düsenhals gegen Wärmestrahlung des stromauf von der Wärmestrahlungssperre befindlichen Plasmas abschirmt. Ist die Strahlungssperre einfach ein Formkörper aus hitzebeständigem Material, der im wesentlichen die Gestalt eines Kegelstumpfes aufweist, so ist sie auf der gedachten Düsenachse etwa dort anzuordnen, wo der größte Wärmefluß gemessen wurde, und zwar so, daß die Schmalseite der Strahlungssperre zum Düsenhals zeigt.

Die Wärmestrahlung wird von den Wänden abgehalten, die erhöhter Konvektionswärme ausgesetzt sind. Der Wärmefluß, der auf die so geschützten Wandbereiche einströmt, liegt um etwa 50%> niedriger als der aus Strahlungswärme und Konvektionswärme resultierende Gesamtwärmefluß. Plasmastnahlgeräte mit einem Düsenaggregat aus Düse und Wärmestrahlungssperre können deshalb mit einem Düsenanordnung für Plasmastrahlgeräte

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,

Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. jur. G. Hoepffner, Rechtsanwalt,

Erlangen, Wemer-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Joel B. Hammer, Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 8. Juni 1964 (373 148)

Plasma arbeiten, dessen Temperatur etwa doppelt so hoch wie bei Anlagen mit ungeschützter Düse liegt. Die Strahlungssperre läßt sich dabei in ihrer Ausbildung leicht den speziellen Düsenformen anpassen.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.

Die graphische Darstellung nach Fig. 1 ist als Wärmeflußdiagramm aufzufassen, dem die Konturen einer Strömungsdüse überlagert wurden. Auf der Abszisse sind die Ortskoordinaten χ im gleichen Maßstab abgetragen. Auf der Ordinate ist der örtlich gemessene resultierende Wärmefluß W_x, bezogen auf den Wärmefluß W₂, abgetragen, bei dem das Wandmaterial der Düse zerstört wird. Die mit 10 bezeichnete Strömungsdüse weist vor dem Hals Il einen konvergierenden Wandverlauf auf, der nach dem Hals in einen divergierenden Wandverlauf des Ausströmungsteils 12 übergeht. Durch den Hals 11 ist senkrecht zur Abszisse 17 eine Bezugslinie H gelegt, die die Kurve 15 des resultierenden Wärmen¹ jsses schneidet. Auf der Ordinate 16 kann man den dazugehörigen Wärmefluß ablesen. Man sieht, daß die höchste Wärmebeanspruchung etwas vor der Engstelle des Düsenhalses 11 auftritt. Diese Belastungsspitze stromauf des Düsenhalses wird durch die Überlagerung der Wärmestrahlung mit dem erhöhten Konvektionsstrom verursacht. Bemerkenswert ist dabei, daß der Wärmefluß stromab des Düsenhalses, also dort, wo der Konvektionsstrom noch ziemlich hoch ist, aber die Wärmeeinstrahlung aus dem Plasmaerzeuger bzw. aus der Brennkammer niedrig ist, weit unterhalb der Lastspitze liegt. Unter ört-

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lichem Wärmefluß W_x ist dabei der Wärmefluß zu verstehen, der an der Düsenlängsachse an einer Stelle χ gemessen wird.

In F i g. 2 ist in der Darstellung nach F i g. 1 noch eine Wärmestrahlungssperre wiedergegeben, die die Form eines Kegelstumpfes aufweist. Wie in F i g. 1 sind die Konturen der schraffiert angedeuteten Düsenwände in ein Diagramm für die Wärmeströmung hineinprojiziert. Die Düse ist hier wieder mit 10 bezeichnet, der Düsenhals mit 11 und der Ausströmungsteil mit 22. Die Länge der Düse ist über der Abszisse 17 für laufende Λ-Werte abgetragen. Auf der Ordinate 16 ist wieder der bezogene

Wärmefluß -—- abgetragen. Die Strahlungssperre

ist hier als Formkörper 28 wiedergegeben. Mit den bei Windkanälen geläufigen Mitteln kann die Strahlungssperre 28 in der Düse befestigt sein. So kann der Formkörper 28 auf einem axial gehaltenen Stab montiert sein, der stromauf von der Strahlungssperre festgehalten wird.

Die Strahlungssperre kann aus hochtemperauirbeständigem Material gefertigt sein, wie beispielsweise aus Keramik mit einer Zirkonoxydkomponente, oder sie kann auch einfach aus einem gekühlten Material gefertigt sein.

Der in Fig. 2 wieder mit 15 bezeichnete Wärmefluß weist gegenüber dem nach F i g. 1 einen wesentlich gleichmäßigeren Verlauf auf, und es fehlt die Belastungsspitze vor dem Düsenhals. Dabei ist den Fig. 1 und 2 ein Arbeitsmedium bzw. Plasma gleicher Temperatur zugrunde gelegt. Man sieht, daß bei einem Düsenaggregat mit der Strahlungssperre der Gesamtwärmefluß nicht einmal die Hälfte des Wärmeflusses erreicht, bei dem die Düsenwand zerstört werden würde. Das beruht darauf, daß die Wärmestrahlung aus dem heißen Plasmareseivoir durch die Strahlungssperre 28 vom Düsenhals 11 abgehalten ist.

Da in einem Düsenaggregat mit der Strahlungssperre die in F i g. 1 dargestellte Lastspitze nicht auftritt, kann das Temperaturniveau des Plasmas bzw. Arbeitsmittels angehoben werden. Da also der Düsenhals durch die Wärmestrahlung nicht belastet wird, sondern lediglich durch die Konvektionswärme, die näherungsweise der Arbeitsmitteltemperatur proportional ist, ist die Belastungshöhe also allein durch die Arbeitsmitteltemperatur festgelegt. Andererseits kann man als guten Hinweis für die Praxis angeben, daß die schädliche Wärmestrahlung vom Düsenhals dann abgeschirmt ist, wenn der Wärmefluß bei konstanten Betriebsbedingungen auf

ίο den halben Wert absinkt, nachdem eine Strahlungssperre vor der Düse angeordnet wurde.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Düsenanordnung für Plasmastrahlgeräte, la, wie Plasmabrenner und MHD-Generatoren, mit einem Halsbereich verengten Strömungsquerschnitts, gekennzeichnet durch eine stromauf des Düsenhalses (11) angeordnete Wärmestrahlungssperre (28), die den Düsenhals (11) gegen Wärmestrahlung des stromauf von der Wärmestrahlungssperre befindlichen Plasmas abschirmt.

2. Düsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmestrahlungssperre ein Formkörper aus hitzebeständigem Material dient, der die Gestalt eines Kegelstumpfes (28) aufweist, welcher mit der Schmalseite dem Düsenhals zugewandt und koaxial zur Düsenachse angeordnet ist.

3. Düsenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Form und Anordnung der Wärmestrahlungssperre (28) so gewählt sind, daß der Düsenhals (11) und dessen stromauf benachbarte Wandpartie gegen die Wärmestrahlung des Arbeitsgases vollständig abgeschirmt wird, so daß der Wärmetransport zum Düsenhals nur durch Konvektion erfolgt.

4. Düsenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmefluß zum Düsenhals auf die Hälfte des ohne Wärmestrahlungssperre einfallenden Gesamtwärmeflusses aus Strahlungs- und Konvektionswärme eingestellt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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