DE1248827B

DE1248827B -

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Publication number: DE1248827B
Application number: DENDAT1248827D
Authority: DE
Priority date: 1964-06-08
Publication date: 1967-08-31
Also published as: US3358503A; CH438845A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.:Int. Cl .:

H05hH05h

Deutsche Kl.: 21g-61/00 German class: 21g -61/00

Nummer: 1 248 827Number: 1 248 827

Aktenzeichen: W 39278 VIII c/21 gFile number: W 39278 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 3. Juni 1965 Filing date: June 3, 1965

Auslegetag: 31. August 1967Opened on August 31, 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.The invention relates to improvements in nozzle assemblies for plasma jet devices or a nozzle unit for plasma torches and MHD generators, to ensure greater nozzle stability at higher operating temperatures.

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.In the case of plasma jet devices with acceleration nozzles, it has not yet been possible to achieve the high To master the total heat flow through which the nozzle is applied, satisfactory. So are the nozzles in wind tunnel systems for researching the conditions that occur when the re-entry of Missiles into the atmosphere occur when exposed to plasma temperatures of 16,000 ° C. In such nozzles with a converging and diverging wall profile is the converging wall area exposed to an extremely high flow of heat in front of the nozzle throat. This high heat application results essentially from thermal radiation and from a convection flow, both approximately from the are of the same order of magnitude. Liquid cooling of the nozzle walls as well as baffles and other measures, to increase the heat dissipation from the nozzle wall does not solve this problem satisfactorily. Most cooling systems have a strict load limit, which is the portable one Limited heat flow from the plasma to the channel wall of the nozzle.

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.The invention is therefore based on the object to exceed this temperature limit and to do so enable plasma devices with flow nozzles that have a neck area of narrowed cross-section, to work at higher operating temperatures. To solve this problem, the invention provides a upstream of the nozzle throat arranged heat radiation barrier against the nozzle throat Shields thermal radiation from the plasma located upstream of the thermal radiation barrier. is the radiation barrier simply a molded body made of heat-resistant material, which is essentially the Has the shape of a truncated cone, it is to be arranged on the imaginary nozzle axis approximately where the greatest heat flow was measured, in such a way that the narrow side of the radiation barrier to Nozzle throat shows.

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 PlasmastrahlgeräteThe heat radiation is blocked by the walls, which are exposed to increased convection heat are. The heat flow that flows into the wall areas protected in this way is around 50%> lower than the total heat flux resulting from radiant heat and convection heat. Plasma guns with a nozzle unit consisting of a nozzle and a thermal radiation barrier can therefore be combined with a Nozzle arrangement for plasma jet devices

Anmelder:Applicant:

Westinghouse Electric Corporation,Westinghouse Electric Corporation,

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

Vertreter:Representative:

Dr. jur. G. Hoepffner, Rechtsanwalt,Dr. jur. G. Hoepffner, lawyer,

Erlangen, Wemer-von-Siemens-Str. 50Erlangen, Wemer-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

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

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

V. St. v. Amerika vom 8. Juni 1964 (373 148)V. St. v. America June 8, 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.Plasma work, the temperature of which is about twice as high as in systems with an unprotected nozzle. The design of the radiation barrier can easily be adapted to the special nozzle shapes.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with reference to the drawing.

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-The graphic representation according to FIG. 1 is to be understood as a heat flow diagram on which the contours of a flow nozzle have been superimposed. The location coordinates χ are plotted on the abscissa on the same scale. The locally measured resulting heat flow W _x , based on the heat flow W ₂ , at which the wall material of the nozzle is destroyed, is plotted on the ordinate. The flow nozzle designated by 10 has a converging wall profile in front of the neck II, which merges into a diverging wall profile of the outflow part 12 after the neck. A reference line H is laid through the neck 11 perpendicular to the abscissa 17 and intersects the curve 15 of the resulting heating ^{1 jsses.} The associated heat flow can be read off the ordinate 16. It can be seen that the highest thermal stress occurs somewhat before the constriction of the nozzle throat 11 . This peak load upstream of the nozzle neck is caused by the superimposition of the thermal radiation with the increased convection current. It is noteworthy that the heat flow downstream of the nozzle neck, i.e. where the convection current is still quite high, but the heat radiation from the plasma generator or from the combustion chamber is low, is far below the load peak. Under local

709 639/426709 639/426

lichem Wärmefluß W_x ist dabei der Wärmefluß zu verstehen, der an der Düsenlängsachse an einer Stelle χ gemessen wird.Lich heat flux W _x is to be understood as the heat flux that is measured on the longitudinal axis of the nozzle at a point χ.

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 bezogeneIn Fig. 2 is shown in the illustration according to FIG. 1 still reproduced a thermal radiation barrier that the Has the shape of a truncated cone. As in Fig. 1 are the contours of the hatched lines Nozzle walls projected into a diagram for the heat flow. The nozzle is here again denoted by 10, the nozzle throat with 11 and the outflow part with 22. The length of the nozzle is plotted over the abscissa 17 for current Λ values. On the ordinate 16 is again the related one

Wärmefluß -—- abgetragen. Die StrahlungssperreHeat flow -—- removed. The radiation barrier

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.is shown here as a molded body 28. With the means commonly used in wind tunnels, the Radiation barrier 28 can be mounted in the nozzle. Thus, the molded body 28 can be held on an axially Be mounted rod that is held upstream of the radiation barrier.

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.The radiation barrier can be made of high temperature resistant Be made of material, such as ceramic with a zirconium oxide component, or it can also simply be made of a cooled material.

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.The heat flow, again denoted by 15 in FIG. 2, has compared to that according to FIG. 1 one essential uniform course, and there is no peak load in front of the nozzle throat. Here is the 1 and 2 are based on a working medium or plasma of the same temperature. One can see that in the case of a nozzle unit with the radiation barrier, the total heat flow is not even half of that Heat flow reached, in which the nozzle wall would be destroyed. This is based on the fact that the Thermal radiation from the hot plasma reservoir is kept away from the nozzle neck 11 by the radiation barrier 28 is.

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 aufAs in a nozzle unit with the radiation barrier the in F i g. 1 does not occur, the temperature level of the plasma or Work equipment can be raised. Since the nozzle throat is not stressed by the thermal radiation is, but only through the convection heat, which is approximately the temperature of the working medium is proportional, the level of exposure is therefore determined solely by the temperature of the working medium. On the other hand, it can be stated as a good indication for practice that the harmful thermal radiation is then shielded from the nozzle neck when the heat flow at constant operating conditions

ίο den halben Wert absinkt, nachdem eine Strahlungssperre vor der Düse angeordnet wurde. ίο drops by half the value after a radiation barrier has been placed in front of the nozzle.

Claims

Patent claims:

1. Nozzle arrangement for plasma jet devices, la, such as plasma torches and MHD generators, with a neck area of narrowed flow cross-section, characterized by an upstream of the nozzle neck (11) Thermal radiation barrier (28), which the nozzle throat (11) against thermal radiation of the upstream of shields the plasma located in the thermal radiation barrier.

2. Nozzle arrangement according to claim 1, characterized in that as a thermal radiation barrier a shaped body made of heat-resistant material is used, which has the shape of a truncated cone (28) which has the narrow side facing the nozzle neck and coaxial to the nozzle axis is arranged.

3. Nozzle arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the shape and arrangement the thermal radiation barrier (28) are chosen so that the nozzle neck (11) and its upstream adjacent wall section against the thermal radiation of the working gas completely is shielded so that the heat transfer to the nozzle throat takes place only by convection.

4. Nozzle arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the heat flow to the Nozzle neck to half of the total heat flow without a heat radiation barrier is set from radiant and convection heat.

1 sheet of drawings