DE1942333U - Plasmabrenner mit turbulenzdrossel. - Google Patents

Description

RA.105 9ί»8-25.2.66

WESTINGHOUSE Erlangen, den 2 ^- rEB.

Electric Corporation Werner-von-Siemens-Str.

East Pittsburgh, PA, USA

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Plasmabrenner mit Turbulenzdrossel

(Pur diese Anmeldung wird die Priorität der entsprechenden US-Anmeldung Serial No. 435 558 vom 26« Feb. 1965 beansprucht).

Die Neuerung bezieht sich auf Plasmabrenner zum Aufheizen von Gasen in einem Lichtbogen, deren Strömungsgeschwindigkeit in einer nachgeschalteten Strömungsdüse beeinflußt wird. Mit beschleunigender Strömungsdüse werden solche Plasmabrenner zur Versorgung von Windkanälen eingesetzt.

Die in der Lichtbogenzone solcher Plasmabrenner aufgeheizten Arbeitsgase mit Plasmaeigenschaft verlieren in der Beruhigungszone hinter der Lichtbogenstrecke einen Großteil ihrer Energie durch Konvektion an die Kanalwände. Im Versuchen ist ermittelt worden, daß diese

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Verluste hauptsächlich durch eine vom Lichtbogenflattern verursachte heftige Turbulenz in der Gasströmung hinter dem Lichtbogen zustande kommen. An Engstellen, wie im Hals von Strömungsdüsen, zehren diese Verluste einen nicht mehr zu vernachlässigenden Energieanteil des Arbeitsgases auf. Mit der Neuerung sollen diese Verluste weitgehend vermieden werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei dem neuartigen Plasmabrenner vorgesehen, zwischen Lichtbogenzone und Hals der Strömungsdüse eine Turbulenzdrossel anzuordnen. Pur diese Turbulenzdrossel, gibt es zwei grundlegende Ausführungsarten. Nach einer Ausführungsart weist die Turbulenzdrossel mechanische Führungslamellen aus wärmeisolierendem Material auf. Nach der anderen Ausführung besteht sie aus einem Rohrkörper aus magnetisch nichtleitendem Material, der im Feldbereich einer Erregerwicklung liegt. Bei dieser Art werden im leitenden Plasma Wirbelströme induziert, die die Turbulenz abbremsen. Dadurch läßt sich besonders die Querschnittsturbulenz dämpfen.

Die Turbulenzdrossel beruhigt die heiße Gasströmung auf sehr viel kürzerem Weg als bisher. Die Neuerung bietet den Vorteil, daß das Plasma aus dem Hals der Strömungsdüse bei gleicher Temperatur hin= ter der Lichtbogenzone mit wesentlich höherer Energie ausströmt.

Die Neuerung soll anhand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeich nung schematisch dargestellt sind, weiter erläutert werden.

Die Figuren 1A bis 1C stellen Schnittansichten durch einen Plasmabrenner mit einer Turbulenzdrossel aus Führungslamellen dar.

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In Figur 2A und 2B ist eine weitere mechanische Ausführung der Turbulenzdrossel wiedergegeben.

Die Figuren 3A und 3B zeigen eine andere Ausführungsform, und in' den Figuren 4A und 4B ist noch eine weitere Ausführungsforrn der Turbulenzdrossel wiedergegeben.

In Figur 5 ist ein Plasmabrenner mit einer elektrodynamischen Turbulenzdrossel im Schnitt wiedergegeben. - In der Zeichnung tragen gleichartige Teile gleiche Bezugszeichen.

In Figur 1A ist der Kopf des Plasmabrenners mit der Lichtbogenzone wiedergegeben, der mit 10 bezeichnet ist. Er weist eine Ringelektrode 11 aus elektrisch leitendem Material auf, die gegen die Kanalwand 12 durch einen Isolierring 13 aus hitzebeständigem Material elektrisch isoliert ist. Der elektrische Anschluß ist mit 14 wie= dergegebeno In der Ringelektrode 11 ist koaxial eine Zentralelektrode 15 angeordnet, die in einen tellerförmigen Teil 16 übergeht. Der Lichtbogen 18 findet zwischen der Ringelektrode 11 und dem Elektrodenteller 16 gleichbleibende Brennlänge. Die Zentralelektrode 15 wird über die Leitung 17 gespeist.

An der Kanalwand 12 aus nichtmagnetischem Material ist koaxial eine Erregerwicklung 21 in einem Isoliergehäuse 22 angeordnet. Wird die Erregerwicklung von der Stromquelle 23, mit der sie durch Kabel verbunden ist, gespeist, wird die Lichtbogenkammer 9 einem Magnetfeld ausgesetzte Die Feldlinien verlaufen transversal zum Pfad des Lichtbogens 18 und lassen ihn um die Achse der Elektrode 15 zwischen der Ringelektrode 11 und dem Elektrodenteller 16 rotieren. Wird die Erregerwicklung 21 mit Gleichstrom gespeist und führt man über die

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Leitungen 14 und 17 Wechselstrom zu, so wird die Rotationsrichtung des Lichtbogens 18 periodisch geändert.

Der Lichtbogenkammer 9 wird in Pfeilrichtung von links Arbeitsgas zugeleitet, das im Lichtbogen 18 aufgeheizt wird. In der Praxis wird das Arbeitsgas nicht vollkommen gleichmäßig aufgeheizt, so daß heißere und kältere Strömungen entstehen, die sich in Turbulenz auszugleichen suchen. Die Turbulenz wird dabei durch Dichte und Druckunterschiede in Plasma verursacht.

An die Lichtbogenkammer 9 schließt sich im Ausführungsbeispiel eine Strömungsdüse zum Beschicken von Windkanälen an. Der Rohrmantel 24 umschließt zunächst die Beruhigungszone hinter der Lichtbogenkammer 9. An der Schulter 26 des Flansches 25 findet die Turbulenzdrossel 28 ihren Halt. Zwischen einem äußeren Rohr 31 und einem koaxial angeordneten inneren Rohr 32 der dargestellten Formgebung sind radial Wände 33 angeordnet. Die Rohre 31 und 32 bilden mit den radialen Wänden 33 Führungslamellen ,die in Strömungsrichtung des Plasmas verlaufen und aus hitzebeständiger Keramik ausgebildet sein können.

Die Führungslamellen 33 dämpfen die turbulente Strömung, indem sie nur die axiale Strömungskomponente ungehindert durchlassen. Durch die Turbulenzdrossel 28 wird also die zur Beruhigung erforderliche Strömungsweglänge verkürzt und der Wärmeverlust verringert. Die optimale, axiale und radiale Länge der Führungslamellen läßt sich experimentell einfach ermitteln. Die beruhigte Strömung durchsetzt dann den Hals 35 der Strömungsdüse. An das Austrittsrohr 36 kann unmittelbar der Windkanal angeschlossen sein.

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Die Ansichten nach Figur 1B und 1C ergeben sich nach den in Figur 1A vermerkten Schnitten durch den neuen Plasmabrenner.

In Figur 2A ist eine etwas anders geformte Strömungsdüse im Längsschnitt wiedergegeben. Die Turbulenzdrossel 40 hat die äußere Form eines Kegelstumpfes und ist wieder aus Führungslamellen aufgebaut. In einer Muffe 41 mit konischem Außenmantel sind Querwände 42 bis 47 so angeordnet, daß ein Gitterwerk entsteht. Der Querschnitt dieser Turbulenzdrossel ist aus Figur 2B zu ersehen. Ihre Wirkungsweise entspricht der der Drossel nach den Figuren 1A und 1B. Die äußere Form der Turbulenzdrossel 40 ist der Form der Rohrwand 24'angepaßt. Im Betrieb ergibt sich durch den Anströmungsdruck des Plasmas ein fester Paßsitz.

In den Figuren 3A und 3B ist eine weitere Ausführungsform der Turbulenzdrossel im Längsschnitt bzw. Querschnitt wiedergegeben. Die Führungslamellen sind hier als Körper von Lochscheiben 51 bis 57 ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel sind 7 Lochscheiben in die Rohr= wand 24 der Beruhigungszone eingepaßt. Die äußeren 6 Lochscheiben stützen sich gegen die Schulter 26 des Flansches 25 der Wand 24 ab. Die zentrale Lochscheibe 57 stützt sich gegen das in Pfeilrichtung anströmende Plasma mittels einer Ringnase 58 gegen die anderen Ringscheiben ab. Zylindrische Aussparungen in den Lochscheiben sind mit 61 bezeichnet. Der Gasführung dienen auch die Zwickel 62 zwischen den Lochscheiben.

In den Figuren 4A und 4B ist eine weitere Ausführungsform der Turbulenzdrossel für den neuen Plasmabrenner im Längsschnitt bzw.

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Querschnitt dargestellt. Die Turbulenzdrossel 65 ist hier als einheitliche Lochscheibe ausgebildet. Die Strömung wird wieder in den zylindrischen Aussparungen, die hier mit 66 bezeichnet sind, beruhigt O

Die in den Figuren 1A bis 4B dargestellten Turbulenzdrosseln arbeiten nach dem Prinzip, daß das Plasma in engen, voneinander getrennten Strömungskanälen zwischen Führungslamellen beruhigt wird.

Eine elektrodynamische Turbulenzdrossel ist in Figur '5 dargestellt. In dieser Figur ist wieder ein Plasmabrenner im Längsschnitt dar= gestellt. Die Turbulenzdrossel nach Figur 5 eignet sich insbesondere für leistungsstarke Plasmabrenner oder für solche, die mit einem Arbeitsgas betrieben werden, dem man leicht ionisierbare Stoffe zugesetzt hat. Wesentlich ist, daß das aufgeheizte Arbeitsgas noch ausreichend elektrisch leitend ist, wenn es die Turbulenzdrossel durchströmt. Der Kopf des Plasmabrenners mit der Licht= bogenkammer ist wie in Figur 1A aufgebaut. Um den Rohrkörper 24" der Strömungsdüse ist hier jedoch koaxial zum Rohrkörper eine Erregerwicklung 70 in einem Spulengehäuse 71 angeordnet. Der Rohrkörper 24" besteht aus nicht magnetischem Material. Die Erregerwicklung 70 wird vorzugsweise durch eine Gleichstromquelle 75 gespeist. Die Erregerwicklung 70 um den Rohrkörper 24" und die Stromquelle 75 bilden die Turbulenzdrossel in der elektrodynamischen Ausführungsart.

Das Magnetfeld der Erregerwicklung 70 verläuft in der Beruhigungszone im wesentlichen in -axialer Richtung, also in Strömungsrich=

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tung. Die induzierten Wirbelströme zehren die kinetische Energie der Turbulenz auf und dämpfen so die Querschnittsturbulenz des Plasmas. Diese Dämpfung ist um so wirksamer, je besser das Plasma elektrisch leitend ist. Auch das quer zur Strömungsrichtung verlaufende PeId der Erregerwicklung 70 trägt zur Dämpfung bei. Das transversale Magnetfeld der Erregerwicklung 70 dämpft besonders die Turbulenz in axialen Ebenen,

Der neue Plasmabrenner ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. So kann die neuartige Turbulenzdrossel auch bei Lichtbogenkammern mit anderen Elektrodenanordnungen wirkungsvoll eingesetzt werden.

6 Schutzansprüche

Figuren

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Claims (6)

. IUD 3 4 0**3. Z. DÖ PLA 66/8214 Schutzansprüche

1. Plasmabrenner zum Aufheizen von Gasen in einem Lichtbogen, deren Strömungsgeschwindigkeit in einer nachgeschalteten Strömungs= düse beeinflußt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Licht = bogenzone (18) und Hals (35) der Strömungsdüse eine Turbulenz-= drossel (28, 40, 24" mit 70) angeordnet ist.

2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbulenzdrossel aus in Strömungsrichtung verlaufenden Führungs= lamellen aus wärmeisolierendem Material gebildet ist.

3. Plasmabrenner nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbulenzdrossel radiale Lamellen zwischen koaxial angeordneten Rohren als Führungslamellen aufweist»

4. Plasmabrenner nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbulenzdrossel aus Lochscheiben gebildet wird.

5. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbulenzdrossel aus einem Rohrkörper aus magnetisch nichtleitendem Material besteht, der im Feldbereich einer Erregerwick·= lung liegt.

6. Plasmabrenner nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung koaxial zur Achse des Rohrkörpers angeordnet ist.

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