DE959423C - Vorrichtung zur Verbrennung von fluessigen und festen Brennstoffen, insbesondere in Strahltriebwerken od. dgl. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verbrennung von flüssigen und festen Brennstoffen, insbesondere in Strahltriebwerken od. dgl., mit einer Verbrennungskammer, einer sich daran anschließenden enger werdenden Austrittsdüse und einem damit verbundenen Auslaßkegel, wobei diese in einer Flucht liegenden Teile von einem gemeinsamen Metallmantel umgeben sind, in dem sich eine gegenüber dem Metallmantel durch eine feuerfeste Zementschicht isolierte, ebenfalls feuerfeste Auskleidung befindet.

Strahltriebwerke und ähnliche Vorrichtungen bestehen gewöhnlich aus einem zylindrischen Verbrennungsraum, der sich nach einem Ende hin mit einer schmalen Öffnung oder Düse für das Ausströmen der heißen Verbrennungsgase verengt. Das andere Ende des Verbrennungsraums ist offen und mit einem Flansch od. dgl. zur Verbindung mit einem die Brennstoffeinspritzdüsen tragenden Brennkammerabschluß versehen, oder es kann bei Verwendung von festen Treibmitteln auch selber schon geschlossen ausgeführt sein. Am äußeren Ende der Düse erweitern sich die inneren Auskleidungswände und bilden einen kegeligen Auslaß, der die heißen Gase verteilt, wenn sie die Düse verlassen.

Die starke Korrosion und Erosion in derartigen Triebwerken erfordern insbesondere im Auslaß Materialien von hoher Dichte und Feuerfestigkeit. Aus diesem Grunde wurden derartige Triebwerke

bisher fast vollständig aus dichten, schwerschmelzbaren Materialien hergestellt, die durch einen feuerfesten Zement gestützt werden. Die Triebwerke waren zwar konstruktiv einwandfrei, aber im Verhältnis zum Gesamtgewicht viel zu schwer. Bei keramischen Auskleidungen war es auch üblich, sich ganz auf die Eignung der speziellen keramischen Zusammensetzung für die Innenauskleidung zu verlassen.

ίο Gemäß der Erfindung sind diese Schwierigkeiten dadurch vermieden, daß in die feuerfeste Zementschicht ein zur Kühlung der Düsenverkleidung dienendes Kühlmittel einleitbar ist und die Düsenverkleidung aus einem poröseren Material besteht als die Auskleidungen der Verbrennungskammer und des Auslaßkegels. Zweckmäßig besteht dabei die keramische Innenauskleidung aus einer gebundenen Siliziumcarbidmischung. Es ist dadurch erreicht, daß eine dünne kühlende Schutzschicht gebildet wird, die längs der inneren Wand der Düse oder des Auslasses fließt und zusätzlich gegen Oxydation oder andere chemische und physikalische Angriffe der durch die Düse mit großer Geschwindigkeit strömenden heißen Gase und Veras brennungsprodukte schützt. Dabei dringt das Kühlmittel durch die Poren der inneren Auskleidungswand zu der inneren Oberfläche, wo es verdampft und die schon erwähnte dünne kühlende Schutzschicht bildet. Weiterhin tritt eine erhebliehe Gewichtsverminderung ein, ohne daß die Widerstandsfähigkeit gegen hohe Temperaturen und gegen korrodierende Einflüsse gemindert wird. Überdies sind die erfindungsgemäßen Vorrichtungen leicht herzustellen; die Kosten sind durch Einsparung teurer Auskleidungen niedriger. Der zusätzliche Schutz der Düse gegen Korrosion und Erosion durch Verwendung von kühlenden Dämpfen, die durch die porösen Wände der Düse eindringen, erlauben die Verwendung von Materialien an diesen Stellen, die sonst normalerweise unter den dort herrschenden Bedingungen nicht tragbar wären.

Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weisen die feuerfeste keramische Auskleidung und die feuerfeste Zementschicht eine gute Wärmeleitfähigkeit auf, während die feuerfeste Zementschicht aus mindestens 50⁰/» Siliziumcarbid besteht. Dabei ist zweckmäßig der Kühlraum in der feuerfesten Zementschicht untergebracht.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Kühlraum in der feuerfesten Zementschicht in der Nähe der Düse vorgesehen, während der Kühlraum aus einem durch den Metallmantel hindurchgeführten ringförmigen Rohr besteht, das gegebenenfalls an seiner der Düse zugewandten Innenfläche mehrere gleichmäßig über den Umfang verteilte Löcher für den Austritt des flüssigen Kühlmittels in die poröse Zementschicht und die poröse feuerfeste keramische Auskleidung aufweist.

Die Zeichnung bringt zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigt

Fig. ι einen Längsschnitt durch die aus Düse und Brennkammer bestehende Vorrichtung,

Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie 2-2 der Fig. ι und

Fig. 3 eine Abwandlung von Fig. 2. In ihr fließt das Kühlmittel nicht durch die innere Auskleidung, sondern zirkuliert durch eine Leitung, die in der Trägerschicht aus feuerfestem Zement eingebettet ist, wobei keramische Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit für die innere Auskleidung zur Anwendung gelangen.

In den Fig. 1 und 2 besteht die gezeigte Vorrichtung aus einem Verbrennungsraum J, einer verengten Öffnung 8 und einem Auslaß 9. Die Auskleidung 11 des Verbrennungsraums 7 und die Auskleidung 12 des Auslasses 9 bestehen aus vorgeformtem und vorgebranntem, gebundenem feuerfestem Siliziumcarbid, das so dicht, hart und feuerfest ist, daß es den hohen Temperaturen und Korrosions- und Erosionseinflüssen durch Verbrennung und Ausströmen widerseht. Die Innenauskleidung 13, die das verengte Düsenteil 8 bildet, besteht ebenfalls aus vorgeformtem und vorgebranntem, gebundenem Siliziumcarbid, in welchem jedoch die Siliziumcarbidteilchen vorwiegend grobkörniger ■ sind und nur einen geringen Anteil an feinem Siliziumcarbid aufweisen, so daß nach dem Brennen eine porösere Struktur erzielt wird als bei der angrenzenden Auskleidung 11 des Verbrennungsräums und der Auskleidung 12 des Auslaßkegels.

Als Auskleidungsmaterial hat sich ein besonders körniges Siliziumcarbid bewährt, das durch Borcarbid und Bornitrid gebunden ist.

Die inneren Auskleidungen 11, 12 und 13 werden von einem zylindrischen Metallmantel 14 mit Hilfe einer Zwischenschicht oder Masse 15 aus einem gießbaren, feuerfesten Zement, wie einen wasserhärtenden Calciumaluminatzement, gehalten. Der Mantel 14 besitzt einen Flansch 16 mit Bolzenlöchern 17 zu seiner Befestigung an dem die Brennstoffeinspritzdüsen tragenden Brennkammerabschluß. Der Metallmantel hat am Ausgang einen Innenring 18, der sich radial nach innen erstreckt, das äußere Ende der Auskleidung vom Auslaßkegel 12 festhält und während des Geb-auchs als zusätzliche Verstärkung dient. - Der Teil 19 der no feuerfesten Zementunterlage, die die Düsenwand 13 hält, besitzt durch Zusatz eines schaumbildenden oder porenbildenden Mittels, wie z. B. Wasserstoffsuperoxyd, eine höhere Porosität als der übrige feuerfeste Zement.

Innerhalb der Masse 19 aus porösem Zement, der die Düsenwand 13 hält, befindet sich das Rohr 21. Dieses Rohr ist mit einer Anzahl öffnungen 22 um die ganze innere Peripherie versehei. Es enthält auch außen eine Abzweigung oder ein iao Bleirohr 23, das durch den Metallmantel 14 führt und mit dem Kühlmittel in Verbindung steht.

Eine Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 ist auf folgende Weise herstellbar: Der Auskleidüngsteil 11 für die Wand des Verbrennungsraums 7 wird las infolge seiner Länge und dünnen Wände gewöhn-

lieh durch Stauchen oder Stampfen geformt, wohingegen die Düsenauskleidung 13 und die Auslaßauskleidung 12 meist durch- Pressen der gleichen Mischung in einer Stahlform bei geeignetem Druck von z. B. 350 kg/cm² 'durch eine hydraulische Presse entsteht. Folgende Zusammensetzung wird für die Auskleidung 11 des Verbrennungsraums und für die Auskleidung 12 des Auslasses verwendet:

Silizjumcarbid, Korngröße 30 ..
Siliziumcarbid, Korngröße 46 ..
Siliziumcarbid, Korngröße 180 .
Borcarbid (B₄C), Korngröße 320

Gewichtsteile

33

33

30

6% eines temporären Bindemittels, wie z.B. einer io°/»igen wäßrigen Lösung von Polyvinylalkohol, werden dieser Mischung zugefügt und das Material gut gemischt, so daß eine preßbare Masse entsteht. Statt der wäßrigen Lösung von Polyvinylalkohol kann jedes für keramische Mischungen -brauchbare temporäre Bindemittel, wie Dextrin, konzentrierte Cellulosesulfitlauge und -pulver, verschiedene Harze usw., Verwendung finden.
Folgende Komposition dient zum Formen der Auskleidung 13 für die Düse, die eine etwas porösere Struktur besitzen soll:

Gewichtsteile

Siliziumcarbid, Korngröße 14 bis 36 .. 35
Siliziumcarbid, Korngröße 40 bis 70 .. 35
Borcarbid (B₄C), Korngröße 320 .... 30

Diese Mischung wird mit derselben Menge eines temporären Bindemittels wie oben versetzt und läßt sich durch Stauchen, Stampfen oder Pressen in die gewünschte Form bringen, die der betreffende Teil der Auskleidung erhalten soll.
Anstatt die Kombination der Korngrößen des Siliziumcarbids zu ändern, um eine höhere Porosität in der Auskleidung für den Düsenteil zu erzielen, kann der Komposition auch ein porenbildendes Material, wie gemahlener Koks oder Kohle, Sägemehl oder andere Füllstoffe, die beim Brennen der Masse verbrennen und diese damit poröser machen, zugesetzt werden. Eine Erhöhung der Porosität läßt sich auch durch Formen des Gegenstandes bei geringerem Druck erzielen, als er für die Herstellung der Auskleidungen für den Verbrennungsraum oder den Auslaß angewendet wird.

Die so entstandenen Formen werden bei 107 bis I2i° getrocknet und dann in eine mit Graphit ausgekleidete Kammer eines Elektrohochfrequenzofens gebracht, wo die Formen auf einem Graphitlager ruhen. Durch ein Einlaßrohr aus Graphit strömt Stickstoff in den Ofenraum. Eine Graphitplatte, die den Ofen oben abschließt, ist in der Mitte mit einem Loch versehen, durch das die Gase während des Brennens entweichen können und auch die Temperatur in Innern des Ofens mit Hilfe eines optischen Pyrometers abgelesen werden kann. Der Ofen wird auf etwa 700⁰ erhitzt und auf dieser Temperatur so lange gehalten, bis das temporäre Bindemittel weggebrannt ist. Während dieses Vorgangs wird trockner Stickstoff unter Druck durch das Einlei tungsrohr aus Graphit in den Ofen geleitet. Danach wird der Ofen rasch bis auf 2250 bis 2275° erhitzt, auf dieser Temperatur 30 Minuten gehalten, danach der elektrische "Strom abgeschaltet und der Ofen im Stickstoffstrom langsam abgekühlt.

Eine Analyse eines Auskleidungssegments der obengenannten Zusammensetzung zeigt die folgenden Daten für die gebrannte Masse:

Silizium 44,96°/»

Kohlenstoff 26,33°/»

Bor i8,66%>

Stickstoff 9,94%

99,89%

Wenn man annimmt, daß alles Silizium mit dem Kohlenstoff zu Siliziumcarbid vereinigt, und der Stickstoff als Bornitrid (B N) vorhanden ist, ergibt sich folgende theoretisch errechnete Zusammensetzung für die gebrannte Masse:

Siliziumcarbid, Si C 64,20%

Bornitrid, BN 17,60 %

Borcarbid, B₄C 14,03«/»

freier Kohlenstoff 4,04%

99,87%

Es ist bekannt, daß sich Siliziumnitrid bei etwa 1900⁰ zersetzt. Da die Masse auf 2250 bis 2275⁰ erhitzt wurde, ist es möglich, daß der Stickstoff mit einem Teil des Borcarbids reagiert und Bornitrid bildet.

Obwohl man üblicherweise die Formung der Auskleidung durch Eckenstampfen vorzieht, da Länge und geringe Wanddicke kaum das Maschinenformen aushalten, soll die Herstellung der einzelnen Auskleidungsteile nicht auf derartige spezielle technische Verfahren, wie sie oben beschrieben sind, beschränkt werden, da diese Massen nach jedem üblichen Verformungsprozeß, also durch Pressen, Hand- oder Maschinenstampfen, Stampfen mit Preßluft, Stauchen oder Gießen, hergestellt werden können.

Die inneren Auskleidungsteile können auch aus anderen feuerfesten Kompositionen von gebundenem Siliziumcarbid hergestellt werden. Zum Beispiel kann das Material aus einer Masse von körnigem Siliziumcarbid bestehen, das durch Bor- und Zirkoniumcarbid oder Borcarbid -r Siliziumcarbid + Zirkoniumcarbid gebunden ist.

Wenn die inneren Auskleidungen für den Verbrennungsraum, für die Düse und den Auslaß geformt und gebrannt sind, wird die Vorrichtung zusammengesetzt, indem die Auskleidung 12 für den Auslaß in den zylindrischen Metallmantel 14 eingesetzt wird, so daß sie auf dem Schlußring 18 des Metallmantels (s. Fig. 1) ruht. Nachdem das Rohr 21 und das Abzweigrohr 23 zwischen der Düsenauskleidung 13 und dem Metallmantel an-

gebracht ist, wird die Düsenauskleidung 13 auf die Auslaßauskleidung 12 und die Auskleidung 11 für den Verbrennungsraum auf die Auskleidung der Düse 13 aufgesetzt, wobei alle drei Auskleidungen gegenseitig axial ausgerichtet und gegenüber dem Metallmantel 14 zentriert sind. Falls gewünscht, kann eine dünne Zementschicht, wie z. B. eine Mischung von feinem Zirkoniumoxyd und Natriumsilikatlösung, zwischen die sich berührenden Grenzen der Auskleidungen gefüllt ■werden, damit sie fest halten, wenn der feuerfeste Zement zwischen die einzelnen Auskleidungen und den Metallmantel eingefüllt wird.

Nachdem die einzelnen Auskleidungen in dieser Weise vereinigt sind, wird der Zwischenraum zwischen dem äußeren Metallmantel 14 und der Auslaßauskleidung 12 mit einem gießbaren, feuerfesten Zement 20 ausgefüllt. Als brauchbarer, gießbarer Zement bewährte sich hierfür ein CaI-ciumaluminatzement, der der Analyse nach 45% Tonerde, 35% Kalk, 15% Eisenoxyd und 5 ⁰Zo Kieselerde enthielt. Weitere geeignete Zusammensetzungen für feuerfeste Zemente für diesen Zweck bestehen aus Aluminiumoxyd-Natriumsilikat- und Zirkoniumoxyd-Natriumsilikat-Kompositionen.

Nachdem der feuerfeste Zement 20 ausgegossen ist, sich teilweise gesetzt hat und erhärtet ist, wird ein anderer Teil 19 des Zements zwischen den Metallmantel 14 und die Düsenauskleidung 13 in solcher Menge aufgebracht, bis die Oberfläche des ausgegossenen Zements das obere Niveau der Auskleidung 13 erreicht hat. Dem Zement wird vorzugsweise ein porenbildender Stoff, wie Wasserstoffsuperoxyd, zugesetzt. Nachdem der Zement mit dem porenbildenden Material zumindest teilweise erhärtet ist und sich gesetzt hat, wird erneut derselbe feuerfeste Zement wie zwischen Auslaßauskleidung 12 und äußerem Metallmantel 14 in den Raum zwischen der Auskleidung 11 für den Verbrennungsraum und den Metallmantel 14 eingefüllt. Nachdem der Rest des feuerfesten Zements eingegossen und die ganze Masse erhärtet ist, was gewöhnlich 24 Stunden dauert, wird die gesamte Masse im Ofen bei 93 bis 121° über Nacht getrocknet. Die Vorrichtung ist dann betriebsbereit.

Nach einer weiteren Abwandlung der Erfindung, die zeigt, wie Zusammenstellungen von Auskleidungen verschiedener Porosität verwendet werden können, lassen sich die Auskleidungen 11 und 12 aus dichtem, gebundenem Siliziumcarbid wie oben herstellen, wohingegen die Auskleidung 13 für die Düse oder den Durchgang aus einer anderen SiIiziumcarbidzusammensetzung mit geringerer Dichte wie folgt geformt sein kann:

Gewichtsteile

Siliziumcarbid, Korngröße 80

und feiner 85

Ferromangansiliziumpulver 15

Konzentrierte Cellulosesulfitabfall-

lösung 3

Das Ferromangansilizium wird als feines Pulver verwendet und trocken mit den feinen Bestandteilen vom Siliziumcarbid und dem trocknen temporären Bindemittel vermischt, worauf es mit den gröberen Siliziumcarbidkörnern trocken vermischt und darauf feucht in einer gewöhnlichen Knetmaschine durchgearbeitet wird, wobei genügend Wasser zugegeben wird, damit die Ansatzmasse eine Beschaffenheit erhält, die sie zum Pressen oder Verstampf en je nach der Verformungsmethode geeignet macht. Wenn njan das Verformen maschinell vornimmt, so wird gewöhnlieh mit einer hydraulischen Presse bei einem Druck von über 350 kg/cm² gearbeitet. Unabhängig von der Art des Verformens wird dann in üblicher Weise bei etwa 104⁰ getrocknet und schließlich in einem Ofen bei 1450° gebrannt. Das Brennen von derartig gebundenem Siliziumcarbid führt man am besten in einer reduzierenden Atmosphäre bei 1300 bis 1450⁰, wie sie durch Einbetten in eine Mischung von Koks und Sand während des Brennens erzielt wird, durch. 8g

Bei der Verwendung der aus Düse und Brennkammer bestehenden Vorrichtung wird dann als Kühlmittel Wasser oder ein anderes Kühlmittel von außen durch das Rohr 23 in den Kühlring 21 gepreßt, wo es durch die öffnungen 22 in den um- go gebenden, porösen, feuerfesten Zement strömt. Die Pfeile in Fig. 2 zeigen die Richtung des Stroms des Kühlmittels durch den Kühlring in die innere Auskleidung. Die poröse Auskleidung 13 der Düse wird dadurch mit flüssigem Kühlmittel durchtränkt, das verdampft und mit den gasförmigen Verbrennungsprodukten längs der inneren Oberfläche der Düsenauskleidung in Form eines dünnen gasförmigen Films entweicht. Dieser filmartige Fluß schützt die Innenwand der Düse nicht nur mechanisch, sondern auch durch seinen Kühleffekt, der durch das konstante Strömen des Kühlmittels durch die Wände und längs der Düsenauskleidung erzeugt wird. Dieser zusätzliche Schutz der hochbeanspruchten Düsenwand ermöglicht in dieser Zone die Verwendung von Materialien, die sonst für diesen Zweck unbrauchbar sind.

Fig. 3 stellt eine Abwandlung der Erfindung dar, in der ein anderes Kühlverfahren der Einlaßzone der Düse aus verhältnismäßig nicht porösem oder sogar dichtem Siliziumcarbid zu sehen ist. Dieser Teil des feuerfesten Zements ig-A besteht aus Siliziumcarbid, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit zufolge des hohen Siliziumcarbidgehalts (über 50% SiC) besitzt. Eingebettet in diesem Zement ig-A ist eine Kühlleitung 21 -A. Diese Leitung ist nicht mit Löchern oder öffnungen versehen, wie dies bei der Leitung der in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführung der Fall ist, jedoch mit einem Einlaß 22-A und Abfluß 23-ß, so daß die Kühlflüssigkeit xao in der Leitung die Düse umfließt. Infolge der verhältnismäßig hohen Wärmeleitfähigkeit des Einbettungszements wird die Wärme von der Düse rasch durch die konvergierende Düsenwand abgeführt und von da durch den Einbettungszement und schließlich durch die Kühlflüssigkeit

nach außen abgeleitet, so daß sich die Temperatur der Düse wesentlich erniedrigt. Die ganze Vorrichtung ist von einem Metallmantel 14-^ umgeben.

Ein brauchbarer Zement mit hoher Wärmeleitfähigkeit, der sich für die Düse 13-Λ eignet, hat die folgende Zusammensetzung:

Gewichtsprozent

Siliziumcarbid, Korngröße 80 Maschen

und feiner 73

Natriumsilicofluorid 2

. Natriumsilikatlösung 25

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE;

1. Vorrichtung zur Verbrennung von flüssigen und festen Brennstoffen, insbesondere in Strahltriebwerken od. dgl., mit einer Verbrennungskammer, einer sich daran anschließenden enger werdenden Austritts düs'e und einem damit verbundenen Auslaßkegel, wobei diese in einer Flucht liegenden Teile von einem gemeinsamen Metallmantel umgeben sind, in dem sich eine gegenüber dem Metallmantel durch eine feuerfeste Zementschicht isolierte ebenfalls feuerfeste Auskleidung befindet, dadurch gekennzeichnet, daß in die feuerfeste Zementschicht ein zur Kühlung der Düsenverkleidung dienendes Kühlmittel einleitbar ist und die Düsenverkleidung aus einem poröseren Material besteht, als die Auskleidungen der Verbrennungskammer und des Auslaßkegels.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Innenauskleidung aus einer gebundenen Siliziumcarbidmischung besteht.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feuerfeste keramische Auskleidung und die feuerfeste Zementschicht eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen und die feuerfeste Zementschicht aus mindestens 50% Siliziumcarbid besteht.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der feuerfesten Zementschicht ein Kühlraum befindet, der das flüssige Kühlmittel führt.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlraum in der feuerfesten Zementschicht in der Nähe der Düse vorgesehen ist und aus einem durch den Metallmantel hindurchgeführten ringförmigen Rohr besteht, das gegebenenfalls an seiner der Düse zugewandten Innenfläche mehrere gleichmäßig über den Umfang verteilte Löcher für den Austritt des flüssigen Kühlmittels in die poröse Zementschicht und die poröse feuerfeste keramische Auskleidung aufweist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 821 881;

britische Patentschrift Nr. 578007;

»Motor-Technische Zeitschrift«, Bd. 14 (1953), Nr. 2, S. 53;

Zeitschrift »Aeroplane«, Bd. 81 (1951),
Nr. 2099, S. 494;

Zeitschrift »Weltraumfahrt«, 1950, Heft 5, S.112 und 114.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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