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Vorrichtung zur Kühlung und Schalldämpfung von Gasströmen Die Erfindung
betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung und Schalldämpfung von Gasströmen, insbesondere
der Abgase von Strahltriebwerken und Raketen an Prüfständen.
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Es ist bekannt, dem Abgasstrom Fremdluft in Mischrohren zuzuführen
und einen Kühlmantel um den heißen Abgasstrom zu legen. Auch ist versucht worden,
durch Einspritzen von Wasser aus Düsen eine abkühlende und schalldämpfende Wirkung
zu erzielen.
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Kühlung der Abgase ist um so notwendiger, je
leistungsfähiger
die Triebwerke werden. Besonders die unmittelbare Umgebung, d. h. das Bedienungspersonal,
die Meßeinrichtungen, die Gebäude- und Gerüstteile usw. müssen vor Hitze und Schall
geschützt werden. Die im heißen Gasstrom angeordneten Gitter und sonstigen Bauteile
zur Herabsetzung der Schallintensität sind hierbei besonders hohen Beanspruchungen
ausgesetzt. Bei Verwendung einer Kühlflüssigkeit tritt bei den bisherigen Ausführungen
an den am bzw. im Gasstrom liegenden Teilen Korrosion auf.
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Erfindungsgemäß wird deshalb eine Vorrichtung zur Kühlung und Schalldämpfung
von Gasströmen, insbesondere der Abgase von Strahltriebwerken und Raketen am Boden,
vorgeschlagen, bei der das Gasführungsrohr umläuft und auf seiner Innenwand ein
Flüssigkeitsringmantel gebildet wird, an dessen Oberfläche die heißen Gase unmittelbar
entlangstreichen.
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Das Gasführungsrohr wird gegen das Abgasrohr des Triebwerks durch
eine Wasserringstopfbüchse abgedichtet, wodurch eine einwandfreie akustische Isolation
derAbgase von derAustrittsdüse des Triebwerks bis zum Ende des Gasführungsrohres
erzielt wird. Durch konische Erweiterung des Gasführungsrohres in Gasströmungsrichtung
wird eine Flüssigkeitsströmung hervorgerufen, die gegenüber stehender bzw. nur schwach
zirkulierender Flüssigkeit eine höhere Kühlung der Gase bewirkt. Die Masse der Flüssigkeit
bestimmt dabei die Dämpfwirkung der Schallausbreitung nach außen.
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Zur Aufrauhung der Flüssigkeitsoberfläche sind in einem in das Gasführungsrohr
koaxial hineinragenden feststehenden Innenrohr Ringkämme angeordnet. Das Gasführungsrohr
kann auch aus biegsamen Werkstoff bestehen, da die durch die Rotation hervorgerufene
Zentrifugalkraft die mit einer Flüssigkeitsschicht belegte formgebende Rohrhülle
strafft. Bisher wurden die Konstruktionen, die den Gasstrahl nach seinem Austritt
aus der Düse in dessen verlängerte Achse umgaben, starr ausgeführt, etwa in Stahl
wie bei den Mischrohren und Schalldämpfern oder in Form von gemauerten oder betonierten
Ab-
gaskanälen. Die Konstruktion aus biegsamern Werkstoff, wie z. B. aus Kunststoff
oder aus Nylon verstärktem Gummi ergibt gegenüber den bisher bekannten starren Konstruktionen
eine Gewichtsverminderung und zusammen mit der Faltbarkeit eine bedeutend
leichtere Transportmöglichkeit, zumal da schalldämpfende Masse gemäß der
Erfindung eine Flüssigkeit, z. B. Wasser, verwendet wird, die nicht unbedingt mittransportiert
zu werden braucht, sondern in den meisten Fällen an Ort und Stelle bebeschafft werden
kann.
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Bei einem biegsamen Mantel wird zudem die Gefahr der schalldämmungsmindernden
Schallabstrahlung infolge Anregung von Biegeschwingungen praktisch beseitigt, da
biegsame Werkstoffe eine nur geringe Biegesteifigkeit besitzen. Bei den bisherigen
Metallkonstruktionen konnte oftmals erst durch Auftragen von zusätzlichem Antidröhnbelag
ein unvorhergesehenes Abstrahlen von Schall vermindert werden.
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung kann als Gasführungsrohr
ein nicht hochhitzebeständiges Material verwendet werden, was einen weiteren Vorteil
gegenüber bisher verwendeten Konstruktionen für ähnliche Zwecke darstellt.
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Bei Anordnung einer spiralenförmigen Leitfläche auf der Innenwand
des Gasführungsrohres kann die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung auch für
Gasführungsrohre mit von der waagerechten abweichender Lage angewendet werden, wie
sie vornehmlich bei Raketen auftreten. Bei näherungsweise senkrechter Anordnung
des Gasführungsrohres ragt dieses unten in einen teilweise mit Flüssigkeit gefüllten
umlaufenden Behälter hinein, wodurch die Gase in Bodennähe gemäß der Flüssigkeitsoberfläche
umgelenkt
und zusätzlich gekühlt werden. Der auf Rollen laufende Behälter kann auch im mittleren
Teil ausgespart und durch entsprechende feststehende Erdaufschüttung oder Betonschicht
ausgefüllt werden. Die zuletzt beschriebene Anordnung soll insbesondere zum Hitze-
und Schallschutz der in unmittelbarer Nähe tätigen Personen, der Gerüstaufbauten,
Aggregate, Zuleitungen usw. dienen, was u. a. durch einseitige Umlenkung der Gase
bewirkt wird. Bisher mußten zu diesem Zweck schwere Betonbauten mit oder ohne Wasserkühlung
erstellt werden.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der
in der Zeichnung als Beispiele dargestellten Ausführungsformen. Es zeigt:
Ab b. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung in waagerechter Lage, # b b. 2 einen Schnitt II-11 gemäß
A b b. 1,
# b b. 3 die Ausführungsform gemäß A b b. 1 in zusammengeschobenem
Zustand, Ab b. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,
A b b. 5 einen Schnitt V-V gemäß A b b. 4, A b b. 6 einen Ausschnitt
der Vorrichtung gemäß A b b. 5 in vergrößertem Maßstab, A b b. 7 eine
Vorrichtung gemäß A b b. 1 in veränderter Lage und die Ab b. 8 bis
11 weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Nach A b b. 1 werden die ausströmenden heißen Gase mit der
Strömungsrichtung 1 durch ein Gasführungsrohr 2 geleitet, das von einem Elektromotor
3 über Vorgelege 4 und über Rohr 5, das mit einem Zahnkranz versehen
ist, in Umdrehung versetzt wird.
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Je nach Erfordernis, nämlich um den Durchhang bei einem biegsamen
Gasführungsrohr nicht zu groß werden zu lassen, befinden sich in bestimmten
Ab-
ständen weitere kreisförinige Rohre 6, jedoch ohne Zahnkranz, die
ebenfalls mit der Rohrhülle fest verbunden sind und die als Versteifungsringe sowie
zur Ausrichtung und zur Lagerung dienen.
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In A b b. 2 sind die Muffen 7 für den zusammenstejk-baren
Rahmen 8 gezeigt, der die Profilrollen 9
trägt. Zum Aufbau des Gasführungsrohres
werden zuerst die Unterteile der Rahmen 8 ausgerichtet, mit dem Erdboden
verankert und dann die Oberteile mit der dritten Profilrolle forinschlüssig auf
die kreisförmigen Rohre 5 und 6 gesetzt und über die Muffen
7 mit den Unterteilen fest verbunden. Kreis-oder auch spiralenfönnig aufgebrachte
Seile 10 aus z. B. Stahl oder Nylon verhindern ein zu großes Ausbeulen des
biegsamen Gasführungsrohres 2 bei Drehung.
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An den Enden des Gasführungsrohres befinden sich Ränder
11, deren Höhe die maximale Dicke der Wasserschicht 12 bestimmt. Um diese
Ränder herum greift eine gebogene und stirnseitig angeordnete Ringspaltdüse
13, deren Basis als Spiralgehäuse 14 ausgebildet ist und durch die der Innenseite
des umlaufenden Gasführungsrohres Flüssigkeit zugeführt wird. Durch eine Pumpe
15 wird aus einem Behälter 16 oder einem Hydranten die Flüssigkeit
in das Spiralgehäuse gedrückt. An der anderen Stirnseite des Gasführungsrohres befindet
sich eine ähnlich ausgebildete Ringspaltdüse 17 zur Ableitung der umlaufenden
Flüssigkeitsmengen, die durch eine Pumpe 18 abgesaugt und über einen Kühler
19 wieder in die Ausgangslage gepumpt werden, womit sich der Ring des Flüssigkeitskreislaufs
schließt. An den beiden Enden weist das Gasführungsrohr wulstartige Erweiterungen
20 auf, damit die Düsen tief genug in die Wasserschicht tauchen können. Die Ringspaltdüsen
13 und 17 und die wulstartigen Erweiterungen 20 werden im folgenden
als Wasserringstopfbüchse bezeichnet.
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An dem Gehäuse 21, das gleichzeitig als Tragrahmen ausgebildet ist,
können weitere Teile wie z. B. Schalldämpfer oderweitere umlaufendeGasführungsrohre
angeschlossen werden.
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Durch einen Dreiweghahn 22 kann wahlweise der Flüssigkeitsnachschub
für die Einlaufstelle des umlaufenden Gasführungsrohres eingestellt werden, der
entweder nur aus dem Behälter oder nur aus dem Kreislauf über den Kühler oder aber
aus beiden gleichzeitig gespeist wird. Je nach den Verhältnissen kann auch
die Pumpe 15 allein ausreichend sein und auch der Kühler fortfallen.
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Nach dem Ingangsetzen der Vorrichtung wird aus dem Behälter die durch
Verdampfen und durch Undichtigkeiten verlorengegangene Flüssigkeitsmenge ersetzt.
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Zur Aufrauhung der Flüssigkeitsoberfläche sind Kämme 23 an
den Wasserringstopfbüchsen 13/20,
17/20 angeordnet. die in das Gasführungsrohr
hineinragen.
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Ein für das Triebwerksende 43 passender und Über dessen ganzen Umfang
dichtschließender biegsamer, mit Flüssigkeit gefüllter Doppelmantel 24 mit einem
Flanschteil 25 zur tragenden Verbindung mit der Düse 13 dient als
übergangsstück zwischen Triebwerksende 43 und umlaufendem Gasführungsrohr.
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Die Rahmen enden auf druckverteilenden Platten 26, die über
Pflöcke, Anker 27 u. ä. mit dem Erdreich fest verbunden werden. In
A b b. 3 ist dargestellt, wie das biegsame Gasführungsrohr 2 zum Transport
zusammengefaltet wird.
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In den A b b. 4, 5 und 6 ist eine weitere Möglichkeit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt: In das äußere Gasführungsrohr 2 ist
koaxial ein inneres konisches Gasführungsrohr 28 fest verbunden eingebaut,
in der die Flüssigkeit in zum Gasstrom entgegengesetzter Richtung fließt und durch
die in A b b. 5 im Schnitt und in A b b. 6 perspektivisch aufgeschnitten
dargestellten hohlen Profilrohre 29 mit ihren öffnungen 30 und
31 auf die Innenwandung des äußeren Gasführungsrohres zurückströmt. Die Flüssigkeit
wird dem inneren Gasführungsrohr 28 durch das feststehende Zuleitungsrohr
32 mit fast halbkreisförmiger Ringspaltdüse 33 zugeführt. Die Pumpe
34 kann an den Behälter 16 für das äußere Gasführungsrohr 2 angeschlossen
werden oder die Flüssigkeitszuführung für das innere Gasführungsrohr 28 wird
durch Abzweigung auch noch von der Pumpe 15 mit durchgeführt.
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Ab b. 7 zeigt eine Vorrichtung im Grundriß, bei der die Rotationsachse
im Winkel zur Achse des ausströmenden Gases steht. Hierdurch soll bewirkt werden,
daß gegebenenfalls die Zone des heißen Kerns l' direkt in Berührung mit der
offenen Flüssigkeitsoberfläche kommt.
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A b b. 8 zeigt eine Ausführung mit wenigstens näherungsweise
senkrecht stehender Achse des umlaufenden Gasführungsrohres 2. Damit die von oben
durch die gleichzeitig als Tragekonstruktion benutzten Rohre 35 eingeleiteten
Flüssigkeitsmengen nicht
direkt herunterf allen, ist eine bis ganz
nach unten durchgehende spiralförmige Leitfläche 36 mit dem Gasführungsrohr
fest verbunden, über die die Flüssigkeit nach unten gleitet.
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über die Räder 37 ist das Gasführungsrohr auf einen Schienenkranz
38 aufgesetzt und drehbar gelagert. Der Antrieb erfolgt z. B. unten über
einen Elektromotor 3 mit Vorgelege 4 über den einen Zahnkranz tragenden Rohrrahmen
5, der durch Rollen 9 getragen wird.
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A b b. 9 zeigt eine im Prinzip der A b b. 8 ähnliche
Anlage, jedoch werden die austretenden Gase durch einen großen umlaufenden Behälter
39 seitlich al:#-gelenkt. Die Achse des umlaufenden Gasführungsrohres 2 kann
zum Abgasstrahl 1 parallel liegen, damit die betreffenden Aufbauten dichter
an das Triebwerk 44 herangeführt werden können. Durch die in A b b. 9 gezeigte
Gesamtanlage wird eine im Grundriß angedeutete Schutzzone 40 gegen Zerstörung durch
Hitze und Schall geschaffen.
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A b b. 10 zeigt ein Schnittbild des umlaufenden Behälters
39 mit einem mittigen feststehenden Teil 41, der durch die Erdoberfläche,
Mauerwerk oder aus einem mit Wasser gefüllten Becken oder ähnlichem gebildet wird.
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Ein zerlegbares Rohrgerüst 42 dient als Tragkorb des zusammenfaltbaren
Behälters 39.
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Die in allen Abbildungen dargestellten Hüllen können auch aus festen
Werkstoffen bzw. Kombinationen von festen und biegsamen Werkstoffen bestehen.
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Als Flüssigkeit wird in den meisten Fällen am zweckmäßigsten Wasser
zu nehmen sein, jedoch kann die Flüssigkeit auch mit Lehm, Sand, Kies od. dgl. gemischt
sein.