DE1019863B

DE1019863B - Gaserzeugungseinrichtung, insbesondere fuer Triebwerke mit Raketenantrieb

Info

Publication number: DE1019863B
Application number: DEN10685A
Authority: DE
Inventors: Francis John Hearn; Walter Shirley
Original assignee: D Napier and Son Ltd
Current assignee: Napier Turbochargers Ltd
Priority date: 1954-05-25
Filing date: 1955-05-24
Publication date: 1957-11-21
Also published as: FR1131542A; GB763015A; US2852916A

Description

Die Erfindung geht aus von einer Gaserzeugungseinrichtung, insbesondere für Triebwerke mit Raketenantrieb, bei der zur gegenseitigen Reaktion oder Zersetzung bestimmte Betriebsstoffe mittels eines in einer Hilfsreaktions- oder Zersetzungskammer aus gegenseitig reagierenden oder sich zersetzenden Stoffen kontinuierlich erzeugten Druckgases aus ihren Vorratsbehältern ausgetrieben, und einer Hauptreaktionsoder Zersetzungskammer zugeführt werden.

Bei bekannten Einrichtungen dieser Art erfolgt die Zuführung der reagierenden Stoffe zur Hilfsbrennkammer unter der Wirkung eines Druckgases, das einem kleinen Druckbehälter entnehmbar ist. Dieser Druckbehälter wird während der ganzen Betriebsdauer benötigt und muß daher mit dem Triebwerk mitgeführt werden, was vielfach unerwünscht ist, z. B. inisbesondere bei Raketentriebwerken für Flugzeuge und Geschosse, bei denen es wichtig ist, das Gewicht und den Raumbedarf des Vortriebsaggregats so klein wie möglich zu halten. Erst recht gilt dies für bekannte Einrichtungen, bei denen eine Hilfsreaktions- oder Zersetzungskammer nicht vorhanden ist. Diese Einrichtungen müssen mit einem verhältnismäßig umfangreichen und schweren Behälter, z. B. einer starkwandigen Flasche für das verdichtete Gas, versehen sein, das dazu dient, die zur gegenseitigen Reaktion oder Zersetzung bestimmten Stoffe aus ihren Vorratsbehältern herauszutreiben und der Reaktions- oder Zersetzungskammer zuzuführen.

Zur Vermeidung dieses Nachteils werden beim Erfmdungsgegenstand derHilfsreaktionskammer die zur Reaktion oder Zersetzung dienenden Stoffe durch eine Pumpe zugeführt, die von einer Turbine angetrieben wird, deren Arbeitsmittel in einer zweiten Hilfsreaktions- oder Zersetzungskammer in an sich bekannter Weise gebildet wird. Zwar kommt auch eine solche Gaserzeugungseinrichtung nicht ohne einen kleinen Druckgasbehälter aus, doch ist dieser nur während des Anlassens des Triebwerkes erforderlich und kann daher außerhalb des eigentlichen Triebwerkes untergebracht sein, braucht also nicht mitgeführt zu werden.

Die Menge der Reaktions- oder Zersetzungsstoffe, die der das Treibgas für die Turbine liefernden Hilf skammer zugeführt werden, kann in Abhängigkeit von dem Druckunterschied regelbar sein, der zwischen dem Eintrittsdruck der Pumpe und ihrem Austrittsdruck besteht. Auf diese Weise ist es möglich, die Drehzahl der Turbine und somit auch der Pumpe derart zu regeln, daß die Pumpe annähernd den gleichen Förderdruck beibehält.

Der Betriebsstoff für die Hilfskammern kann dem Vorrat an Reaktions- oder Zersetzungsstoffen entnommen werden, der den Betriebsstoff für die Haupt-Gaserzeugungseinrichtimg, insbesondere für Triebwerke mit Raketenantrieb

Anmelder:
D. Napier & Son Limited, London

Vertreter: Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls

und Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Pechmann,

Patentanwälte, München 9, Sdrweigerstr. 2

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 25. Mai 1954

Francis John Hearn und Walter Shirley,

Luton, Bedfordshire (Großbritannien),

sind als Erfinder genannt worden

reaktions- oder -Zersetzungskammer liefert. In diesem Fall dient zu Beginn des Betriebes zum Heraustreiben des Betriebsstoffes aus den Vorratsfoehältern der Druck eines Strömungsmittels, das aus einer besonderen Quelle, z. B. einer Druckgasquelle, kommt. Der Druck dieses Strömungsmittels wird so lange verwendet, bis der Gasdruck der die Hilfskammern enthaltenden Einrichtung ausreicht, um einen Verschluß zu öffnen, der die zu den Vorratsbehältern führende Druckleitung absperrt.

Als Verschlußglied kann eine Scheibe dienen, die durch den Druck des in der Hilf seinrichtung erzeugten Druckgases zerstörbar ist.

Wird für die Gaserzeugungseinrichtung ein Betriebsstoff verwendet, der aus einem Sauerstoffträger und einem Brennstoff, z. B. einem Kohlenwasserstoff, besteht, so ist es zweckmäßig, in den Hilfskammern nur den Sauerstoffträger zu verwenden.

Es ist bekannt, in einer Gaserzeugungseinrichtung außer einer Hauptreaktionskammer eine Hilfs-

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reaktionskamnier vorzusehen und in dieser das Treibgas für eine Turbine zu'erzeugen, die zum Antrieb einer Pumpe dient. Die Pumpe bat jedoch bei der bekannten Anlage nicht die Aufgabe, die Reaktionsstoffe einer zweiten Hüfskammer zuzuführen, die zur Erzeugung des Druckgases dient, sondern die Aufgabe, den Betriebsstoff aus den Vorratsbehältern der Hauptreaktionskammer zuzuführen. Bekannt ist es auch, in einer Gaserzeugungsanlage als Verschlußglied eine stoffes aus den Behältern G und H umfassen eine bei M allgemein angedeutete Turbinenanlage mit einer ersten Hilfsreaktionskammer M¹, die an einem Ende ein Katalysatorelement M² zum Zersetzen von Wasserstoffsuperoxyd in Sauerstoff und Wasser enthält, während ihr anderes Ende mit dem Düsenring M^s einer Turbine in Verbindung steht, deren Läufer N mit dem Läufer O einer Kreiselpumpe O¹ gekuppelt ist. Die Turbine besitzt einen Auslaßkanal M⁴, der in

als Zerreißmembran ausgebildete Scheibe zu verwen- io die Atmosphäre mündet.

Zu dem das Katalysatorelement M- enthaltenden Ende der ersten Hilfsreaktionskammer M¹ führt ein Förderkanal P, der durch ein Ventilteil P¹ gesteuert, das durch einen Differentialkolben P² unterstützt näher erläutert; das Ausführungsbeispiel ist in einer 15 wird, dessen Unterseite dem Druck in einem zum

den, die durch den Druck des in der Einrichtung erzeugten Gases zerstörbar ist.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel

Zeichnung dargestellt, die aus Zweckmäßigkeitsgründen in die Fig. 1 und 1A unterteilt ist.

Die in der Zeichnung dargestellte Einrichtung umfaßt eine Hauptreaktionskammer mit Schubdüse, bestehend aus einer Hauptreaktionskammer A, deren eines Ende unmittelbar mit der Schubdüse B in Verbindung steht, während ihr anderes Ende ein Katalysatorelement oder -bett C enthält, das geeignet ist, Wasserstoffsuperoxyd in Sauerstoff und Dampf zu zersetzen, und das z. B. aus einem Stapel von mit Silber überzogenen Gazestücken besteht. In das Ende der Hauptreaktionskammer A, welches das Katalysatorelement C enthält, mündet eine Hauptleitung D für Wasserstoffsuperoxyd.

An einer geeigneten Stelle zwischen den Enden der Hauptreaktionskammer A ist ein Brennstoffverteilungselement E so angeordnet, daß es von den Zersetzungsprodukten des Wasserstoffsuperoxyds durchströmt wird, denen durch dieses Element ein Brennstoff zugeführt wird, von dem hier angenommen ist, daß es sich um Kerosin handelt, so daß der Brennstoff mit dem Sauerstoff verbrennt und gasförmige Reaktionsprodukte liefert, die unter Erzeugung einer Vortriebswirkung durch die Düse B ausgestoßen werden.

■ Der Brennstoff wird dem Brennstoffverteilungselement E durch eine Brennstoffleitung F zugeführt.

Man erkennt aus der Zeichnung, daß der zwischen dem Brennstoffverteilungselement E und der Düse B liegende Teil der Wand der Hauptreaktionskammer A hohl ausgeführt ist, um einen Mantelraum A¹ zu bilden, und daß das der Leitung D zuzuführende Wasserstoffsuperoxyd durch zwei Leitungen D¹ zum rückwärtigen. Ende des Mantelraumes A¹ und dann Einlaß O"² der Pumpe O führenden Förderkanal ausgesetzt ist, während auf das andere, einen kleineren Durchmesser aufweisende Ende des Ventilteils über einen Kanal P^s der statische Druck des Strömungsmittels am Außendurchmesser der Pumpe O wirkt. Der Einlaß O- der Pumpe und der Förderkanal P³ sind beide an eine Zuführungsleitung P* angeschlossen, in die eine Zerreißmembran F⁵ eingesetzt ist und welcher aus dem Behälter G über die Lei¹" tung / und ein durch einen Schalter P⁷ gesteuertes Elektromagnetventil P^e Wasserstoffsuperoxyd zugeführt werden kann.

Die Pumpe O kann Wasserstoffsuperoxyd durch eine Leitung Q zu einem Ende einer zweiten Hilfsreaktionskamnier Q¹ fördern, das ein Katalysatorelement Q² enthält, welches geeignet, ist, Wasserstoffsuperoxyd in Sauerstoff und Dampf zu zersetzen, und das andere Ende der Hilfsreaktionskammer Q¹ ist mit einer Leitung Q³ verbunden, die anfänglich nur iiurfch'.

eine Zerreißmembran Q¹ von der Leitung L getrennt ist; wenn an der Scheibe Qⁱ genügend große Druck-, unterschiede auftreten, wird diese Scheibe zerstört, so daß eine Verbindung zwischen der Leitung Q³ und der Leitung L hergestellt wird.

Die Leitung Q³ ist ferner mit der Druckseite einer Sicherheitsventileinrichtung R verbunden, die sich öffnet, wenn der Druck in der Leitung Q³ einen vorbestimmten Wert überschreitet, der erheblich über dem Zerreißdruck der Scheibe Q⁴ liegt, so daß während des normalen Betriebes der Arbeitsdruck in den Leitungen Q³ oder L und in den Kammern G³ und Η^Ά der Behälter auf diesem vorbestimmten Wert gehalten wird.

L^Tm das Füllen des Behälters G über.die Leitung/

durch diesen Raum hindurchgeleitet wird, um die 50 zu erleichtern, ist ein Entlüftungsventil S vorgesehen,

Wand der Reaktionskammer A zu kühlen, bevor es zu 'das einen Austrittsstutzen S¹ und einen Einlaß-

den beiden zu der Leitung D führenden Leitung/?² stutzen-S"² besitzt; letzterer wird durch einen Κοίΐχεη-

gelangt. '

Die Einrichtung zum Zuführen des superoxyds bzw. des Brennstoffes

Wasserstoffzu den Zuleitungen D¹ bzw. P umfaßt einen Wasserstoffsuperoxydbehälter G und einen Brennstoffbehälter H, und jeder dieser Behälter ist in bekannter Weise durch eine biegsame Membran G¹ bzw. H¹ in zwei Kammern G² und G³ bzw. H- und H³ unterteilt, wobei die Kammern G² mit der Hauptleitung / für das Wasserstoffsuperoxyd bzw. die Kammer H² mit der Brerinstoffhauptleitung K in Verbindung steht, während die Kammern G³ und H^s an eine Leitung L angeschlossen sind, durch die ein Gas zugeführt werden kann, das in die Kammern G³ und H³ eintritt, um das Wasserstoffsuperoxyd bzw. den Brennstoff aus den betreffenden Kammern auszutreiben.

Die Mittel zum Zuführen des Gases für das Ausschieber .S"³ gesteuert, der während des Füllens entV, gegen der Kraft''einer Feder S* angehoben werden kann, um das Entweichen .der. Luft zu ermöglichen; " die Beendigung¹ des Füllens wird"dadurch angezeigt, daß bei .9¹ Flüssigkeit austritt. Während'cfes Betriebes der Einrichtung wird das Ventil S³ geschlossen'gehalten, da der Druck in derX'eitung L auf die Außenseite des Kolbenschiebers wirfctV Mit—der Leitung L steht ein Druckfüllanschluß D bekannter Ausführung in Verbindung, der an seinem Ende ein Rückschlag-* ventil (nicht dargestellt/ aufweist und ati eine Quelle für ein unter Druck stehendes"'Safe', z. Bl' 'Stickstoff, angeschlossen werden kann, um die Kammern G^s und'if³ anfänglich unter Druck zu setzen.

Es ist ein Brennstoffeinfüllstutzen U vdfgeseihen, durch den sich der Behälter H füllen läßt, wobei die Luft durch eine verschließbare Entlüftung entweichen

treiben des A¥asserstoffsuperoxyds bzw. 'des Brenn- 70 kann, die bei T angede'utet ist; ferner ist eifi Füll-

anschluß J7¹. vorgesehen, durch den Wasserstoffsuperoxyd über die Leitung / in den Behälter G gefördert werden kann.

Die Leitung / umfaßt gemäß der Zeichnung zwei Zweigleitungen, von denen eine dazu dient, Wasserstoffsuperoxyd über eine mit einer Zerreißmembran ausgerüstete Einrichtung V und ein Ventil W zu der Leitung D¹ zu fördern; das Ventil W wird anfangs durch einen Strömungsmitteldruck geschlossen gehalten, öffnet sich jedoch, wenn ein solenoidbetätigtes ..io Vorsteuerventil W¹ durch Schließen eines Schalters W² unter Strom gesetzt wird. Auch in die Leitung K- ist.. eine Zerreißmembran K¹ eingeschaltet, und nach dem Zerreißen dieser Scheibe wird die Brennstoffzufuhr aus dieser zur LeitungF durch ein Ventil X gesteuert, das anfänglich durch einen Strömungsmitteldruck geschlossen gehalten wird, sich jedoch öffnet, wenn ein solenoidbetätigtes Vorsteuerventil Z¹ durch Schließen eines Schalters X² unter Strom gesetzt wird.

Die vorstehend beschriebene Einrichtung arbeitet wie folgt:

Das Ventil P⁶ wird durch Schließen des Schalters P¹ geöffnet, und an die Verbindung L¹ werden Mittel zum Einleiten einer Anfangsmenge von unter Druck stehendem Stickstoff angeschlossen, um die Kammern G³ und H³ unter einen verhältnismäßig geringen Druck zu setzen; danach, d. h. wenn die Scheibe P⁵ geborsten ist, strömt Wasserstoffsuperoxyd durch die Leitung P⁴ zu dem Katalysatorelement M², durch welches es in Sauerstoff und Dampf zersetzt wird, um dann durch den Düsenring M^s zu strömen und als Arbeitsmittel für die Turbine M zu wirken, bevor es durch die Leitung M⁴ in die Atmosphäre abgeführt wird. Der Turbinenläufer A^r wird somit in Drehung versetzt und treibt den Läufer O der Pumpe O¹ an, die daher Wasserstoffsuperoxyd unter Druck aus der Leitung P⁴ über die Leitung Q zu der Reaktionskammer Q² fördert. Das so geförderte Wasserstoffsuperoxyd wird durch das Katalysatorbett Q² in Sauerstoff und Dampf zersetzt. Der Kolben P² des Ventils P¹ ist, wie bereits erwähnt, so eingerichtet, daß seine Oberseite und seine Unterseite jeweils dem statischen Druck am Außendurchmesser des Pumpengehäuses bzw. dem Eintrittsdruck der Pumpe ausgesetzt sind, und man erkennt, daß beim Ansteigen des Druckes in der Pumpe das Bestreben entsteht, das Ventil P¹ zu schließen. Während des Betriebes regelt somit das Ventil P¹ die Zufuhr von Wasserstoffsuperoxyd zu der ersten Hilfsreaktiönskammer M¹ derart, daß eine Turbinendrehzahl aufrechterhalten wird, bei der sich ein im wesentlichen konstanter Förderdruck in der Pumpe ergibt.

Infolgedessen steigert sich nunmehr der Druck in der zweiten Hilfsreaktiönskammer Q¹, bis die Scheibe Q⁴ zerreißt, woraufhin die Zersetzungsprodukte aus der Kammer Q¹ in, die Leitung L gelangen, um als austreibendes Gas zu dienen und die Kammern G³ und H³ voll unter Druck zu setzen.

Dieser Vorgang bewirkt, daß die Scheiben V und K¹ bersten, woraufhin die Schalter W² und X² geschlossen werden, um zu bewirken, daß sich zuerst das Ventil W öffnet, damit Wasserstoffsuperoxyd über die Leitung D¹, den Mantelraum A¹, die Leitungen D² und die Leitung D sowie durch das Katalysatorbett C hindurch, welches das Wasserstoffsuperoxyd zersetzt, in die Hauptreaktionskammer A strömt, und daß sich dann das Ventil X öffnet, damit Brennstoff über die Leitungen K und F zu dem Brennstoffverteilungselement E fließt, um die Vortriebseinrichtung voll in Betrieb zu setzen.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung der Inbetriebsetzung der Einrichtung" wurden""die * Schalter/³⁷, JV^Z und X² nacheinander geschlossen, doch kann man bei der Inbetriebsetzung auch sämtliche Schalter gleichzeitig schließen, denn die Zerreißmembranen V und /C¹ sind so ausgebildet, daß sie bei geeigneten Drücken bersten, um die Zuführung von Wasserstoffsuperoxyd und Brennstoff zu der Hauptreaktionskammer A in geeigneten Zeitpunkten und in der richtigen Reihenfolge zu gewährleisten.

Man erkennt, daß bei der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung keine Preßluftnasche oder eine ähnliche Quelle für ein verdichtetes Gas als Teil der eigentlichen Einrichtung vorgesehen zu werden braucht, um das Wasserstoffsuperoxyd und den Brennstoff während des normalen Betriebes aus den betreffenden Behältern auszutreiben, und daß lediglich anfangs ein außenliegender Vorrat an unter Druck stehendem Gas verfügbar sein muß, um die anfängliche Förderung von Wasserstoffsuperoxyd zu der ersten Hilfsreaktiönskammer M¹ zu bewirken.

Claims

Patentansprüche:

1. Gaserzeugungseinrichtung, insbesondere für Triebwerke mit Raketenantrieb, bei der zur gegenseitigen Reaktion oder Zersetzung bestimmte Betriebsstoffe mittels eines in einer Hilf sreaktions- oder Zersetzungskammer aus gegenseitig reagierenden oder sich zersetzenden Stoffen kontinuierlich erzeugten Druckgases aus ihren Vorratsbehältern ausgetrieben und einer Hauptreaktions- oder Zersetzungskammer zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsreaktionskammer (Q¹) die zur Reaktion oder Zersetzung bestimmten Stoffe durch eine Pumpe (O¹) zugeführt werden, die von einer Turbine (M) angetrieben wird, deren Arbeitsmittel in einer zweiten Hilfsreaktions- oder Zersetzungskammer (M¹) in an sich bekannter Weise gebildet wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der Reaktions- oder Zersetzungsstoffe, die der das Treibgas für die Turbine (M) liefernden Hilfskammer (M¹) zugeführt werden, in Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen Eintritts- und Austrittsdruck der Pumpe (O¹) regelbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der den Betriebsstoff für die Hauptreaktions- oder -Zersetzungskammer liefernde Vorrat an Reaktions- oder Zersetzungsstoffen auch zur Versorgung der Hilfskammern (M¹, Q¹) dient und daß zum Heraustreiben der Betriebsstoffe aus den Vorratsbehältern (G, H) zu Beginn des Betriebes der Druck eines aus einer besonderen, außerhalb des Triebwerkes liegenden Quelle kommenden Strömungsmittels dient, bis der Gasdruck der die Hilfskammern (M¹, Q¹) enthaltenden Einrichtung ausreicht, um einen die Druckgasleitung (L) von der Hilfseinrichtung zu den Vorratsbehältern (G, H) absperrenden Verschluß (Q⁴) zu öffnen.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß (Q⁴) der Druckgasleitung (L) aus einer als Zerreißmembran ausgebildeten Scheibe besteht, die durch denDruck des in der Hilfseinrichtung erzeugten Druckgases zerstörbar ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn des Betriebes das zum Fördern der Betriebsstoffe dienende Strömungsmittel aus einem außenliegenden Druckgasbehälter kommt.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Betriebsstoffes, der aus einem Sauerstoff träger und einem Brennstoff, ζ. Β. einem Kohlenwasserstoff,

besteht, in den Hilfskammern (Ai¹, Q¹) nur Sauerstoffträger zur Verwendung kommt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 1017 432; britische Patentschrift Nr. 680 718; USA-Patentschriften Nr. 2 671312, 2 505 798, 2408111.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen