DE1291555B

DE1291555B - Propellant gas generator

Info

Publication number: DE1291555B
Application number: DE1965R0040044
Authority: DE
Inventors: Scott George Mickleover
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1964-03-06
Filing date: 1965-03-05
Publication date: 1969-03-27
Also published as: GB1041444A; FR1439930A

Description

Die Erfindung betrifft einen Treibgaserzeuger mit einem Rotor, der mehrere Kanäle aufweist, von denen jeder aufeinanderfolgende Abschnitte zur Kompression, Verbrennung und Ausdehnung eines Arbeitsmittels aufweist.The invention relates to a propellant gas generator with a rotor, the has several channels, each of which has successive sections for compression, Has combustion and expansion of a working medium.

Derartige Treibgaserzeuger haben gegenüber den herkömmlichen Treibgaserzeugern, bei denen das Arbeitsmedium nur in den Kon-i-pressionsstufen und der Turbine rotiert, den Vorteil, daß wegen der gleichzeitigen Rotation des Arbeitsmittels in der Brennkammer auf einen Stator, Entwirbelungsmittel oder Düsenleitschaufeln verzichtet werden kann, wodurch ein günstigerer aerodynamischer Wirkungsgrad erreichbar ist. Daher lassen sich auch höhere Drehzahlen erzielen.Such propellant gas generators have compared to conventional propellant gas generators, in which the working medium only rotates in the compression stages and the turbine, the advantage that because of the simultaneous rotation of the working medium in the combustion chamber there is no need for a stator, de-swirling agent or nozzle guide vanes can, whereby a more favorable aerodynamic efficiency can be achieved. Therefore higher speeds can also be achieved.

Insbesondere betrifft die Erfindung einen Treibgaserzeuger, dessen Rotor mehrere Kanäle aufweist, die von einander gleichen Schaufeln begrenzt sind; die bei gleichem Einstellwinkel gleiche axiale Erstreckung aufweisen und in einer gemeinsamen Radialebene liegen, wobei jeder Kanal aufeinanderfolgende Abschnitte zur Kompression, Erhitzung mittels innerer Verbrennung und Expansion eines Arbeitsmittels aufweist und wobei der Kompressionsabschnitt einen konvergierenden Querschnitt besitzt und in einer ersten Einschnürung endet und der Verbrennungsabschnitt sich von der ersten Einschnürung zunächst divergierend und dann konvergierend bis zu einer zweiten Einschnürung erstreckt.In particular, the invention relates to a propellant gas generator, the The rotor has a plurality of channels which are delimited by blades which are identical to one another; which have the same axial extent at the same setting angle and in one common radial plane, with each channel successive sections for compression, heating by means of internal combustion and expansion of a working medium and wherein the compression portion has a converging cross-section and ends in a first constriction and the combustion section extends from the first constriction initially diverging and then converging up to a second Constriction extends.

Derartige Treibgaserzeuger haben den Vorteil, daß infolge der einander identischen Schaufeln die Herstellungskosten gegenüber anderen Gaserzeugern erniedrigt sind, bei denen jede Schaufel einzeln und von unterschiedlicher Gestalt sein muß.Such propellant gas generators have the advantage that as a result of each other identical blades lower the manufacturing costs compared to other gas generators where each blade must be individual and of different shape.

Unter dem vorstehend erwähnten Begriff »Radialebene« soll dabei jene senkrecht zur Triebwerksachse liegende Ebene verstanden werden, an der sämtliche am Umfang liegende Schaufeln mit ihrem stromoberseitigen Ende (oder auch mit ihrem stromunterseitigen Ende) liegen, d. h. es ist keine Staffelung der Schaufeln vorgesehen.The term "radial plane" mentioned above is intended to mean that be understood perpendicular to the engine axis lying plane on which all circumferential blades with their upstream end (or with their downstream end), d. H. there is no provision for staggering the blades.

Bei einem bekannten Treibgaserzeuger der vorstehend genannten Bauart enden die Schaufeln an der zweiten Einschnürung, aus der die Strömung divergierend austritt.In a known propellant gas generator of the type mentioned above the blades end at the second constriction from which the flow diverges exit.

Bei der bekannten Anordnung sind außerdem die Vorderränder der Schaufeln abgerundet, und im übrigen ist der Treibgaserzeuger derart ausgelegt, daß er nur im Unterschallgebiet arbeiten kann.In the known arrangement there are also the leading edges of the blades rounded, and the rest of the propellant gas generator is designed so that it only can work in the subsonic area.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen im Überschallgebiet arbeitenden Treibgaserzeuger zu schaffen, bei dem die Überschallströmung sowohl im Kompressionsabschnitt als auch im Expansionsabschnitt stoßwellenfrei stattfindet.The invention is based on the object of providing one in the supersonic region working propellant gas generator in which the supersonic flow both takes place without shock waves in the compression section as well as in the expansion section.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Treibgaserzeuger der genannten Gattung dadurch erreicht, daß die Schaufeln stromunterseitig von der zweiten Einschnürung mit ihren Wandungen einen divergierenden Kanalabschnitt zur Expansion des Arbeitsmittels begrenzen.According to the invention, this object is achieved in a propellant gas generator of the type mentioned achieved in that the blades are downstream of the second constriction with its walls to a diverging channel section Limit expansion of the work equipment.

Dadurch, daß die Schaufeln selbst mit ihren Wandungen einen divergierenden Expansionskanal begrenzen, ergibt sich die angestrebte stoßwellenfreie Überschallströmung, ohne daß hierdurch die Herstellung erschwert würde.Because the blades themselves have a divergent wall Limiting the expansion channel, results in the desired shock wave-free supersonic flow, without making the production more difficult.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Schaufeln in an sich bekannter Weise mit Brennstoffleitungen ausgestattet, durch die Brennstoff dem Verbrennungsabschnitt zugeführt werden kann. Der Verbrennungsabschnitt weist dabei stromoberseitig der Brennstoffeinspritzdüsen einen divergierenden Bereich auf.According to a preferred embodiment of the invention, the blades are equipped in a known manner with fuel lines through the fuel can be fed to the combustion section. The combustion section has a diverging area on the upstream side of the fuel injection nozzles on.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Gaserzeugers, F i g. 2 einen abgewickelten Schnitt auf gleichem Radius längs der Linie 2-2 gemäß F i g. 1, Die F i g.1 und#2 zeigen einen Treibgaserzeuger 10 mit einem zylindrischen äußeren Gehäuse 11, in welchem mehrere, im Winkelabstand zueinander angeordnete Einlaßstreben 12 und mehrere, im Winkelabstand zueinander stehende Auslaßstreben 13 angeordnet sind. Die Streben 12, 13 tragen Lager 14 bzw. 15, von denen der Rotor 16 getragen wird, der um seine Achse 17 drehbar ist.Exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the drawing. In the drawing, F i g. 1 shows a longitudinal section of a gas generator according to the invention, FIG. 2 shows a developed section on the same radius along the line 2-2 according to FIG. 1, FIGS. 1 and # 2 show a propellant gas generator 10 with a cylindrical outer housing 11 in which several inlet struts 12 angularly spaced from one another and several outlet struts 13 angularly spaced from one another are arranged. The struts 12, 13 carry bearings 14 and 15, respectively, by which the rotor 16 is supported, which is rotatable about its axis 17.

Der Rotor 16 weist eine Vielzahl von im Winkelabstand zueinander angeordnete Schaufeln 20 auf, die in einem kleinen Winkel zur Achse 17 stehend angeordnet sind.. Diese Schaufeln 20 formen die Wandungen von Kanälen 21, die sich von einer Seite des Rotors 16 zur anderen Seite erstrecken und zum Durchfiuß eines Arbeitsmediums bestimmt sind, das die Rotation des .Rotors 16 bewirkt. Jeder dieser Kanäle 21 hat eine Verdichtungskammer 22 für den stoßfreien Durchfluß bei Überschallgeschwindigkeit, eine Brennkammer 23 und eine Expansionskammer 24, die ebenfalls für den stoßfreien Durchfluß bei Überschallgeschwindigkeit eingerichtet ist, wobei die Teile 22, 23, 24 hintereinander angeordnet sind.The rotor 16 has a plurality of angularly spaced blades 20 which are arranged standing at a small angle to the axis 17. These blades 20 form the walls of channels 21 which extend from one side of the rotor 16 to the other side and are intended to flow through a working medium which causes the rotation of the rotor 16. Each of these channels 21 has a compression chamber 22 for the shock-free flow at supersonic speed, a combustion chamber 23 and an expansion chamber 24, which is also set up for the shock-free flow at supersonic speed, the parts 22, 23, 24 being arranged one behind the other.

Die Verdichtungskammer 22 ist mit der Brennkammer 23 durch eine erste Einschnürung 25 verbunden, während die Brennkammer 23 mit der Expansionskammer 24 durch eine zweite Einschnürung 26 verbunden ist.The compression chamber 22 is with the combustion chamber 23 through a first Constriction 25 connected, while the combustion chamber 23 with the expansion chamber 24 is connected by a second constriction 26.

Die Verdichtungskammer '2 dient dazu, das Arbeitsmedium aus seiner rein axialen Strömungsrichtung abzulenken und bewirkt dessen Verdichten durch ihren konvergierenden Querschnitt.The compression chamber '2 is used to remove the working medium from its deflect purely axial flow direction and causes its compression through their converging cross-section.

Die Schaufeln 20 sind mit Brennstoffleitungen 27 ausgestattet, durch welche Brennstoff an die Brennkammer 23 angeliefert werden kann. Infolge der Rotation des Rotors 16 wird der durch die Brennstoffleitungen 27 durchtretende Brennstoff unter dem Einfluß der Fliehkraft in die Brennkammer 23 eingepumpt, so daß sich eine besondere Brennstoffpumpe erübrigt. .-Die Brennkammer 23 hat einen Teil 28 mit divergierendem Querschnitt stromaufwärts des Teils, in dem der Brennstoff aus den Leitungen 27 in der Brennkammer 23 verbrannt wird. Hierdurch wird gewährleistet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des durch den Teil 28 durchströmenden Arbeitsmediums auf einen Wert herabgesetzt wird, bei welchem die Verbrennung wirksam erfolgen kann. Ein solcher Teil 28 ist jedoch nicht unumgänglich notwendig, wenn man bereit ist, einen gewissen Verlust beim thermodynamischen Zyklus und der Verbrennungswirkung in Kauf zu nehmen, wenn die Verbrennung bei Überschallgeschwindigkeiten stattfindet.The blades 20 are equipped with fuel lines 27 through which fuel can be delivered to the combustion chamber 23. As a result of the rotation of the rotor 16 is the fuel passing through the fuel lines 27 pumped under the influence of centrifugal force into the combustion chamber 23, so that a no need for a special fuel pump. .-The combustion chamber 23 has a part 28 with a diverging Cross section upstream of the part in which the fuel flows out of the lines 27 is burned in the combustion chamber 23. This ensures that the flow velocity of the working medium flowing through the part 28 is reduced to a value at which the combustion can take place effectively. One such part 28 is however, not inevitably necessary if one is willing to make a certain loss to be accepted with the thermodynamic cycle and the combustion effect, if the combustion takes place at supersonic speeds.

Die Brennkammer 23 hat einen Teil 30 mit konvergierendem Querschnitt stromabwärts des Teils, in welchem der Brennstoff aus den Kanälen 27 in der Brennkammer verbrannt wird. Dieser Teil 30 konvergiert gegen die zweite Einschnürung 26, so daß das Arbeitsmedium durch diese mit Schallgeschwindigkeit durchströmt.The combustion chamber 23 has a part 30 with a converging cross section downstream of the part in which the fuel from the channels 27 in the combustion chamber is burned. This part 30 converges towards the second constriction 26, see above that the working medium flows through it at the speed of sound.

Die Expansionskammer 24, die einen divergierenden Querschnitt hat, ist so ausgebildet, daß die Änderung der Winkelbewegung des Arbeitsmediums während der Expansion das Drehmoment zum überwinden der Änderung in der Bewegungsrichtung beim Verdichten des Arbeitsmediums und alle weiteren, etwa notwendigen Drehmomente liefert. Diese weiteren Drehmomente umfassen natürlich auch jene, die auf Reibung zurückzuführen sind, sowie jene, die zum Antrieb einer Turbine oder eines anderen umlaufenden Teils benötigt werden.The expansion chamber 24, which has a diverging cross section, is designed so that the change in the angular movement of the working medium during the expansion is the torque to overcome the change in the direction of movement when compressing the working medium and all other torques that may be required supplies. These additional torques naturally also include those that relate to friction as well as those that drive a turbine or another circumferential part are required.

An Stelle des Einspritzens von Brennstoff durch die Brennstoffleitungen 27 kann der Brennstoff auch in die Brennkammer 23 durch nicht dargestellte Brennstoffeinspritzmittel eingespritzt werden, die an von den Schaufeln 20 abliegenden Stellen angeordnet sind. In diesem Fall können hohe Verbrennungstemperaturen verwendet werden, da die Schaufeln 20 hier nicht der Maximaltemperatur des Zyklus unterliegen, weil die Brennkammer 23 und die Expansionskammer 24 je eine heiße mittlere Zone haben, die beiderseits von kühleren Zonen begrenzt wird, deren Temperatur ungefähr der der Verdichtungskammer entspricht.Instead of injecting fuel through the fuel lines 27, the fuel can also enter the combustion chamber 23 by fuel injection means (not shown) are injected, which are arranged at locations remote from the blades 20 are. In this case, high combustion temperatures can be used because the The blades 20 are not subject to the maximum temperature of the cycle here because the combustion chamber 23 and the expansion chamber 24 each have a hot central zone on both sides is limited by cooler zones, the temperature of which is approximately that of the compression chamber is equivalent to.

Die Verbrennung des Brennstoffs in der Brennkammer 23 kann durch einen nicht dargestellten Zünder erfolgen; wenn das Arbeitsmedium die Brennkammer mit Überschallgeschwindigkeit durchströmt, kann auch eine Explosionswelle erzeugt werden, um den Brennstoff zu verbrennen.The combustion of the fuel in the combustion chamber 23 can by a detonators not shown take place; when the working medium is using the combustion chamber Flows through supersonic speed, an explosion wave can also be generated, to burn the fuel.

Die in der Expansionskammer 24 stattfindende Expansion kann derart sein, daß sie einen schnell strömenden Strahl liefert und entlang der Achse 17 eine Reaktionskraft erzeugt. In diesem Fall wird es notwendig sein, auf der stromaufwärtigen Seite des Rotors 16 Wirbelschaufeln vorzusehen und/oder solche auch auf dessen stromabwärtiger Seite anzuordnen.The expansion taking place in the expansion chamber 24 can thus be that it delivers a fast flowing jet and along the axis 17 one Reaction force generated. In this case it will be necessary on the upstream Side of the rotor 16 to provide vortex blades and / or such on its downstream Page to arrange.

Statt dessen kann die Expansionskammer 24 so konstruiert sein, daß sie im Arbeitsmedium einen Hochdruck erzeugt, der sich zur Expansion in einer weiteren, nicht dargestellten Turbine eignet, wenn eine freie Wellenleistung benötigt wird.Instead, the expansion chamber 24 can be constructed so that it generates a high pressure in the working medium, which expands in a further, Turbine, not shown, is suitable when free shaft power is required.

Wenn eine solche weitere Turbine verwendet wird, können ihre Düsen so konstruiert sein, daß sie der Drehbewegung des den Rotor 16 verlassenden Arbeitsmediums angepaßt sind.If such a further turbine is used, its nozzles can be designed so that they the rotary movement of the rotor 16 leaving the working medium are adapted.

Außerdem läßt sich eine Leistung unmittelbar vom Rotor 16 selbst ableiten; in diesem Fall kann es notwendig sein, nicht dargestellte Schaufeln auf der stromabwärtigen Seite des Rotors 16 anzuordnen, entweder um die Wirbelung des die Expansionskammer 24 verlassenden Arbeitsmediums zu beseitigen oder um das Arbeitsmedium in die zusätzliche, im selben Sinn wie der Rotor umlaufende Turbinenstufe einzuleiten. Außerdem kann eine im entgegengesetzten Drehsinn zum Rotor 16 umlaufende Turbinenstufe vorgesehen sein, in welchem Fall diese Schaufeln unnötig sind.In addition, power can be derived directly from the rotor 16 itself; in this case it may be necessary to place vanes (not shown) on the downstream Side of the rotor 16 to be arranged either around the vortex of the expansion chamber 24 to remove the leaving working medium or to transfer the working medium to the additional, to initiate a rotating turbine stage in the same sense as the rotor. Also can a turbine stage rotating in the opposite direction of rotation to the rotor 16 is provided in which case these blades are unnecessary.

Es ist zu ersehen, daß im Gaserzeuger nach F i g.1 und 2 das Arbeitsmedium während seiner Verdichtung in der Verdichtungskammer 22, während seiner Verbrennung in der Brennkammer 23 und während seiner Dehnung in der Expansionskammer 24 rotiert. Die Anordnung kann auch so sein, daß die Winkelgeschwindigkeit des Arbeitsmediums während seines Durchgangs durch die Verdichtungskammer 22, die Brennkammer 23 und die Expansionskammer 24 konstant bleibt. Im Gegensatz zu einem konventionellen Gaserzeuger, dessen Brennkammer stationär ist, ist es daher nicht notwendig, Teile wie Statoren, Entwirbler und Düsen vorzusehen, um das rotierende Arbeitsmedium in den stationären Verbrennungsteil und das nicht rotierende Arbeitsmedium aus der Brennkammer in die Expansionskammer zu überführen.It can be seen that in the gas generator according to FIGS. 1 and 2, the working medium during its compression in the compression chamber 22, during its combustion rotates in the combustion chamber 23 and in the expansion chamber 24 during its expansion. The arrangement can also be such that the angular velocity of the working medium during its passage through the compression chamber 22, the combustion chamber 23 and the expansion chamber 24 remains constant. In contrast to a conventional gas generator, whose combustion chamber is stationary, it is therefore not necessary to replace parts such as stators, De-swirlers and nozzles are provided to keep the rotating working medium in the stationary Combustion part and the non-rotating working medium from the combustion chamber into the Transfer expansion chamber.

Claims

Claims: 1. Propellant gas generator, the rotor of which has several channels has, the blades are limited from each other the same, which are at the same setting angle have the same axial extent and lie in a common radial plane, each channel having successive sections for compression, heating means having internal combustion and expansion of a working medium and wherein the compression section has a converging cross-section and ends in a first constriction and the combustion section initially diverging from the first constriction and then extends convergingly up to a second constriction, d a - characterized by, that the blades (20) downstream of the second constriction (26) with their Walls a diverging channel section (24) for the expansion of the working medium limit.

2. Gas generator according to claim 1, characterized in that in per se as is known, the blades are equipped with fuel lines (27) the fuel can be supplied to the combustion section (23).

3. Gas generator according to claim 1, characterized in that the combustion section (23) is upstream the fuel injectors has a diverging region (28).