DE1964226A1

DE1964226A1 - Pulsationstriebwerk

Info

Publication number: DE1964226A1
Application number: DE19691964226
Authority: DE
Inventors: Georg Dipl-Ing Heise
Original assignee: DORNIER AG
Current assignee: DORNIER AG
Priority date: 1969-12-22
Filing date: 1969-12-22
Publication date: 1971-06-24
Also published as: NL7011666A; US3678692A; AT304189B; FR2071999B1; GB1296108A; FR2071999A1

Description

DORNIER GMBH
Friedrichshafen

Reg. 2257

Pu lsationstriebwerk

Die Erfindung betrifft ein Pulsationstriebwerk, das geeignet ist, kleinere Flugkörper, wie Aufklärungsdrohnen, Zieldarstellungs- und Verlustflugkörper, aus dem Stand auf Überschallgeschwindigkeit zu beschleunigen, bestehend aus Einlauf, Ventilen, Einspritzeinrichtungen, Brennkammer und Brennrohr.

Bekannte Pulsationstriebwerke bestehen aus einem einfachen Rohr, dessen hinteres Ende völlig offen ist und an dessen vorderem Ende sich Ventile befinden, welche entweder aechanischer oder aerodynamischer Art sein können. Durch die nahe an den geschlossenen Ventilen stattfindende Verbrennung entsteht eine starke Stoßwelle, welche zum offenen Rohrende hin läuft und das Ausströmen der heißen Restgase verursacht. Diese Stoßwelle wird am offenen Brennrohrende als starke Unterdruckwelle reflektiert, welche wiederum zu den Ventilen hin läuft, diese schlagartig öffnet und das Einsaugen von Umgebungsluft bewirkt, welcher gleichzeitig Brennstoff zugemischt wird. Der Ansaugvorgang wird durch eine auf di· Unterdruckwelle folgend« Druckwelle mit steiler Verdichtungsfront abgeschlossen. Dies« Stoßwelle verursacht gleichzeitig in Wechselwirkung mit den im Brennraum vorhandenen Restflammen die Entzündung des Gsmisches in einer derart kurzen Zeit, daß nahezu Gleichraumverbrennung entsteht.

Zur Aufrechterhaltung des Prozesses ist es notwendig, daß die aus dem Brennrohr laufenden Druckwellen mit umgekehrtem Vorzeichen und in genügender Stärke reflektiert werden. Dies ist jedoch nur dann möglich, wenn das Brennrohr am Ende keine Verjüngung bzw. keine Düse aufweist.

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Andererseits hat das Vorhandensein eines offenen Rohrendes zur Folge, daß das Triebwerk nur bis zu relativ niedrigen Unterschallgeschwindigkeiten betriebsfähig ist. Dies erklärt sich aus der Tatsache, daß der Staudruck vor den Ventilen mit zunehmender Fluggeschwindigkeit steil ansteigt, während der Druck an offenen Rohrende immer etwa gleich dem Umgebungsdruck ist. Durch das wachsende Druckverhältnis vergrößert sich das pro Periode angesaugte Gemischvolumen solange, bis das Rohr von einer bestimmten Flugmachzahl an nicht mehr betriebsfähig ist.

Zur Vermeidung dieser Geschwindigkeitsgrenze ist es bekannt, den Einlaufquerschnitt mit zunehmender Fluggeschwindigkeit zu verkleinern, so daß das pro Periode angesaugte Gemischvolumen seinen kritischen Wert nicht überschreitet. Es ist jedoch leicht einzusehen, daß eine derartige Einlaufdrosselung mit einer gleichzeitigen Schubabnahme verbunden ist und somit schon bei sehr kleinen Fluggeschwindigkeiten der Punkt erreicht wird, an dem die Schubkraft gleich dem Widerstand der Zelle wird und daher eine weitere Beschleunigung nicht mehr möglich ist.

Weiterhin ist bekannt, den Auslaß mit einem selbsttätigen Steuerkörper zu versehen, der durch den Verbrennungsdruck geöffnet und durch Federwirkung geschlossen wird. Ein derartiger Steuerkörper wirkt jedoch auf die zum Auslaß hin laufenden Wellen wie ein geschlossenes Rohrende bzw. wie eine Düse, so daß weder der Ansaug- noch der Zündvorgang selbsttätig ablaufen können, das Triebwerk also weder im Stand noch im Flug betriebsfähig ist. Dadurch sind bislang PuIsationstriebwerke für höhere Geschwindigkeiten, insbesondere im Trans- oder Supersonischen Bereich nicht Verwendbar.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein pulsierend arbeitendes Strahltriebwerk zu schaffen, das in herkömmlicher Art aus Einlauf, Ventilen, Einspritzvorrichtung,

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Brennkammer und Brennrohr besteht, welches vom'Stand bis in den Überschallbereich funktionsfähig ist, und dessen Nettoschub mit steigender Flugmachzahl zunimmt. Erfindungsgemäß wird das Ziel dadurch erreicht, daß das Ende des Brennrohres in einen Erweiterungsteil, z. B. in ein Rohr größeren Durchmessers mündet, dessen Gasaustrittsquerschnitt veränderbar ist. Um bei dieser Anordnung keine Nachteile in bezug auf den eigentlichen Brennrohrbetrieb in Kauf nehmen zu müssen, ist nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ein sprungartiger Übergang vom Brennrohr zum Erweiterungsteil vorgesehen, wobei die Querschnittsfläche des Erweiterungsteiles etwa den doppelten Betrag der Querschnittsfläche des Brennrohres aufweist.

Durch diese Anordnung wird erreicht, daß ein Pulsations triebwerk auch im Trans- oder Supersonischen Bereich verwendbar ist. Der Nachteil, den bisherige Pulsationstriebwerke aufweisen, daß bei einer gewissen Anströmgeschwindigkeit das Triebwerk selbsttätig abstellt, wird wirksam vermieden. Als besonderer Vorteil ist die Tatsache anzusehen, daß keine zusätzlichen baulichen Veränderungen am eigentlichen Pulsationstriebwerk vorgenommen werden müssen.

Anhand eines Ausführungsbeispieles sei die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:

Fig. 1 ein Pulsationstriebwerk im Schnitt, Fig. 2 eine Doppe!rohranordnung,
Fig. 3 und 4 Schnitt A-B bzw. C-D von Fig. 2.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist ein Pulsationstriebwerk im Schnitt dargestellt. Vor der Brennkammer 1 ist der Lufteinlauf 2 angeordnet, wobei zwischen Brennkammer 1 und Einlauf 2 Ventile, z. B. Klappenventile 4, den pulsierenden Betrieb gewährleisten. In der Mitte der Klappenventile 4,

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die in bekannter Weise über den Querschnitt des Lufteinlaufes 2 gleichmäßig verteilt angeordnet sind, ist die Einspritzvorrichtung 3 angeordnet. An einer in der Zeichnung nicht näher genannten Stelle kann zum Starten des Triebwerks eine Zündeinrichtung 5 angebracht sein. Am anderen Ende der Brennkammer 1 ist in axialer Verlängerung das Brennrohr 6 befestigt. Dieses besteht aus Übergangsstück 6a, Brennrohrmittelstück 6b, sowie dem Anschlußstück 6c. Das Brennrohrmittelstück 6b weist einen etwas geringeren Durchmesser auf als die Brennkammer 1. Das Übergangsstück 6a gleicht den Durchmesserunterschied zwischen Brennkammer 1 und Brennrohrmitte !stück 6b aus. Am Ende des BrennrohrmittelstUckes 6b ist das Anschlußstück 6c diffusorartig ausgebildet und mit einem Erweiterungsteil 7 befestigt, dessen Abmessungen auf das Brennrohr 6 abgestimmt sind. An der Gasaustrittsstelle des Erweiterungsteiles 7 ist eine Düse 8 angebracht. Um die Austrittsöffnung der Düse 8 variieren zu können, wurde in der Mitte eine Düsennadel 9 gelagert, die axial in der Führung 12 verschiebbar ist. Die axiale Verschiebbarkeit der Düsennadel 9 dient dazu, den Endquerschnitt der Düse 8 im gewünschten Augenblick zu verändern. Die Düsennadel 9 ist mit ihrem Ende an einen Hebel 11 angelenkt, der über eine Koppel 10 mit dem Verstellmechanismus 15 verbunden ist. In der Zeichnung wurde zum leichteren Verständnis der Verstellmechanismus 15 als eine Art hydraulischer Stellzylinder dargestellt. Selbstverständlich ist es möglich, die Koppel auch mit anderen Verstellmechanismen bewegen zu können. Eine Verkleidung 14 umschließt das gesamte Triebwerk.

An der Verbindungsstelle zwischen dem Erweiterungsteil 7 und dem Anschlußstück 6c ist ein Querschnittssprung angeordnet, wobei die Querschnittsfläche des Erweiterungsteiles 7 etwa den doppelten Betrag der Querschnittsfläche des BrennrohrmittelstUckes 6b aufweist. Dieser Querschnittssprung

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bewirkt, daß die Druckwellen vorzeichenrichtig und in genügender Stärke reflektiert werden. Die Benessung der Länge des Erweiterungsteiles 7 gegenüber der Länge des Brennrohres 6 bewirkt, daß die an der Düse 8 reflektierten Wellen die Vorgänge im Brennrohr 6 dadurch intensivieren, daß beispielsweise eine aus dem Erweiterungsteil 7 in das Brennrohr 6 laufende Unterdruckwelle, die am Brennrohrende, d. h. an Querschnittssprung 13, als Unterdruckwelle reflektierte Stoßwelle verstärkt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Länge des Erweiterungsteiles 7 etwa einen Drittel der Länge des Brennrohres 6 entspricht.

In Fig. 2 ist eine Weiterbildung des PulsatIonstriebwerkes aufgeführt. Es ist im Schnitt eine Doppe!rohranordnung dargestellt, wobei nebeneinander zwei Brennkammern 1 mit den zugehörigen Einspritzvorrichtungen 3 und Klappenventilen 4 versehen sind. Der Lufteinlauf 2 ist jedoch für beide Brennrohre 6 gemeinsam. Am Ende der Brennrohre 6, die ebenfalls aus Übergangsstück 6a, BrennrohrmitteIstück 6b und Anschlußstücke 6c bestehen, ist das Erweiterungsteil 7 als Einzelteil angeordnet. Um auf einfache Weise die Stirnfläche des Triebwerks möglichst klein zu halten, wurden der Lufteinlauf 2 und das Erweiterungsteil 7 mit einem ellipsenförmigen Querschnitt versehen und die Verkleidung 14 dementsprechend angepaßt.

Derartige Doppelrohranordnungen sind an sieh bekannt und haben ganz allgemein den Vorteil, daß beide Rohre automatisch mit einer Phasenverschiebung von 180° arbeiten, wodurch die Strömung aus der Düse nahezu kontinuierlich wird und dementsprechend auch der Auspufflärm beträchtlich herabgesenkt wird. Die bisher bekannten Anordnungen haben gemeinsam, daß die beiden Brennrohrenden gegeneinander gerichtet sind, so daß die Heißgase über den zwischen den beiden Brennrohrenden verbleibenden Ringspalt in einen Sammelraum entweichen nüssen, um von dort Über ein Turbinenrad oder eine Düse entspannt zu werden.

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Durch diese Anordnung soll verhindert werden, daß Rückwirkungen von der Düse auf den Brennrohrbetrieb auftreten können. Der Strömungsvorgang aus den Brennrohren durch den Ringspalt in den Sanunelraum ist natürlich mit beträchtlichen Verlusten verbunden.

Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung weist diesen Nachteil nicht auf, da hier die Brennrohrenden nebeneinander liegen. Der Erweiterungsteil 7 ist hinsichtlich Länge und Flächenverlauf so ausgebildet, daß Rückwirkungen von der gemeinsamen Düse auf die beiden Rohre ausgeschlossen sind. Diese Rückwirkungen sind bei einem Triebwerk nach Fig. 1 bei richtiger Auslegung des Erweiterungsteiles nützlich, bei der Anordnung zweier Rohre wegen der Phasenverschiebung von 18O° jedoch grundsätzlich für eines der beiden Rohre schädlich: Wird z. B. an der gemeinsamen Düse 8 eine Verdichtungswelle reflektiert, so erreicht diese die Brennrohrenden zu dem Zeitpunkt, wo in dem einen Rohr eine Verdichtungswelle, in dem anderen jedoch wegen der Phasenverschiebung von 180° eine Verdünnungswelle reflektiert wird, so daß erstere zwar verstärkt wird, letztere jedoch abgeschwächt bzw. gänzlich neutralisiert wird. Man vermeidet diesen Nachteil, in dem man den Flächenverlauf der Düse 8 des Erweiterungsteiles 7 etwa entsprechend dem einer Kugelzone ausbildet.

In den Fig. 3 und 4 ist das Doppelrohr gemäß in dem in Fig. 2 aufgeführten Schnitt A-B bzw. C-D dargestellt. Es soll hier lediglich veranschaulicht werden, in welchem Abstand sich die Brennrohre 6 befinden und wie die Verkleidung 14 im Schnitt aussieht.

Zwischen den beiden Brennrohren 6 ist wieder der Verstellmechanismus 15, der z, B. in Fig. 1 an der Unterseite des Triebwerkes angeordnet ist, eingebaut. Dieser kann z. B. auf die Übersetzung über den Hebel 11 verzichten, da die Düsennadel 9 direkt mit dem Verstellmechanismus in Verbindung steht. Dadurch vereinfacht sich die Kraftübertragung vom Verstellmechanismus 15 zur Düsennadel 8.

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Ist ein solches Pulsationstriebwerk an einen Flugkörper, wie eingangs erwähnt, installiert, so wird alt zunehmender Fluggeschwindigkeit der Staudruck vor den Ventilen und damit der Hassendurchmatz erhöht, wodurch wiederum vor der Düse ein größerer Druck aufgebaut wird, während im engsten Querschnitt der Düse zunächst Außendruck herrscht. Damit erhöht sich das Dasendruckverhältnis solange, bis die Strömungsmachzahl im engsten Querschnitt den Wert 1 erreicht. Wenn man von den geringfügigen Abweichungen wegen der Temperatur abhängigkeit der spezifischen Wärmen einmal absieht, bleibt das Düsendruckverliältnis von diesem Zeitpunkt an konstant, so daß sich der Druck im Erweiterungsteil entsprechend dem Flugstaudruck ändert und somit der eigentliche Brennrohrbetrieb von der Fluggeschwindigkeit unabhängig wird.

Der Tatsache folgend, daß der Schub bekannter Pulsati ons triebwerke wegen des größer werdenden Gemischvolumens mit der Fluggeschwindigkeit zunächst stark zunimmt, um dann bei Erreichen des kritischen Wertes wieder steil abzufallen, ist die Änderung der DUsenflache vorzugsweise derart vorzunehmen, daß genau zu dem Zeltpunkt, an dem die Düsenströmung kritisch wird, das Gemischvolumen seinen größtmöglichen Wert erreicht hat. Bei größer werdender Fluggeschwindigkeit ist die änderung der Düsenfläche in Abhängigkeit von Flugzustand und eingespritzter Brennstoffmenge vorzugsweise derart vorzunehmen, daß das pro Periode angesaugte Gemischvolumen seinen Optimalwert beibehält.

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Claims

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Patentansprüche :

Pulsationstriebwerk, das geeignet ist, kleinere Flugkörper, wie Aufklärungsdrohnen, Zieldarstellungs- und Verlustflugkörper, aus den Stand auf Überschallgeschwindigkeit zu beschleunigen, bestehend aus Einlauf, Ventilen, Einspritzeinrichtungen, Brennkaaner und Brennrohr, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Brennrohres (6) in einen Erweiterungeteil (7),'z. B. in ein Rohr größeren Durchmessers mündet, dessen Gasaustrittsquerschnitt veränderbar 1st.
2. Pulsationstriebwerk nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen sprungartigen Übergang vom Brennrohr U) zum Erweiterungsteil (7), wobei die Querschnittsfläche des Erwel terungsteiles (7) etwa den doppelten Betrag der Querschnitts· fläche des Brennrohres (6) aufweist.
3. Pulsationstriebwerk nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Erweiterungsteiles (7) etwa einen Drittel der Länge des Brennrohres (6) entspricht.
4. Pulsationstriebwerk nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsennadel (9) in Abhängigkeit des Flugzustandes und zugefUhrter Treibetoff«enge verstellbar ist.
5. Pulsationstriebwerk nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch Verwendung einer Doppe!rohranordnung (Flg. 2) alt gemeinsamem Lufteinlauf (2), deren etwa parallel geführte Übergangsstücke (6c) in einen gemeinsamen Erweiterungsteil (7) Münden,
6. Pulsationstriebwerk nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung des Gasaustrittequerschnittes an der Austrittsdüse (8) eine axial verschiebbare Düsennadel (9) angeordnet ist.

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7. Pulsationstrlebwerk nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächenverlauf der Düse (8) dee Erweiterungsteiles (7) etwa de» einer Kugelzone entspricht.
8. Pulsationstriebwerk nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Erweiterungsteil (7) und Lufteinlauf (2) einen ellinsenförmigen Querschnitt aufweisen.
9. Pulsationstriebwerk nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet durch Anordnung eines gemeinsamen Lufteinlaufes (2) und einer gemeinsamen AustrittsdUse (8).
10. Pulsatlonstriebwerk nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstellmechanismus (15) «wischen den Brennrohren (6) der Doppe!rohranordnung liegt.
11. Pulsationstriebwerk nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dad der Verstellaechanleaus (15) zwischen Brennrohr (6) und Verkleidung (14) liegt·
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