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Strahltriebwerk mit einer Brennkammer für pulsierende Verbrennung
Die Erfindung betrifft ein Strahltriebwerk mit einer Brennkammer für pulsierende
Verbrennung, d.h. ein Triebwerk, das nach dem Gleichraumverbrennungsverfahren in
einem periodischen Arbeitsprozeß arbeitet.
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Bei derartigen Strahl triebwerken erreichen die Verbrennungsgase und
die Brennkammern relativ hohe Temperaturen, wenn die Verbrennung mit hohem Wirkungsgrad
erfolgt. Zur Erlangung eines guten Wirkungsgrades ist eine genaue Steuerung der
für die Verbrennung zugeführten Luftmenge erforderlich, insbesondere dann, wenn
das Triebwerk in einem regelbaren Lastbereich gefahren werden soll.
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Mit bekannten Flatterventilen, die vor oder an der Brennkammer angeordnet
sind, läßt sich die Zufuhr der erforderlichen Verbrennungsluftmenge nur angenähert
für einen Lastbereich und nur mit geringer Genauigkeit einstellen. Derartige aus
federndem Material bestehende Ventile, die selbsttätig öffnen und schließen sowie,
durch ihre Konstruktion bedingt, den Eintrittsquerschnitt nur teilweise freigeben,
sind zudem wegen der hohen Warmebelastung, der sie ausgesetzt sind, störanfällig,
und sie stellen beim Betrieb des Triebwerks eine erhebliche Lärmquelle dar. Zur
Beseitigung dieses Mangels werden in der deutschen Patentschrift 897 771 rotierende
Brennkammern vorgeschlagen, die als Schieber eines Ventiles ausgebildet sind, dessen
Stator vor bzw. hinter der Brennkammer in einem diese umgebenden Rotor angeordnet
ist. Derartige Triebwerke sind insbesondere wegen der großen zu bewegenden Masse
der Brennkammer ungünstig. Da unterschiedliche Wärmedehnungen der das Ventil bildenden
Teile, nämlich der Brennkammer einerseits und des Ventil stators andererseits nicht
zu vermeiden sind, lassen sich auf diese Weise funktionsfähige Ventile und damit
Triebwerke nur unter Überwindung relativ hoher technischer Schwierigkeiten erstellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Strahltriebwerk der
eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß dieses mit gutem Wirkungagrad in
einem relativ weiten regelbaren Lastbereich betreibbar ist.
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Diese Aufgabe ist für ein Strahltriebwerk mit einer Brennkammer für
pulsierende Verbrennung gelöst durch ein vornehmlich koaxial in der Brennkammer
angeordnetes zylindrisch ausgebildetes Ventil mit radial gerichteten Auslaßöffnungen
für die intermittierende Zuführung von
Verbrennungsluft, dessen
Schieber mit regelbarer Geschwindigkeit rotatorisch angetrieben ist und das eine
offene, dem Lufteinlaß des Triebwerkes zugewendete Stirnseite aufweist, Gegenüber
den selbsttätig schwingenden Flatterventilen mit ihren ungünstigen Eigenschwingungen
handelt es sich hier um ein exakt gesteuertes Ventil system.
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Durch diese Ausbildung und Anordnung des Ventiles in der Brennkammer
sind bei relativ niedrigen und gleichmäßigen Wärmebeanspruchungen des durch die
zugeführte Verbrennungsluft gekühlten Ventiles und mit hilfe eines motorischen Antriebes
des Vontiles die Voraussetzungen für eine genaue Regelbarkeit der Verbrennungsluftmenge
geschaffen, die zur Erlangung eines guten Wirkungsgrades in allen Teillastbereichen
unerläßlich sind.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die Auslaßöffnungen des
Ventiles am Schieber und am Stator als Schlitze ausgebildet, die in Umfangsrichtung
verlaufen, wobei zwischen aufeinanderfolgenden Auslaßöffnungen Dichtringe angeordnet
sind. Durch diese Maßnahme ist bei geeigneter Dimensionierung der Auslaßöffnungen
erreicht, daß über die ganze Länge der Brennkammer eine gute Gemischbildung in sehr
kurzen Zeiten mit dem in bekannter Weise der Brennkammer zugeführten Kraftstoff
erfolgen kann. Die in jeder Phase einströmende Luftmenge ist u.a.
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abhängig vom Ventil-Öffnungsquerschnitt, der sich ergibt aus der Anzahl
der Schlitze sowie deren Länge und Breite und dem Druck der Verbrennungsluft. Von
der Arbeitsfrequenz, die ein Merkmal der pulsierenden Verbrennung ist und die von
der Länge des Brennraumes mitbestimmt wird, wird die Drehgeschwindigkeit des Rotationsventils
beeinflußt. Bei Pulsogasturbinen lassen sich
Frequenzen von 250
bis 500 IIz einstellen; für das Zündverhalten bei diesen Frequenzen ergeben sich
keine Schwierigkeiten, sofern die selbsttätige Züiidung vorgesehen ist.
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Um auch noch einem auslaßseitig und hinter dem Ventil liegenden Dreunkammerabsohnitt
geregelte Luftmengen zuzuführen, ist das Ventil topfförmig ausgebildet und weist
am Topfboden zusätzliche sektorförmige Auslaßöffnungen auf. Der Schieber des Ventils
ragt einlaßseitig aus der Brennkammer heraus und ist vor der Brennkammer drehbar
gelagert. Durch diese Maßnahme wird die lAurmebeanspruchung des Lagers in erträglichen
Grenzen gehalten. Grundsätzlich ist auch die Anordnung eines innenliegenden Stators
mit außenliegendem Rotor möglich.
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Zur Kühlung der Brennkammer und zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades
des Triebwerkes ist die Brennkammer in bekannter Weise von einem ringspaltförmigen
Luft-Bypass umgeben.
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Im hinblick auf eine Erhöhung des Brennkammerdruckes ist es möglich,
mit hilfe einer bekannten mechanischen Vorrichtung das hintere flrennkammerende
mit einer Phasenverschiebung gegenüber dem Rotationsventil periodisch zu öffnen
und zu schließen.
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Insbesondere für Strahltriebwerke ist gemäß einer Weiterbildung der
Erfindung vorgesehen, den Schieber des Ventiles starr mit einem Einlaufzylinder
zu verbinden, an den ein in seiner Drehzahl regelbarer motorischer Antrieb angreift.
Vom motorischen Antrieb und einem weiteren, den Einlaufzylinder umgebenden Lager
für den
Schieber des Ventils ist bei dieser Anordnung eine Wärmebeanspruchung
durch heiße Triebwerks teile ferngehalten.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Schieber des Triebwerkes
auf einer die Brennkammer in der Langsachse durchdringenden Welle befestigt, an
der eingangsseitig, d.h. vor der Brennkammer, über ein Getriebe ein Verdichter angeschlossen
ist und die von einer ausgangsseitig, d.h. hinter der Brennkammer angeordneten Turbine
angetrieben ist. Vorzugsweise sind dabei zwischen der Turbine und der Brennkammer
ein Radialejektor und eine Auagleichskammer angeordnet. Die Verbrennung in der Brennkammer
erfolgt nahezu stöchiometrisch, d.h. ohne Luftüberschuß bei sehr hohen Temperaturen,
die kurzzeitig erheblich über den Temperaturen bei einer Gleichdruckverbrennung
liegen. Durch die nachfolgende Zumischung von Frischluft zu den Brennkammergasen
wird deren Temperatur vor ihrem Eintritt in die Turbine so weit erniedrigt, daß
gegenüber vergleichbaren konventionellen Triebwerken die Turbine und insbesondere
deren Schaufeln nur einer relativ niedrigen thermischen Beanspruchung ausgesetzt
sind. Weiterhin werden durch die im Bypaß gegebenenfalls regelbar zugeführte Luftmenge
die von der pulsierenden Arbeitsweise der Brennkammer herrührenden Druckschwankungen
erheblich gemindert. Insbesondere für die Turbinenschaufeln entfallen nach Obigem
die Gefahren einer Zerstörung durch zu hohe Erwärmung und durch hohe Wechselbeanspruchung.
Bei dieser Ausführungsform kann die das Triebwerk durchdringende Welle zur Übertragung
ungleicher Drehzahlen für den Ventilschieber bzw. den Verdichter aus mehreren koaxial
ineinander angeordneten Wellen bestehen. Die letztbesdhriebene Triebwerksausbildung
ist vornehmlich für die Abgabe von Leistung an einer Welle der Turbine vorgesehen
und sowohl für stationären als auch mobilen Einsatz geeignet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigt Figur 1 - ein schematisch vereinfacht in schräger Parallelprojektion und
teilweise aufgeschnitten dargestelltes Triebwerk zur Schuberzeugung; Figur 2 - einen
vergrößert dargestellten Ausschnitt aus dem in der Figur 1 gezeigten Triebwerk im
Längsschnitt; Figur 3 - einen der Figur 2 entsprechenden Querschnitt des Triebwerks;
Figur 4 - ein Triebwerk zur Abgabe von Leistung an einer Welle, im Längsschnitt
schematisch vereinfacht dargestellt.
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Das in der Figur 1 gezeigte Strahltriebwerk 1 für pulsierende Verbrennung
weist ein koaxial in einer Brennkammer 2 angeordnetes und zylindrisch ausgebildetes
Ventil 3 auf, das vornehmlich radiaggerichtete Auslaßöffnungen 4 für die der Brennkammer
intermittierend zugeführte Verbrennungsluft hat und desaen Schieber 5 mit regelbarer
Geschwindigkeit motorisch angetrieben ist, Die offene Stirnseite 6 des Ventiles
3 ist dem Lufteinlaß 7 des Triebwerkes 1 zugewendet. Der Antrieb des Schiebers 5
erfolgt über Zahnräder 16 und 17 mit Hilfe eines in seiner Drehzahl regelbaren Elektromotors
9, der am Triebwerksmantel 20 in nicht in Einzelheiten bezeichneter Weise gelagert
ist. Mit dem Schieber 5 ist ein Einlaufzylinder 10 verbunden, der mit dem Schieber
5 rotiert und der in Lagern 21 und 22 gelagert ist, die am Triebworksmantel 20 befestigt
sind. Beide Lager befinden sich
in kalten Zonen des Triebwerkes
und sind somit nur geringen ärmebeanspruchungen ausgesetzt. Das auslaßseitige Ende
des Schiebers 5 ist mit einem Zapfen 19 versehen, der in einem weiteren hitzefesten
Lager 23 läuft, das mit Streben 24 in der Brennkammer 2 befestigt ist, an denen
auch zusätzlich der mit einer einlaßseitigen Brennkammerwand 25 fest verbundene
Stator 11 des Ventiles 3 befestigt ist.
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Die Kraftstoffversorgung der Brennkammer 2 erfolgt in bekannter Weise
stetig oder intermittierend mit hilfe einer Ringleitung 26, von der Verteilerleitungen
27 ausgehen, die mit Einspritzdüsen 30 versehen sind.
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Zum Betrieb des Triebwerks wird mit Hilfe des motorischen Antriebes
9 der Einlaufzylinder 10 und der mit ihm verbundene Schieber 5 des Ventiles 3 mit
einer für den Anlaßvorgang geeigneten Drehzahl angetrieben und dabei Kraftstoff
durch die Düsen 30 in der Brennkammer 2 zerstäubt, der mit Hilfe einer Zündkerze
28 gezündet wird.
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Durch eine geregelte Kraftstoffzufuhr und durch eine Regelung der
Drehzahl des Ventilrotors werden dann für eine verlangte Triebwerksleistung die
günstigsten Betriebsbedingungen eingestellt. Vornehmlich durch die geregelte Zufuhr
von Verbrennungsluft mit Ililfe der beschriebenen Ventilanordnung wird in der Brennkammer
eine intensive Gemischaufbereitung in der kurzen, während der Öffnung des Ventils
zur Verfügung stehenden Zeit praktisch über die gesamte Länge der Brennkammer erreicht,
worauf die nachfolgende Verbrennungsphase mit anschließendem Ausströmen der Treibgase
folgt, wobei sich ein hoher Gesamtwirlcungsgrad des Triebwerkes ergibt.
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Die Verbrennung läßt sich nach Abschaltung der Zündkerze 28 selbstandig
aufrechterhalten. Beim Ausströmen
der Treibgase wird die Brennkammer
für den nachfolgenden Arbeitszyklus durch Öffnen des Ventils 3 bei gleichzeitiger
Zufuhr neuer Verbrennungsluft vorbereitet. Ein Luft-Bypaß, der zwischen dem Einlaufzylinder
10 und der Brennkammer 2 einerseits und dem Triebwerksmantel 20 andererseits gebildet
ist, trägt dazu bei, die Triebwerkstemperatur zu senken und vornehmlich örtlichen
Überhitzungen der BrennkammerYand vorzubeugen. Zur Erlangung einer gleichmäßigen
Verteilung der Verbrennungsluft in der Brennkammer sind zwischen dem Schieber 5
und dem Stator 11 des Ventiles 3 Dichtringe 29 (Fig. 2) vorgesehen, die in Nuten
31 teig.1) des Schiebers 5 und des Stators 11 gelagert sind. Die Figur 2 zeigt die
Anordnung dieser Dichtringe und Nuten zwischen benachbarton Auslaßöffnungen 4 des
Ventils 3. Weitere sektorförmige Luftauslaßöffnungen 14 (Figur 3) am Boden 15 des
Ventiles 3 dienen dazu, die Betriebstemperatur des in der Brennkammer 2 angeordneten
Lagers 23 in erträglichen Grenzen zu halten und am auslaßseitigen Ende der Brennkammer
zusätzliche Verbrennungsluft zur Verfügung zu stellen.
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Ein weiteres in der Figur 4 dargestelltes Triebwerk 40 dient vornehmlich
zur Abgabe von Leistung an einer Welle 50. Wie beim vorherbeschriebenen Triebwerk
befindet sich in einer Brennkammer 42 ein analog ausgebildetes und angeordnetes
Ventil 49, dessen Schieber 45 abweichend vom vorherbeschriebenen Beispiel an einer
die Brennkammer 42 in achsialer Richtung durchdringenden Welle 41 befestigt ist.
Abweichend vom vorherbeschriebenen Beispiel sind ferner die Anordnung eines Radialejektors
47, einer Druckausgleichskammer 48 und einer Turbine 4(5 am auslaßseitigen Ende
der Brennkammer 42 und die Anordnung eines Getriebes 43, das als Wechselgetriebe
für
wählbare Drehzahlbereiche ausgebildet sein kann, und eines Verdichters 1I.1I. 44
am einlaßseitigen Ende der Brennkammer. Bei einer Ausführung als Niederdruck-Pulsogasturbine
erfolgt die Frischluftversorgung unmittelbar durch Selbstansaugung; der Verdichter
44 kann dabei entfallen. Bei diesem für stationären und mobilen Betrieb geeigneten
Triebwerk werden von der zur Abgabe von Leistung an einer Welle 50 vorgesehenen
Turbine 46 über eine weitere Welle 41, die als koaxiale Welle mit unterschiedlichen
Drehzahlen von Wellenmantel 41a und Wellenkern 41b ausgebildet ist, über das Getriebe
43 der Verdichter 44 und der Schieber 45 des Ventiles 49 angetrieben. Die Kraftstoffversorgung
der Brennkammer 42 erfolgt ähnlich dem ersten Ausfüiirungsbeispiel mittels einer
Ringleitung 51, nicht dargestellten Verteilerleitungen und Einspritzdüsen 52.
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Ein Luft-Bypass 53 zwischen der Brennkammer 42 und der Triebwerksummantelung
54 verhindert eine zu hohe Erwärmung der genannten Teile und bewirkt durch die Luftzumischung
zu den Breunkammergasen eine wesentliche Senkung der Turbineneintrittstemperatur.
Weitere nicht näher beschriebene Einzelheiten entsprechen dem vorhergehend behandelten
Beispiel. Pfeile zeigen in sämtlichen Figuren die Richtung der das Triebwerk durchsetzenden
Luft an.
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- Patentansprüche -