DE3301355A1

DE3301355A1 - Starthilfeeinrichtung fuer eine hochdruckbrennkammer

Info

Publication number: DE3301355A1
Application number: DE19833301355
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 5300 Bonn Bäumer; Heinz-Dieter 5210 Troisdorf Distelrath; Klaus 5216 Niederkassel Rath; Herbert Dipl.-Ing. 5000 Köln Wiegand
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt Fuer Luft und Raumfahrt EV 5000 Koeln; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1983-01-18
Filing date: 1983-01-18
Publication date: 1984-07-19
Also published as: DE3301355C2; GB2133869A; US4559008A; GB8334343D0; FR2539458A1; FR2539458B1; GB2133869B

Abstract

Zur Beseitigung der störenden Komponenten des Drehklanges einer Turbomaschine ist hinter der Gehäusezunge (15) ein Schallraum (17) angeordnet, der der Einwirkung einer Gegenschallquelle (18) ausgesetzt ist. Die Gegenschallquelle (18) wird mit einer Frequenz erregt, die entweder von der Drehzahl der Antriebswelle des Laufrades (13) abgeleitet ist oder unmittelbar von dem Drehklang mit Hilfe eines Mikrofons. An der Gehäusezunge löschen sich die betreffende Komponente des Drehklanges und der Schall der Gegenschallquelle (18) mindestens teilweise aus.

Description

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VON KREISLER SCHÖNWALD EISHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING WERNER

Anmelderin: PATENTANWÄLTE

Dr.-Ing. von Kreisler t 1973

Dr.-Ing. K. Schönwald, Köln Deutsche ForSChungS- Und Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soden

Versuchsanstalt für Luft- Dr J. F. Fues, Köln

Und Raumfahrt e.V. Dip-Chem. Alek von Kreisler, Köln

Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln

Linder Höhe Dipl.-Ing. G. Selling, Köln

Dr. H.-K. Werner, Köln

5000 Köln 90

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHhJHOF

D-5000 KÖLN 1

17. Januar 1983 Sg/rk

Starthilfeeinrichtung für eine Hochdruckbrennkammer

Die Erfindung betrifft eine Starthilfeeinrichtung für eine Hochdruckbrennkammer/ die einen an eine Versorgungsluftleitung angeschlossenen Druckeinlaß und einen Brennkammerauslaß aufweist, mit einer Einrichtung zur Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit durch den Brennkammerauslaß bei niedriger Brennkammertemperatur .

Hochdruckbrennkammern werden beispielsweise benutzt, um bei Untersuchungen im Windkanal den Treibstrahl des Modells eines Flugkörpertriebwerks zu simulieren. Am Brennkammerauslaß der Hochdruckbrennkammer tritt die Strömung mit Schallgeschwindigkeit aus. Das Starten der Verbrennung in einer Hochdruckbrennkammer hat sich als schwierig erwiesen, weil sich infolge der hohen

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5.

Strömungsgeschwindigkeit, die sich bei kalter Strömung ergibt, die Flamme schlecht stabilisieren läßt. Wenn die Flamme erst einmal stabilisiert ist,tritt im Brennrohr eine Temperaturerhöhung ein. Unter der Voraussetzung, daß der Brennkammerdruck nicht verändert wird und daß die Brennkammergeometrie beibehalten wird, nimmt nach dem Gasgesetz bei Temperaturerhöhung das Luftvolumen im Brennrohr mit der Temperatur zu, während die Strömungsgeschwindigkeit am Brennkammerauslaß mit der Temperatur abnimmt. Der Luftdurchsatz durch die Brennkammer ist umgekehrt proportional zur Wurzel aus der Temperatur. Hieraus ergibt sich, daß bei kalter Hochdruckbrennkammer ein sehr hoher Luftdurchsatz vorhanden ist, der nach dem Zünden eine Stabilisierung der Flamme erschwert, weil die Strömungsgeschwindigkeit größer ist als die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flamme.

Zur Stabilisierung der Flamme beim Starten sind aus den genannten Gründen besondere Maßnahmen erforderlich (DFVLR IB 351-77/41 (1977)). Da im Bereich des engsten Querschnittes des Brennkammerauslasses die Strömung stets mit Schallgeschwindigkeit austritt, ist ein Starten mit einer Festdrossel zur Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit nur dann möglich, wenn die Startphase nahtlos in die Betriebsphase übergeht. Dies trifft jedoch nur für den Fall eines sehr engen Auslegungs- und Betriebsbereichs der Hochdruckbrennkammer zu. Soll die Hochdruckbrennkammer innerhalb eines weiten Betriebsbereichs betrieben werden, so kann in der Startphase der engste Querschnitt am Brennkammerauslaß durch eine Drossel aus einer mit einer Bohrung

versehenen Aluminiumscheibe gebildet werden. Da die Bohrung der Aluminiumscheibe kleiner ist als der Öffnungsquerschnitt an der engsten Stelle des Brennkammerauslasses ,wird die Strömung in der Startphase so stark reduziert, daß die Strömungsgeschwindigkeit im Brennrohr kleiner wird als die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flamme, so daß sich die Flamme stabilisieren kann. Sobald die Flamme stabilisiert ist, erfolgt im Brennrohr eine starke Temperaturerhöhung, wodurch die lose in den Brennkammerauslaß eingefügte Aluminiumscheibe weggebrannt wird und so der für die Betriebsphase erforderliche größere Querschnitt am Brennkammerauslaß entsteht (DFVLR IB 351-4/79).

Die vorbekannten Starthilfeeinrichtungen zur Stabilisierung der Flamme in der Startphase haben den Nachteil, daß zusätzliche Einbauten im Brennkammerauslaß erforderlich sind und daß durch die Verbrennungsrückstände der Einbauten eine Verschmutzung des Windkanals,, in dem die Hochdruckbrennkammer benutzt wird, erfolgen kann. Nachteilig ist ferner, daß die Starthilfeeinrichtung nach Beendigung des Starts funktionsunfähig wird, so daß sie zu einer Temperaturregelung in der Betriebsphase nicht mehr benutzt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Start-

, hilfeeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die ohne Einbauten während der Startphase den wirksamen Querschnitt des Brennkainmerauslasses soweit reduziert, daß die Strömungsgeschwindigkeit im Brennrohr

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stets kleiner ist als die Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit, und die darüber hinaus auch Regeleingriffe während der Betriebsphase erlaubt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Brennkammerauslaß eine an eine Sperrluftleitung angeschlossene Schlitzdüse aufweist, durch die bei niedriger Brennkammertemperatur - Luft im Gegenstrom zur Austrittsströmung in den Brennkammerauslaß einblasbar ist.

Der wirksame Querschnitt des Brennkammerauslasses wird bei Bedarf durch eine im Gegenstrom zugeführte Sperrluftströmung verringert, so daß Festkörpereinbauten im BrennkammerausIaB nicht erforderlich sind.

Auch für den Fall, daß während des Betriebes bei zu hoher Geschwindigkeit der Austrittsströmung eine Kraftstoff abmagerung eintritt, kann durch Zufuhr von Sperrlu'ft die Austrittsströmung soweit gedrosselt werden, daß es nicht zu einem Erlöschen der Flamme kommt. Bei einem Betrieb der Hochdruckkammer im Innern eines Windkanals kann auf diese Weise verhindert werden, daß

Verschmutzungen des Windkanals durch Fehlstarts oder ' durch Erlöschen der Brennkammer vermieden werden. Ein direkter Zugang zu der in einem Flugkörpermodell eingebauten Brennkammer ist in der Regel nur durch aufwendige und zeitraubende Demontagearbeiten möglich.

Damit die Sperrluft den wirksamen Querschnitt des Brennkammerauslasses verringern kann,muß sie einen höherei. Druck haben als der aus der Brennkammer austretende Luftstrahl.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Luftleitung über eine Ventilvorrichtung derart mit der Versorgungsluftleitung und der Sperrluftleitung verbindbar ist, daß in einem Zustand der Ventilvorrichtung die Versorgungsluftleitung an die Luftleitung angeschlossen und die Sperrluftleitung gesperrt ist und in einem anderen Zustand der Ventilvorrichtung die Versorgungsluftleitung über einen Druckminderer an die Luftleitung angeschlossen ist, während die Sperrluftleitung ohne wesentlichen Druckabfall an die Luftleitung angeschlossen ist. Dies hat den Vorteil, daß sowohl die Versorgungsluft als auch die Sperrluft von einer einzigen Luftleitung geliefert werden kann. In der Startphase sorgt der Druckminderer dafür, daß der Druck der Sperrluft größer ist als derjenige der Versorgungsluft. In der Betriebsphase kann dagegen die Luftleitung ohne Druckminderer direkt mit der Versorgungsluftleitung verbunden werden. Die Ventilvorrichtung kann aus einem oder aus mehreren in zeitlicher Zuordnung zueinander verstellbaren Ventilen bestehen.

Vorzugsweise ist die Luftleitung über ein Ventil abwechselnd entweder an die Versorgungsluftleitung oder an die Sperrluftleitung anschließbar, und die Sperrluftleitung ist über einen Druckminderer mit der Versorgungsluftleitung verbunden. Hierbei wird nur ein einziges

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Ventil benötigt, wobei in der Startphase die Versorgungsluft von der Sperrluftieitung abgezweigt und anschließend durch den Druckminderer im Druck reduziert wird. Die Höhe der Druckminderung ist für jeden Brennkammertyp aus Versuchen zu ermitteln. Zu diesem Zweck ist der Druckminderer vorzugsweise einstellbar. Die Umschaltung des Ventils kann entweder schlagartig oder kontinuierlich erfolgen.

Vorzugsweise ist der Druckminderer mit einem Rückschlagventil in Reihe geschaltet, welches nur in Richtung von der Sperrluftleitung zu der Versorgungsluftleitung offen ist. Auf diese Weise wird erreicht, daß der Druckminderer nur in einer Richtung durchströmt wird, und daß in der Betriebsphase keine Sperrluft - auch nicht mit verringertem Druck - in die Schlitzdüse gelangt.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß ein die Brennkammeraustrittstemperatur überwachender Temperaturfühler eine Umschalteinrichtung für das Ventil bzw. die Ventilvorrichtung derart steuert, daß die Sperrluftleitung nur dann an die Luftleitung angeschlossen ist, wenn die Brennkammeraustrittstemperatur unterhalb eines Grenzwertes liegt. Der Temperaturfühler schaltet also die Sperrluftleitung in der Startphase oder auch bei einem Absinken der Betriebstemperatur infolge von Brennstoffabmagerung in der Betriebsphase ein. Auf diese Weise wird nicht nur ein sicheres Startverhalten erreicht, sondern in der Betriebsphase wird auch ein unbeabsichtigtes Erlöschen der Flamme verhindert.

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Ein besonders günstiger Übergang von der Startphase zur Betriebsphase wird erreicht, wenn das Ventil von einem Motor kontinuierlich verstellbar ist und zwischen zwei Schaltstellungen einen überdeckungsbereich aufweist, in welchem sowohl die Betriebsluftleitung als auch die Sperrluftleitung mit der Druckquelle verbunden sind. Dieser Überdeckungsbereich kann die vollen Durchlaßquerschnitte zu den beiden genannten Leitungen in einer Übergangsphase freigeben, das Ventil kann aber auch so ausgebildet sein; daß in der Übergangsphase jeweils nur gedrosselte Querschnitte freigegeben werden.

Die Schlitzdüse ist vorzugsweise eine Ringdüse, die den Brennkammerauslaß an seiner engsten stelle umgibt und auf diese Weise eine symmetrische Einschnürung der Strömung über deren gesamten Umfang bewirkt.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus der Starthilfeeinrichtung für eine Hochdruckbrennkammer, wobei das Ventil in der Startphase dargestellt ist,

Fig. 2 die gleiche Darstellung wie Fig. 1, jedoch in der Betriebsphase und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Stelle des engsten Querschnittes am Brennkammerauslaß mit der Schlitzdüse.

Gemäß Fig. 1 wird Luft unter hohem Druck aus der Luftleitung 10 über ein als Kugelhahn ausgebildetes Ventil 11 in eine Druckleitung 13 geführt, die sich an der Stelle 14 in die Sperrluftleitung 15 und die Startluftleitung 16 verzweigt. Das Ventil 11 ist über einen Antrieb 12 verstellbar, bei dem es sich um einen elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Stellantrieb handeln kann. Durch die Sperrluftleitung 15 wird die Luft, die unter einem Druck p. s ρ steht, zum engsten Querschnitt des Brennkammerauslasses 17 geführt, wo sie im Gegenstrom eingeführt wird und eine Sperrwirkung auf den aus der Brennkammer 21 austretenden Luftstrahl ausübt.

In der Startluftleitung 16 wird die Startluft durch einen verstellbaren Druckminderer 18 auf den Druck ρ ' reduziert der kleiner ist als P₁, so daß auch ρ ' < ρ ist. Die für den Startvorgang optimale Druckdifferenz zwischen ρ ' und p. ist für jeden Brennkammertyp im Versuch zu bestimmen. Die Startluftleitung 16 vereinigt sich an der Stelle 19 mit der Betriebsluftleitung 20, die die Hochdruckbrennkammer 21 mit hochverdichteter Luft versorgt. Sobald an dem Temperaturfühler 22 eine Temperatur T₃ gemessen wird, die einem stabilen Betriebszustand in der Brennkammer 21 zugeordnet werden kann, spricht die von dem Temperaturfühler 22 gesteuerte Umschalteinrichtung 23 an, um den Antrieb 12 in Betrieb zu setzen und das Ventil 11 zu verstellen.

Das Ventil 11 weist einen stets mit der Luftleitung 10 verbundenen Einlaß 111 und zwei Auslässe 112 und iij auf. In der in Fig. 1 dargestellten Position ist der Auslaß 113 mit der Druckleitung 13 und über diese mit der Sperrluftleitung 15 und mit der Startluftleitung 16 verbunden. In der in Fig. 2 dargestellten Betriebsphase ist der Einlaß 111 ebenfalls mit der Luftleitung

10 verbunden, während der Auslaß 112 mit der Betriebsluftleitung 20 verbunden ist. Die Auslässe 112 und 113 erstrecken sich jeweils über Drehwinkelbereiche des Ventils 11, die einander überlappen, so daß das Ventil

11 mit "negativer überdeckung" ausgeführt ist. Dies bedeutet, daß in einer kurzzeitigen Übergangsphase zwischen den beiden in den Figuren 1 und 2 dargestellten Endstellungen des Ventils 11 die Luftleitung 10 sowohl mit der Versorgungsluftleitung 2 0 als auch mit der Sperrluftleitung 15 verbunden ist.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Zustand ist die Startphase beendet und die Druckluft strömt von der Luft- leitung 10 über das Ventil 11 in die Betriebsluftleitung 20 und von dort zur Hochdruckbrennkaxnmer 21. In dieser Phase ist die Druckleitung 13 von der Luftversorgung abgetrennt, so daß auch die Sperrluftleitung 15 und die Startluftleitung 16 nicht mehr unter Druck stehen. Um zu verhindern, daß während der Betriebsphase Luft aus der Betriebsluftleitung 2 0 in die Startluftleitung 16 gelangt, ist in die Startluftleitung Ί 6 ein Rückschlagventil 24 eingebaut.

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Gemäß Fig. 3 ist an der engsten Stelle des Brennkammerauslasses 17 die ringförmige Schlitzdüse 2 8 angeordnet, die aus den beiden fest miteinander verbundenen ringförmigen Teilen 25 und 26 besteht. Die Sperrluft gelangt über die Sperrluftleitung 15 in eine zwischen den Teilen 25 und 26 gebildete Ringkammer 27 und strömt durch die ringförmige Schlitzdüse 28 mit radialer Komponente im Gegenstrom zu der Brennkammerströmung in den Brennkammerauslaß 17 ein. Hierdurch wird der wirksame Querschnitt des Brennkammerauslasses 17 verkleinert. Die Strömungsgeschwindigkeit im Brennrohr wird durch radiales Einblasen von Luft, die unter wesentlich höherem Druck steht als die aus der Brennkammer austretende Luft verringert, so daß sich die Flamme stabilisieren kann. Erst wenn die Temperatur im Brennrohr einen solchen Wert erreicht hat, daß durch die Volumenzunahme die Strömungsgeschwindigkeit bis auf einen Wert abgefallen ist, der kleiner ist als die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flamme, wird das Ventil 11 auf die in Fig. 2 dargestellte Position umgesteuert, so daß die Sperrluftleitung 15 abesperrt und der Druck in der Versorgungsluftleitung 2 0 auf den vollen Druck p., gebracht wird.

Wenn in der Betriebsphase, z.B. durch Abmagerung des Brennstoff- Luftgemisches die Temperatur am Brennkammerauslaß unter den zulässigen Betriebswert abfällt, wird das Ventil 11 durch den Antrieb 12 verstellt und Sperrluft in den Brennkammerauslaß 17 eingeblasen, bis sie stabilisiert worden ist, und die Temperatur den zulässigen Mindestwert wieder erreicht hat.

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Claims

-Ki- ANSPRÜCHE

1. Starthilfeeinrichtung für eine Hochdruckbrennkammer, die einen an einer Versorgungsluftleitung angeschlossenen Druckeinlaß und einen Brennkammerauslaß aufweist, mit einer Einrichtung zur Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit durch den Brennkammerauslaß bei niedriger Brennkammertemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkammerauslaß (17) eine an eine Sperrluftleitung (15) angeschlossene Schlitzdüse (28) aufweist, durch die bei niedriger Brennkammertemperatur Luft im Gegenstrom zur Austrittsströmung in den Brennkammerauslaß (17) einblasbar ist.

2. Starthilfeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftleitung (10) über eine Ventilvorrichtung derart mit der Versorgungsluftleitung (20) und der Sperrluftleitung (15) verbindbar ist, daß in

^r einem Zustand der Ventilvorrichtung die Versorgungsluftleitung (20) an die Luftleitung (10) angeschlossen und die Sperrluftleitung (15) gesperrt ist, und in einem anderen Zustand der Ventilvorrichtung die Versorgungsluftleitung (20) über einen Druckminderer (18) an die Luftleitung (10) angeschlossen ist, während die Sperrluftleitung (15) ohne wesentlichen Druckabfall an die Luftleitung (10) angeschlossen ist.

3. Starthilfeeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftleitung (10) über ein Ventil (11) abwechselnd entweder an die Versorgungsluftleitung (20) oder an die Sperrluftleitung (15) anschließbar ist, und daß die Sperrluftleitung über einen Druckminderer (18) mit der Versorgungsluftleitung (20) verbunden ist.

4. Starthilfeeinrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckminderer (18) mit einem Rückschlagventil (2 4) in Reihe geschaltet ist, welches nur in Richtung von der Sperrluftleitung (15) zu der Versorgungsluftleitung (20) offen ist.

5. Starthilfeeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Brennkammeraustrittstemperatur überwachender Temperaturfühler (22) eine Umschalteinrichtung (23) für das Ventil (11) derart steuert, daß die Sperrluftleitung (15) nur dann an die Luftleitung (10) angeschlossen ist, wenn die Brennkammeraustrittstemperatur unterhalb eines Grenzwertes liegt.

6. Starthilfeeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (11) bzw. die Ventilvorrichtung von einem Antrieb (12) kontinuierlich verstellbar ist und zwischen zwei Endstellungen einen Überdeckungsbereich aufweist, in welchem sowohl die Betriebsluftleitung (20) als auch die Sperrluftleitung (15) mit der Luftleitung (10) verbunden sind.

S.

7. Starthilfeeinrxchtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzdüse (28) eine Ringdüse ist, die den Brennkammerauslaß (17) an seiner engsten Stelle umgibt.