DE3301355C2

DE3301355C2 - Starthilfeeinrichtung für eine Hochdruckbrennkammer

Info

Publication number: DE3301355C2
Application number: DE3301355A
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: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1983-01-18
Filing date: 1983-01-18
Publication date: 1984-11-08
Also published as: GB8334343D0; DE3301355A1; GB2133869B; US4559008A; FR2539458B1; FR2539458A1; GB2133869A

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

Die Erfindung betrifft eine Starthilfceinriehtung für eine Hochdruckbrennkammer, die einen an eine Versorgungsluftleitung angeschlossenen Druckeinlaß und einen Brennkammerauslaß aufweist, mit einer Einrichtung zur Verringerung des Masscnsiromes durch die

Brennkammer bei niedriger Brennkammertemperatur.

Hochdruckbrennkammern werden beispielsweise benutzt, um bei Untersuchungen im Windkanal den Treibstrahl des Modells eines Flugkörpertriebwerks zu simu-Tieren. 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 Strömungsgeschwindigkeit, die sich lu 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 Strömungsgeschwindigkci; am Brennkammerauslaß mit der Temperatur abnimmt. Der Luftdurchsatz durch die Brennkammer ist umgekehrt proportional zur Wurzel aus der Temperatur. I Heraus 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. Da im Bereich des engsten Querschnittes des Brcnnkammcrauslasses 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.

Bei einer Brennkammer zur kontinuierlichen Flammenverbrennung eines Druckluft-Kraftstoff-Gemisches, die eine Wirbelkammer zur Aufbereitung des Gemisches aufweist (DE-OS 23 2b 302), ist es bekannt, am Auslaßende der Wirbelkammer einen regelbaren Wirbel von Sekundärluft zur Hemmung der Ausbreitung der Verbrcnnungsflamme zu erzeugen. Durch geeignete Einlaßöffnungen in einer Abschreckkammer wird der geregelte Sckundärluflstrom dem Primärluftstrom in der Weise zugeführt, daß eine düsenförmige Verengung im Primärluftstrom entsteht. Durch Regelung des Primärluftstromes und des Sekundärluftstromes erfolgt eine Stabilisierung der Flamme.

Bekannt ist ferner eine Vorrichtung zum Regeln des wirksamen Querschnitts der Düse eines Rückstoßantriebes (DE-AS 10 59 247), bei der aus einer Ringdüse ein Hilfsstrahl in den Hauptstrahl eingeblasen wird, um eine Querschnittsvcrringerung des Hauptstrahles zu bewirken. Die Strömungsmenge des Hilfsstrahles kann mit einem Rcgelhahn dosiert werden.

Beim Betrieb einer Hochdruckbrennkammer muß /wischen Siariphase und Betriebsphase unterschieden werden. Während in der Betriebsphase ein hoher Luftdurchsatz erwünscht ist, darf während der Startphase W) die Strömungsgeschwindigkeit nicht zu groß sein, damit die Flamme nicht erlischt. Andererseits muß, wenn der Luftdurchsatz durch eine Gegenströmung gedrosselt wird, sichergestellt sein, daß der Druck der Gegenströmung größer ist als der Versorgungsdruck der Haupth^r) strömung.

Ocr Krfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Siarthilfecinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die während der Slartphasc den wirksamen Quer-

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schnitt des Brennkammerauslasses soweit reduziert, daß die Strömungsgeschwindigkeit im Brennbereich stets Kleiner ist als die Flarnnienfortpflanzungsgeschwindigkeit, und die einen nahtlosen Übergang zwischen Startphase und Betriebsphase erlaubt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist crfindungsgemäß vorgesehen, daß der Brennkammerauslaß eine an eine Sperrluftleitung angeschlossene Schlitzdüse aufweist, durch die bei niedriger Brennkammertemperatur Luft im Gegenstrom zur Austrittsströmung in den Brennkammerauslaö einblasbar ist, und daß die Luftleitung über eine Ventilvorrichtung derart mit der Versorgungsluftleitung und der Sperrluftleitung verbindbar ist, daß in einer Stellung der Ventilvorrichtung die Versorgungsluftleitung an die Luftleitung angeschlossen und is die Sperrluftleitung gesperrt ist, und in einer anderen Stellung der Ventilvorrichtung die Versorgungsluftleituns über einen Druckminderer an die Luftleitung angeschlossen ist während die Sperrluftleitung ohne wesentlichen Druckabfall an die Luftleitung angeschlossen ist

Der wirksame Querschnitt des Brennkammerauslasses wird bei Bedarf durch eine im Gegenstrom zugeführte Sperrluftströmung verringert, so daß ohne Festkörpereinbauten im Brennkammerauslaß ein nahtloser Übergang zwischen Startphase und Betriebsphase möglieh ist

Auch für den Fall, daß während des Betriebes bei zu hoher Geschwindigkeit der Austrittsströmung eine Kraftstoffabmagerung eintritt kann durch Zufuhr von Sperrluft 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 auftreten. 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 höheren Druck haben als der aus der Brennkammer austretende Luftstrahl. Sowohl die Versorgungsluft als auch die Sperrluft werden von einer einzigen Luftleitung geliefert. In der Startphase sorgt der Druckminderer dafür, daß der Druck der Sperrluft größer ist als derjenige der Versorgungsluft. In der Betriebsphase kann dagegen dit 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 besteht die Ventilvorrichtur.ft aus einem Ventil, das wahlweise entweder an die Versorgungsluftleitung oder an die Sperrluftleitung anschließt und die Sperrluftleitung ist über den Druckminderer mit der Versorgungsluftleitung verbunden. Hierbei wird nur ein einziges Ventil benötigt wobei in der Startphase die Versorgungsluft von der Sperrluftleitung abgezweigt und anschließend durch den Druckminderer im Druck to reduziert wird. Die Höhe der Druckminderung ist für jeden Brennkammertyp aus Versuchen zu ermitteln. Zu diesem Zweck ist d'T Druckminderer vorzugsweise einstellbar. Die Umschaltung des Ventils k;inn entweder schlagartig oder kontinuierlich erfolgen. fi

Vorzugsweise ί·Η der Druckminderer mit einem Rückschlagventil 'Π Reihe geschaltet, welches nur in Richtung von der ^perrluftleiiung zu der Vcrsorgungsluftleitung offen ist. Auf diese Weise wird erreicht, daß der Druckminderer nur in einer Richtung durchströmt wird, und daß in der Beiriebsphase keine Sperrluft — auch nicht mit verringertem Druck — in die Schlitzdüse gelang«.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß ein die Brennkammeraustrittstemperatur überwachender Temperatu^rfühler 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 Brenn stoff abmagerung 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.

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 zeigt

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

F i g. 2 die Darstellung der gleichen Einrichtung wie F i g. 1, jedoch in der Betriebsphase und

F i g. 3 einen Längsschnitt durch die Stelle des engsten Querschnittes am Brennkammerauslaß mit der Schlitzdüse.

Gemäß F i g. 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^ 2 p\ 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 pi reduziert, der kleiner ist als pt, so daß auch pi < p_t ist. Die für den Siartvorgang optimale Druckdifferenz zwischen pi und Pa ist für jeden Brennkammertyp im Versuch zu bestimmen. Die Startluftleitung 16 vereinigt sich an der Stelle 19 mit der Betriebsluftleitung 20, die die Hochdruckbrcnnkammcr 21 mit hochverdichteter Luft

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versorgt. Sobald an dem Temperaturfühler 22 eine Temperatur Γ3 gemessen wird, die einem stabilen Betriebszustand in der Brennkamm.ci t'\ 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 113 auf. In der in F i g. 1 dargestellten Position ist der Auslaß 113 mit der Druckleitung 13 und über diese mit der Sperrluftleitung 15 und mit der Startluftlcitung 16 verbunden. In der in F i g. 2 dargestellten Betriebsphase ist der Einlaß Ul 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 F i g. 1 und 2 dargestellten Endstellungen des Ventils 11 die Luftleitung 10 sowohl mit der Versorgungsluftleitung 20 als auch mit der Sperrluftleitung 15 verbunden ist.

Bei dem in F i g. 2 dargestellten Zustand ist die Startphase beendet und die Druckluft strömt von der Luftlei- tung 10 über das Ventil 11 in die Betriebsluftleitung 20 und von dort zur Hochdruckbrennkammer 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 jo zu verhindern, daß während der Betriebsphase Luft aus der Betriebsluftleitung 20 in die Startluftleitung 16 gelangt, ist in die Startluftleitung 16 ein Rückschlagventil 24 eingebaut.

Gemäß F i g. 3 ist an der engsten Stelle des Brennkammerauslasses 17 die ringförmige Schlitzdüse 28 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 Voliimenzunahme die Strömungsgeschwindigkeit bis auf einen Wert abgefallen ist, der kleiner ist als die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flamme, wird das Ventil 11 auf die in F i g. 2 dargestellte Position umgesteuert, so daß die Sperrluftleitung 15 abgesperrt und der Druck in der Versorgungsluftleitung 20 auf den vollen Druck pi gebracht wird.

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

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Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

33 öl 355 Patentansprüche:

1. Starthilfeeinrichlung für eine Hochdruckbrennkammer, die einen an eine Versorgungsluflleitung angeschlossenen Druckeinlaß und einen Brennkammerauslaß aufweist, mit einer Einrichtung zur Verringerung des Massenstromes durch die Brennkammer 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, und daß eine Luftleitung (10) über eine Ventilvorrichtung derart mit der Versorgungsluf'.leitung (20) und der Sperrluftleitung (15) verbindbar ist, daß in einer Stellung der Ventilvorrichtung die Versorgungsluftleitung (20) an die Luftleitung (10) angeschlossen und die Sperrluftleitung (15) gesperrt ist, und in einer anderen Stellung 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.

2. Starthilfeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilvorrichtung aus einem Ventil (11) besteht, das die Luftleitung (10) wahlweise entweder an die Versorgungsluflleitung (20) oder an die Sperrluftleitung (15) anschließt, und daß die Sperrluftleitung über den Druckminderer (18) mit der Versorgungsleitung (20) verbunden ist.

3. Starthilfeeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckminderer (18) mit einem Rückschlagventil (24) in Reihe geschaltet ist. welches nur in Richtung von der Sperrluftleitung (15) zu der Versorgungsluftieitung (20) offen ist.

4. Starthilfeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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 (1.0) angeschlossen ist, wenn die Brennkammeraustriustcmperatur unterhalb eines Grenzwertes liegt.

5. Starthilfeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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 Versorgungsluftleitung (20) als auch die Sperrluftleitung (15) mit der Luftleitung (10) verbunden sind.

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