DE3631287C2

DE3631287C2 - Staustrahltriebwerk und mit einem solchen Staustrahltriebwerk ausgerüsteter Flugkörper

Info

Publication number: DE3631287C2
Application number: DE3631287A
Authority: DE
Inventors: Maurice Ravel; Jean Viala
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1985-09-17
Filing date: 1986-09-15
Publication date: 1996-02-08
Anticipated expiration: 2006-09-16
Also published as: GB2228048A; US4896502A; GB2228048B; DE3631287A1; FR2629136A1; GB8622374D0; FR2629136B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Staustrahltriebwerk mit einer Brennkammer, in welche mehrere Lufteinlaufrohre einmünden, die jeweils mit einer Brennstoffeinspritzvorrichtung ausge rüstet sind. Die Erfindung betrifft ferner einen mit einem solchen Staustrahltriebwerk ausgerüsteten Flugkörper.

Ein solches Staustrahltriebwerk ist aus der US-A 4 539 811 bekannt. Es weist symmetrisch zur Achse der Brennkammer an geordnete Lufteinlaufkanäle auf, die jeweils mit einer Brennstoffeinspritzvorrichtung versehen sind. Der Gesamt durchsatz D des in die Brennkammer eingeführten Brennstoffes ergibt sich bei einem solchen Triebwerk aus der Summe der einzelnen Durchsätze d_i des jeweils durch Einspritzvorrich tungen in den Lufteinlaufrohren eingeführten Brennstoffs, wobei jeder einzelne Durchsatz d_i gleich dem Verhältnis D/n ist.

Es ist bekannt, daß bei derartigen Staustrahltriebwerken im Betrieb innerhalb der Brennkammer starke Vibrationen des Innendrucks auftreten, durch welche einerseits der innere Hitzeschutz der Brennkammer und andererseits die am Aufbau des betreffenden Flugkörpers befestigten Einrichtungen in Mitleidenschaft gezogen werden. In dem Bestreben, die Aus wirkungen dieser schädlichen Vibrationen zu vermeiden, die im allgemeinen akustischen Tangentialmoden entsprechen, wur den bereits verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen. Aus dem o.g. Dokument ist beispielsweise bekannt, in den Luftein laufkanälen Luftleitbleche anzuordnen. Ferner wird eine Ver änderung der Aufteilung der Einspritzvorrichtungen in den Lufteinlaufkanälen vorgeschlagen.

Aus dem Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 19, Nr. 5, September/Oktober 1992, Seiten 430 bis 436, ist eine Unter suchung verschiedener Parameter von Staustrahltriebwerken anhand eines Modells bekannt, um insbesondere die Flammen stabilität zu verbessern. Die dort beschriebenen Untersu chungen befassen sich hauptsächlich mit der Frage, inwieweit ein mathematisches Modell einer Brennkammer Rückschlüsse auf tatsächliche Brennkammern und die in diesen erzielte Ver brennung zuläßt.

Ferner ist bekannt, die bei der Verbrennung auftretenden Vibrationen durch Längsstäbe akustisch zu dämpfen, die an der Innenwand der Schutzauskleidung angebracht werden. Alle diese bekannten Maßnahmen haben sich jedoch als unzulänglich erwiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beim Betrieb der Brennkammer auftretenden Vibrationen des Innendrucks zu vermeiden und insbesondere das Gebiet und die Amplitude der hochfrequenten Instabilitäten, welche durch die Verbrennung im Inneren der Brennkammer erzeugt werden, zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.

Die Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß Ein richtungen zur Steuerung des jeweiligen Durchsatzes d_i we nigstens eines Teils der Lufteinlaufrohre vorgesehen sind, so daß die einzelnen Durchsätze d_i dieser Lufteinlaufrohre abweichend vom Verhältnis D/n einstellbar sind, wobei die Summe der einzelnen Durchsätze d_i sämtlicher Lufteinlaufroh re den gesamten Brennstoffdurchsatz D ergibt und n die An zahl der vorgesehenen Lufteinlaufrohre ist.

Die Erfindung kann getrennt von oder in Kombination mit an deren Maßnahmen, welche dieselbe Zielrichtung haben, ange wendet werden.

Es wurde gefunden, daß durch die Maßnahme, die Brennstoff verteilung bezüglich der Achse der Brennkammer unsymmetrisch zu machen, die störenden Vibrationen unterdrückt oder zumin dest stark reduziert werden können.

Bei einer solchen Unsymmetrie wird aber berücksichtigt, daß der Gesamtdurchsatz zu jedem Zeitpunkt einen bestimmten Wert aufweisen muß, um den erforderlichen Schub zu gewährlei sten.

Wenn also zu einem gegebenen Zeitpunkt für den Schub eines Flugkörpers ein Gesamtdurchsatz D benötigt wird, so ist die ser Durchsatz gleich

worin folgende Bezeichnungen verwendet werden:

- d_i sind die einzelnen Durchsätze der n Einspritzvorrich tungen;
- a_i sind die Bruchteile des Gesamtdurchsatzes D, z. B. d_i = a_iD;
- i ist eine ganze Zahl, die von 1 bis n variiert.

Für das erste, zweite, . . . ite, . . . nte Lufteinlaufrohr gilt also jeweils, daß es der Brennkammer einen individuellen Durchsatz zuführt, der gleich a₁D, a₂D, . . . a_iD,

Die verschiedenen Koeffizienten a_i können Parameter sein, wie:

- Druck und Temperatur der Einströmluft,
- Verhältnis welches für den Schubbe darf erforderlich ist,
- Flugbedingungen des Flugkörpers, der durch das Staustrahl triebwerk angetrieben wird, nämlich Höhe, Machzahl, An stellung usw.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Staustrahl triebwerk vorgesehen, um in einer ersten Betriebsweise, bei welcher die einzelnen Durchsätze an Brennstoff gleich sind, und in wenigstens einer zweiten Betriebsweise zu arbeiten, in welcher die einzelnen Durchsätze ungleich sind, wobei wenigstens ein Meßzweig vorgesehen ist, durch den fortwäh rend die Parameter erzeugt werden, die für die Steuerung der Einstellmittel erforderlich sind.

Geeignete Meßzweige umfassen beispielsweise wenigstens einen Druckfühler und/oder Temperaturfühler, der einlaßseitig im Inneren der Lufteinlaufrohre angeordnet ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Steuerein richtungen dafür ausgelegt, das Staustrahltriebwerk in we nigstens zwei weiteren Betriebsweisen zu betreiben, wozu ein Rechner vorgesehen ist, der jederzeit im Zusammenwirken mit dem genannten Meßzweig dem Staustrahltriebwerk von den bei den Brennstoffzufuhrweisen diejenige aufgibt, die optimal ist.

Bei einer Ausführungsform umfassen die Steuereinrichtungen ein elektromagnetisches Regulierventil pro Lufteinlaufrohr, wobei diese elektromagnetischen Regulierventile gemeinsam an einen Brennstoffbehälter angeschlossen sind und parallel gesteuert werden.

Bei einer Ausführungsvariante umfassen die Steuereinrich tungen ein allen Lufteinlaufkanälen gemeinsames elektromag netisches Ventil, das einem Durchsatzverteiler zugeordnet ist.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausfüh rungsvarianten der Erfindung angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei spielen näher beschrieben, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird; in dieser zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt eines Flug körpers, der mit einem Stau strahltriebwerk ausgestattet ist;

Fig. 2. eine schematische Veranschaulichung einer Aus führungsform des Staustrahltriebwerks, und

Fig. 3 eine Ausführungsvariante des Staustrahltriebwerks.

Fig. 1 zeigt einen Flugkörper 1, welcher durch ein Stau strahltriebwerk 2 nach der Erfindung angetrieben wird.

Der Flugkörper 1 besitzt einen Körper 3, der unter ande rem die üblichen Geräte und Nutzlasten (nicht gezeigt) aufweist, und einen Brennstoffbehälter 4 enthält, der für die Versorgung des Staustrahltriebwerks 2 vorgesehen und an dem rückwärtigen Teil des Körpers 3 befestigt ist.

Das Staustrahltriebwerk 2 ist aus einer Brennkammer 5 ge bildet, welche auf ihrer Rückseite in einer Austrittsdüse 6 endet und auf der Vorderseite an eine Mehrzahl von n Lufteinlaufrohren 7₁, 7₂, . . . 7 _i, 7 _j, . . . 7 _n angeschlossen ist. In Fig. 1 sind nur die Lufteinlaufrohre 7 _i und 7 _j ge zeigt.

Die Lufteinlaufrohre 7 _i (mit 1 ≦ i = ≦ n) sind am Umfang des Körpers 3 angeordnet und fest mit diesem verbunden. Jedes Lufteinlaufrohr weist vorderseitig einen entsprechenden Lufteinlaß 8 _i auf und mündet rückseitig in den Vorderteil 9 der Brennkammer 5 über eine entsprechende Öffnung 10 _i ein.

Vorzugsweise ist der Vorderteil 9 der Brennkammer 5 wenig stens teilweise kugelförmig.

Vorteilhaft ist es weiterhin, den Durchmesser der Brenn kammer 5, die mit dem Körper 3 fluchtet, ungefähr gleich dem dieses Körpers zu machen. Es ist dann in jedem Luft einlaufrohr 7 _i ein Krümmer 11 _i vorgesehen, um den fest mit der Außenwand des Körpers 3 verbundenen Teil des Luftein laufrohres mit der entsprechenden Öffnung 10 _i der Brenn kammer 5 zu verbinden.

In jedem Lufteinlaufrohr 7 _i ist vorzugsweise in der Nähe der entsprechenden Öffnung 10 _i eine Brennstoffeinspritz vorrichtung 12 _i vorgesehen. Diese Brennstoffeinspritzvor richtungen 12 _i werden durch eine als Vorrichtung zur Brenn stoffeinspeisung und -regulierung dienende Steuervorrichtung 13 gesteuert, welche von dem Körper 3 getragen wird und mit dem Behälter 4 verbun den ist.

Vorzugsweise ist eine Hitzeschutzauskleidung 14 an den Innenwänden der Brennkammer 5 vorgesehen.

Die Arbeitsweise des Flugkörpers 1 ist folgende:

Solange das Staustrahltriebwerk 2 nicht in Betrieb ist, wird der Flugkörper 1 durch einen abbrennenden Schuban trieb 15 (beispielsweise eine Pulverladung) angetrieben, die im Inneren der Brennkammer 5 untergebracht ist.

Solange der Schubantrieb 15 arbeitet, gilt:

- die Lufteinlaufrohre sind am Einlaß zu der Brennkammer 5 verschlossen (durch nicht gezeigte Verschlußelemente);
- eine Beschleunigungsdüse (nicht dargestellt) von gerin gerer Abmessung als die des Staustrahltriebwerks befin det sich am Auslaß der Brennkammer 5.

Bei Beendigung des Betriebs des Schubantriebs 15 werden die Beschleunigungsdüse und die Verschlußelemente abge worfen, und die Luft (Pfeil F) dringt in die Lufteinlauf rohre 7 _i über die Öffnungen 8 _i ein und gelangt in die Brennkammer 5.

Bei Beendigung des Betriebs des abbrennenden Schubantriebs 15 versorgt die Vorrichtung 13 die Einspritzvorrichtungen 12 _i mit Brennstoff, der gezündet wird. Das Staustrahl triebwerk nimmt dann seinen Betrieb auf und übernimmt die Funktion des Schubantriebs 15 (der nun nicht mehr vorhan den ist), um den Flugkörper 1 anzutreiben.

Wie oben bereits erwähnt wurde, sind die n Lufteinlauf rohre 7 _i beispielsweise paarweise symmetrisch in bezug auf die Längsachse X-X des Flugkörpers und der Brennkammer 5 angeordnet, und in üblicher Weise ergibt sich der Gesamt durchsatz D an in die Brennkammer eingeleitetem Brennstoff aus der Summe der n einzelnen Durchsätze d_i = D/n, welche von den Einspritzvorrichtungen 12 _i geliefert werden. Bei bestimmten Flugbedingungen ist aber die Brennkammer 5 starken Vibrationen ausgesetzt, durch welche der Hitze schutz 14 und sogar der Flugkörper 1 zerstört werden kön nen.

Es wurde nun gefunden, daß diese Mängel abgestellt werden können, indem wenigstens ein Teil der n einzelnen Brenn stoffdurchsätze d_i der Einspritzvorrichtungen 12 _i Werte a_iD erhalten, die verschieden von D/n sind.

Bei der in Fig. 2 verdeutlichten Ausführungsform der Erfindung weist die Steuervorrichtung 13 mehrere elektro magnetische Ventile 16 _i auf, die jeweils einer Einspritz vorrichtung 12 _i zugeordnet sind und gemeinsam aus dem Behälter 4 gespeist werden. Die elektromagnetischen Ven tile 16 _i liefern jeweils zu dem entsprechenden Lufteinlauf rohr 7 _i einen Brennstoffdurchsatz, der gleich a_iD ist,

Zu diesem Zweck werden sie durch einen Rechner 17 gesteu ert. Für bestimmte Flugphasen des Flugkörpers 1 kann jeder Koeffizient a_i gleich 1/n sein. Hingegen können für andere Flugphasen wenigstens bestimmte Koeffizienten a_i Werte an nehmen, die verschieden von 1/n sind, wobei die Bedingung

eingehalten wird.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsvariante weist die Steuervorrichtung 13 ein einziges elektromagnetisches Ven til 18 auf, welches durch den Rechner 19 gesteuert wird, um den Durchsatz D zu gewährleisten. Ein Durchsatzver teiler 20, der vom Rechner 19 gesteuert wird, nimmt diesen Durchsatz D entgegen und gewährleistet die Aufteilung auf die verschiedenen Einspritzvorrichtungen 12 _i um ihnen die verschiedenen einzelnen Durchsätze a_iD zuzuführen, wie oben im einzelnen beschrieben ist.

Die Rechner 17 und 19 können die verschiedenen Werte a_i variieren, um die Vibrationen bei der Verbrennung in der Brennkammer 5 in größtmöglichem Maße zu vermindern.

Als Beispiel wird ein militärischer Flugkörper 1 mit zwei Lufteinlaufrohren 7 _i betrachtet, bei welchem während der gesamten Flugdauer der Luftdruck p im Inneren der Luft einlaufrohre zwischen 0,6 Bar und 10 Bar beträgt. Wenn ein vibrationsfreier Betrieb angestrebt wird, so werden folgende Einstellungen vorgenommen:

- für Luftdrücke p < 2 Bar und p < 4 Bar sind die einzel nen Brennstoffdurchsätze in den beiden Lufteinlauf rohren gleich, d. h. a₁ = a₂ = 0,5;
- wenn 2 Bar < p < 4 Bar, ist einer der beiden einzelnen Durchsätze gleich 0,7 D, während der andere dann gleich 0,3 D ist.

Gemäß einer Weiterbildung des Staustrahltriebwerks liefert eine Sicherheitsvorrichtung (oder Hilfsvorrichtung), die wenig stens einen Vibrationsdetektor umfaßt, der aus wenigstens einem Druckfühler 22 _i gebildet ist, welcher einem Rechner 17, 19 zugeordnet ist, ein Signal, sobald die Stärke der Vibrationen gewisse Schwellwerte überschreitet. Wenn die Verbrennung im Inneren der Brennkammer des Staustrahl triebwerks auch bei Anwendung der oben angegebenen Varia blen a_i weiterhin von Vibrationen begleitet ist, kann er satzweise eine zweite Gruppe von Variablen b_i angewendet werden. Das Auswechseln dieser Variablen wird dann durch ein Signal gesteuert, welches der Vibrationsdetektor lie fert, sobald der mittlere Druckpegel in bestimmten Fre quenzbereichen einen gegebenen Wert überschreitet.

Wenn beispielsweise zu einem gegebenen Zeitpunkt des Betriebs des Staustrahltriebwerks 2 eine Verteilung der einzelnen Durchsätze a_iD zu schädlichen Vibrationen führt, so steuern die Rechner 17 und 19 die elektromagne tischen Ventile 16 _i bzw. den. Verteiler 20 in solcher Weise, daß dem Staustrahltriebwerk 2 eine andere Vertei lung der einzelnen Durchsätze aufgegeben wird, wobei diese Verteilung vorzugsweise optimiert wird.

Claims

1. Staustrahltriebwerk (2) mit einer Brennkammer, in welche mehrere Lufteinlaufrohre (7 _i) einmünden, die jeweils mit einer Brennstoffeinspritzvorrichtung (12 _i) ausgerüstet sind, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (13) zur Steuerung des jeweiligen Durchsatzes d_i wenigstens eines Teils der Lufteinlaufrohre (7 _i) vorgesehen sind, so daß die einzelnen Durchsätze d_i dieser Lufteinlaufrohre (7 _i) abweichend vom Verhältnis D/n einstellbar sind, wobei die Summe der einzel nen Durchsätze d_i sämtlicher Lufteinlaufrohre (7 _i) den ge samten Brennstoffdurchsatz D ergibt und n die Anzahl der vorgesehenen Lufteinlaufrohre (7 _i) ist.

2. Staustrahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß es für den Betrieb mit einer ersten Betriebsweise, in welcher die einzelnen Brennstoffdurchsätze d_i einander gleich sind, und wenigstens mit einer zweiten Betriebsweise ausgelegt ist, bei welcher die einzelnen Brennstoffdurch sätze d_i untereinander ungleich sind, und daß wenigstens ein Meßzweig vorgesehen ist, welcher fortwährend die Parameter erzeugt, die für die Steuerung durch die Steuereinrichtungen (13) erforderlich sind.

3. Staustrahltriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß die Steuereinrichtungen (13) derart ausgebildet sind, daß sie wenigstens zwei weitere Betriebsweisen des Staustrahltriebwerks (2) ermöglichen, und daß sie ferner einen Rechner (17, 19) enthalten, der geeignet ist, zu jedem Zeitpunkt und im Zusammenwirken mit dem Meßzweig dem Stau strahltriebwerk (2) von den ersten und den zweiten Brenn stoffzufuhrarten diejenige aufzuprägen, die optimal ist.

4. Staustrahltriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen (13) ein elektromagnetisches Regulierventil (16 _i) pro Lufteinlaufrohr (7 _i) aufweisen und daß diese elektromagnetischen Regulier ventile (16 _i) gemeinsam an einen Brennstoffbehälter (4) an geschlossen sind und parallel gesteuert werden.

5. Staustrahltriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen (13) ein einziges elektromagnetisches Ventil (18) aufweisen, das allen Lufteinlaufrohren (7 _i) gemeinsam und einem Durchsatz verteiler (20) zugeordnet ist.

6. Staustrahltriebwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es wenigstens einen Druckfühler (22) in wenigstens einem Lufteinlaufrohr (7 _i) aufweist.

7. Staustrahltriebwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Sicherheits- oder Hilfs vorrichtung umfaßt, die mit wenigstens einem Vibrationsde tektor ausgestattet ist, der wenigstens einen Druckfühler mit zugeordnetem Rechner aufweist.

8. Flugkörper, dadurch gekennzeichnet, daß er als Schuban trieb ein Staustrahltriebwerk (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.