DE3890359C2 - Hilfsbrennstoffeinspritzvorrichtung für ein Staustrahltriebwerk mit Überschallverbrennung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hilfsbrennstoffeinspritz­ vorrichtung für ein Staustrahltriebwerk mit Überschallverbren­ nung, die in einer Überschalluftströmung innerhalb des Trieb­ werks angeordnet ist.

Es gibt Verwendungszwecke bei Flugkörpern, bei denen ein Staustrahltriebwerk, das mit Überschall und mit flüssigem Koh­ lenwasserstoff als Brennstoff arbeitet, beträchtliche Lei­ stungsvorteile bietet. In vielen Fällen gibt es dabei Volumen­ beschränkungen, welche die verfügbare Brennkammerlänge stark begrenzen.

Bei bekannten Systemen werden zwei separate Lufteinlaßsysteme benutzt, von denen das eine eine Überschallbrennkammer und das andere eine Unterschallbrennkammer versorgt. Ungefähr 25% der Triebwerksluftströmung werden der Unterschallbrennkammer zuge­ führt, wo sie bei hoher Brennstoffanreicherung mit der gesamten Triebwerksbrennstoffzufuhr reagieren. Die brennstoffreichen Verbrennungsprodukte vermischen sich dann mit der Über­ schallbrennkammerluftströmung und reagieren mit derselben.

Andere bekannte Systeme erfordern schwierig handhabbare Pyro­ phorbrennstoffzusätze zum Verbessern der Zündeigenschaften des in die Überschallbrennkammer eingeleiteten Brennstoffes. In diesem Fall bringt das zusätzliche Brennstoffsystem zusätzli­ ches Gewicht für den angetriebenen Flugkörper mit sich.

Da die Unterschallbrennkammer bei hohen Fluggeschwindigkeiten einen niedrigeren Wirkungsgrad hat als die Überschallbrennkam­ mer, führt dieser hohe Luftanteil, der in die Unterschallbrenn­ kammer geht, zu einem relativ schlechten Wirkungsgrad des Staustrahltriebwerks. Die mehreren Lufteinlässe für die beiden Luftströmungswege bringen die Gefahr einer nachteiligen Wech­ selwirkung zwischen den separaten Lufteinlaßsystemen mit sich.

Aus der US 2 692 480 ist eine Überschallbrennkammer bekannt, in der zum Verbessern der Zündeigenschaften des eingeleiteten Brennstoffes eine Stoßwelle erzeugt wird. Aus der US 2 679 137 ist eine Brennkammer zum Verbrennen von Brennstoff in einem sich schnell bewegenden Gasstrom bekannt, in der mittig eine Hilfsbrennkammer zum Erzeugen einer stabilen Hilfsflamme ange­ ordnet ist, die ein Entzünden des Hauptbrennstoffes stromab­ wärts der Hilfsbrennkammer ermöglicht. Aus der US 3 075 353 ist eine Überschallbrennstoffeinspritzvorrichtung bekannt, die bei der Verbrennung von sehr reaktionsfähigen Brennstoffen wie Was­ serstoff oder Acetylen eingesetzt wird. Mehrere Brennstoffein­ spritzeinrichtungen sind in einer Brennkammer angeordnet, um eine Hilfsflamme zum Vorwärmen und Zünden des Hauptbrennstoff­ stroms zu erzeugen. Die drei vorgenannten Druckschriften befas­ sen sich also mit einer Verbesserung der Zündung des Haupt­ brennstoffes und somit allenfalls mit einem Teilaspekt der Wir­ kungsgradverbesserung bei einem Staustrahltriebwerk.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hilfsbrennstoffeinspritzvor­ richtung der eingangs genannten Art zu schaffen, durch die sich bei einem Staustrahltriebwerk mit Überschallverbrennung der Wirkungsgrad verbessern läßt.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Die Erfindung schafft eine Hilfsbrennstoffeinspritzvorrichtung, die in einer Überschalluftströmung innerhalb des Triebwerks an­ geordnet ist und mit Haupt- und Hilfsbrennstoff versorgt wird. Dabei teilt eine Hilfsluftabteileinrichtung eine Hilfsluftströ­ mung von der Überschalluftströmung ab. Eine Strö­ mungsstöreinrichtung bewirkt die Bildung einer Rezirkulations­ zone in der Hilfsluftströmung. Stromaufwärts der Rezirkulati­ onszone wird eine stöchiometrische Menge des Hilfsbrennstoffes eingespritzt, die für eine ausreichende Verweilzeit bemessen ist, um das Zünden des Brennstoffes zu gestatten. Der Hilfs­ luftauslaß der Hilfsluftabteileinrichtung weist in stromabwär­ tige Richtung, und eine Hauptbrennstoffzufuhr wird in die Über­ schalluftströmung von einem stromaufwärtigen Rand der Hilfs­ luftabteileinrichtung aus eingespritzt. Dieser Brennstoffstrom wird vorzugsweise unter Druck gepumpt und erwärmt, während er noch unter Druck steht, um ihn in seinem flüssigen Zustand zu halten. Verengungen an dem Hilfsluftauslaß lassen ihn bei dem niedrigen umgebenden Druck durch Entspannung schnell verdamp­ fen. Die Hilfsluftströmung innerhalb der Rezirkulationszone ist eine Unterschallströmung und wird an dem Auslaß der Hilfsluft­ abteileinrichtung eingeschnürt. Demgemäß ist an dem Auslaß eine Strömung mit Schallgeschwindigkeit und hohem Druck im Vergleich zu dem der umgebenden Strömung vorhanden. Das hat zur Folge, daß eine Stoßwelle in der umgebenden Überschallströmung gebil­ det wird, welche die Temperatur und den Druck dieser Strömung erhöht und in Kombination mit der Vermischung zwischen der hei­ ßen Hilfsluftströmung und der umgebenden Strömung die Zündung des Brennstoffes in der umgebenden Strömung erleichtert. Durch die erfindungsgemäße Zufuhr von Hilfsbrennstoff und Hauptbrenn­ stoff wird eine stabile Flammenausbreitung erreicht. Die Zün­ dung des Brennstoffes wird erleichtert, weil die lokale Tempe­ ratur und der lokale Druck erfindungsgemäß erhöht werden. Ins­ gesamt führt das zu einer Wirkungsgradverbesserung des Staustrahltriebwerks.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegen­ stände der Unteransprüche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer Gesamtanordnung eines Staustrahltriebwerks mit Überschallverbrennung;

Fig. 2 eine Schnittansicht einer Hilfsbrennstoffeinspritz­ vorrichtung;

Fig. 3 eine isometrische Ansicht der Hilfsbrennstoffein­ spritzvorrichtung nach Fig. 2;

Fig. 4 eine Schnittansicht einer weiteren Art von Brenn­ stoffeinspritzvorrichtung, die stromabwärts in dem Triebwerk angeordnet ist; und

Fig. 5 eine weitere Hilfsbrennstoffeinspritzvorrichtung, die an einer Strebe befestigt ist.

In Fig. 1 ist ein Staustrahltriebwerk 10 mit Überschallverbren­ nung dargestellt, das eine Wand 12 hat, die eine Überschalluft­ strömung 14 umschließt. Brennstoff in Form von flüssigem Koh­ lenwasserstoff wird aus einem Brennstofftank 18 durch eine Hochdruckpumpe 16 unter Druck zugeführt. Drei Hilfsbrennstof­ feinspritzvorrichtungen 20 sind in gleichem Abstand am Umfang an einer stromaufwärtigen Stelle angeordnet, wobei zusätzliche Hilfsbrennstoffeinspritzvorrichtungen 22 an stromabwärtigen Stellen nach Bedarf angeordnet sind. Die maximale Menge an Brennstoff wird über die Hilfsbrennstoffeinspritzvorrichtung 20 eingespritzt, und zwar so, daß ein Abdrosseln des Triebwerks vermieden wird, und zusätzlicher Brennstoff wird nach Bedarf über die stromabwärtigen Hilfsbrennstoffeinspritzvorrichtungen 22 eingeleitet. Zum Erleichtern der Zündung des Brennstoffes, der über die stromabwärtigen Hilfsbrennstoffeinspritzvorrich­ tungen 22 eingespritzt wird, sind diese Einspritzvorrichtungen in Gebieten angeordnet, wo die lokale Temperatur und der lokale Druck aufgrund der Verbrennung erhöht worden sind, die durch die stromaufwärtigen Hilfsbrennstoffeinspritzvorrichtungen 20 erzeugt wird.

Fig. 2 zeigt eine im Querschnitt halbkreisformige Verkleidung 24 als Hilfsluftabteileinrichtung, die eine Hilfsluftströmung 26 umschließt. Eine Strömungsstöreinrichtung in Form einer in stromabwärtige Richtung weisenden Fläche 28, die hier an einer Stufe ausgebildet ist, bewirkt, daß sich eine Rezirkulations­ zone 30 bildet. Die Stufe ist am Fuß eines konischen Formkör­ pers in Form eines 10°-Kegels 34 gebildet, dessen Spitze strom­ aufwärts weist. Der Kegel 34 ist so angeordnet, daß eine Stoß­ welle 36 in die Verkleidung 24 gelangt. Andere Formen der Ver­ kleidung 24 als Hilfsluftabteileinrichtung und andere Formen statt eines Kegels könnten benutzt werden.

Eine Zufuhr von Hilfsbrennstoff, die 2,5% der Gesamtbrennstoff­ zufuhr der Brennkammer ausmacht, wird für jede der drei Hilfs­ brennstoffeinspritzvorrichtungen 20 über eine Leitung 32 an ei­ ner Stelle stromaufwärts der Rezirkulationszone 30 eingeleitet Dieser Brennstoff wird innerhalb des Unterschallrezirkulations­ zonenbereiches innerhalb der Verkleidung 24 stöchiometrisch verbrannt. Weil in diesem Abschnitt der Hilfsluftströmung 26 ein Überschalleinlaß benutzt wird, ist der Druck innerhalb die­ ses Abschnitts der Hilfsluftströmung ausreichend, um die Hilfs­ luftströmung an einem Auslaß an dem stromabwärtigen Ende 38 der Verkleidung 24 zu drosseln. Diese unter hohem Druck stehende, gedrosselte Strömung bewirkt, daß die Hilfsgase in den Haupt­ strom hinein entspannt werden, wodurch die lokale statische Temperatur und der lokale statische Druck des Hauptstromes er­ höht werden.

Der Hilfsbrennstoff wird über einen Auslaß 40 in die Einlaß­ strömung eingeleitet, die sich an der Schnittstelle der koni­ schen Oberfläche und der halbkreisförmigen Fläche 38 an dem Fuß des Kegels ablöst, wodurch die Ausbildung einer Scherschicht eingeleitet wird, die sich benachbart zu der Grenze der Rezir­ kulationszone 30 stromabwärts erstreckt. An dem stromabwärtigen Ende der Rezirkulationszone 30 ist der hintere Staupunkt. Die Berechnung der Rezirkulationszonenlänge und ihrer Breite ge­ stattet das Bestimmen der Rezirkulationszonenverweilzeit. Ein Massenaustausch erfolgt über die Scherschicht, was zu dem Ein­ tritt von Brennstoff, der stromaufwärts der Fläche 28 der Stufe eingespritzt wurde, in das Gebiet der Rezirkulationszone 30 führt. Nach der Zündung wird die stationäre, turbulente Flamme an der Fläche 28 verankert, wo die Geschwindigkeit des Ein­ tritts in die Rezirkulationszone 30 gleich der Flammenausbrei­ tungsgeschwindigkeit ist. Wegen des Geschwindigkeitsgradienten in der Scherschicht wird die Flamme stromabwärts gedehnt. Der Massenaustausch zwischen der Rezirkulationszone 30 und der äu­ ßeren Strömung erfolgt mit einer mittleren Geschwindigkeit, die in Beziehung zu der Strömungsgeschwindigkeit benachbart zu der Rezirkulationszone steht. Eine stabile Flammenausbreitung wird erreicht, wenn die Geschwindigkeit der turbulenten Flamme gleich der Massenaustauschgeschwindigkeit ist oder diese über­ steigt.

In der beschriebenen besonderen Ausführungsform beträgt der In­ nendurchmesser des Staustrahltriebwerks 99,6 mm in dem Bereich der Hilfsbrennstoffeinspritzvorrichtung 20, und der innere Ra­ dius der Verkleidung 24 beträgt 12,7 mm an ihrem Eingang und 17,8 mm an ihrem Ausgang. Das Verhältnis des Strömungsquer­ schnitts an der Grundfläche des konischen Formkörpers 34 zu dem Eintrittsquerschnitt der Verkleidung 24 beträgt 0,54. Die halbe Kegelgrundflächenhöhe der Strömungsstöreinrichtung beträgt 9,4 mm, und die zusätzliche Aussparung beträgt 3,8 mm, was eine 13,2-Millimeter-Stufe ergibt. Die Verweilzeit innerhalb der Re­ zirkulationszone 30 wird mit der Zündzeit für das Brennstoffge­ misch berechnet und verglichen, das in dem Mach-Bereich zuge­ führt wird, in dem das Staustrahltriebwerk 10 arbeiten soll. Die Verweilzeit muß die berechnete Zündverzögerung überschrei­ ten, damit es zur Selbstzündung des Gemisches kommt. Das ba­ siert auf Bedingungen, die bei dem Einsetzen der internen Un­ terschallströmung auftreten. Die Annahme würde normalerweise beinhalten, daß die statische Temperatur der Rezirkulationszone 30 ohne Verbrennung sich der Erholungstemperatur der Einlaß­ strömung nähert, die 85% der Staupunkttemperatur beträgt. Das führt zur Selbstzündung des Brennstoffes, wobei die Verbrennung dann zu einer noch höheren Temperatur führt.

Innerhalb der Verkleidung 24 sind mehrere Kanäle 42 als Brenn­ stoffströmungswege vorgesehen. Hauptbrennstoff tritt über einen Einlaß 44 ein, der sich auf die Kanäle 42 verteilt, die sich über die Länge der Verkleidung 24 erstrecken und in Drosselboh­ rungen 46 münden. Der Brennstoff wird auf seinem Strömungsweg sowohl von der inneren Hilfsflamme als auch von den äußeren heißen Gasen aus erhitzt, wodurch seine Temperatur erhöht wird. Wegen der Hochdruckpumpe 16 und des Austritts über Drosselboh­ rungen bleibt er als Flüssigkeit auf hohem Druck, und da er von den etwa 62 bar Druck aus in den Überschallstrom, der einen Druck von etwa einer Atmosphäre hat, gelangt, verwandelt sich der Brennstoff sofort in Dampf, wodurch die Zündung erleichtert wird.

Die Drosselbohrungen 46 halten einen ausreichenden Gegendruck aufrecht, um eine Verdampfung des Brennstoffes innerhalb der erhitzten Kanäle 42 zu vermeiden. Deshalb werden örtliche Volu­ menzunahmen und die zugeordnete Instabilität zwischen paral­ lelen Strömungswegen vermieden.

Der Brennstoff strömt in einem Hauptbrennstoffstrahl 48 stromabwärts und vermischt sich mit der Überschalluftströmung zum stromabwärtigen Ende der Verkleidung 24 hin. An dieser stromabwärtigen Stelle bewirkt das expandierende Gas aus der Hilfsluftströmung 26, daß eine Stoßwelle in der Hauptströmung auftritt. Diese Stoßwelle führt zur Vorkonditionierung der Hauptströmung durch Erhöhen der lokalen Temperatur und des lo­ kalen Druckes der Hauptströmung und bewirkt, wenn sich die vor­ konditionierte Hauptströmung mit den heißen, reaktionsfähigen Gasen aus der Hilfsströmung vermischt, daß die Zündung der Hauptströmung erfolgt.

Gemäß der Darstellung in Fig. 4 umfassen die stromabwärtigen Hilfsbrennstoffeinspritzvorrichtungen 22 einen Brennstoffeinlaß 52 und einen Strömungskanal 54, die den Brennstoff durch eine Drosselbohrung 56 fördern, von wo aus er in die Überschallströ­ mung abgegeben wird. Die Strömungskanäle 54 sind nahe der Ober­ fläche eines Halbkegels angeordnet, wobei eine Wärmeübertragung über die Oberfläche erfolgt, wodurch das Fluid erhitzt wird, während die Drosselbohrung 56 es auf hohem Druck hält. Wenn es zu dem relativ niedrigen äußeren Druck gelangt, wird es eben­ falls schnell in Dampf verwandelt, um seine Zündung zu erleich­ tern.

Eine weitere Ausführungsform 20′ der stromaufwärtigen Hilfs­ brennstoffeinspritzvorrichtung 20 ist in Fig. 5 gezeigt. Eine hohlzylindrische Verkleidung 70 ist an der Wand 12 über eine Strebe 72 befestigt. Ein konischer Formkörper in Form eines Ke­ gels 74 ist an einer stromaufwärtigen Stelle in der als Hilfs­ luftabteileinrichtung vorgesehenen Verkleidung 70 befestigt, wobei eine Rezirkulationszone 76 stromabwärts des Kegels gebil­ det wird. Eine Hilfsbrennstoffzufuhreinrichtung 78 geht durch die Strebe 72 und in Längsrichtung durch die Verkleidung 70 über als Brennstoffströmungswege vorgesehene Kanäle 80 zu einer stromaufwärtigen Stelle in der Verkleidung 70. Ein Hilfsanteil der Strömung gelangt über als Auslaß vorgesehene Drosselbohrun­ gen 82 in den Bereich der Hilfsluftströmung, wo er innerhalb der Rezirkulationszone 76 verbrannt wird. Der übrige Brennstoff gelangt über eine Drosselbohrung 84 als Hauptbrennstoff nach außen in den Überschallströmungsweg. Schallgeschwindigkeit tritt an dem stromabwärtigen Ende 86 der Verkleidung 70 auf, was eine Stoßwelle hervorruft, die die Zündung des Hauptbrenn­ stoffes erleichtert.

Claims (13)

1. Hilfsbrennstoffeinspritzvorrichtung (20, 20′, 22) für ein Staustrahltriebwerk (10) mit Überschallverbrennung, die in ei­ ner Überschalluftströmung (14) innerhalb des Triebwerks (10) angeordnet ist, mit:
einer Einrichtung (32, 52, 78) zum Versorgen der Hilfsbrenn­ stoffeinspritzvorrichtung (20, 20′, 22) mit Haupt- und Hilfs­ brennstoff;
einer Hilfsluftabteileinrichtung (24, 70), die in der Über­ schalluftströmung (14) parallel zu derselben angeordnet ist, stromaufwärts und stromabwärts am Ende offen ist und eine Hilfsluftströmung von der Überschalluftströmung (14) abteilt;
einer stromabwärts weisenden Strömungsstöreinrichtung (28), die zur Bildung einer Rezirkulationszone (30, 76) in der Hilfs­ luftströmung (26) in der Hilfsluftabteileinrichtung (24, 70) angeordnet ist;
einer Einrichtung (40, 82) zum Einleiten von Hilfsbrennstoff an einer Stelle stromaufwärts der Rezirkulationszone (30, 76);
einem Brennstoffströmungsweg (42, 80) in der Hilfsluftabteil­ einrichtung (24, 70), dem Hauptbrennstoff an einem Ende zuge­ führt wird; und einer Einrichtung (46, 84) zum Einleiten des Hauptbrennstoffes, der bei dem Passieren des Brenn­ stoffströmungsweges (42, 80) erhitzt worden ist, in die Über­ schalluftströmung (14) über mehrere Auslässe an dem anderen Ende des Brennstoffströmungsweges (42, 80) an einer Stelle stromaufwärts des stromabwärtigen Endes (38, 86) der Hilfsluft­ abteileinrichtung (24, 70).

2. Hilfsbrennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Überschalluftströmung (14) auf einem ersten Druck ist; und
daß die Hilfsluftströmung in der Hilfsluftabteileinrichtung (24, 70) über dem ersten Druck ist.

3. Hilfsbrennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Hochdruckpumpe (16) zur Zufuhr des Brennstoffes und durch Drosselbohrungen (46) als Auslässe des Brennstoffströmungsweges (42).

4. Hilfsbrennstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen wenigstens teilweise koni­ schen Formkörper (34, 74), der an dem Eingang der Hilfsluftab­ teileinrichtung (24, 70) angeordnet ist, mit seiner Spitze stromaufwärts weist und mit seiner Basis (28) die Strömungsstöreinrichtung bildet.

5. Hilfsbrennstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsluftabteilein­ richtung (24) eine im Querschnitt halbkreisförmige Verkleidung ist, die an einer Wand (12) des Triebwerks (10) befestigt ist.

6. Hilfsbrennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (34) ein Halbkegel ist.

7. Hilfsbrennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (34) mehrere Hilf­ brennstoffkanäle (32) hat, die nahe der Oberfläche des Formkör­ pers durch diesen hindurchführen und einen Auslaß (40) an des­ sen Basis (28) haben zum Einleiten des Hilfsbrennstoffes in die Hilfsluftströmung.

8. Hilfsbrennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Hilfsbrennstoffkanal (32) als Auslaß (40) eine Drosselbohrung aufweist.

9. Hilfsbrennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (34, 74) eine Ober­ fläche hat, die mit dessen Achse einen Winkel von im wesentli­ chen 10° bildet.

10. Hilfsbrennstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsluftabteil­ einrichtung (70) eine hohlzylindrische Verkleidung ist, die durch eine Strebe (72) an einer Wand (12) des Staustahltrieb­ werks (10) befestigt ist.

11. Hilfsbrennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Strömungsstöreinrichtung durch einen Kegel (74) gebildet ist, der an dem Eingang der Verklei­ dung (70) befestigt ist.

12. Hilfsbrennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (78) zum Ein­ leiten von Hilfsbrennstoff eine Einrichtung aufweist, um Hilfs­ brennstoff einem Ende des Brennstoffströmungsweges (80) zuzu­ führen, und zusätzliche Auslässe (82) an dem anderen Ende des Brennstoffströmungsweges (80), die in die Hilfsluftströmung in der Hilfsluftabteileinrichtung (70) münden.

13. Hilfsbrennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Auslässe (82) je­ weils als Drosselbohrungen ausgebildet sind.