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Verfahren und Einrichtung zur Brennstofförderung für Turbinen-und
Rückstoßtriebwerke Die Erfindung bezieht -sich auf Verfahren Und Einrichtung zur
Brennstofförderung zur Brennkammer vom Turbinen- und Rücksto@ßtr-iebwerken mit stetiger
Verbrennung, bei denen der Brennstoff ohne bewegliche Teile vorzugsweise durch Strahlpumpen
gefördert wird..
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Bisher wurde die Brennstofförderung für Turbinen und Rückstoßtriebwerke
mittels mechanisch. wirkender Pumpen durchgeführt, die den Brennstoff laufend in
die Brennkammer förderten. Ferner ist die Verwendung von Strahlzusatzpumpen bekannt,
die aus einem unter Atmosphärendruck stehenden Behälter flüssigen Brennstoff mit
erhöhtem Druck zu einer mechanischen Speisepumpe lieferten, die ihrerseits die Treibflüssigkeit
für die Strahlpumpe lieferte. Mechanische Pumpen haben den Nachteil, daß sie einen
Sonderantrieb erfordern, schwerer sind, daß ihr Einbau komplizierter und sperrender
ist, als wenn lediglich Strahlpumpen verwendet werden. Die Möglichkeit, Strahlpumpen
für die Brennstofförderung zu verwenden, ist von besonderer Bedeutung für die Luftfahrt,
wo die Einsparung von Gewicht wesentlich ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, unter Vermeidung der genannten Nachteile
und Schwierigkeiten die Brennstofförderung für Turbinen- und Rückstoßtriebwerke,
im fodgend'en kurz Triebwerk genannt, ausschließlich mittels StrahlpurnpenJurchzuführen,
wobei eine oder mehrere Strahlpumpen
benützt werden, je nachdem,
ab eine oder mehrere Antriebsflüssigkeiten zum Speisen des Triebwerks nötig sind,
und die Pumpen von einer dieser Flüssigkeiten angetrieben werden, der durch Erhitzung
:die benötigte Energie zugeführt wurde: Erreicht wird dies dadurch, daß erfindungsgemäß
durch die Abwärme des Triebwerks erhitzter B:renmstoff als Treibmittel dient, das
durch Strahlwirkung, vorzugsweise in Strahlpumpen, einen, konstanter Strom -der
Brennflüssigkeit vom Tank nach dem Triebwerk erzeugt. Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal
wird zum Anlassen von F'ärdereinrichtung und Triebwerk ein Teil des flüssigen Brennstoffes
gesondert erhitzt und zum Betrieb der Strahlpumpe benutzt, worauf von dem von ihr
geförderten Brennstoff ein kleiner Teil abgetrennt und nach Erhitzung durch Triebwerksab@wärme
als alleiniges Treibmittel für die Brennstofförderung verwendet wird, sobald das
Triebwerk seinen normalen Betrieb aufgenommen hat. Neben einer Gewichtsersparnis
ergeben sich als weitere Vorteile der Erfindung kleinere Pumpenabmessungen, Fortfall
vom bewegten Teilen, Freizügigkeit in der Installatiom, Einsparung vom. Hilfsantriehsmitteln
nach dem Start und geringere Kosten.
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Wird nur ein Treibstoff- für den Betrieb des Triebwerks benutzt, wie
Benzin und ähnliche flüssige Kohlenwasserstof'fe, so, wird nur eine einzige Strahlpumpe
verwendet, die ihre Energie durch erhitzten Brennstoff erhält, der zunächst von
dem in einem Starterhitzer oder Verdampfer enthaltenen Brennstoffvoirrat - geliefert
wird. Die mit einem Tank verbundene Strahlpumpe entnimmt diesem den Brennstoff und
fördert ihn mit erhöhtem Druck zu einer Speiseleitung für Idas Triebwerk. Der größte
Teil der von dieser geführten Brenn.-stoffmenge wird dem Triebwerk zugeleitet, während
der Rest über einen Wärmeaustauscher oder Verdampfer, der durch die Auspuffgase
des Triebwerks geheizt wird, als Treibflüssigkeit zu der Strahlpumpe zurückgeliefert
wird. Sobald der H.auptwärmeaustauscher genügend Treibflüssigkeit liefert, wenn
das Triebwerk seinem normalen. Gang aufgenommen hat, wird der Starterhitzer ausgeschaltet.
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In der nach-stehenden Beschreibung sind' weitere Beispiele gegeben,
in denen statt einer zwei Flüssii'gkeiten gefördert werden, die zum Betrieb- von
Raketenmotoren dienen. Je nach den thermodynamischen Charakteristiken der Treibflüssigkeiten
und den von den Pumpen zu fördernden Brennflüssigkeiten müssen Temperatur und Drücke
entsprechend dem thermodynamischen Prozeß so" gewählt werden, daß der Ausgangszustand
der Treibflüssigkeit je nach den Verhältnissen eine Flüssigkeit, einen Dampf, ein
Gas und/oder ein: Gemenge hiervon darstellt. So- kaum in. einem Anwendungsfall als
Treibflüssigkeit eine heiße Flüssigkeit verwendet werden, die in der Eingangsdüse
der Strahlpumpe expandiert und einenFlüssigkeitsstrahl niedrigen Druckes bildet,
der teils Flüssigkeit, teils Dampf ist. In einem anderen Anwendunigsfall kann die
Treibflüssigkeit aus gesättigtem Dampf bestehen, der in der Einlaßdüse der Strahlpumpe
zu einem zum Teil aus Flüssigkeit, zum Teil aus Dampf bestehenden Strahl expandiert
wird. Bei einem weiteren Anwendungsfall . mit anderer Flüssigkeit wird gesättigter
Dampf in der EinlaßdüSe zu einem Flüssigkeitsstrahl aus überh-itztem Dampf expandiert.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigt Fig. i eine schematische Darstellung einer Brennstofförderanlage
für ein Turbinen oder Rückstoßtrieb-werk mit nur einer Strahlpumpe, die vom durch
Erhitzung gespanntem Treibstoff angetrieben wird, Fig.2 eine Abänderung der Ausführung
der Fig. i, bei :der zwei verschiedene Brennstoffe für einer, Raketenm0toT durch
je eine Strahlpumpe gefördert werden, wobei die Pumpen durch: erhitzten und gespannten,
Treibstoff angetrieben werden, Fig.3 eine Abänderung der Ausführung der Fig. 2,
bei der die beiden Strahlpumpen durch die Abgase des Triebwerks angetrieben werden,
Fig.4 eine Abänderung der Ausführung der Fig.3, bei der zum Antrieb der Strahlpumpen
ein Gemisch aus Abgasen und einem geringen Teil des von jeder Pumpe geförderten,
unter hohem Druck stehenden flüssigen Brennstoffes verwendet wird.
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In dem Ausführungsbeispiel der Fig. i bezeichnet i einen Tank für
flüssigen Brennstoff, z. B. Benzin, von, dem eine Saugleitung 2. mit einem Absperrventil
3 zu einer Strahlp.umpe 4 führt, die den Brennstoff vom Tank i über die Leitung
5 nach den Leitungen 6 und, 7 fördert. Über die Leitung 6 wird der größere Teil
des durch die Pumpe 4 geförderten B.renns.toffes über eine Regeldüse 8 in. den Ver'-brennungsraum
des Triebwerks 9 geleitet, der mit einer Zündkerze io versehen ist; die Leitung
7 dla.-gegen ist zu dem Treibmitteleinlaß, der Pumpe 4 geführt; .durch sie wird
der restliche Teil des von der Pumpe insgesamt geförderten Brennstofffes als durch
Erhitzen gespannte Treibflüssigkeit zurückgeliefert. Zu diesem Zweck ist die mit
einem einen Brennstoffmesser enthaltenden Absperrventil i i versehene Leitung 7
in Schlangenwindungen durch einen Wärmeaustauscher oder Versdampfer 12 geführt,
der über eine Leitung 13 mit dem Triebwerksauspuff in Verbindung steht. In der Leitung
13 liegt ein Drosselventil 14, das die Abgaszufuhr vorn Triebwerk und damit die
Erhitzung des Brenn, staffes im Wärmeaustauscher regelt. Der Fluß der erhitzten,
gespannten Treibflüssigkeit in der Leitung 7 wird durch ein Absperrventil 15 und
ein Droisselventi116 geregelt. Ein vornehmlich elektrischer Starterhitzer 17 mit
einer gewissen Menge B,rennstoff steht über eine Leitung i&, in der ein Absperrventil
i9 liegt, mit dem Teil der Leiturig 7 in Verbindung, .die die Treibflüssigkeit führt.
Der Starterhitzer 17 ist zur leichten Ergänzung der in ihm verbrauchten Brennstoffmenge
über eine Leitung 2o, die ein. Absperrventil 21 enthält, mit der Brennstofförderleitung
5 der Pumpe verbunden.
Um überschießenden Brennstoff- von der Pumpe
,4 abzuleiten, ist diese durch eine Überflußleitung 22 mit dem Tank i verbunden.
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Zur Inbetriebnahme der Brennstoffpumpe sowie des Triebwerks wird der
Starterhitzer 17 geheizt und dadurch der in ihm enthaltene Brennstoff so erhitzt,
daß. er als Treibflüssigkeit für die Pumpe 4 geeignet ist. Die Pumpe 4 fördert dann
flüssigen Treibstoff aus dem Tank i, dessen größerer Teil in die Verbrennungskammer
des Triebwerks 9, gedrückt, dort gezündet und verbrannt wird. Ein kleinerer Teil
der Abgase des Triebwerks wird in den Wärmeaustauscher 12 geleitet, der den in ihm
enthaltenen Brennstoff als Treibflüssigkeit zur Pumpe zurückliefert. Sobald im Wärmeaustauscher
12 genügend Treibflüssigkeit erzeugt wird und das Triebwerk seinen normalen Betrieb
aufgenommen hat, d. h. sobald eine kontinuierliche Verbrennung eingeleitet ist,
werden Zündung und Starterhitzer abgeschaltet. Von nun an hält die vom Wärme@austauscher
12 gelieferte Treibflüssigkeit die Pumpe und damit das Triebwerk in Gang, so daß
in einfachster Weise ohne mechanische Antriebsmittel ein ununterbrochenerArbeitsgang
ermöglicht wi rd.Eine Förderkontrolle l.äßt sich. durch eine gemeinsame Steuerung
von Flüssigkeitsstrom und -druck erhalten,. Ein verringerter Förderdruck kann durch
Drosseln des. Eingangsdruckes der Treibflüssigkeit in der Strahlpumpe 4 erhalten
werden. Dies hat wiederum einen langsameren Förderstrom durch das Speisemundstück
der Pumpe und damit in die Verbrennungskammer des Triebwerks zur Folge.
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Während die Brennstofförderung der Fig. i zum Antrieb von Strahltriebwerken
dient und nur eine Brennflüssigkeit verwendet, zeigt Eig. 2 eine Ein, richtung zum
Betrieb von Raketenmotoren, die mit zwei Flüssigkeiten betrieben( werden, z. B..
einer Flüssigkeit I, die aus einem Oxydationsmittel, wie flüssigem Sauerstoff, besteht
und im Tank a3 aufbewahrt ist, und einer Flüssigkeit II, die aus einem Brennstoff,
wie Alkohol, besteht und im Tank 24 aufbewahrt ist. Mit dem Tank 2.4 ist eine Strahlpumpe
2,5 über die mit einem Absperrventil 27 versehene Leitung 26 verbunden. An den Förderausgang
der Pumpe 215 ist eine Leitung 28 mit einem Drosselventil 29 angeschlossen, die
zu der Düsenseite eines Raketenmotors 30 geht, zwischen dessen Wandungen
31 und 32 die Leitung 28 als Heizspirale 3,2' geführt ist. Am geschlossenen Ende
des Motors 30 ist die Leitung wieder herausgeführt und aufgeteilt, und zwar
in einen Zweig 34, der über ein Drosselventil 35 in die Verbrennungskammer 36 des
Motors führt, und in einen. Zweig 37 mit einem Drosselventil 38. Die Leitung 37
enthält dann noch eine weitere Verzweigung, deren einer Zweig 39 ein Drosselventil
4o besitzt und zum Treibflüssigkeitseinlaß der Strahlpumpe 41 führt. Die Pumpe 41
steht über eine Saugleitung 42 mit einem Absperrventil 43 mit dem Tank 23 mit dem
Oxydationsmittel in, Verbindung. Der andere Zweig 44 mit einem Absperrventil 45
führt zum Treibflüssigkeitseinlaß der Strahlpu.mpe 25. DieFörderseite derPumpe41
liegt an derLeitung46 mit einem Drosselventil 47 und einer Zündkerze 48. Die Inbetriebnahme
der Pumpens 25 und 41 erfolgt über eine Leitung 49 mit einem Absperrventil 5o, die
an die Leitung 3.7 angeschlossen ist und von einer nicht dargestellten Stelle die
zum Anlaufen, der Pumpen. erforderliche Treibflüssigkeit erhält.
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Bei Ingangsetzung der Anlage werden die Zündkerze oder entsprechende
Brennistofzündmittel erregt und der Zufluß von Treibflüssigkeit über die Startleitung
49 zu beiden Pumpen.25 und 41 freigegeben, so da3 beide gleichzeitig zu arbeiten
beginnen und sowohl Brennstoff als auch Oxydationsmittel in die Brennkammer leiten,
wo beide Flüssigkeiten das gezündete Gemisch ergeben. Der von der Pumpe 26 gelieferte
Brennstoff wird beim Durchlaufen der zwischen. den beiden Moto@renwandungen 31 und
32 liegenden Leitungsschlange 327 durch die Verlustwärme des. Motors mit steigender
Temperatur erhitzt und gespannt. Der überwiegende Teil des geförderten Brennstoffes
wird unmittelbar in die Motorverbrennungskammer geworfen, der Rest dient als Treibflüssigkeit
für, beide Pumpen 25 und 41. In. der Pumpe 41 mischt sich die Treibflüssigkeit mit
dem in( die Brennkammer des Motors zu fördernden Oxydationsmittel und bildet dort
zusammen mit dem schon eingespritzten Brennstoff das eigentliche Brenngemisch. In
Pumpe 25 mischt sich die Treibflüssigkeit lediglich mit dem neu geförderten Brennstoff
und gelangt mit diesem wieder in den Wärmeaustauscher. Sobald der Motor genügend.
Hitze entwickelt, um den durch hie Leitungsschlange 32 fließenden. Brennstoff
ausreichend zu spannen, um als Treibflüssigkeit zur Erzielung des besten(Motorwirkungsgrades
geeignet zu sein, werden die Hilfstreibflüssigkeitsquelle sowie die Zündung abgeschaltet,
worauf die Anlage ohne bewegliche Teile sich selbst versorgt.
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Diese Einsrichtung kann für jede Kombination von zwei oder mehr zu
fördernden Flüssigkeiten verwendet werden; bei Förderung eines Sauerstoff-Alkohol-Wasser-Gemisches
arbeitet die Anlage nach dem Zweiflüssigkeitssystem. In jedem Fall hat die Treibflüssigkeit
für die Strahlpumpen eine solche Charakteristik, daß sie kondensiert werden kann;
außerdem muß sie thermodynamisch so beschaffen sein, däß ein Enthalp:ieabfall auftritt,
wenn in der oder in den Einlaßdüsen der Pumpen ein. Druckabfall entsteht.
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Eine abgeänderte Brennstoffversorgung für einen Zweiflüssigkeitsraketenmotor
ist in Fig. 3 gezeigt. Die der Darstellung der Fig. 2 entsprechenden Teile sind
mit den gleichen, Bezugszeichen und angehängtem a bezeichnet. Bei dieser Anlage
ist die Strahlpumpe 41a durch eine mit einem Absperrventil 43a versehene Saugleitung
42a mit dem Tank 23a verhunden, der .den Betriebsstoff I enthält; ähnlich ist die
Pumpe 25a über die Saugleitung 26a mit dem Absperrventil 227a zu dem Tank 24a mit
dem Betriebsstoff II geführt. Eine Förderleitung 46a mit einem Drosselventil 47a
und eine Förderleitung 28,1 mit einem Drosselventil 29a führt von der Pumpe 4111
bzw. 25a zur Brennkammer 36a des Motors 30a,
wo beide Flüssigkeiten
das Verbrennungsgemisch bilden, das .durch eine Zündkerze 49" gezündet wird. Von
der Brennkammer 36" führt eine Auspuffleitung 5 1 mit einem Drosselventil
52, in einer für den Wärmeaustausch zweckmäßigen Form, beispielsweise in Spulenform,
durch einen einstellbaren Luft- od. dgl. Kühler 5,3 und teilt sich dann in einen
-Zweig 39" mit einem Absperrventil 40" und in :einen Zweig 44.a mit einem
Absperrventil 45a.-Der Zweig 39a führt zu dem Treibflüssigkeitseinlaß für die Oxydationsmittelpumpe
4r11, während der Zweig 44a zu dem der Brennstoffpumpe 215a geht. Durch eine Leitung
49a, die ein: Absperrventil 5o11 enthält, ist die Auspuffleitung 5-,z an eine außerhalb
der Anlage vorgesehene Startflüssigkeitsquelle angeschlossen. ' Die Arbeitsweise
dieser Anlage entspricht im Prinzip derjenigen der Fig.2, mit dem Unterschied, d'aß
an, Stelle vom; erhitztem Brennstoff die heißen Motorabgase als Treibmittel für
die Strahlpumpen verwendet werden. In diesem Falle werden flüssiger Wasserstoff
als Brennstoff und Sauerstoff oder Fluor als Oxydationsmittel vo@rtenlhaft verwendet,
da deren Abgase in den Pumpen leicht kondensieren und diese dadurch. zum Arbeiten
bringen. -In Fig. 4 ist eine ähnliche Anlage wie in Fig. 3 gezeigt. Mit Ausnahme
der neu hinzugekommenen Teile tragen alle die gleichen Bezugszeichen und haben die
gleiche Arbeitsweise. Hinzugekommen sind ein Flüssigkeitsmischer 54 in d'er Treibflüssigkeitszuführurngsleitu
g 39a, in den eine vom der Förderleitung 4611 der Pumpe 4z11 abgenommene Abzweigung
55 mit einem Drosselventil 56 -und einem Absperrventil 57 zurückgeführt ist. In
gleicher Weise ist ein Flüssigkeitsmischer 58 in der Treibflüssigkeitsleitung 441
vorgesehen, zu dem eine Abzweigung 59 vom der Förderleitung 28a der zweiten Pumpe
25" zurückgeführt ist. Auch diese Abzweigung 59 besitzt ein Drosselventil
611 und ein Absperrventil 61.
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Die Arbeitsweise dieser Anlage entspricht derjenigen derig. 3, mit
der Ausnahme, daß die- die Strahlpumpen 25a und 4611 treibenden Motorabgase in den
Flüssigkeitsmischern 54-und 58 mit den-beiden Betriebsflüssigkeiten in den Tanks
2311 bzw. 241 vermischt werden:, wodurch eine zusätzliche -Temperatur- und Drucküberwachung
der Treibflüssig= keit für die Strahlpumpen und- infolgedessen von deren, Wirkungsgrad,
ermöglicht wird.