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Strahltriebwerk mit absatzweiser Verbrennung von Brennstoff in Luft
durch Stoßwellenzündung Die Erfindung geht aus von einem Strahltriebwerk mit absatzweiser
Verbrennung von Brennstoff in Luft durch Stoßwellenzündung in einem Verbrennungsraum
und mit Beschleunigungen von absatzweise in einem Schwingungsraum eing*eführter
zusätzlicher Luft durch die Energie de rVerbrennungsgase. Dabei mündet bei dem bekannten
Triebwerk der Schwingungsraum in den Beschleunigungsraum, durch welchen sowohl das
Verbrennungsgas als auch die zusätzliche Luft absatzweise strömen, und dieFrequenz
derEigenschwingung imSchwingungsraum für die Zusatzluft ist annähernd gleich der
Frequenz der Verbrennung. Bei StTahltriebwerken ist es bekannt, zusätzliche Luft
durchEjektorwirkung zu beschleunigen. Auch ist es bekannt, zusätzlicheLuft dem zu
verbrennenden Gemisch absatzweise vorzulagern und sie durch Verbrennung des Gemisches
unmittelbar zu beschleunigen. DieEjektorwirkung bringt großeVerluste durch den erforderlichen
Mischvorgang mit sich, so daß damit im allgemeinen nur ungenügende technischeWirkungen
erzielt werden. Die unmittelbare Beschleunigung zusätzlicher Luft durch den Druck
der Verbrennungsgase konnte bisher bei absatzweise und in schneller Folge wiederholten
Verbrennungen mittels Stoßwellenzündung nur mit
geringem Vorteil
angewandt werden. Die Gas- und Luftbewegungen, welche bei Zündungen durch Stoßwellen
und damit erzielbarer schneller Folge von Arbeitsspielen mit verhältnismäßig hohen
Verbrennungsdrücken auftreten, lassen eine vorteilhafte Beschleunigung von zusätzlicher
Luft bei diesen Konstruktionen nicht ohne weiteres zu.
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Es sind auch Strahltriebwerke bekannt, bei denen die Verbrennungskammer
von einem mit Einlaßventilen besetzten Mantelrohr umgeben ist, an des sen vorderemEnde
ein sich nach demEinlaßraum des Verbrennungsrohres öffnendes Ventil vorgesehen ist.
Bei dieser Ventilanofdnung kann sich jedoch keine Schwingung im Mantelraum ausbilden,
da die Luft aus ihm nach vorn entlassen wird. Es ist ferner bereits vorgeschlagen
worden, bei einem pulsierend arbeitenden Strahltriebwerk die zusätzliche Luft in
einem deft Brennraumauslaß umgebenden Mantelraum zu führen und diesen mit der Frequenz
der Verbrennungen »akustisch zu kuppelnd, so daß die in dem Mantelraum strömende
Zusatzluft in Resonanz mit den Verbrennungen schwingt. Der Mantelraum weist jedoch
bei dieser Einrichtung an seinem vorderen Ende einen offenen Einlaß für die zusätzliche
Luft auf. Die Folge davon ist, daß die in Flugrichtung in dem Mantelraum verlaufende
Druckwelle einen Teil ihrer Energie durch den Einlaß ins Freie abgibt und nur zu
einem geringen Teil in die Einrichtung reflektiert wird, woraus eine geringe Strömungsgeschwindigkeit
im Mantelraum resultiert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diesen Energieverlust zu
vermeiden und eine bessere Ausnutzung der erzeugten Schwingungen zu erzielen. Dies
wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die absatzweise Einführung der zusätzlichen
Luft durch die über den Beschleunigungsraum angefachten Schwingungen im Schwingungsratim
selbstgestenert in der Weise erfolgt, daß die in Flugrichtung laufenden Druckwellen
am Anfang des Schwingungsraumes jeweils annähernd in voller Höhe reflektiert werden.
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Das Schutzbegehren richtet sich dabei nur auf das im Zeitmaß der Eigenschwingung
selbstgesteuerte Einführen von Zusatzluft in den Schwingungsraum oben bezeichneter
Art. Die im Takt der Eigenschwingung selbstgesteuerte Einführung von Luft allgemein,
z. B. in einen Verbrennungsraum, wird davon nicht betroffen.
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Infolge der annähernd verlustlosen Reflexion der Druckwellen wird
dasEnde desBrennrohres in den Zeiten zwischen dem Austritt der Verbrennungsgase
mit so hoher Geschwindigkeit umströmt, daß die Luft nicht in den Auslaß des Brennrohres
zurückgesaugt werden kann. Daraus ergibt sich, wie bei Versuchen festgestellt wurde
und im folgenden näher erläutert wird, eine erhebliche Leistungssteigerung des Triebwerkes.
Beim Betrieb von Verbrennungsrohren im Windkanal oder im Flug hat sich nämlich gezeigt,
daß die Füllung eines Verbrennungsrohres mit frischem Gemisch erheblich höher getrieben
werden kann als im Standbetrieb, also bei ruhender Luft am Rohrende, Im Standbetrieb
wird bei Überschreitung einer bestimmten Füllung des Rohres, die nur einen kleinen
Bruchteil des gesamten Rohrinhalts beträgt, keine selbsttätige Zündung mehr erzielt,
so daß -der Rohrbetrieb unterbrochen wird, wenn die Füllung z. B. durch einen größeren
Ventilquerschnitt vergrößert wird. Dies ist durch die Ausbildung der zündenden Stoßwelle
bedingt, di(# am Rohrende entsteht und rücklaufend vom Rohrende beim Atiftreffen
auf die Gemischfront das Gemisch mit einer Geschwindigkeit von einigen hundert Metern
in der Sekunde zündet. Die Beströmung des Auslasses des Verbrennungsraums mit ausreichender
Geschwindigkeit durch die aus dem Schwingungsraum ausströmende Luft ergibt dort
kurzzeitig annähernd ,die gleichen Strömungsverhältnisse, wie bei im Flug befindlichen,
frei in die Atmosphäre mündenden Verbrennungsrohren. Somit wird durch die Ausströmung
aus dem Schwingungsraum die Ausbildung der zündenden Stoßwelle am Auslaß des Verbrennungsraumes
kurzzeitig in ähnlicher Weise wie bei fliegendenRohren derart beeinflußt, daß die
Stoßwelle verstärkt wird und größere Füllungen angewendet werden können. Daraus
folgt eine Leistungssteigerung des Strahltriebwerks.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin,
daß wegen des Schließens der Lufteinlaßventile am Schwingungsraum der Strömungsverlauf
um das Strahltriebwerk sich günstiger gestaltet, als dies bei einer aus dem frei
geöffneten Vorderende heraus fauchenden Druckwelle der Fall ist.
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Die Zeichnung zeigt eine Ausführungsforrn des Strahltriebwerks gemäß
der Erfindung. Der Verbrennungsraum ist mit i bezeichnet. An seinem Anfang ist ein
mechanisches Ventil.2 angeordnet, welches den Einlaß durch federnde Rückschlagklappen
steuert. Anschließend an das Ventil folgt eine Brennstoffzuführung3, so daß durch
Zuführung von Brennstoff zu der durch das Venti12 einströmenden Verbrennungsluft
ein Gemisch aus Brennstoff und Luft gebildet wird. Die Zündkerze 4 dient nur dazu,
denVerbrennungsraum i in Betrieb zu setzen, sie kann auch durch eine andere Wärniequelleersetzt
werden. Nach derInbetriebnahme des Geräts wird die Pulsation in dem Verbrennungsraum
i durch selbsttätiges Einsaugen von Verbrennungsluft und selbsttätige Zündung mittels
Stoßwellen unterhalten. Dazu ist es allgemein -erforderlich, die Füllung des Raumes
i mit frischem Gemisch verhältnismäß ig klein zu halten, doch kann -diese Füllung
bei dem Strahltrieb-,verk nach der Erfindung größer gewählt werden infolgeErhöhung
der Intensität der zündenden Stoßwelle. Die Verbrennungsgase strömen gemäß der absatzv#reisen
Verbrennung ahsatzweise durch den Beschleunigungsraum 5. Durch das Steuerglied
6 strömt zeitlich versetzt absatzweise die zusätzliche Luft in den Schwingungsraum
7 ein, der einen Teil des Verbrennungsraums i umgibt. Da der Schwingungsraum
7 in den Beschleunigungsraum 5 rnündet, wird in Raum 7 durch
die aus der Brennkammer ausströmenden Verbrennungsgase eine Schwingung
angeregt.
Der Verbrennungsraum i und der Schwingungsraum 7 entnehmen die Luft absatzweise
aus dem Ausgleichspeicher8, in welchen sie durch den Einlaß 9 nahezu oder
völlig stetig einströmt.
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Der Schwingungsraum 7, welcher von dem Steuerglied
6 bis zum Auslaß des Verbrennungsraums i reicht, ist für Luftinhalt bezüglich
seiner Eigenschwingung angenähert auf die Frequenz abzustimmen, mit welcher sich
die Verbrennungen in dem Raum i vollziehen. Die Luft in dem Schwingungsraum
7 wird dann durch den Überdruck der Verbrennungsgase vom Auslaß des Raumes
i aus kurzzeitig verdichtet.
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Die vom Auslaß des Raumes i in den Schwingungsraum 7 rücklaufende
Druckwelle wird von dem Steuerglied 6 aufgefangen und in annähernd voller
Höhe reflektiert. Es geht dabei praktisch keine Energie verloren, und der Rückdruck
der Reflexion der Druckwelle wirkt im vollen Betrage in Richtung derAntriebskraft
derGesamteinrichtung. Das Sieuerglied 6 kann als mechanisches oder auch hydraulisches
Ventil (Rückströmdrossel) ausgeführt sein. Wesentlich ist, daß die Einströmung mit
geringem, die Rückströmung aber mit großem Strömungswiderstand behaftet ist. Die
Steuerung der Einströmung geschieht dabei selbsttätig durch dieDruckverhältnisse
auf beidenSeiten desVentils. Nach dem Abfall des Druckes der Verbrennungsgase entspannt
sich die Luft am Brennraumauslaß und strömt mit steigenderGeschwindigkeit inRichtung
zum Raum 5. Gleichzeitig bewirkt die inzwischen am Ventil 6 in ihrem
vollen Betrage reflektierte Druckwelle eine Umströmung des Brennkammerauslasses
mit - so hoher Geschwindigkeit, daß ein Rücksaugen in den Brennkammerauslaß
vermieden wird. Diese Strömungen verursachen bei geöffnetem Ventil 6 infolge
der Trägheit der Luft die Füllung eines Teils oder des gesamten Inhalts von Raum
7 bzw. der Räume 7 und 5 mit frischer Zusatzluft. Zwischenzeitlich
vollzieht sich auch die erneute Füllung des Brennraumes i infolge der Trägheit der
Gasströmung in dem Brennraum und der zeitweisen Öffnung des Ventils 2. Auf diese
Weise ergibt sich eine technisch vorteilhafte Beschleunigung verhältnismäßig großer*
Luftmassen und eine nur schwach pulsierende Ausströmung von Gas- und Luftmassen
am Auslaß des- Strahlgerätes, also am Ende des Beschleunigungsraumes 5.
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Die Pulsationen des Gases in demVerbrennungsraum verlaufen hinsichtlich
des Drucks und der Geschwindigkeit im allgemeinen nicht harmonisch. Aus diesem Grunde
kann die Abstimmung des Schwinkungsraumes für die Zusatzluft nur in Annäherung zur
Frequenz des Verbrennungsrautnes i angegeben werden. Die genauere Abstimmung richtet
sich beispielsweise nach der Konstruktion des Verbrennungsraum#es in Einzelheiten,
nach der Gernischbildung, der Ventilwirkung und anderen Einflüssen.
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Die Beschleunigung verhältnismäßig großer Zusatzluftmassen kann durch
die Anordnung von mehreren in einen Beschleunigungsraum 5 mündenden Verbrennungsräumen
i, die mit unter sich gleicher Frequenz arbeiten, auf besonders hohe Werte gesteigert
werden. Wird die Anzahl der Verbrennungsräume mit n bezeichnet, dann ist die Frequenz
der Eigenschwingung im Zusatzluft führenden Schwingungsraum 7 auf angenähert
die n-fache Frequenz der Verbrennungen ifi einem Verbrennungsraum abzustimmen. Die
in den Beschleunigungsraum 5 mündenden - Verbrennungsräume arbeiten
mit Pulsationen, die gegeneinander symmetrisch versetzt sind. Das Maß der Versetzung
ist in Winkelgraden ausgedrückt 36o :-n. Eine derartige Versetzung hat sich bei
Versuchen mit nebeneinander angeordneten, gleichartigen Verbrennungsrohren gezeigt.
Bei der Anordnung von n. Verbrennungsräumen und einem Schwingungsraum mit einer
Frequenz der Luftschwingung vom -n-fachen der Frequenz eines Verbrennungsraumes
.ergibt sich eine Verkleinerung des Schwingungsraumes 7 und des anschließenden
Beschleunigungsraumes 5 sowie eine Erhöhung der Gleichmäßigkeit der Ausströmung
aus dem Strahltriebwerk. Eine Weiterbildung besteht darin, daß auch eine Mehrzahl
von Schwingungsräumen Einern Beschleunigungsraurn zugeordnet ist.
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Zur Erhöhung der*Betriebssicherheit, Steigerung des Wirkungsgrades
und gegebenenfalls auch zum Schutz der Umgebung geglen die Wäxmewirkungen des Gerätes
ist es günstig, für die gesamte odereinen Teil der Luft ein-en Ausgleichspeicher
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mit annähernd stetiger Einströmung anzuordnen. Aus diesem entnehmen dann
die Räume des Strahltrieb-,verkes absatzweise die von ihnen benötigten Luftmengen.
Ein Ausgleichspeicher mit stetiger Lufteinströmung ist insbesondere auch für die
Verwendung des Tri,ebwerkes als Strahlantrieb für Flug?:elige vorteilhaft, da die
Stetigkeit der Ein-,strömung geringere Widerstände bei Bewegung im Luftraum ergibt
als eine periodische Strömung.
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Die in der Zeichnung dargestellte Konstruktion stellt nur eine beispielsweise
Ausführung dar. Die Konstruktion kann den Forderungen der Technik verschiedener
Gebiete weitgehend angepaßt werden. Die Zäume können wie in der Abbildung rohrförmig
langgestreckt, aber auch mit veränder-. lichern Quetschnitt, in verschiedener Erstreckung,
sie können gebogen oder in mehreren Teilen gegabelt verlaufen, da derartige Abwandlungen
die Schwingung,svorgänge nicht nennenswert beeinflussen. Die Anwendung des Strahltrieb-,verks
ist nicht nur für die Luftfahrt, z. B. für Strahlantriebe, vorteilhaft, sondern
auch für.viele weitere Gebiete, wie für die Erzeugung von warmem Druckgas z. B.
für Heizung, für die Zerstäubung von Stoffen, die Verarbeitung besonderer Brennstoffe
in Brennern, für die Erzeugung von , Reaktionskraft an Rotoren, wie z. B.
Drehflügeln und Turbinen,rädern, für die Ausbildung der Druckgaskammern von Gasturbinen
u. dgl. In vielen Fällen ist es dabei von besonderem Vorteil, daß durch die Kühlwirkung
der zusätzlichen Luftmassen nur eine geringe Einwirkung der absatzweise strömenden
heißen
Verbrennungsgäse bedingt ist und daß zu-
gleich ein erhöhter Wirkungsgrad
des Strahltriebwerks durch die erfindungsgemäße Führung der Zusatzluft gegeben ist.