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Publication number: DEN0010491MA
Authority: DE

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 12. April 1955 Bekanntgemacht am 31. Oktober 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Gegenstand der Erfindung ist eine Rückstoßdüse für einen umlaufenden Körper, wie z.B. einen Rotor oder Propeller für Flugzeuge.

Es ist bekannt, Rückstoßdüsen zum Antrieb des Rotors eines Hubschraubers zu verwenden, wobei die Düsen an oder nahe an den Blattenden der Luftschraube sitzen.

Eine Rückstoßdüse besteht im wesentlichen aus einem Rohr, das sich in Längsrichtung mit großer Geschwindigkeit ν durch die umgebende Luft bewegt und mit einer Vorricihtung zum Erhitzen der hindurchstreichenden Luft versehen ist, wodurch die rückwärts austretende Luft eine größere Geschwindigkeit ν 2 aufweist als die Geschwindig keit ν ι der vorn eintretenden Luft. Abgesehen von Reibungsverlusten wirkt eine resultierende Kraft

F = m (v 2 — ν)

auf das Rohr, wobei m die je Zeiteinheit durch das Rohr strömende Masse ist.

Ist die Wärmezufuhr und Anfangsgeschwindigkeit groß genug, so reicht die Kraft i⁷ dazu ,aus, die Bewegung aufrechtzuerhalten oder sogar zu beschleunigen. .

Praktisch tritt vor dem Lufteinlaß eine spürbare Kompression auf, so daß die Geschwindigkeit ν ι der eintretenden Luft im Verhältnis zur Düse

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immer erheblich geringer ist als die Geschwindigkeit ν des Rotors im Verhältnis zur unbeeinflußten umgebenden Luft. Im Rohr selbst unterliegt die Luft einer weiteren Kompression, d, to. einer weiteren Beschleunigung gegenüber der Außenluft bzw. einer Verzögerung gegenüber der Düse. Daraus ergeben sich zentrifugale Besehleunigungskräfte, die auf die Luft und die Gase im Rohr wirken und 70 bis 80% der auf das Rohr selbst wirkenden zentrifugalen Beschleunigung ausmachen, die 'bei einer Düse an einer Blattspitze eines Hubschrauberrotors in der Größenordnung von 1000 g liegen kann (g — Erdbeschleunigung). Da die Einlaß luft auch brennfördernd. wirken muß und die relative Geschwindigkeit dieser Luft gegenüber dem Rdhr die Geschwindigkeit der Flammenausbreitung·· erheblich überschreitet, muß in dem Rohr ein Flammenhalter oder brennstabilisierendes Schild vorgesehen sein, wobei sich hinter dem Flammenhalter ein Wirbel mit geringen Relativgeschwindigkeiten entwickelt. Die Flammenfront ist eine annähernd kegelstumpfförmige Fläche, die sich von der Kante des Flammenhalters trichterförmig zum Auslaß erweitert. Der Winkel zwischen der Flammenfront und dem eintretenden . . Luftstrom wird von. dem Verhältnis der Flammengeschwindigkeit zur Luftigesöhwindigkeit bestammt. Um das Entweichen unverbrauchter Luft zu verhindern, muß die Brennkammer so lang sein, daß die Flammenfront im ganzen Umfang auf deren Innenwand aufprallt. Um die Rohrlänge zu be-,grenzen, wird der Elammenhalter gewöhnlich mit UmfangsLippen versehen, die in der Strömungsrichtung gekrümmt sein können.

35' Bekannte Rücksioßdüsen für Hubschrauberrotoren haben den Nachteil, daß die Wirkung von Zentrifugalkräften auf die Luft oder Brenngase im Rohr nicht oder ungenügend berücksichtigt ist, und daß der Rohrquerschnitt nicht die günstigste Form besitzt, um das Rohr möglichst leicht zu halten, wenn man die auftretenden Zentrifugalkräfte berücksichtigt. Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beheben. .

Erfindungsgemäß kennzeichnet sich die Rückstoß düse für einen umlaufenden Körper, wie z.B. einen Rotor oder Propeller, durch eine Asymmetrie bezüglich der Längsebene parallel zur Drehachse durch den Schwerpunkt, wobei die Asymmetrie derart beschaffen ist, daß die Wirkung der durch die Drehung um die Drehachse hervorgerufenen ■, Behar.rungskräfte berücksichtigt wird.

Diese Asymmetrie kann im Rohr der Rückstoßdüse und/oder in den_: darin eingebauten Teilen verwirklicht sein.

Hinter der Flammenfrönt liegt eine Flamme von heißen Auspuffgasen, die geringeres spezifisches Gewicht besitzen als. die kalte, unverbrauchte Luft voT der Flammenfront, so daß sich die Flamme zur Drehachse biegt, ähnlich der Aufwärtsrichtung einer stationären Flamme. Hierdurch kann ein Teil der Wand, auf den die Flamme auf trifft, überhitzt werden, und ein Teil der Einlaßluft kann den Auslaß unverbraucht erreichen. Diese Nachteile werden durch die Asymmetrie gemäß der Erfindung überwunden.

In der Zeichnung ist die Erfindung schematisdh an einigen Ausführungsbeispielen erläutert, und zwar zeigt

Fig. ι im .Querschnitt eine Rückstoßdüse mit eiförmigem Querschnitt zur Anbringung an den Flügelenden eines Rotors,

Fig. 2 eine andere Form einer Rückstoßdüse für einen Rotorflügel im Längsschnitt mit einem · asymmetrischen Flammenhalter,

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Vorrichtung nach Fig. 2 längs der Linie III-III in Pfeilrichtung,

Fig. 4 einen Längsschnitt einer weiteren Ausführung einer Rotorflügelrückstoßdüse mit zwei Brennstoff-Zerstäubern,

Fig. 5 einen Querschnitt längs der Linie V-V in Fig. 4 in Pfeilrichtung gesehen.

Fig. ι zeigt in rein schematisoher Weise einen Rotorflügel 1. Am Flügelende ist eine Rückstoßdüse angebracht, deren Brennkammer 2 einen eiförmigen Querschnitt besitzt. Die Spitze des eiförmigen Querschnitts weist in Richtung auf die Rotorachse. Der Abstand zwischen dem Flammenhalter 3 und dem Brennstoffzerstäuber 4 einerseits und der Brennkammerwand andererseits ist zur Dreihachsenseite hin größer als zur entgegengesetzten Seite hin. Die Drehachse ist in Fig. 1 nicht dargestellt und muß in der Zeichenebene links außerhalb der Figur gedacht werden. .

Die Eiform nach Fig. 1 erhöht die mechanische Festigkeit gegenüber Zentrifugalkräften und ermöglicht eine Konstruktion geringen Gewichts. Außerdem läßt die Eiform der Flamme mehr Raum, sich zur Drehachse hin zu biegen als eine Brennkammer mit Kreisquerschnitt und mittig darin angeordnetem Flammenhalter und Zerstäuber.

Fig. 2 ist ein Längsschnitt einer Rückstoßdüse senkrecht zur Drehachse, die unterhalb der Fig. 2 senkrecht zur Zeichenebene gedacht werden muß. Der Querschnitt des Rohrs oder der Brennkammer 2 hat Kreisform und ist in Fig. 3 dargestellt.

Bei der Rückstoßdüse nach Fig. 2 und 3 wird die Asymmetrie durch die exzentrische Anordnung des Zerstäubers 4 und des Flammenhalters 3 und durch die asymmetrische Form des durch die Stege 3_fl, 2>b> Zc gebildeten Sterns verwirklicht.

Infolge dieser Maßnahmen bildet sich ein einseitiger Wirbel 30, der durch den Luftstrom entlang der der Drehachse zugekehrten Seite des Flammenhalters unterhalten wird, im' Gegensatz zu dem tOToidalen Wirbel bei einem symmetrischen und symmetrisch angeordneten Flammenhalter.

Der Brennstoff wird in dem Wirbel hinter dem Flammenhalter atomisiert; ein kleiner Teil davon verbrennt hier. Der Hauptteil des Brennstoffs wird mit zusätzlicher Luft gemischt und in dem Saugbereich hinter dem Wirbel verbrannt. Die Luft- und Gasgeschwindigkeiten sind in dem Raum dicht hinter dem Flammenhalter gering'. Sie wachsen allmählich mit zunehmender Distanz vom Flammen-

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halter in dessen Saugbereidh. Dieser Bereich wird etwa durch die gestrichelten Linien 31 in Fig. 2 begrenzt.

Wegen der kräftigen Turbulenz lassen sich die Grenzen des Mischbereichs und der Flammenfront nicht genau definieren.

Versuche haben gezeigt, daß zur Entwicklung einer günstigen Wirbelform nur wenig Luft an der der Drehachse gegenüberliegenden Seite des Flammenhalters entlangstreichen darf. Aus diesem Grunde macht man vorzugsweise die in Drehachsennähe liegenden Stege des vom Flammenhalter ausgehenden Sterns schmäler. Das ist schematisch in Fig. 3 dargestellt, und zwar an Hand eines Sterns mit vier Stegen. Praktisch erhält man mit einer größeren Zahl, z. B. mit acht Stegen, bessere Ergebnisse.

Bei der Rückstoßdüse nach Fig. 2 und 3 zeigt es sich, daß der Brennstoff mindestens teilweise im Turbulenzbereich hinter dem Flammenhalter verdampft und mit Luft gemischt werden muß, bevor er siidh entzünden kann. Die Verbrennung kann aber auch von dem Zerstäubungs- und MischvoT-gang getrennt werden, indem man den Zerstäuber vor den Flammenhalter legt.

Bei Rückstoßdüsen für Rotoren und Propeller ist der Weg des flüssigen Brennstoffs nach dem Austreten aus den Zerstäubern von großem Einfluß auf den Mischvorgang und die Flammenentwicklung.

Die vom Zerstäuber kommenden, sich frei bewegenden Tröpfchen wollen in gerader Linie fliegen. Da aber die Düse einen stark gekrümmten Weg zurücklegt, ist der Weg der Tröpfchen in bezug auf das Düsenrohr nicht geradlinig. Sind die Zerstäuber so angeordnet, daß sich der Brennstoff mit der bestmöglichen Regelmäßigkeit verteilt, wenn der Motor stationär ist oder sich in gerader Linie bewegt, so muß sich eine sehr unregelmäßige, asymmetrische Verteilung ergeben, wenn das Düsenrohr bei gleicher Zerstäuberanordnung eine gekrümmte Kurve beschreibt.

Wichtig ist ferner, ob der Brennstoff vor oder hinter dem Flammenhalter eingespritzt wird. Der hinter dem Flammenhalter atomisierte Brennstoff tritt in den Saugbereich des Flammenhalters unmittelbar dort ein, wo die Luftgeschwindigkeit verhältnismäßig gering ist. Die Luftreibung verzehrt die Geschwindigkeit der Tröpfchen in diesem Bereich schnell, so daß der Einfluß der Bewegungskurve der Düse auf den Weg der Tröpfchen von großer Bedeutung ist. Wird der Brennstoff vor dem Flammenhalter eingespritzt, so werden die Tröpfchen mit der schnell stromernden Einlaßluft mitgerissen; ihr Weg wird von der Bewegungskurve der Düse weniger beeinflußt. Im letzteren Fall erhält man eine weniger unregelmäßige Verteilung der Mischung als bei der Atomisierung des Brennstoffs hinter dem Flammenhalter.

Um bei einem umlaufenden Rotor eine gute Verteilung der Mischung und der Flamme zu erhalten, kann erfindungsgemäß ein Zerstäuber vor dem Flammenhalter asymmetrisch im Rohr angeordnet sein, insbesondere näher der Drehachse als dem geometrischen Schwerpunkt des Rohrquerschnitts.

Bei der Verwendung von Brennstoffen geringer Flüchtigkeit sind die Löschgrenzen (d. h. die Luftgeschwindigkeiten, bei denen die Flamme ausgeblasen wird) für reiche und arme Mischungen dicht benachbart, was bei der Atomisierung nur vor dem Flammenhalter ein Nachteil ist. Dieser läßt sich erfindungsgemäß durch die Atomisierung sowohl vor wie hinter dem Flammenhalter beheben, wobei der vordere Zerstäuber näher der Drehachse liegt als der hintere. Dadurch erhält man wenigstens teilweise den Vorteil einer Asymmetrie gemäß der Erfindung selbst mit einem symmetrischen Rohr und: Flammenhalter, wenn man die Zerstäuber asymmetrisch anordnet.

Sowohl vor wie hinter dem Flammenhalter können jeweils ein oder mehrere Vergaser angeordnet sein.

Das Ziel der Erfindung läßt sich auch durch eine schiefe Ausrichtung der Zerstäuber zur Achse der Düse erreichen. Weiterhin kann man eine unausgeglichene Brennstbffverteilung verhindern, wenn man mehrere Zerstäuber mit verschiedenem Durchsatz in verschiedenen Ridhtungen wirken läßt.

Ein Nachteil der Brennstoffeinspritzung vor dem Flammenhaker besteht darin, daß eine beträchtliehe Brennstoffmenge von dem Flammenhalter aufgefangen wird. Dieser Brennstoff, der sich auf dem Flammenhalter als flüssige Haut niederschlägt, wird entlang der Oberfläche des Flammenhalters durch eine starke Zentrifugalkraft nach außen geschleudert. Dadurch treten erhebliche Brennstoffmengen an falschem Ort in Erscheinung.

Deshalb wird erfindungsgemäß ein Flammenhalter vorgesehen, der die erfindungsgemäße Asymmetrie in der Konstruktion des geschlossenen Mittelteils und der Stege in einer Weise verwirklicht, daß der auf ihnen niedergeschlagene Brennstoff nur kurze Strecken auf ihren Flächen zurücklegen kann. Erfindungsgemäß läßt sich das auf verschiedene Weise bewerkstelligen, z. B. durch Einkerbungen, unebene Stellen, Verzahnungen od. dgl. oder durch Verwinden oder Stufenform der Stege. Dadurch wird der Brennstoff an passenden Stellen vom Flammenhalter abgeschleudert und durch den Luftstrom zum Brennraum getragen.

Die Fig. 4 und 5 zeigen schematisch eine Rückstoßdüse mit einer ersten Atomisierdiise 5 vor dem Flammenhalter 3 und einer zweiten Atomisierdiise 4 nahe dem Flammenhalter. Die hintere Düse 4 ist nach rückwärts gerichtet, während die vordere Düse 5 nach vorn entgegen dem Strom der Einlaßluft ausstößt. Ferner liegt die vordere Atomisierdiise 5 näher an der Drehachse als die hintere. Die relativen Wege sind in Fig. 4 mit den Bezugszeichen 4_a, 4_b, 5₀, Sb angedeutet.

Fig. S zeigt in Rückansicht den Flammenhalter der Rückstoßdüse nach Fig. 4. Der Flammenhalter 3 hat sechs Stege 3_ß, %, 3,, 3_rf. Der Steg 3_d ist mit starken Einkerbungen versehen. Die Stege 3_t. sind derart gestuft, daß anhaftende Flüssigkeit schnell eine der Stufenkanten erreicht

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und über sie durch die Zentrifugalkraft abgeschleudert wird. Der Brennstofffluß zum Mittelteil des Flammenhalters 3 wird dadurch fast verhindert. ₍ .

Die Einkerbungen des Steges geben diesem zickzackförmige Gestalt. Durch die Kerben wird ebenfalls der Brennstofffluß zum Mittelteil 3 unter-, brachen, indem anhaftender Brennstoff über die Kerbkanten abgeschleudert wird.

Die Stege 3₆ sind verwunden, um das Abtropfen des Brennstoffs an geeigneter Stelle zu begünstigen. Auf dem Steg 3₀· sammelt sich nur wenig Brennstoff, dia die Düse 5 exzentrisch angeordnet ist. Durch einen oder mehrere Schlitze mit abgesetzten Kanten im Steg 3_a kann das Abschleudern anhaftenden Brennstoffs unterstützt werden.

Bei der Konstruktion einer Rückstoßdüse nach

Fig. 4 und 5 kann die Zahl, der Ort und die Aus-

. Stoßrichtung der Zerstäuber sowie die Stegzahl des Flammenhalters beliebig abgewandelt werden. Die verschiedenen Stegformen nach Fig. 4 und 5 sind nur Ausführungsbeispiele und lassen sich auf vielfältige Art modifizieren und kombinieren. Vorteilhafterwei'se arbeiten die Zerstäuber 4 und 5 mit verschiedener Leistung; vorzugsweise hat. der vordere Zerstäuber 5 etwa die doppelte Leistung des hinteren Zerstäubers 4.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Rückstoßdüse für einen umlaufenden Körper, insbesondere für Hubschrauben oder Propeller von Luftfahrzeugen, gekennzeichnet durch asymmetrische Ausbildung zur Längsmittelebene parallel zur Drehachse zwecks Berücksichtigung der Wirkung der auftretenden Zentrifugalkräfte.

2. Rückstoßdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt ihres Gehäuserohrs eiförmig mit zur Drehachse gerichteter Spitze ist.

3. Rückstoßdüse nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein asymmetrischer Flammenhalter in der gegebenenfalls ebenfalls asymmetrischen Brennkammer vorgesehen ist.

4. Rückstoßdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammenhalter aus einem geschlossenen Mittelteil und mehreren Stegen verschiedener Form und Größe besteht, die sternartig von dem geschlossenen Mittelteil ausgehen.

5. Rückstoßdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege des sternförmigen Flammenhalters in die Strömiungsrichtang gekrümmt sind, wobei die Krümmung mit der Annäherung der Stege an die Drehachse zunimmt.

6. Rückstoßdüse nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege des sternförmigen Flammenhalters um so schmaler und die Öffnungen zwischen den Stegen um so breiter sand, je näher die Stege der Drehachse liegen.

7. Rückstoßdüse nach den Ansprüchen 3 his 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt des geschlossenen Mittelteils des sternförmigen Flammenlhalters weiter von der Drehachse entfernt ist als der Schwerpunkt des Querschnitts der Brennkammer.

8. Rückstoßdüse nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei gegebenenfalls asymmetrischer Form der Brennkammer und des Flammenhalters Brennstoff-Einspritzdüsen vor und hinter dem Flammenhalter vorgesehen sind, wobei das Sehwerfeid der Atomisierung des Brennstoffs . vor dem Flammenhalter näher der Drehachse liegt als dasjenige der Atomisierung hinter dem Flammenhalter.

9. Rückstoßdüse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüsen vor und hinter dem Flammenhalter . mit verschiedener Leistung arbeiten.

10. Rückstoßdüse nach den Ansprüchen 1 bis 9, mit mindestens einer Zerstäuberdüse vor dem Flammenhalter, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammenhalter mit Kanten zum Abschleudern des vom Vergaser vor dem Flammenhalter kommenden Brennstoffs versehen ist, wobei die Kanten durch Kerben, Stufen, Verwindungen od. dgl. gebildet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen