DE1109958B - Strahltriebwerk fuer UEberschallgeschwindigkeiten - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

M 40052Ia/46g

ANMELDETAG: 24. DEZEMBER 1958

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDER AUSLEGESCHRIFT: 29. JUNI 1961

Die Erfindung befaßt sich mit einem Strahltriebwerk für Überschallgeschwindigkeiten mit Einspritzung einer verdampfbaren Flüssigkeit in den sich stromauf vom eigentlichen Triebwerks-Eintrittsquerschnitt erstreckenden Lufteinlaßkanal.

Es ist bekannt, bei Strahltriebwerken verdampfbare Flüssigkeit, z. B. Wasser, in den Lufteinlaßkanal einzuspritzen. Dabei ist jedoch die Einspritzvorrichtung an dem Triebwerks-Eintritt bzw. so kurz davor angeordnet, daß nur sehr kleine Wassermengen verdampft werden. Bei der bekannten Anordnung dient die Wassereinspritzung der Schubvergrößerung, während ein wesentlicher Kühleffekt dabei nicht erreicht werden kann.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugründe, eine wesentliche Kühlung der heißen Stauluft bei einem Strahltriebwerk für sehr hohe Geschwindigkeiten zu erreichen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Einspritzvorrichtung in einem solchen Abstand von dem eigentliehen Triebwerks-Eintrittsquerschnitt angeordnet ist, daß bei Fluggeschwindigkeiten über Mach 2 die Flüssigkeit vor Erreichen des Triebwerks-Eintrittsquerschnittes praktisch völlig verdampft ist. Durch diese Maßnahme wird verhindert, daß das Kühlmittel beim Eintritt in das Triebwerk noch die Form von Flüssigkeitstropfen hat, die beim Auftreffen auf die Verdichterschaufeln zu nachteiligen Wirkungen führen würden.

Daß die Kühlflüssigkeit praktisch völlig verdampft sein soll, wenn sie an den Triebwerks-Eintrittsquerschnitt gelangt, heißt, daß zwar eine möglichst weitgehende Verdampfung erwünscht ist, jedoch die Verdampfung nicht hundertprozentig erfolgt sein muß. Die Erreichung einer vollständigen Verdampfung ist meist aus wirtschaftlichen Gründen nicht vertretbar.

Der eigentliche Triebwerks-Eintrittsquerschnitt ist bei Turbotriebwerken der Ort der Kompressorschaufeln und bei Staustrahltriebwerken das Gebiet des Lufteinlaßkanals, in dem die Temperatur zwischen 150 und 250° C beträgt.

Der Abstand zwischen Einspritzvorrichtung und Triebwerks-Eintrittsquerschnitt ist vorzugsweise mindestens gleich der Brennkammerlänge. Der funktionelle Zusammenhang zwischen Brennkammerlänge und dem Abstand zwischen Einspritzvorrichtung und Triebwerks-Eintrittsquerschnitt ergibt sich daraus, daß in beiden Fällen der Grad der Verdampfung von denselben Faktoren, z. B. von dem Düsenquerschnitt, abhängt.

Das Strahltriebwerk nach der Erfindung kann mit einer an sich bekannten Einrichtung zur Regelung der Strahltriebwerk
für Überschallgeschwindigkeiten

Anmelder:

The Martin Company,
Baltimore, Md. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. H. Ruschke, Berlin-Friedenau,

und Dipl.-Ing. K. Grentzenberg,
München 27, Pienzenauer Str. 2, Patentanwälte

Robert William Scarborough, Baltimore, Md.,

und Woldemar Voigt, Towson, Md. (V. St. A.),

sind als Erfinder genannt worden

Einspritzmenge der Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Stautemperatur versehen sein.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben, und zwar zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung im Schnitt der Vorrichtung gemäß der Erfindung, welche ein Strahltriebwerk und die Organe für die Zufuhr einer verdampfbaren Flüssigkeit zur eintretenden Luft zeigt,

Fig. 2 eine graphische Darstellung, aus welcher die Art und Weise ersichtlich ist, in der das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung wirksam werden, und die die erzielbaren Ergebnisse im Vergleich zu den Ergebnissen zeigt, die bisher unter beispielsweise gewählten Bedingungen erreicht werden konnten.

In Fig. 1 ist die Erfindung an Hand eines Strahltriebwerks 11 dargestellt. Zur Vereinfachung der Darstellung des Triebwerks ist mit P die Verdichterzone, mit B die Verbrennungszone, mit T eine Turbine und mit N die Schubdüse bezeichnet. Im Betrieb des Triebwerks tritt, wie durch die Pfeile^ angedeutet, ein Luftstrom in die Verdichterzone P ein und strömt durch das Triebwerk, wobei er zuerst verdichtet und dann erwärmt wird, um die Turbine T anzutreiben, worauf er durch die Schubdüse iV zur Erzeugung eines Schubs austritt.

Die Erfindung ist darauf gerichtet, eine wesentliche Verbesserung in der Leistung des Strahltriebwerks 11 durch Kühlung der Luft herbeizuführen, die der Ein-

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trittsseite der Verdichtungszone P zugeführt wird. Für verwendet werden, und wenn Wasser verwendet wird,

diesen Zweck sind bereits verschiedene Verfahren so kann es mit anderen Flüssigkeiten, z. B. mit Alko-

und Vorrichtungen bekannt und kann, beispielsweise, hol, gemischt verwendet werden, um zusätzliche

eine Kühlturbine verwendet werden. Die erfindungs- Eigenschaften, beispielsweise eine Herabsetzung des gemäße Vorrichtung, die sich demgegenüber viel 5 Gefrierpunktes, zu erzielen.

zweckmäßiger erwiesen hat und die in der Zeichnung Die Kühlung des Luftstroms A ist die Folge der dargestellt ist, weist einen Kanal 13 von ziemlicher Verdampfung der Flüssigkeit während der Bewegung Länge auf, der zur Verdichtungszone P des Trieb- des Luftstroms zur Einlaßseite des Verdichters P. werks 11 führt. In dem Kanal ist eine Anzahl Zer- Für eine geeignete Kühlung der Luft hat es sich als stäuber- oder Spritzdüsen 15 angeordnet, die nach io notwendig erwiesen, die Spritzdüsen 15 in einem beinnen münden und die vorzugsweise so angeordnet trächtlichen Abstand X anströmseitig des Verdichtersind, daß sich eine annähernd gleichmäßige Konzen- einlasses anzuordnen. Der Abstand X verändert sich tration des Sprühnebels über den vollen Querschnitt natürlich in Abhängigkeit von mehreren Faktoren, des Kanals ergibt. Die Spritzdüsen 15 sind mit einem wie der Triebwerkskonstruktion, der Größe der Verteilerring 17 verbunden dargestellt, durch den sie 15 durch die Düsen 15 erzeugten Tröpfchen u.dgl., und gespeist werden, und der seinerseits über eine Rohr- läßt sich für jeden besonderen Fall leicht empirisch leitung 19, 19 a mit einer Pumpe 21 verbunden ist, ermitteln. Bei einem untersuchten Turbostrahltriebdie eine verdampfbare Flüssigkeit aus einem Vor- werk mit einer Axialturbine wurde beispielsweise als ratsbehälter 23 über eine Rohrleitung 19 b fördert, geeigneter Wert für X ein Abstand von mindestens die gegebenenfalls durch ein geeignetes Ventil 24 re- 20 120 cm ermittelt. Dieser Wert kann sich beträchtlich gelbar sein kann. Die Pumpe 21 wird zweckmäßig verändern und braucht nur so eingestellt zu werden, von der Welle der Turbine Γ in an sich bekannter daß die Flüssigkeitströpfchen zu dem Zeitpunkt, an Weise angetrieben. Die Flüssigkeit wird aus dem Be- dem der Verdichtereinlaß erreicht wird, praktisch halter 23 durch die Pumpe 21 angesaugt und zu den völlig verdampft sind.

Spritzdüsen 15 gefördert, aus denen sie in den Kanal 25 Zur Darstellung der Art und Bedeutung der Erfin-

13 unter Bildung eines Sprühnebels austritt. Dieser dung sei zum Vergleich ein bisher zur Sehuberhö-

Nebel verdampft und nimmt so viel Wärme auf, daß hung angewendetes Verfahren, nämlich die Wasser-

der Luftstrom^ eine wesentliche Abkühlung erfährt, einspritzung, betrachtet. Dieser Vergleich läßt sich

die annähernd proportional der Menge der einge- am besten durch ein Diagramm darstellen, für wel-

spritzten verdampfbaren Flüssigkeit ist. 30 chen Zweck Fig. 2 dienen soll. Die graphische Dar-

Für einen sicheren Betrieb darf die Temperatur stellung soll nicht genaue Schubwerte anzeigen, und der Luft an der Eintrittsseite der Verdichtungszone P es kann die Kurve in dieser Hinsicht eine Verzerrung bei einem gegebenen Strahltriebwerk einen bestimm- aufweisen, jedoch ist das Verhältnis der Geschwinten Wert nicht überschreiten, aus welchem Grunde digkeitserhöhung zur Schuberhöhung deutlich sichtvorgeschlagen wird, die Temperatur an dieser Stelle 35 bar. Für die Darstellung dieses Verhältnisses kann durch Regelung der Menge der eingespritzten ver- die graphische Darstellung der Fig. 2 als ausreichend dampfbaren Flüssigkeit zu regeln. Die in der Zeich- genau, wenn auch etwas vereinfacht, betrachtet wernung für diesen Zweck dargestellte Einrichtung um- den. Bei der Anwendung des bekannten Wassereinfaßt einen Temperaturfühler 25 (der beispielsweise Spritzverfahrens zur Schuberhöhung wurde Wasser ein Thermoelement sein kann), ferner ein Strömungs- 40 am Verdichter oder in die Brennkammer eingespritzt, regelventil 27 in der" Rohrleitung 19 und Verbin- und zwar mit einer Menge, die ausreichte, die reladungsmittel, durch die der Temperaturfühler 25 die tive Feuchtigkeit beträchtlich, gewöhnlich auf etwa Einstellung des Regelventils 27 und damit die Menge 100 %, zu erhöhen. Hierdurch wurde in der Brennder in den Luftstrom^ eingespritzten verdampfbaren kammer und in der Turbine eine Kühlung erzielt, die Flüssigkeitsmenge regeln kann. 45 die Verbrennung einer beträchtlichen Menge zusätz-

Eine Ausführungsform dieser Verbindungsmittel ist liehen Brennstoffs ohne Überhitzung und unter Erin der Zeichnung schematisch dargestellt und besteht zielung eines erhöhten Schubes ermöglichte,
aus einem Verstärker 29, der mit dem Thermoelement In Fig. 2 stellt die voll ausgezogene Linie 5 das durch Leitungen 31, 33 und mit einem Elektromotor normale Verhältnis für ein gegebenes Triebwerk ohne 35 durch Leitungen 37,39 verbunden ist. Der Elektro- 50 Wassereinspritzung dar, wobei der Schub in der motor 35 treibt, wie gezeigt, eine Schnecke 41 an, die Ordinate und die Machzahl in der Abszisse aufgemit einem Schneckenrad 43 im Eingriff steht, das auf tragen sind. Wie ersichtlich, endet die Normalkurve 5 den Schaft einer Ventilnadel 45 aufgeschraubt ist, annähernd bei der Machzahl 2,1, welche die annäso daß diese auf ihren Sitz 47, der einen Teil des hernde normale Temperaturgrenze eines Strahltrieb-Ventils 27 bildet, zu bzw. von diesem weg bewegt 55 werks unter solchen Geschwindigkeitsbedingungen werden kann. Der am Fühler 25 erzeugte Strom be- anzeigt. Wenn ein Flugzeug mit solch hohen Gewirkt eine Verstellung der Ventilnadel 45 relativ zu schwindigkeiten fliegt, sind die normalerweise an der ihrem Sitz 47, um eine Strömung der verdampfbaren Stirnseite des Triebwerks auftretenden Eintrittstem-Flüssigkeit herbeizuführen, die einer gewünschten peraturen so hoch, daß kritische Teile des Triebwerks Luftstromtemperatur an der Eintrittsseite der Ver- 60 gefährdet werden. Die in Fig. 2 ferner dargestellte dichtungszone P entspricht. strichpunktierte Linie TA zeigt annähernd den Schub,

Die verdampfbare Flüssigkeit kann ein beliebiger der bei einem Strahltriebwerk unter Anwendung der

geeigneter Stoff sein, wobei es jedoch zweckmäßig ist, üblichen Wassereinspritzverfahren erzielbar ist. Ob-

daß dessen Siedetemperatur wesentlich unter den auf- wohl bei geringen Geschwindigkeiten durch die

tretenden Luftstromtemperaturen liegt und eine hohe 65 Wassereinspritzung Schubwerte erzielt werden kön-

latente Verdampfungswärme hat. Zur Zeit wird für nen, die wesentlich höher liegen als der normale

den genannten Zweck Wasser bevorzugt. Es können Schub, nimmt diese Schuberhöhung gegenüber der

natürlich auch andere Stoffe an Stelle von Wasser normalen Triebwerksleitung rasch mit zunehmenden

Werten der Machzahl ab. Hieraus ergibt sich, daß die durch die üblichen Wassereinspritzverfahren er- . ■ zielbare Schuberhöhung bei höheren Geschwindigkeiten ziemlich klein ist, so daß unter den letztgenannten Bedingungen keine weitere Steigerung erreicht wer- S den kann.

Die gestrichelte Linie C in Fig. 2 stellt die erzielbare Leistung unter Anwendung der erfindungsgemäßen Verdampfungskühlung dar. Diese Kurve steigt von einem Punkt der Normalkurve S, der etwa bei der Machzahl 2 liegt, steil an und erstreckt sich bis annähernd zur Machzahl 2,4. Wie sich aus der letztgenannten Kurve ergibt, kann durch die erfindungsgemäße Verdampfungskühlung eine auffallend große Steigerung des Schubes gegenüber der normalen Triebwerkleistung erreicht werden. Es wurde festgestellt, daß durch die erfindungsgemäße Verdampfungskühlung der Einlaßluft die Leistung eines Triebwerks von einer Höchstgeschwindigkeit mit der Machzahl von etwa 2,1 auf eine Geschwindigkeit mit der Machzahl von etwa 2,4 oder höher gesteigert werden kann.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung läßt sich durch einen Vergleich erkennbar machen, der zwischen dem Wasserbedarf bei Wassereinspritzung zur Schuberhöhung und dem Bedarf für eine ähnliche indirekte, aber infolge der durch Wasserzufuhr zur Vorkühlung der Einlaßluft herbeigeführten Geschwindigkeitserhöhung erreichten Schuberhöhung gezogen wird. Bei der besonderen beschriebenen Art der Kühlung kann bei einer besonderen Strahlturbine mit Nachbrenner diese Schuberhöhung auf Kosten eines stündlichen Wasserverbrauchs von nur 1,21 kg je zusätzlich 453 g Schub erzielt werden. Dies bedeutet, daß die relative Feuchtigkeit nur um sehr geringe Beträge, beispielsweise von etwa 1 bis 5 %, was annähernd einer 40%igen Sättigung entspricht, erhöht werden muß. Ferner kann die Wasserfördereinrichtung durchgehend eine geringe Kapazität haben und so ausgebildet sein, daß sie eine ziemlich geringe Flüssigkeitsströmung erzeugt. Bei einem ähnlichen Triebwerk unter ähnlichen Bedingungen, jedoch bei Anwendung des Wassereinspritzverfahrens zur Schuberhöhung, wird der zusätzliche Schub auf Kosten eines stündlichen Wasserverbrauchs von etwa 4,54 kg je 453 g zusätzlichen Schub erzielt. Bei Flugzeugen ergibt daher die Anwendung des erfindungsgemäßen Ansaugluftkühlverfahrens einen revolutionären Beitrag zur Gewichtsverringerung in den Fällen, in denen ein hoher Schub erforderlich ist, und wird außer der bereits erwähnten Geschwindigkeitserhöhung eine wesentlich größere Gipfelhöhe des Flugzeugs erreicht.

Obwohl im vorangehenden die Merkmale der Erfindung ohne Bezugnahme auf die Unterlassung oder Anwendung weiterer Maßnahmen beschrieben worden sind, kann sie natürlich auch in Verbindung mit anderen Verfahren zur Leistungserhöhung, beispielsweise mit Nachbrennern und Wassereinspritzung, angewendet werden, ohne daß dadurch das Arbeitsprinzip oder die Wirksamkeit beeinträchtigt wird.

Natürlich ist die Erfindung nicht auf die Anwendung für Strahlturbinen beschränkt, sondern sie kann auch in anderen Fällen, z. B. zur Regelung und Erhöhung der Leistung von Staustrahltriebwerken, angewendet werden.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Strahltriebwerk für Überschallgeschwindigkeiten mit Einspritzung einer verdampfbaren Flüssigkeit in den sich stromauf vom eigentlichen Triebwerks-Eintrittsquerschnitt erstreckenden Lufteinlaßkanal, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzvorrichtung (15) in einem solchen Abstand (X) von dem eigentlichen Triebwerks-Eintrittsquerschnitt angeordnet ist, daß bei Fluggeschwindigkeiten über Mach 2 die Flüssigkeit vor Erreichen des Triebwerks-Eintrittsquerschnitts praktisch völlig verdampft ist.

2. Strahltriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Einspritzvorrichtung und Triebwerks-Eintrittsquerschnitt mindestens gleich der Länge der Brennkammer (B) ist.

3. Strahltriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Regelung der Einspritzmenge der Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Stautemperatur.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Die Aeroplane«, 87. Band, Nr. 2254 (1. 10. 1954), S. 516 bis 520;

»SAE-Journal«, 62. Band, Nr. 6 (Juni 1954), S. 52 bis 55.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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