DE4039910A1 - Rohrartige vorrichtung, insbesondere fuer blattspitzenantriebe von helikoptern - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine zur Speisung mit fließfähigem Material vorgesehene rohrartige Vorrich­ tung, insbesondere für Blattspitzenantriebe von Helikop­ tern, welche Vorrichtung bestimmt ist, in Richtung der Zuspeisung wirkenden Zentrifugalkräften ausgesetzt zu werden und in welcher Vorrichtung im Betriebsfall ein­ tretendes Material durch die Zentrifugalkraft ungefähr rechtwinklig zu dieser umgelenkt wird.

Bekannt sind Blattspitzenantriebe für Helikopter, welche z. B. Wasserstoffperoxid als monergolen Treibstoff verwen­ den. Der Luftwiderstand eines solchen Blattspitzenantrie­ bes muß möglichst gering sein, da er sich am Ort mit der höchsten Drehgeschwindigkeit am Rotor befindet. Um dies zu erreichen, wird das Triebwerk mit seiner Achse in tan­ gentialer Richtung zum Rotorblatt angeordnet und aerody­ namisch verkleidet. Dabei wird auf einen möglichst gerin­ gen Windwiderstand geachtet.

Die hohen Drehzahlen bzw. Umfangsgeschwindigkeiten der Blattspitzen und damit der Triebwerke führen auf sehr hohe Zentrifugalbeschleunigungen, welche weit mehr als eintausend Erdbeschleunigungen (< 1000 g) betragen kön­ nen. Durch dieses Kräftefeld wird der Treibstoff radial an die äußere Innenwand des Triebwerkes geschleudert und wird ungleichmäßig in die Zersetzungskammer eingeleitet.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher die Konstruk­ tion eines derartigen Triebwerkes, welches diese Ungleichmäßigkeiten zu kompensieren vermag.

Ferner soll dieses Triebwerk eine rasche Auswechslung von Verschleißteilen sicherstellen.

Die Konstruktion eines derartigen Triebwerkes bzw. einer rohrartigen Vorrichtung ist durch einen der Ansprüche gekennzeichnet.

Die vorliegende Erfindung wird anschließend beispiels­ weise anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Darstellung einer Treibstoffanlage eines Helikopters mit Blattspitzenantrieb;

Fig. 2 eine Aufsicht auf eine Blattspitze eines Haupt­ rotors mit einem Blattspitzenantriebsaggregat eines Helikopters;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Blattspitzenaggregat gemäß Fig. 2 mit teilweise geschnittenen Innenteilen;

Fig. 4 ein Treibstoffleitelement am Eintritt des Blatt­ spitzenantriebsaggregates im Schnitt;

Fig. 5 einen Schnitt analog Fig. 3 durch eine andere Ausführungsart eines Blattspitzenantriebsaggregates.

Das in Fig. 1 ersichtliche Treibstoffsystem 1 führt in einen Blattspitzenantrieb mit einem Triebwerk 2. Dieses weist anschließend an die Zuführstelle des Brennstoffes in das Triebwerk 2 eine Zersetzungskammer 3 auf, sowie anschließend eine Reaktionskammer 4. Die heißen Gase verlassen als Antriebsstrahl eine Ausströmdüse 5, welche als Lavaldüse ausgebildet ist.

Das Treibstoffsystem 1 durchsetzt parallel zu den Achsen der Rotorblätter 6 diese Blätter und mündet, wie Fig. 2 zeigt, in eine Vorkammer 17. Der Vorkammer 17 folgt ein Katalysatorpaket 7 (Fig. 3), welches in einer als Umman­ telung ausgebildete Katalysatorhülse 8 eingesetzt ist. Diese wiederum befindet sich in einem Triebwerkgehäuse 9.

Der vordere Teil des Katalysatorpaketes 7 liegt in der sog. Einlaufzone 10. Die in das Triebwerkgehäuse 9 einge­ schobene Katalysatorhülse 8 ist bezüglich des Gehäuses 9 mit einer Dichtung 11 versehen.

Am Eingang der Katalysatorhülse 8 befindet sich ein Zapfen 13 mit schraubenförmiger Nut 12. Dieser Zapfen 13 ist im vorliegenden Fall mittels eines Feingewindes 14 in die Katalysatorhülse 8 eingeschraubt. Eine Gewindebohrung 15 ermöglicht das einfache Herausdrehen des Zapfens 13, so daß das Katalysatorpaket 7 auf einfache Weise freigelegt werden kann.

Der Treibstoff gelangt, wie in den Fig. 1 und 2 darge­ stellt, durch das Treibstoffsystem in das Triebwerk 2, wo er in eine Zersetzungskammer 3 geleitet wird. Diese ist für die eine Art von Treibstoffen mit einem oder mehreren Katalysatorpaketen 7 versehen. Die in diesen Katalysato­ ren zersetzten Gase strömen durch die Reaktionskammer 4, wo sie miteinander reagieren und einen durch die Düse 5 austretenden Triebstrahl bilden.

Die Zersetzungskammer 3 ist im vorliegenden Fall als aus­ wechselbare Katalysatorpatrone bzw. als Katalysatorpaket 7 ausgebildet. Sie genügt den anspruchsvollen Kräfte- und Temperaturverhältnissen, wie sie in derartigen Triebwer­ ken auftreten.

Um die einseitige Einleitung des Treibstoffes in die Vor­ kammer 17 des Triebwerkes 2 und deren Folgen - ungleichmäßige Querschnittsbelastung der Katalysatoren 7 - zu kompensieren, ist insbesondere dafür zu sorgen, daß vor dem Katalysatorpaket 7 eine Druckkammer mit praktisch unwirksamem dynamischem Druck entsteht, welche die ein­ seitige Beaufschlagung der Vorkammer 17 mit Treibstoff durch den hohen Druckabfall im Katalysatorpaket 7 kompen­ siert. Daher wird m. a. W. eine relativ kleine Geschwindig­ keit in der Druckkammer herrschen. Diese Erhöhung des Druckabfalles im Katalysatorpaket 7 verlangt jedoch einen erhöhten Zuspeisedruck für dieselbe Liefermenge an Treib­ stoff. Eine gleichmäßigere Durchströmung des Katalysa­ torpaketes ergibt sich aber erst nach einer gewissen An­ laufstrecke, wie dies aus sog. Anlaufvorgängen durch Röhren und Kanäle bekannt ist (Prandtl, Führer durch die Strömungslehre 1942, S. 150). In der Einlaufzone 10 ist daher immer mit einem höheren Massenstrom auf der Außenseite der Katalysatorhülse 8 bzw. deren Innenwand zu rechnen. Der Katalysator wirkt dann zugleich als Strö­ mungsgleichrichter.

Durch diese asymmetrische Einlaufströmung des Treibstof­ fes in die Vorkammer 17 ist aber auch eine asymmetrische Kühlung des Triebwerkgehäuses 9 verbunden. Dies wirkt sich negativ auf die Dichtung 11 aus, welche zwischen der Katalysatorhülse 8 und dem Triebwerkgehäuse 9 angeordnet ist. Infolge der erhöhten Temperatur der Innenwand der Hülse 8, welche vom Treibstoff nicht bestrichen wird, wird einerseits die Dichtung 11 an dieser Stelle zerstört und andererseits deren asymmetrische Deformation verur­ sacht und dadurch deren Dichtflächen deformiert. Eine Verlängerung des Abstandes zwischen dem Einlauf des Treibstoffes in die Vorkammer 17 und dem Katalysatorpaket 7 könnte dieses Problem zwar entschärfen, hätte aber eine unerwünschte Gewichtszunahme des Triebwerkes zur Folge.

Zur Erreichung einer, die erwähnten Nachteile nicht auf­ weisenden Kühlung, wird der Treibstoff durch die schrau­ benförmige Nut 12 im Zapfen 13 längs der Innenwand der Katalysatorhülse 8 geführt, womit deren gleichmäßigere Kühlung sichergestellt ist. Dabei hat die Dimensionierung der Nut 12 derart zu erfolgen, daß der Druckabfall des durch diese Nut 12 strömenden Treibstoffes geringer ist als der Druckabfall im nachfolgenden Katalysatorpaket 7. Die Ausführungsmöglichkeit eines derartigen Zapfens ist in Fig. 4 ersichtlich.

Katalysatormaterialien, welche die geforderte Zersetzung des Treibstoffes einleiten, sind reine Stoffe und daher weich. Sie sind nicht imstande, die hohen Zentrifugal­ kräfte ohne entsprechende Deformationen aufzunehmen, was die Katalysatorpatrone mit den Katalysatorpaketen 7 bis zu deren Unwirksamkeit schädigt. Aus diesem Grunde muß das Katalysatormaterial, wie z. B. reines Silber oder Platin, durch ein Strukturmaterial gehalten werden. Eine derartige Ausführung kann z. B. durch alternierende Schichten von Drahtmaschengeweben aus dem Strukturmate­ rial und aus Katalysatormaterial, wie dies an und für sich bekannt ist, erfolgen. Dabei müssen diese Drahtma­ schengewebe mit Übermaß derart in die Hülse eingepreßt werden, daß sie sich weder verschieben noch herauslösen können, wenn Druckschwankungen auftreten. Da das Kataly­ satormaterial nur eine beschränkte Lebensdauer aufweist, muß die Katalysatorpatrone mit den Katalysatorpaketen 7 ausbaubar in das Triebwerkgehäuse 9 integriert werden, was das Anbringen der vorerwähnten Dichtung 11 zur Folge hat.

Aus welchen Gründen auch immer, kann es vorkommen, daß sich die Katalysatorhülse 8 im Triebwerkgehäuse 9 ver­ klemmt.

Da es am einfachsten ist, zum Zapfen 13 zu gelangen, wird dieser vorteilhafterweise beispielsweise mittels eines Schweißpunktes mit der Katalysatorhülse 8 verbunden. Zusätzlich weist der Zapfen 13 eine Gewindebohrung 15 auf, so daß mit Hilfe eines in diese Gewindebohrung 15 eingeschraubten Bolzens der Zapfen 13 erfaßt und mitsamt der Katalysatorhülse 8 aus dem Gehäuse 9 herausgezogen bzw. herausgedreht wird. Anstelle des Schweißpunktes ist auch eine andere Fixierung, beispielsweise mittels eines Bolzens oder eines Feingewindes 14 zum Einschrauben in die Hülse 8, möglich.

In der Ausführung gemäß Fig. 5 ist anstelle des Kataly­ satorpaketes 7 eine Einspritzplatte 16 angebracht, nach deren Durchströmen der Treibstoff direkt in die Reak­ tionskammer 4 gelangt, wo er durch andere Mittel als einen Katalysator zur Reaktion gebracht wird. Auch in diesem Falle ist die gleichmäßige Einspritzung über alle Einspritzdüsen und die Kühlung der Einspritzregion in besprochenem Sinne von großer Bedeutung. Auch hier muß eine entsprechende Auswechselbarkeit der Einspritzplat­ tenhülse 19 mit der Einspritzplatte 16 vorgesehen werden, was ebenfalls mit Hilfe des bezüglich Fig. 2 erwähnten Zapfens 13 ermöglicht wird.

Es ist ferner zu erwähnen, daß anstelle der Zersetzungs­ kammer 3 auch die als Reaktionskammer ausgebildete Ein­ spritzplattenhülse 19 treten kann, welche eine andere als die katalytische Reaktion im Katalysatorpaket 7 und der Katalysatorhülse 8 einleitet.

Auf diese Weise ist es möglich, die negativen Folgen der radial zugeführten Treibstoffe in die Antriebsaggregate zu vermeiden und auf kurze Strecke eine wesentlich gleichmäßigere Beaufschlagung der Reaktionskammer mit Treibstoff zu ermöglichen.

Alle in der Beschreibung und/oder den Figuren dargestell­ ten Einzelteile und Einzelmerkmale sowie deren Permuta­ tionen, Kombinationen und Variationen sind erfinderisch, und zwar für n Einzelteile und Einzelmerkmale mit den Werten n = 1 bis n→∞.

Claims (11)

1. Zur Speisung mit fließfähigem Material vorgesehene Vorrichtung mit rohrartiger Ummantelung (8, 19), insbeson­ dere für Blattspitzenantriebe von Helikoptern, welche Vorrichtung dazu bestimmt ist, in Richtung der Zuspeisung wirkenden Zentrifugalkräften ausgesetzt zu werden und in welcher Vorrichtung im Betriebsfall eintretendes Material durch die Zentrifugalkraft ungefähr rechtwinklig zu die­ ser umgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks gleichmäßiger Verteilung dieses umzulenkenden Materials über die in der Vorrichtung durchströmten Querschnitte und damit im wesentlichen zwangsmäßigen Bestreichen der Ummantelungsinnenwand mit dem Material Führungsmittel (7, 12, 13, 16) angeordnet sind.

2. Vorrichtung, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsmit­ tel einen in die Ummantelung (8, 19) eingebrachten Zapfen (13) mit mindestens einer schraubenförmigen Umfangsnut (12) umfassen, welche Umfangsnut (12) dem Führen des Materials auf der Innenwand der Ummantelung dient.

3. Vorrichtung, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsmit­ tel mit in Hauptströmungsrichtung der Vorrichtung ver­ laufende Durchgänge (21) aufweisen, die als Strömungs­ gleichrichter wirken.

4. Vorrichtung, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsmit­ tel einen Katalysator (7) oder eine Einspritzplatte (16) umfassen.

5. Vorrichtung, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Drahtma­ schengewebe armierte Katalysator (7) in die Ummantelung (8) eingepreßt ist.

6. Vorrichtung, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zapfen (13) mit der ihn aufnehmenden Ummantelung (8, 19) verbunden ist, z. B. über ein Gewinde (14), einen Bolzen oder eine Schweißstelle.

7. Vorrichtung, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zapfen (13) zwecks Ausbau der ihn umfassenden Ummantelung (8, 19) mit einer Gewindebohrung (15) zum Einschrauben eines Auszieh­ organs versehen ist.

8. Vorrichtung, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Treibstoffkanäle (12 bzw. 21), des Zapfens (13) und des Katalysatorpaketes (7) oder der Einspritzplatte (16) derart sind, daß der Druckabfall in jenen (12) eine Größenordnung kleiner ist als derjenige in diesen (21, 21).

9. Antriebsaggregat mit mindestens einer im Aggregatge­ häuse (9) befindlichen Vorrichtung (8, 19), vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen dem Aggregatgehäuse (9) und der Umman­ telung (8, 19) der Vorrichtung mindestens eine Dichtung (11) angeordnet ist.

10. Antriebsaggregat, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorkam­ mer (17) als Druckkammer ausgebildet ist, z. B. als Folge eines entsprechend hohen Druckabfalles im Katalysator (7) oder der Einspritzplatte (16).

11. Antriebsaggregat, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrich­ tung (8, 19) auswechselbar gestaltet und daher mit einer Außendichtung (11) versehen ist.