DE1240746B

DE1240746B - Strahlduese, insbesondere fuer den Nachbrenner eines Flugzeugtriebwerks, mit mechanisch gesteuerter Strahlablenkung

Info

Publication number: DE1240746B
Application number: DEH53484A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing E H Siegfried Guenter
Original assignee: Ernst Heinkel AG
Current assignee: Ernst Heinkel AG
Priority date: 1964-08-08
Filing date: 1964-08-08
Publication date: 1967-05-18
Also published as: US3327480A; GB1093914A

Description

Strahldüse, insbesondere für den Nachbrenner eines Flugzeugtriebwerks, mit mechanisch gesteuerter Strahlablenkung Die Erfindung betrifft eine Strahldüse, insbesondere für den Nachbrenner eines Flugzeugtriebwerks, mit mechanisch gesteuerter Strahlablenkung und hat zum Ziel, die mechanischen Ablenkmittel zu kühlen.
Um den Startweg eines strahlangetriebenen Flugzeugs abzukürzen bzw. um einen Senkrechtstart mittels Strahltriebwerk zu ermöglichen, ist es mehrfach vorgeschlagen worden, den Nachbrenner des Strahltriebwerks mit Ablenkvorrichtungen zu versehen, die den Strahl ablenken und somit die Schubrichtung zu ändern vermögen. Es werden nach diesen Vorschlägen Rohrkrümmer am Nachbrenner oder als Teil des Nachbrenners angeordnet, die durch Verstellung visierähnlicher Ringglieder oder bei Drehung von Drehlagern, deren Ebene einen Winkel von 45° mit der Strahitriebwerkslängsachse bildet, die Ablenkung des Strahls bewirken. Ferner ist vorgeschlagen worden, am schräg abgeschnittenen Endstück des Nachbrenners eine Haube anzuordnen, die um ein Scharnier geschwenkt wird und in ihrer wirksamen Stellung einen Rohrkrümmer bildet, während sie in ihrer unwirksamen Stellung über den Nachbrenner gestülpt ist und die Geradeausbahn des Strahles freigibt.
An einem Strahltriebwerk wird das Baumaterial durch die extrem hohen Verbrennungstemperaturen stark beansprucht. Zwar wird das Strahltriebwerk durch den enormen Luftdurchsatz ständig gekühlt, jedoch bildet die Frage nach ausreichend widerstandsfähigen Materialien immer noch ein Hauptproblem bei dem Bau von solchen Triebwerken.
Dieses Problem wird durch die Ablenkung des Strahles in Rohrkrümmern sehr erheblich vergrößert. Erstens trifft der Strahl auf die Ablenkfläche des Rohrkrümmers auf und gibt hier einen Teil seiner Energie ab, der sich in Wärme verwandelt und die Ablenkfläche zusätzlich erhitzt. Zum anderen sind rein räumlich enge Grenzen dafür gesetzt, wie weit man den Rohrkrümmer hinter der Kraftstoffeinspritzstelle anordnen kann, so daß bei der praktisch möglichen Ausführung eine erhebliche Menge unverbrannter Kraftstoffteilchen noch am Krümmer befindlich sein wird. Durch die Zentrifugalkraft der Ablenkung verdichten sich diese Kraftstoffteilchen an der Ablenkfläche, und zwar aus dem gesamten Triebwerksquerschnitt. Sie werden hier nicht nur den Wirkungsgrad herabsetzen, sondern sie werden auch zu einer Erhöhung der Temperatur an dieser ohnehin gefährdeten Stelle beitragen.
Um diesen übelstand zu bekämpfen, ist vorgeschlagen worden, den Rohrkrümmer durch Einblasen von Kühlluft abzukühlen. Nach einem bekannten Vorschlag soll dies durch Einblasen von kälterer Abzapfluft erfolgen, die aus dem Kompressor des Triebwerks entnommen wird.
Die praktische Ausführung dieses Vorschlages war nicht erfolgreich. Die Kühlluft verbesserte den Ausbrand der an der Ablenkfläche verdichteten unverbrannten Kraftstoffteilchen und kam somit nicht zur Anwendung als Kühlmittel, sondern trug zu einer intensiveren Verbrennung und damit zu einer höheren Temperatur an der Ablenkfläche bei.
Ein bekannter Vorschlag zur Kühlung mit Kühlflüssigkeit, geht darauf hinaus, das Drehlager eines schwenkbaren Nachbrenners hohl zu gestalten und die Kraftstoffzufuhr durch den derart entstandenen Kanal durchzuleiten, zu dem doppelten Zweck, das Drehlager zu kühlen und den Kraftstoff zu erwärmen. Die Erfindungsaufgabe, nämlich die Kühlung der Ablenkfläche, wird jedoch dabei nichtgelöst.
Vor mehr als einem Jahrzehnt war man bestrebt, durch Einspritzen von Wasser in den Verbrennungsraum eines Strahltriebwerks teils eine Kühlung der Turbinenschaufel und insbesondere einen Temperaturausgleich bei kurzfristigen, durch Vergrößerung des wirksamen Gasgewichtes erzielten Vergrößerungen des Schubes zu erreichen. Diese Vorschläge sind bald aufgegeben worden, weil eine effektive Herabsetzung der Turbinenschaufeltemperatur so viel Wasser benötigte, daß der Gedanke in der Praxis nicht ausführbar war. Ferner stellte sich die Notwendigkeit ein, das Kühlwasser, das beim Einspritzen schlagartig verdampft, gleichmäßig über den gesamten Querschnitt der Brennkammer zu verteilen, um zu verhindern, daß das stöchiometrische Gleichgewicht gestört wird. Derart große Wassermengen beeinträchtigen jedoch den Verbrennungsvorgang erheblich. Bei dem heutigen Stand der Technik, wo die Nachbrenner die stöchiometrische Temperatur zulassen, hätte eine derartige Kühlung sowieso keinen Sinn, wenn nicht die Wassereinspritzung durch zusätzliche Einspritzung eines Sauerstoffträgers ergänzt würde.
Solche überlegungen in Verbindung mit den negativen Ergebnissen der entsprechenden Vorschläge haben bisher die Konstrukteure abgehalten, eine Flüssigkeitskühlung an den Mitteln der Strahlumlenkung in Erwägung zu ziehen.
Die Erfindung hat zum Ziel, unter Berücksichtigung der oben dargelegten Verhältnisse die Ablenkfläche eines Nachbrenners mittels Flüssigkeit zu kühlen, und zwar ausschließlich während der Phase der Ablenkung. Bei einer Strahldüse, insbesondere für einen Nachbrenner, mit mechanisch gesteuerter Strahlablenkung sind gemäß der Erfindung in der Wand der Ablenkfläche Einspritzdüsen angeordnet, durch die in der Ablenkstellung Kühlflüssigkeit eingespritzt wird. Die Kühlflüssigkeit wird vorzugsweise etwa in Richtung des Krümmungsmittelpunktes eingespritzt.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt F i g. 1 ein Strahltriebwerk mit Nachbrenner und ausschwenkbarer Ablenkdüse, schematisch und im Schnitt, F i g. 2 ein Strahltriebwerk mit drehbarem Rohrkrümmer in Geradeausstellung, F i g. 3 das Strahltriebwerk F i g. 2 mit Rohrkrümmer in der Ablenkstellung, F i g. 4 Anordnung der Kraftstoffeinspritzung am Strahltriebwerk F i g. 1, Schnitt A-B, und F i g. 5 Anordnung der Kühlflüssigkeitseinspritzdüsen in den Strahltriebwerken nach F i g. 1, 2 und 3, Schnitt C-D.
Das Strahltriebwerk 1 ist in F i g. 1 mit einem Nachbrenner 2 ausgerüstet, der an seinem Ende eine Abschlußfläche 3 aufweist, deren Ebene einen Winkel von 45° mit der Längsachse des Strahltriebwerks bildet. Um ein Scharnier 4 kann eine als Rohrkrümmer ausgebildete Haube 5 so geschwenkt werden, daß ihre Endfläche 6 auf der Endfläche 3 des Nachbrenners 2 aufliegt. Die Ablenkfläche für den Strahl wird auf der Krümmerwand 8 gebildet.
Im Schnitt A-B befinden sich die Einspritzdüsen für die Kraftstoffeinspritzung des Nachbrenners. Der Strahl trifft auf die Ablenkfläche 8 auf und wird hier abgelenkt. Wegen der Zentrifugalkraft bildet sich an der Ablenkfläche 8 eine Verdichtung unverbrannter Kraftstoffteilchen. Durch die Kühldüsen 7 wird Wasser in den Verbrennungsraum des Nachbrenners eingespritzt, verdampft hier schlagartig, kühlt die Ablenkwand 8 und fördert die Verbrennung der angereicherten Kraftstoffteilchen. Die Kühldüsen 7, deren Anordnung aus F i g. 5 ersichtlich ist, werden erst dann geöffnet, wenn der Anschluß 3 bis 6 des Krümmers 5 erfolgt. Sobald der Krümmer 5 wieder zurückgeschwenkt wird, schließen sich die Kühldüsen automatisch. Um eine effektive Verteilung des Kühlwassers bzw. des schlagartig entstehenden Wasserdampfes zu gewährleisten, wird das Kühlwasser quer auf die Richtung des Gasstrahles eingespritzt, etwa in Richtung der jeweiligen Krümmungsradien des Rohrkrümmers 5.
In gleichem Sinn wirkt die Erfindung am Strahltriebwerk F i g. 2 und 3. F i g. 2 zeigt das Strahltriebwerk in seiner Geradeausstellung. Hier sind die Düsen 7 geschlossen. Sobald aber der aus den Ringgliedern 9 bis 13 bestehende Nachbrenner in die Ablenkstellung geschwenkt wird (F i g. 3), treten die Kühldüsen 7 in Funktion und spritzen Kühlwasser in den Nachverbrennungsraum hinein. Bei der Rückführung in die Geradeausstellung schließen sich die Kühldüsen wieder.
Die hier beschriebene Erfindung gewährleistet eine ausreichende Kühlung der Ablenkfläche 8 (bzw. 9 bis 13 in F i g. 3). Da der Kühlvorgang nur so lange andauert, als der Nachbrenner sich in der Ablenkstellung befindet - in der Praxis beim Senkrechtstart rund eine halbe Minute -, ist der Wasserverbrauch mäßig; man kann mithin in der Phase des Ablenkens so viel Kühlwasser einsetzen, wie es zweckmäßig erscheint. Darüber hinaus weist der gesamte Prozeß den doppelten Vorteil auf, daß einerseits durch die Wassereinspritzung in den Nachverbrennungsraum die bereits bekannte kurzfristige Erhöhung der Triebwerksleistung durch Erhöhung des Gasgewichtes stattfindet, während die für eine solche Leistungserhöhung notwendige Anreicherung des Kraftstoffanteils in dem Bereich der Wassereinspritzung schon vorhanden ist, und zwar wegen der Einwirkung der Zentrifugalkraft auf die im Krümmer befindlichen, noch nicht verbrannten Kraftstoffteilchen. Die Erfindung löst somit nicht nur das Kühlproblem, sondern gleichzeitig das Problem einer kurzfristigen Leistungserhöhung während des Senkrechtstartvorganges.

Claims

Patentansprüche: 1. Strahldüse, insbesondere für den Nachbrenner eines Flugzeugtriebwerks, mit mechanisch gesteuerter Strahlablenkung, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß in der Wand der Ablenkfläche Einspritzdüsen angeordnet sind, durch die in der Ablenkstellung Kühlflüssigkeit eingespritzt wird.
2. Strahldüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit etwa in Richtung des Krümmungsmittelpunktes der Ablenkfläche eingespritzt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1119 126; USA.-Patentschrift Nr. 2 544 422.