DE2015696C3 - Turbopumpensatz für die Treibstoffversorgung eines Raketentriebwerkes - Google Patents

Description

weiteres druckerzeugendes Aggregat einschließen, welches Wasser unter anderem zum Einspritzen als Kühlmittel in das Gasgemisch für den Gasgenerator liefert. Bei einer insbesondere angestrebten Ausführungsform soll das Aggregat eine Regelmöglichkeit für das Mischungsverhältnis der Treibstoffe auf ihrem Weg, von den Pumpen in die Brennkammer einschließen, ohne daß hierfür ein getrennter Regler vorgesehen werden muß, der über zusätzliche Leitungswege mit dem Turbopumpenaggregat verbunden werden müßte.

Diese Aufgabe wird bei einem Turbopumpensatz der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zusätzlich eine Zentrifugalpumpe für Wasser vorgesehen ist, welches zur Einspritzkiihlung in das Arbeitsgas für die Gasturbine und zum Erzeugen eines Inertgasdruckpolsters in den Treibstofftanks dient, daß die einzelnen Aggregate des Turbopumpensatzes in starrer Verbindung mit dem Raketentriebwerk um eine quer durch den Verankerungsfortsatz verlaufende Welle zum optimalen Massenausgleich so angeordnet sind, daß sich das Gasturbinengehäuse und das Gehäuse der Treibstoffpumpe für den einen Treibstoff auf der einen Seite und das Gehäuse für die zweite Treibstoffpumpe für den zweiten Treibstoff und das Gehäuse für die Wasserpumpe auf der anderen Seite des Verankerungsfortsatzes befinden, und daß die Druckleitungen für die Treibstoffe auf kürzestem Wege direkt mit dem Triebwerk verbunden sind, wobei der Veiankerungsfortsatz als eine der Treibstoffdruckleitungen dient.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht.

Durch die erfindungsgemäße Lösung ist der Weg der unter erhöhtem Druck stehenden Treibstoffströme von den Pumpen zur Brennkammer des Triebwerks so kurz wie möglich. Zweckmäßigerweise ist der als Zulaufstutzen ausgebildete Verankerungsfortsatz an seinem Kopfende in einem Kardangelenk beweglich aufgehängt, damit er nicht von unvermeidlichen Vibrationen und Schwingungen des Triebwerks beansprucht wird.

Die Wasserpumpe dient dazu, die Generatorgase mit Wasser auf eine für die Antriebsturbine dor Turbopumpe verträgliche Temperatur herunterzukühlen. Der Wasserdampf ist ein für die vorliegenden Prozesse indifferentes Gas und kann außerdem dazu verwendet werden, den Druck in den Ticibstoffbehältern zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, der unbedingt notwendig ist, um Kavitationserscheinungen in der Pumpe zu vermeiden.

Diese Maßnahme unterscheidet sich von denen bei bekannten Strahltriebwerken, wo man eine zusätzliche Injektion von Brennstotf zur Kühlung der Generatorgase verwendet, was aber dazu zwingt, den Druck im Behälter des Sauerstoffträgers über ein Gas zu erzeugen, das über einen Wärmeaustauscher geführt wird, der natürlich das Triebwerk erheblich kompliziert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Balanceregler vorgesehen, der die beiden Treibstoffströme vor ihrem F.intriit in den Injektor des Triebwerks auf gleiche Drücke einregelt, um eine Änderung im Mischungsverhältnis unter ^lugbedingunjen, wie sie durch Abnehmen der Höhe der Flüssigkeks« säulen und Änderungen in den Beschleunigungswerten hervorgerufen Werden können, zu verhindern.

In Weiterfühi'ung dieses Gedankens sind erfindungsgemäß die Gehäuse der Treibstoffpumpen über Tibias-Stutzen, die ririi kugetgelenkartigen Wulsten an der einen Stirnseite in den Einlaufkrümmern der Gehäuse gelagert sind und mit ihren anderen Stirnseiten gedichtPt in Rohrstutzen gleiten können, an die Zuleitungen von den Treibstofftanks angeschlossen, so daß die Pumpenanschlüsse Bewegungen des Strahltriebwerks in seiner kardanischen Aufhängung nicht beeinflussen. Diese einfache Ausführung ersetzt die in drei Richtungen abgekrümmten Zuleitungen bekannter Triebwerke, in die außerdem noch Faltbälge eingebaut sein müssen, damit sie den Schwingungen des Triebwerks folgen können.

Im folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist In dieser zeigt

F i g. 1 einen Achsschnitt durch eine auf den Oberteil eines Triebwerks montierte Turbopumpe und F i g. 2 eine Ansicht auf die Stirnseite der Pumpe.

Der in F i g. 1 und 2 dargestellte Turbopumpensatz hat einen zentralen Zulaufstutzen, der in die obere Abdeckhaube eines (nicht näher dargestellten) Strahltriebwerkes als Verankerungsfor atz 1 eingesetzt ist Auf einer horizontalen Achse befinde" sich zu beiden Seiten des Verankerungsfortsatzes 1 (in der Zeichnung) links ein Balanceregler 2, der direkt an den Verankerungsfortsatz 1 angeflanscht ist, dahinter ein Gasturbinengchäuse 3 und ein Gehäuse 4 für eine der beiden Treibstoffpumpen, rechts, ebenfalls direkt an den Verankerungsfortsatz 1 angeflanscht, ein weiteres Pumpengehäuse 5 für die andere der beiden Treibstoffpumpen und, unter Zwischenschaltung eines Einlaufkrümmers, die Zentrifugalpumpe 6 für das Wasser.

Die Pumpengehäuse 4, 5 sind über Tibias-Stutzen 7 und 8 an die Zuleitungen von den Treibstofftanks angeschlossen. Die Stutzen sind mit kugelgelenkartigen Wulsten 7a, 8.3 an der einen Stirnseite in den Einlaufkrümmern 9 und 10 gelagert und können mit ihren anderen Stirnseiten 7b. 86 gedichtet in Rohrstutzen 12, 13 gleiten, so daß das Triebwerk in seiner kardanischen Aufhängung 11, an der der Kopf des Verankerungsforlsatzes 1 befestigt ist, leichte Pendelschwingungen ausführen kann. Die Abdichtung über- ; ehmen Rohrverbindungen 14 und 15.

Auf eine Hauptwelle 16, die in den Gehäusen 4 und 5 gelagert ist, sind der Läufer 17 der Gasturbine und die in den Gehäusen 4 und 5 laufenden Läufer 18 und 19 der beiden Treibstoffpumpen aufgekeilt. Am Ende einer Hilfswelle 20, die an die Hauptwelle 16 mittels einer Keilkupplung 21 angekuppelt ist. sitzt der Läufer 22 der Zentrifugalpumpe 6 für das Wasser, die über eine Leitung 27 Wasser in den Gasgenerator 23 (Fig. 2) fördert.

Zur Gaserzeugung wird ein Teil der Treibstoffe hinter den Pumpengehäusen 4 und 5 abgezweigt und durch Leitungen 25 und 26 zum Gasgenerator 23 gefördert Der Gasturbinenläufer 17 wird von den durch die Düsen 24 eingespeister Generatorgasen angetrieben. Vor dem Eintritt in den Gasgenerator 23 durchfließen die Treibstoffe und das Wasser einen Hauptregler 49, von dem aus das Wasser über eine Leitung 50 in den Gasgenerator J J gelangt.

Der Hauptregler 49 gleicht den Druck in der Brennkammer des Triebwerks einem vorgegebenen, yon einem Druckminderer gelieferter: Pilotdruck an, indem er auf den Ausschub des Gasgenerators zurückwirkt in der Art, daß die Zuflüßfätefi def beioeii Treibstoffe und des Wassers zu diesem simultan geregelt werden. Auf diese Weise bleibt unabhängig Vom Druck im Generator die Gastemperatur konstant.

Da diese Regelung nicht auf der Turbinendrehzahl basiert — wie dies üblich ist —, sondern auf dem Druck

in der Brennkammer der Strahldüse, erhält man eine bessere Schubsteuerung, was besonders bei Triebwerkgruppen sehr wichtig ist.

Änderungen in der Beschleunigung und in den Höhen der Flüssigkeitssäulen während des Fluges würden Druckänderungen an den Pumpenausgängen und infolgedessen Änderungen im Mischungsverhältnis der beiden Treibstoffe zur Folge haben, Der Balanceregler 2 iii dem als Zülaufstutzen ausgebildeten Verankerungsfortsatz dient dazu, die Drücke der beiden Treibstoffe ströme am injektoreingang des Triebwerks auf einen gleichen Pegel einzuregeln. Der Balanceregler hat einen Kolben 44, der zwei Zylinderkammern 45 und 46 trennt (Fig. i). Die Kammer 45 steht über die Bohrung 47 in Verbindung mit dem Zuflußstutzen im Verankerüngsfortsatz 1 und mit dem in diesem fließenden Treibstoffstrom, während die Zylinderkammer 46 über eine Bohrung 48 vom Druck des von dem Pumpenläufer 18 geförderten Treibstoffes steht. Angenommen, daß der Druck des von dem Pumpenläufer 19 geförderten Treibstoffes leicht höher ist als der des von dem Läufer 18 geförderten, so drückt dieser in der Zylinderkammer 45 wirksame Druck den Kolben 44 des Balancereglers nach rechts, wobei dessen hülsenförmige Verlängerung die Verbindung von dem Läufer 19 zum Verankerungsforisatz 1 mehr oder weniger schließt und somit Durcfiflußfale und Druck dieses Treibstoffes verringert, bis sich gleiche Drücke auf beiden Kolbenflächen einstellen. Auf diese Weise werden die Treibstoffdrücke am Injektoreingang des Triebwerkes auf gleichem Pegel ausbalanciert.

Die Regelvorrichtung erlaubt, während des Fluges unabhängig von den jeweiligen Flugzuständen mit dem günstigsten und konstant gefegeitern Gemisch zu arbeiten. Dies bringt eine erhebliche Verminderung unverbrannter Rückstände, während ohne diese Regelung bei variablem Mischungsverhältnis immer bei einem der beiden Treibstoffe ein erheblicher unverbrannter Rückstand verbleibt.-

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Turbopumpensatz für die Treibstoffversorgung eines Raketentriebwerkes für zwei Flüssigtreibstoffe, welches mit einem sich an die Abdeckhaube der Brennkammer rückwärtig anschließenden Fortsatz in der Raketenkonstruktion verankert ist, bestehend aus einer durch einen Gasgenerator mit gekühltem Treibgas gespeisten Gasturbine, je einer Zentrifugalpumpe für die beiden Treibstoffe und Regeleinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Zentrifugalpumpe (6, 22) für Wasser vorgesehen ist, welches zur Einspritzkühlung in das Arbeitsgas für die Gasturbine (3, 17) und zum Erzeugen eines Inertgasdruckpolsters in den Treibstofftanks dient, daß die einzelnen Aggregate (3,4,5, 6) des Turbopumpensatzes in starrer Verbindung mit dem Raketentriebwerk um eine quer durch den Verankerungsfortsatz (i) verlaufende Weile (ίο, 20) zum optimalen Massenausgleich so angeordnet sind, daß sich das Gasturbinengehäuse (3) und das Gehäuse (4) der Treibstoffpumpe (4, 18) für den einen Treibstoff auf der einen Seite und das Gehäuse (5) für die zweite TreibstoFpumpe (5, 19) für den zweiten Treibstoff und das Gehäuse (6) für die Wasserpumpe (6, 22) auf der anderen Seite des Verankerungsfortsatzes (1) befinden, und daß die Druckleitungen für die Treibstoffe auf kürzestem Wege direkt mit dem Triebwerk verbunden sind, wobei der Verankerungsfortsatz (1) als eine der Treibstoffdruckleitungen dient.

2. Turbopumpensatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasgenerator (23) und ein Teil der Regeleinrichtungen (2) mit dem Turbopumpensatz und dem Verankerungsfortsatz (1) eine Baueinheit bilden.

3. Turbopumpensatz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Regeleinrichtungen einen in den Verankerungsfortsatz (1) eingebauten Balanceregler (2) zum Regeln des Mischungsverhältnisses der Treibstoffe über deren Drucke umfassen mit einem Kolben (44) mit einer venlilnadelartigen Kolbenstange und zwei zu beiden Seiten des Kolbens (44) befindlichen Zylinderkammern (45,46), von denen die eine (46) über eine Leitung (48) mit der Druckseile der einen Treibstoffpumpe (18) und die andere (45) über eine Bohrung (47) mit dem Innern des Verankerungsfortsatzes (1) und somit der Druckseite der anderen Treibstoffpumpe (19) so verbunden ist, daß ein Druckunterschied zwischen den Ausgängen der Treibstoffpumpen (18, 19) zu einer Bewegung des Kolbens (44) und der ventilna delarligen Kolbenstange führt, mit der die Austritts öffnung der anderen Treibstoffpumpe (19) in den Verankerungsfortsat/ (1) entsprechend drosselbar ist

4. Turbopumpensal/ nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuse (4,5) der Treibstoffpumpen (18/19) mit den Treibsloffzu' leitungen über Tibias-Slutzeri (7,8) verbunden sind, die mit kugelgelehkartigefi Wülsten (7a, %ä) an der einen Stirnseite in den Einlaufkriimmern (9, 10) der Gehäuse gelagert sind und mit ihren anderen Stirnseiten (7b,Sb)gedichtet in Rohrstutzen (12,13) def Tfcibstoffzuleilüngen gleiten können.

Die Erfindung betrifft einen Turbopumpensatz für die Treibstoffversorgung eines Raketentriebwerkes für zwei Flüssigtreibstoffe, welches mit einem sich an die Abdeckhaube der Brennkammer rückwärtig anschließenden Fortsatz in der Raketenkonstruktion verankert ist, bestehend aus einer durch einen Gasgenerator mit gekühltem Treibgas gespeisten Gasturbine, je einer Zentrifugalpumpe für die beiden Treibstoffe und Regeleinrichtungen.

ίο Als Treibstoffe dienen im aligemeinen ein Sauerstoffträger und ein Brennstoff, der nicht für Tiefsttemperaturen bestimmt ist Die Turbopumpen speisen das Triebwerk bekanntlich mit einem höheren Druck. Die Gasturbine, welche die Pumpen antreibt, wird von den Gasen eines Gaserzeugers gespeist, die aus der Verbrennung der beiden Treibstoffe entstehen und durch Injektion eines Zusatzes an Brennstoff rückgekühlt sind.
Aus der GB-PS 85 34 495 ist ein Turbopumpensatz bekannt, der je eine Pumpe für die beiden verwendeten Flüssigbrennstoffe und eine Gasturbine zum Antrieb dieser Pumpen aufweist, die zusammen mit der Gasturbine auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Der bekannte Turbopumpensatz ist ferner mit den notwendigen Regeleinrichtungen versehen.

Die im übrigen in der GB-PS 85 34 495 nur als Schaltschema gezeigte Anordnung läßt jedoch keinen Schluß darüber zu, in welcher konstruktiven Zuordnung zum Raketentriebwerk der Turbopumpensatz mit seinen Hilfsaggregaten angeordnet sein soll. Der Darstellung läßt sich lediglich schaltungsmäßig entnehmen, daß die Abgase aus der Gasturbine unmittelbar in die rückwärtige Abdeckung der Brennkammer des Reketentriebwerkes eingeleitet werden.

Auch in der Zeitschrift »The Aeroplane«, vom 13. Febr. 1959. sind auf Seite 199 in Form eines Schaltschemas die Brennkammer eines Raketentriebwerkes und ein mit gemeinsamem Welle dargestellter Turbopumpensatz mit zwei Treibstoffpumpen und einer Gasturbine gezeigt, die von einem Gasgenerator gespeist wird. Das Schaltschema deutet an, daß der die eine Treibstoffpumpe verlassende, unter Druck befindliche Treibstoff unmittelbar in die rückwärtige Abdeckhaube der Raketenbrennkammer eingeleitet werden soll. Aber auch dieses Schaltschema gibt keine weiteren Hinweise über die konstruktive Zuordnung von Raketentriebwerk und Turbopumpenaggregat.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Raketentriebwerk für zwei

Flüssigtreibstoffe, welches mit einem sich an die Abdeckhaube der Brennkammer rückwärtig anschließenden Fortsatz in der Raketenkonstruktion verankert ist, wie dies bei tatsächlich ausgeführten Raketentrieb werken häufig der Fall ist, die konstruktive Zuordnung zwischen Triebwerk und Turbopumpensatz so /u gestalten, daß sich kürzeste Stromungswege zwischen den Turbopumpen und der Brennkammer des Triebwer kes ergeben, daß /wischen Turbopumpensatz und Raketentriebwerk keine vibrationsaufnehmenden Bauelemente vorgesehen werden müssen, die noftfialerwei* se die Schwingungen des Triebwerkes von dem Tufbopumpensatz fernhalten sollen, und daß auch wichtige Hilfsaggregate wie Regeleinrichtungen und Gasgenerator nicht durch schwingungsaufnehmcnde

Verbindungen an den Ttirböpumpcnsatz angeschlossen zu sein brauchen, Der Turbopumpensatz soll ferner ein