DE2416057C3

DE2416057C3 - Verfahren zur Steuerung der oberen und unteren Grenzdrehzahl eines oder mehrerer Turbopumpenaggregate von Flüssigkeitsraketentriebwerken

Info

Publication number: DE2416057C3
Application number: DE19742416057
Authority: DE
Inventors: Heinrich 8031 Groebenzell Hofmann; Juergen Dipl.-Ing. Stanke; Karl Dipl.-Ing. Stoeckel
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1974-04-03
Filing date: 1974-04-03
Publication date: 1980-06-19
Also published as: DE2416057A1; JPS5849696B2; IN148684B; JPS50135417A; FR2266807B1; FR2266807A1; DE2416057B2

Description

c)

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45

_b0 Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Flüssigkeitsraketentriebwerke werden in bekannter Weise entweder nach dem Nebenstromprinzip oder nach dem Hauptstromprinzip betrieben. In beiden Fällen werden die für den Verbrennungsprozeß benötigten beiden Treibstoffkomponenten, nämlich flüssiger Brennstoff und flüssiger Sauerstoff, aus Vorratsbehältern mit Hilfe von Pumpen gefördert, die von einer oder mehreren Turbinen angetrieben werden. Beim Nebenstromverfahren wird die Pumpenantriebsturbine von Treibgasen beaufschlagt, die entweder der Raketenbrennkammer im Nebenstrom entnommen und gekühlt werden oder aber in einer sogenannten Nebenstrombrennkammer bzw. Hilfsbrennkammer erzeugt werden, die zumeist mit den gleichen flüssigen Treibstoffen wie die eigentliche Brennkammer betrieben wird, wobei aus Gründen der Temperaturabsenkung eine Treibstoff komponente im Überschuß verwendet wird. Die Abgase der Turbine der Treibstofförderpumpen gelangen dann ins Freie oder werden z. B. für Heizeinrichtungen oder andere Zwecke genutzt. Für den Raketenprozeß selbst bzw. die Schubdüsenleistung geht der Arbeitsinhalt der Turbinenabgase jedoch verloren.

Dagegen strömen beim Raketcnhauptstromverfahren, das dadurch charakterisiert ist, daß in einer Vorbrennkammer entweder .sauerstoffreiche oder brennstoffreiche, zumeist wasserstoffreiche Treibgase für eine oder mehrere nach der Vorbrennkammer laufende Turbinen erzeugt werden, die Turbinenabgase in eine nachfolgende Hauptbrennkammer ein, in die dann, um eine stöchiometrische Verbrennung zu erreichen, der übrige Teil der Treibstoffkomponente eingebracht wird, die in der Vorbrennkammer mit Unterschuß verbrannt wird. Die in der Vorbrennkammer für die nachfolgenden Turbinen erzeugten Treibgase weisen daher für die Turbinen verträgliche niedrigere Temperatuien auf. Beim Raketcnhauptstromverfahren wird somit der Arbeitsinhalt der Turbinenabgabe prozcssual genutzt.

Aus der Fachzeitschrift »Luftfuhrttuchnik« 6 (I960) Nr. 10 vom 10. Oktober 1960, Seite 305, acht

eine nach dem Nebenstromprinzip arbeitende Raketentriebwerksanlage hervor, bei der das Turbopumpenaggregat über den ganzen Betriebfbereich drehzahlgeregelt ist. Es ist dabei ein Alldrehzahlregler vorgesehen, d. h., sowohl für die Normaldrehzahlen als auch für die beiden Grenzdrehzahlen ist ein einziger Regler zuständig, der auf ein Steuerventil einwirkt, das die Menge beider Treibstoffkomponenten und somit auch die Menge der Treibgase für die Turbinen verändert. Diese bekannten Mengenregler oder Steuerungen sind, da sie sowohl in den Brennstoffkreislauf als auch in den Sauerstoff kreislauf eingreifen müssen, regelungstechnisch und konstruktiv aufwendig und gerade im Bereich der Grenzdrehzahlen wegen zulässiger geringer Regelabweichungen nicht problemlos. Dies gilt auch für Raketenhauptstromtriebwerke, bei denen das Turboaggregat ebenfalls über den ganzen Drehzahlbereich, auch die beiden Grenzdrehzahlen, durch Steuerung der Mengen der beiden Treibstoffkomponenten kontrolliert wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Mängel der bekannten Steuereinrichtungen zu vermeiden und zur Steuerung der unteren und oberen Grenzdrehzahl die Temperatur der Turbinentreibgase als Steuergröße zu verwenden.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch Funktionssicherheit und Genauigkeit aui. Es erlaubt ferner einfache Steuereinrichtungen. Diese sind im Rahmen der Erfindung in den Unteransprüchen niedergelegt.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispielc der Erfindung dargestellt. Es zeigen

Fig. 1,1a und 1 bein Hauptstromraketentriebwerk mit auf den Pumpendruck ansprechende Stcuerventilrichtungen zur Regelung der Grenzdrehzahlen,

Fig. 2, 2a und 2b durch Fliehkraftregler betätigte Steuerventileinrichtungen,

Fig. 3, 3a und 3b ein Nebenstromtriebwerk mit Rückschlagventilen als Steuerventiieinrichtungen,

Fig. 4 ein Treibstoffdiagramm mit Steuerung des Uberschußtreibstoffes, und

Fig. 5 ein Treibstoffdiagramm mit Steuerung des Unterschußtreibstoffes zur Regelung der Grenzdrchzahlen.

Das in Fig. 1 veranschaulichte Hauptstromrakelentriebwerk besteht im wesentlichen aus einer Vorbrennkammer bzw. einem Gaserzeuger 1, in dem brennstoffreiche oder sauerstoffreiche Treibgase, im vorliegenden Fall wasserstoffreiche Treibgasc, erzeugt werden, aus einer Hochdruckturbine 2 und einer Niederdruckturbine 3, die von diesen Treibgasen beaufschlagt werden, aus Trcibstofförderpumpen 4 und S, wobei die Pumpe 4 von der Hochdruckturbine 2 über eine Hohlwelle 6 angetrieben wird und flüssigen Wasserstoff fördert, während die Pumpe 5 über eine zentrale Welle 7 von der Niederdruckturbine 3 angetrieben wird und H !issigen Sauerstoff fördert, und aus einer Hauptttrennkammer 8 mit Schubdüse 9. In einem Behälter 10 ist der Wasserstoff und in einem Behälter 11 der Sauerstoff gelagert. Mit 12 und 13 sind die entsprechenden Pumpcnzulauflcitungen bezeichnet. Der gesamte vom Hauptstromraketentriebwerk verbrauchte Wasserstoff wird über eine Wasserstofförderleitung 14 in den Gaserzeuger 1 einiiebracht. wobei der Wasserstoff vorher die Wand der Schubdüse 9 und Hauptbrennkammer 8 kühlend durchströmt. Der vom Hauptstromraketentriebwerk verbrauchte Sauerstoff wird nur zu einem Teil in den Gaserzeuger 1 eingefördert. Diese Teilmenge bestimmt ein Mengenverteiler 15, zu dem eine Sauerstofförderleitung 16 und von dem eine Sauerstoffzweigleitung 16α zum Gaserzeuger 1 und eine Sauerstoffzweigleitung 16b zum Einspritzkopf Sa der Hauptbrennkammer 8 führt.

ίο Der Wasserstofförderleitung 14 ist eine Steuerventileinrichtung 17 zugeordnet. Sie besteht aus einem Gehäuse 18, in dem ein über Federn 19 aufgehängter Stellkolben 20 gleitet, der einerseits vom Pumpenförderdruck über eine Steuerleitung 21 beaufschlagt und verstellt wird. Weiter besteht die Steuerventileinrichtung 17 aus einem in die Förderleitung 14 eingreifenden Steuerschieber 22, der im Drehzahlbereich zwischen den Grenzdrehzahlen als Vordrossel wirkt und in dieser Stellung durch eine Zug- und Druckfeder 23 fixiert ist, die einerseits an einem festen Bauteil 24 und andererseits am Steuerschieber 22 befestigt ist. Ferner besteht die Stuereinrichtung 17 aus einer den Stellkolben 20 und den Steuerschieber 22 verbindenden Koppelvorrichtung 25, 26. Davon wird der Teil 25 durch eine beidseitig mit Anschlägen 25« und 25b versehene Mitnehmerbüchse und der Teil 26 durch ein darin zwischen den beiden Anschlägen 25a und 25b freibeweglich geführtes Stellglied gebildet.

Mit 27 ist eine Starteinrichtung für die Vorbrenn-

jo kammer bzw. den Gaserzeuger bezeichnet.

in den Fig. 1,1 a und 1 b ist die Steuerventileinrichtung 17 in den drei möglichen Betriebssituationen gezeichnet. Nach Fig. 1 läuft das Triebwerk mit einer Drehzahl, die dem Drehzahlbereich angehört, der zwischen den beiden Grenzdrehzahlen liegt, wobei sich das Stellglied 26 zwischen dem Anschlag 25a für die obere Grenzdrehzahl und dem Anschlag 25b für die untere Grenzdrehzahl befindet.

Erreicht das Turbopumpenaggregat 2, 4 die obere Grenzdrehzahl, so steigt der Druck in der Förderleitung 14 und damit auch in der Steuerleitung 21; der Steuerschieber 22 wird dabei mit Hilfe des Anschlages 25a über das Stellglied 26 in die Lage gemäß Fig. 1 a gebracht und gibt dabei die Förderleitung 14 ganz frei.

₄r, Dadurch wird im Verhältnis zu der momentan in den Gaserzeuger 1 eingebrachten Sauerstoffmenge mehr Wasserstoff in den Gaserzeuger 1 eingefördert, so daß die Temperatur der Treibgase vorübergehend stark abfällt. Diese Situation zeigt auch das Diagramm gemaß Fig. 4 an der rechten senkrechten, mit /imax bezeichneten Linie, welche die obere Drehzahlgrcnze andeutet. Die Wasserstoffkurve H₂ läßt hier einen steilen Anstieg AsH erkennen.

Erreicht dagegen das Turbopumpenaggregat 2, 4 die untere Grenzdrehzahl, so sinkt der Druck in der Steuerleitung 21; der Steuerschieber 22 wird dabei nunmehr mit Hilfe des Anschlages 2Sb über das Stellglied 26 in die Lage gemäß Fig. 1 b gebracht und greift dabei noch weiter in die Förderleitung 14 ein, deren

_h() Querschnitt weiter vermindert wird. Dadurch wird im Verhältnis zu der im Gaserzeuger 1 momentan eingebrachten Sauerstoffmenge weniger Wasserstoff in den Gaserzeuger 1 eingefordert, so daß die Temperatur der Treibgase vorübergehend stark erhöht wird. Auch

_h5 diese Situation zeigt das Diagramm der Fig. 4 auf der linken senkrechten, mit «min bezeichneten Linie, welche die untere Drehzahlgrenze andeutet. Die Wasserstoffkurve H₁ läßt hier einen steilen Abfall

AfH erkennen.

In den Fig. 2, 2 a und 2 b ist eine Steuerventileinrichtung 117 gezeigt, die in Abhängigkeit von der Drehzahl des Turbopumpenaggregates 3, 5 betätigt wird und deren Steuerschieber 122 in die zum Gaserzeuger 1 führenuc Sauerstoff-Zweigleitung 16a eingreift. Die Steuerventileinrichtung 117 besteht außerdem aus einem Fliehkraftregler 28 und einem Stellglied 126, das über eine Zug- und Druckfeder 123, die einerseits am Gehäuse 118 und andererseits am Stellglied 126 befestigt ist, in seiner Normallage gehalten wird. Es ist mit den Stellhebelenden 28a des Fliehkraftreglers 28 über Zugglieder 29 gekoppelt, derart, daß diese im Drehzahlbereich zwischen den Grenzdrehzahlen lose sind, wobei die Feder 123 so eingestellt ist, daß der Steuerschieber 122 als Vordrossel wirkt und den Querschnitt der Sauerstoff-Zvieigleilung 16a etwas vermindert. Das Stellglied 126 in Form eines Kolbens ist zweigeteilt, und der vordere Kolbenteil ist hierbei über Wälzlager 126a drehbar angeordnet.

Erreicht das Turbopumpenaggregat 3, 5 die obere Grenzdrehzahl, so gehen die Fliehgewichte des Fliehkraftreglers 28 weiter nach außen (Fig. 2a) und seine Stellhebelenden 28a bewegen das Stellglied 126 und damit auch den Steuerschieber 122 nach rechts, so daß der Querschnitt der Zweigleitung 16a verkleinert wird. Damit gelangt weniger Sauerstoff in den Gaserzeuger 1, wodurch die Temperatur der Treibgase vermindert wird. Dies bedingt ein Zurückgehen der Drehzahlen der Turbinen 2 und 3. Diese Situation zeigt auch die Fig. 5 an der rechten senkrechten, mit rnnax bezeichneten Linie, welche die obere Drehzahlgrenze andeutet. Die Sauerstoffkurve O₂ läßt hier einen steilen Abfall AfO erkennen.

Erreicht dagegen das Turbopumpenaggregat 3, 5 die untere Grenzdrehzahl, so gehen die Fliehgewichte des Fliehkraftreglers 28 weiter nach innen (Fig. 2b) und seine Stelihebelenden 28a nehmen das Stellglied 126 über die Zugglieder 29 und damit auch den Steuerschieber 122 nach links mit, so daß letzterer den Strömungsquerschnitt der Zweigleitung 16a vorübergehend ganz freigibt. Somit gelangt mehr Sauerstoff in den Gaserzeuger 1, wodurch die Temperatur der Treibgase stark ansteigt. Dies bedingt ein Aufholen der Drehzahlen der Turbinen 2 und 3. Diese Situation zeigt auch die Fig. 5 an der linken senkrechten, mit /jmin bezeichneten Linie, welche die untere Drehzahlgrenze andeutet. Die Sauerstoffkurve O, weist hier einen steilen Anstieg AsO auf.

Das in Fig. 3 gezeigte Nebenstromraketentriebwerk besteht im wesentlichen aus einer Raketenbrennkammer 30 mit Schubdüse 9, einer Nebenstrombrennkammer bzw. einem Gaserzeuger 31 und einem Turbopumpenaggregat mit einer Turbine 32 und zwei Treibstofförderpumpen 33 und 34. Die Pumpe 33 saugt über eine Leitung 35 aus einem Behälter 36 flüssigen Wasserstoff an und drückt diesen einerseits über eine Förderleitung 37 in den Einspritzkopf 30a der Raketenbrennkammer und andererseits über eine Förderleitung 38 in den Gaserzeuger 31. Die Pumpe 34 saugt über eine Leitung 39 aus einem Behälter 40 flüssigen Sauerstoff an und drückt diesen einerseits über eine Förderzweigleitung 41 in den Einspritzkopf 30a der Raketenbrennkammer 30 und andererseits über eine Förderzwcigleitung 42 in den Gaserzeuger 31. Im vorliegenden Fall wird der Gaserzeuger 31 wasserstoffreich betrieben, d. h. der Wasserstoff stellt den Überschußtreibstoff dar. Die Steuerventileinrichtung zum Regeln der Grenzdrehzahlen besteht hierbei aus in Zweigleitungen der Förderleitung 38 eingebauten und entsprechend abgestimmten Rückschlagventilen, und zwar bildet vor dem Gaserzeuger 31 die Förderleitung 38 insgesamt drei Zweigleitungen 38a, 38i> und 38c. In den beiden Zweigleitungen 38a und 38c sind Rückschlagventile 43 und 44 eingebaut.

Die in der Nebenstrombrennkammer 31 erzeugten Treibgase strömen über eine Leitung 45 zur Turbine

32 und beaufschlagen diese. Mit 46 ist eine Starteinrichtung zum Abfahren der Turbine 32 bezeichnet.

In Fig. 3 ist das Triebwerk in einem Betriebszustand gezeigt, in dem das Turbopumpenaggregat 32,

33 und 34 mit einer zwischen den Grenzdrehzahlen liegenden Drehzahl zur Erzeugung einer gewünschten Leistung läuft, die von einem nicht dargestellten Lei-

:5 stungsregier in üblicher Weise bestimmt wird. Dabei wird über die Zweigleitung 3Sb dauernd eine bestimmte Teilmenge Wasserstoff und über die Zweigleitung 38c außerdem dauernd eine weitere bestimmte Teilmenge Wasserstoff in den Gaserzeuger 31 eingefördert, wobei der Pumpendruck bei normalen Drehzahlen, also bei Drehzahlen zwischen den Grenzdrehzahlbereichen, ausreicht, das Rückschlagventil 44 offenzuhalten. Dagegen reicht der Normaldruck nicht aus, das Rückschlagventil 43 in der Zweigleitung38 zu öffnen; dieses bleibt in diesem Betriebszustand geschlossen.

Beim Überschreiten der oberen Grenzdrehzahl ergibt sich das Bild nach Fig. 3 a. Hierbei wird der Pumpendruck und damit der Druck in der Zweigleitung 38a so groß, daß sich auch das Rückschlagventil 43 öffnet, so daß alle drei Zweigleitungen 38a, 386 und 38c offen sind, wodurch vorübergehend eine größere Menge Wasserstoff in den Gaserzeuger 31 eintritt und die Temperatur der Treibgase senkt. Dadurch fällt die Turbine 32 in ihrer Drehzahl wieder auf einen Normalwert ab.

Beim Erreichen der unteren Drehzahlgrenze des Turbopumpenaggregates 32, 33 und 34 fällt der Druck in der Förderleitung 38 so weit ab, daß auch das Rückschlagventil 44 schließt, so daß nur noch über die Zweigleitung 38 ft Wasserstoff in den Gaserzeuger 31 gelangt, wodurch sich die Temperatur und der Druck der Treibgase und somit auch die Drehzahl wieder erhöht.

Das für die obere Grenzdrehzahl verantwortliche Rückschlagventil 43 weist also einen Steuerdruck (Gegendruck) auf, der dem Pumpendruck im Bereich der Höchstdrehzahl entspricht, während das für die untere Grenzdrehzahl verantwortliche Rückschlag-

bo ventil 44 auf einen Steuerdruck (Gegendruck) eingestellt ist, der dem Pumpendruck im Bereich der unteren Grenzdrehzahl gleich ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Steuerung der oberen und unteren Grenzdrehzahl eines oder mehrerer Turbopumpenaggregate von Flüssigkeitsraketentriebwerken, bei denen die Treibgase für die Turbine oder Turbinen zum Antrieb der Treibstofförderpumpen mit Brennstoff- oder Sauerstoffüberschuß erzeugt werden, wobei die Treibstoffmenge beim Erreichen einer Grenzdrehzah! verändert wird.dadurch gekennzeichnet, daß beim Erreichen der unteren Grenzdrehzahl dem Gaserzeuger (1, 31) eine entsprechende Teilmenge des Überschußtreibstoffes (H₂) entzogen wird und/ oder dem Gaserzeuger (1,31) eine entsprechende Zusatzmenge des Unterschußtreibstoffes (O₂) zugemischt wird, und daß beim Erreichen der oberen Grenzdrehzahl die dem Gaserzeuger (1,31) zugeführte Menge des Unterschußtreibstoffes (O₂) reduziert und/oder dem Gaserzeuger (1, 31) eine Zusatzmenge des Überschußtreibstoffes (H₂) zugeführt wird.

2. Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer auf Grenzdrehzahlsignale ansprechenden Ventileinrichtung zur Beeinflussung der Treibstoffmenge, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der Förderleitung (14) des Überschußtreibstoffes (H₂) ist ein Steuerschieber (22) zugeordnet, der normal den Treibstoffdurchfluß drosselt und in dieser Stellung fixiert ist;

b) der Steuerschieber (22) ist über eine Koppelvorrichtung (25, 26), die nur bei Erreichen der oberen oder unteren Grenzdrehzahl in Tätigkeit tritt, mit einem Stellkolben (20) verbunden;

der Stellkolbcn (20) ist vom Druck

c) der Stellkolbcn (20) ist vom Druck einer Treibst.offördcrpumpe, insbesondere der Förderpumpe (4) für den Uberschußtreibstoff (H₂) beaufschlagt;

d) der Steuerschieber (22) gibt beim Erreichen der oberen Grenzdrehzahl den Querschnitt der Förderleitung (14) frei und vermindert den Querschnitt beim Erreichen der unteren Grenzdrehzahl weiter.

3. Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer auf Grenzdrehzahlsignale ansprechenden Vcntileinrichtung zur Beeinflussung der Treibstoffmenge oder Steuereinrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der Förderleitung (16a) des Unterschußtreibstoffes (O₂) ist ein Steuerschieber (122) zugeordnet, der normal den Treibstoffdurchfluß drosselt und in dieser Stellung fixiert ist;

b) der Steuerschieber (122) ist über eine Koppelvorrichtung (28ö, 29), die nur bei Erreichen der oberen oder unteren Grc 11 /.drehzahl in Tätigkeit tritt, mit einem Fliehkraftregler (28) verbunden;

c) der Steuerschieber (122) vermindert den Querschnitt der Förderleitung (16a) beim Erreichen der oberen Grenzdrehzahl weiter und gibt den Querschnitt beim Erreichen der unteren Grenzdrelizahl frei.

4. Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach AnsDruch 1 mit einer auf Grenzdrehzahlsignale ansprechenden Ventileinrichtung zur Beeinflussung der Treibstoffmengc, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) die Förderleitung (38) für den Oberschußtreibstoff (H₂) mündet mit drei Zweigleitungen (38a, 38b, 38c) in den Gaserzeuger (31); die Ventileinrichtung (43, 44) beeinflußt die erste (38a) und dritte (38c) Zweigleitung, während die zweite Zweigleitung (38Z>) direkt in den Gaserzeuger (31) mündet;
die Ventileinrichtung (43,44) öffnet die erste Zweigleitung (38a) nur beim Erreichen der oberen Grenzdrehzahl und schließt die dritte Zweigleitung (38c) nur beim Erreichen der unteren Grenzdrehzahl.

5. Steuereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung federbelastete Rückschlagventile (43, 44) mit Durchgang zum Gaserzeuger (31) aufweist, die auf den Treibstoffzulaufdruck ansprechen.

b)