AT144809B - Raketenmotor und Verfahren zu seinem Betrieb. - Google Patents

Description

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  Raketenmotor und Verfahren zu seinem Betrieb. 



   Die bisher bekannten Raketen (sowohl für feste, flüssige als auch gasförmige Betriebsstoffe) haben in der Praxis keine Verwendung als Antriebsmotor finden können, weil ihnen die notwendige Betriebssicherheit und der erforderliche Wirkungsgrad fehlte. 



   Der vorliegenden Erfindung liegen folgende Erkenntnisse und Überlegungen zugrunde :
1. Hinsichtlich Betriebssicherheit : Die Verbrennungstemperaturen im hochwertigen Raketenmotor können die Erweichung (Schmelz) punkte aller bekannten Baustoffe übersteigen, so dass die vom Feuergas berührten Wände (z. B. des eigentlichen Verbrennungsraumes, einer allenfalls vorhandenen   Expansionsdüse usw. ) ganz oder teilweise gekühlt werden müssen, was bei Raketen bereits vorgeschlagen   wurde. Als Kühlmittel kommen Gase, Dämpfe, Flüssigkeiten oder auch in diesen Mitteln verteilte feste Körper in Frage. Insbesondere können als Kühlmittel auch die Betriebsstoffe (z. B. der Brennstoff oder der Sauerstoff bzw. Sauerstoffträger oder beide) verwendet werden, wobei die dadurch gegebene Vorwärmung der Betriebsstoffe zugleich günstig auf den Wirkungsgrad einwirkt.

   Diese letztere Massregel ist ebenfalls bei Raketen an sich bekannt, erweist sich aber bei den hier vorliegenden, unten dargelegten Kühlung-un Bemessungsverhältnissen als ganz besonders zweckmässig. 



   Eine schematische Anordnung stellt z. B. Fig. 1 dar, wo die Betriebsstoffe erst als Kühlmittel um die Feuerwände geleitet werden und dann so vorgewärmt in den Ofen gelangen. 



   Die Führung des Kühlmittels um die Feuerwand muss durch besondere bauliche Vorkehrungen so sorgfältig erfolgen, dass das Kühlmittel an jeder Feuerwandstelle eine Strömungsgeschwindigkeit von vorgeschriebener Höhe sicher einhält, so dass der jeweils erforderliche Wärmeabtransport überall gewährleistet ist und örtliche Erwärmung der Baustoffe über eine zulässige Grenze ausgeschlossen erscheint. 



   2. Hinsichtlich Wirkungsgrad : Die Höhe des inneren Wirkungsgrades des Raketenmotors hängt hauptsächlich von der Zeit ab, die den Betriebsstoffen zur möglichst weitgehenden Verbrennung im Ofen zur Verfügung steht. 



   Diese Zeit ist unter sonst gleichen Verhältnissen um so grösser, je geringer der Zündverzug ist, also z. B. je besser vorgewärmt die Betriebsstoffe bereits in den Ofen gelangen. 



   Die Vorwärmung eines Teiles oder der gesamten jeweils benutzten Betriebsstoffe erfolgt mittels der durch die Feuerwand an das Kühlmittel abfliessenden Wärme unmittelbar oder durch ein besonderes Kühlmittel   (Zwischenmittel),   das seine Wärme durch Rückkühlung an den Betriebsstoff abgibt. 



   Die verfügbare Durchmischungszeit und bei gegebenem Zündverzug die Verbrennungszeit der Betriebsstoffe und damit die Vollständigkeit der Verbrennung hängen von der Grösse des nutzbaren Verbrennungsraumes ab. Nach den vorliegenden Forschungsergebnissen muss die Aufenthaltsdauer der Betriebsstoffe im Ofen auch bei günstigsten Zündverhältnissen grösser als etwa   Veoo   Sekunde sein. Die Aufenthaltsdauer t (sek) hängt vom Verhältnis des Verbrennungsvolumens (nutzbaren Verbrennungsraumvolumens) V   (m3)   zur engsten Querschnittsfläche der Ausströmöffnung der   Feuergase r (m2)   ab. 



  Ihr notwendiger Mindestwert wird erfahrungsgemäss erreicht, wenn   Vlf     0.     0-5   m = 50 cm ist. 



   Anderseits darf die Grösse des Verbrennungsraumes auch nicht beliebig wachsen, da der Wärmedurchgang durch die feuerberührten Wände bald so beträchtlich wird, dass die abzuführende Wärme vom Kühlmittel nicht mehr beherrscht wird, also die Betriebssicherheit in Frage gerät. Nach den praktischen Erfahrungen muss aus diesen Gründen   V//' (50   m = 5000 cm bleiben. 

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   Die beiden widerstrebenden Umstände bedingen einen Bereich günstigster   Grössen   des Verbrennungsraumes, bei dessen Einhaltung der Raketenmotor jedem bekannten Verbrennungsmotor hinsichtlich Wirkungsgrad überlegen ist. 



   Die Ofengrösse ist bei beliebiger Gestalt des Ofens daher so zu wählen, dass auf je 1 cm2 engster Ausströmöffnung der Feuergase ein Verbrennungsraum von 50 bis 5000 em3 entfällt, wobei grössere Raketenmotoren unter sonst gleichen Verhältnissen relativ kleinere Ofenabmessungen bekommen als Motoren für geringere Leistungen. 



   Ergibt sich im Grenzfall bei besonderen Ofenformen oder Ofengrössen nach dieser Bemessungs- 
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 (einschliesslich des   alhälligen Düsenraumes)   als nutzbarer Verbrennungsraum und der wirksame Mündungsquerschnitt als engster Ausströmquerschnitt. 



   Erfindungsgemäss werden daher betriebssichere Raketenmotoren von hohem innerem Wirkungsgrad unter Beachtung dieser Erkenntnisse über das zwangsläufige Kühlsystem und über die richtige Bemessung der Verbrennungsraumgrösse zu bauen sein. 



   Die zwangsläufige Führung des Kühlmittels kann z. B. in Kanälen erfolgen (etwa nach Fig. 2), die in geeignetem gegenseitigem Abstand in passender Weise längs der Feuerwand gelegt sind. 



   Diese Kanäle können (etwa nach Fig. 3) z.. B.   dadurch-hergestellt worden,   dass in der Feuerwand Rillen angebracht werden,   etwa durch Einsehneiden, Giessen usw.,'und   diese Rillen in geeigneter Weise zu geschlossenen Kanälen abgedeckt werden, etwa durch Aufschrumpfen oder   Aufschweissen   eines Mantels oder sonst durch Verschweissen, Verlöten, Vergiessen od. dgl. 



   Diese Kanäle können   (etwa.   nach Fig. 4) auch durch Bewicklung der Feuerwand mit Rohren beliebigen Querschnittes hergestellt werden,   wobei zweckmässig   eine gut wärmeleitende Verbindung zwischen Feuerwand und Rohrbewickelung vorgesehen wird. 



   Als ganz besonders zweckmässig und wichtig erweist sich die Herstellung der Feuerwand in der an sich von Gasturbinenbrennkammern her bekannten Art durch blosse Aneinanderreihung von Rohren, insbesondere   Kühlrohren,   wobei die Rohre in geeigneter Weise, z. B. durch Verlöten, Verschweissen, Vergiessen usw. zu einer gasdichten Wand miteinander verbunden werden. 



   In allen diesen Fällen können die Rohre jeden beliebigen Querschnitt besitzen. Insbesondere können sie Querschnitte erhalten, die bei der Aneinanderfügung ohne besondere Vorkehrungen eine glatte   Innenoberfläche   der Feuerwand ergeben (z. B. nach Fig. 6). 



   Die Einspritzöffnungen, Anschlüsse usw., des Feuerraumes können so    zwischen, den Kühlkanälen   durchgeführt werden, dass keine ungekühlten Materialanhäufungen entstehen, z. B. durch Auseinanderdrängen der Rohre nach Fig. 7. 



   Bei Brennkammern von Gasturbinen und bei Raketenantriebsmotoren mit periodischer Verbrennung ist die Unterdrucksetzung des Kühlmittels bekannt. Auch bei Raketenmotoren der vorliegenden Art kann die Kühlwirkung ganz besonders dadurch verbessert werden, dass das   Kühlmittel   ganz oder teilweise unter erhöhten Druck gesetzt wird, z. B. um seinen Siedepunkt zu heben oder die Wärme- übergangszahl zwischen Wand und Kühlmittel zu verbessern oder dampf-oder gasförmigen Kühlmitteln die erforderliche Dichte zu geben usw. Werden z. B. die Betriebsstoffe als Kühlmittel benutzt, so können sie beispielsweise den zur Einspritzung erforderlichen Druck schon beim Durchgang durch die Kühlkanäle ganz oder teilweise haben, u. zw. entweder der Brennstoff oder der Sauerstoff oder beide. 



   Zur Herabminderung des wegzukühlenden Wärmeüberganges vom Feuergas an die Feuerwand kann die Wandoberfläche besonders strahlungsreflektierend ausgeführt werden (z. B. durch Ver-   silberung, Korundierung od. dgl. ), wodurch u. a. der gegebene Motor bei Betriebsstoffkühlung bis auf   geringere Leistungen gedrosselt werden darf als bei normal strahlungsabsorbierender Wand, da die Wärmestrahlung mit der Drosselung nicht wesentlich sinkt, wohl aber die Kühlmittelmenge. 



   Aus Gründen der Betriebssicherheit können ferner jene Stellen der Feuerwand, die infolge hoher Feuergasgeschwindigkeit einer Abnutzung ausgesetzt sind (z. B. die Düsenwand) durch abnutzung-   festere Überzüge (z. B. Korundierung, Emaillierung, Verchromung od. dgl. ) besonders geschützt werden.   



   Ferner kann in an sich von Verbrennungsmotoren her bekannter Weise die Verbrennungsgeschwindigkeit durch geeignete Zusätze zu den Kraftstoffen beeinflusst, gegebenenfalls erhöht werden (z. B. durch Zusatz von Katalysatoren, etwa Wasser, oder die Detonationsneigung beeinflussenden Stoffen,   etwa Amylnitrat od. dgl. ), wobei im Raketenmotor von gegebener Ofengrösse als neue Wirkung eine   der erreichten Änderung der Verbrennungsgeschwindigkeit gleichlaufende Änderung des Wirkungsgrades eintritt. 

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Claims (1)

1. PATENT-ANSPRÜCHE : . 1. Raketenmotor mit im wesentlichen ununterbrochenem Verbrennungsvorgang, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmittel längs der feuerberührten Wände (beispielsweise in Kanälen) so zwangsläufig geführt wird, dass es an jeder Feuerwandstelle eine Strömungsgeschwindigkeit von vorgeschriebener Höhe sicher einhält, wobei die Grösse'des nutzbaren Verbrennungsraumes in einem solchen Verhältnis zur Grösse der engsten Querschnittsfläche der Ausströmöffnung der Feuergase steht, dass die Grösse des <Desc/Clms Page number 3> nutzbaren Verbrennungsraumes je Quadratzentimeter engster Ausströmöffnung zwischen 50 cm3 und 5000 ems liegt.

   2. Raketenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelkanäle als Rillen in der Feuerwand angebracht und diese Rillen auf geeignete Weise zu geschlossenen Kanälen abgedeckt sind.

   3. Raketenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelkanäle durch Bewicklung der Feuerwand mit Rohren beliebigen Querschnittes hergestellt sind.

   4. Raketenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuerwand samt den Kühlmittelkanälen durch passende Aneinanderreihung von Rohren beliebigen Querschnittes gebildet ist, wobei die Rohre in geeigneter Weise miteinander verbunden sind.

   5. Raketenmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die Feuerwand bildenden Rohre solchen Querschnitt haben, dass durch ihre Aneinanderreihung ohne weiteres eine zweckmässig gekrümmte, glatte Wandoberfläche an der Feuerseite entsteht.

   6. Raketenmotor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlüsse, Einspritzöffnungen usw. so zwischen den Kühlkanälen in den Feuerraum geführt sind, dass keine ungekühlten Materialanhäufungen entstehen.

   7. Raketenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel während seiner Kühlwirkung ganz oder teilweise unter erhöhten Druck gesetzt ist.

   8. Raketenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübergang vom strahlenden Feuergas an die Feuerwand durch geeignet reflektierende Wandoberflächen auf ein gewünschtes Mass herabgesetzt ist.

   9. Raketenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Abnutzung durch die bewegten Feuergase ausgesetzten Feuerwandstellen durch abnutzungsfestere Überzüge geschützt sind.

   10. Verfahren zum Betrieb von Raketenmotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsstoffe vor Einbringung in den Ofen mittels der durch die Feuerwand an das Kühlmittel abfliessenden Wärme vorgewärmt werden.

   11. Verfahren zum Betrieb von Raketenmotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel teilweise oder gänzlich die Betriebsstoffe (z. B. Brennstoff, Sauerstoff od. dgl. ) selbst verwendet werden.

   12. Verfahren zum Betrieb von Raketenmotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Betriebsstoffen geeignete Substanzen, beispielsweise Katalysatoren, Amylnitrat od. dgl., zugesetzt werden, die die Verbrennungsgeschwindigkeit verändern. EMI3.1