DE10037776A1 - Brennkammer für ein Flüssigkeitsraketentriebwerk - Google Patents

Brennkammer für ein Flüssigkeitsraketentriebwerk

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Abstract

Die Erfindung gehört zum Bereich der Raketentechnik und kann bei Entwicklung der Raketentriebwerke mit sehr hohen Dichten der Wärmeströmung in die Kammerwand verwendet werden. Hierzu ist eine Brennkammer für ein Flüssigkeitsraketentriebwerk vorgesehen, die zumindest eine Transpirationskühlung, einen Einspritzkopf mit Frontplatte und koaxialen Einspritzelementen mit einem Einsatz und einer den Einsatz koaxial umgebenden Hülse aufweist. Die Innenwand der Brennkammer weist einen porösen Abschnitt auf, wobei der poröse Abschnitt von der Frontplatte im Abstand von 15 bis 20 Innendurchmessern der Hülse liegt.

Description

Die Erfindung gehört zum Bereich der Raketentechnik und kann für Brenn­ kammern von Raketentriebwerken mit einem sehr hohen Wärmeeintrag in die Kammerwand verwendet werden.
Eines der wichtigsten Probleme bei der Entwicklung der Triebwerke mit ho­ hem Wärmeeintrag in die Brennkammerwand ist zur Zeit die Sicherung einer zuverlässigen Kühlung der Brennkammerwände. Ab einem bestimmten Wärmebrennkammerinnendruck ist die verbreitete Methode der Kühlung der In­ nenseite oder Heissgasseite der Brennkammerwände durch Kühlmittelzufuhr in Kühlungswege auf der von der Heissgasseite abgewandten Seite nicht mehr sonderlich wirksam.
Eine der Methoden zur Lösung dieses Problems kann die Verwendung von transpirationsgekühlten Innenseiten der Brennkammern darstellen, wobei die Brennkammerwand zumindest teilweise aus Porenmaterial besteht und das Kühlmittel in die Brennkammer durch die Materialporen der Brennkammer­ wand zugeführt wird. Solche Transpirationskühlungen sind z. B. aus DE 196 16 838, US 4,703,620 und US 5,363,645 sowie aus D. Haeseler, V. Rubinskiy et al. "Experimental Investigation of Transpiration Cooled Hydrogen-Oxygen Subscale Chambers", AIAA 98-3364, Joint Propulsion Conference & Exhibit, July 13-15, 1998 bekannt. Dabei entsteht ein Schutzschleier des Kühlmittels an der Oberfläche der Brennkammerwand, der Wärmeeintrag in die Brenn­ kammerwand wird reduziert. Bei einem gewissen kritischen Wert des Mas­ senstroms des flüssigen Kühlmittels durch die Materialporen wird die Wand­ temperatur gleich der Siedetemperatur der Flüssigkeit beim vorliegenden Druck. Liegt gerade der kritische Massenstrom vor, so wird die Innenwand durch einen kontinuierlichen Flüssigkeitsschleier geschützt. Bei Reduzierung des Massenstroms verdampft die Flüssigkeit teilweise, der Schleier wird im wesentlichen gasförmig. Die Vorteile einer Transpirationskühlung kommen insbesondere bei einer hohen Temperaturdifferenz zwischen der Brennkam­ mer und dem Kühlmittel zum tragen.
Die Zufuhr eines Teils des Kühlmittels durch die Materialporen in die Brenn­ kammer führt zwar zu einem gewissen Verlust der Brennkammerleistung, die erforderliche Arbeitsfähigkeit der Brennkammer bleibt aber weiterhin ge­ währleistet. Dieser Hauptmangel der Transpirationskühlung, die Reduzierung der Brennkammerleistung, rührt daher, dass ein Teil des Kühlmittelmassen­ stroms, d. h. in der Regel eines Treibstoffs, dem Verbrennungsraum durch die Wände der Brennkammer zugeführt wird, anstatt den Einspritzkopf vorüber zu passieren. Dieser Effekt sollte weitgehend minimiert werden, wobei trotzdem eine möglichst optimale Kühlung gewährleistet sein sollte. Daher ist die güns­ tigste Anordnung eines Abschnitts mit einer porösen Brennkammerwand (z. B. einer speziellen Innenwand der Brennkammer, die als Einsatz ausgebildet sein kann) im Kühlungsweg der Brennkammer auszuwählen und das günstigs­ te Verhältnis zwischen der Länge des porösen Abschnitts und der Länge des gesamten Kühlungswegs zu bestimmen.
Bekannt ist eine Brennkammer eines Flüssigkeitsraketentriebwerks mit In­ nen- und Außenwänden, die einen Kühlungsweg bilden, der mit einem transpi­ rationsgekühlten Poreneinsatz verbunden ist. Dessen Innenprofil entspricht einem gasdynamischen Profil. Weiterhin ist ein Einspritzkopf mit Frontplatte und koaxialen Einspritzdüsen vorgesehen, die einen Einsatz und eine Hülse beinhalten, welche mit dem Einsatz einen Ringspalt als Austrittsöffnung für eine der Treibstoffkomponenten bildet. Eine weitere Treibstoffkomponente tritt durch eine Öffnung in dem Einsatz aus, der von dem Ringspalt koaxial umschlossen wird. Die Einspritzdüsen verbinden Vorräume die für Treibstoff­ komponenten mit dem Brennkammerraum (Alemassow W.E., Dregalin A.F., Tischin A.P. Theorie der Raketentriebwerke. M., Maschinostrojenije, 1980, 535 S, S. 303-304 Urbild).
In der bislang vorliegenden Brennkammer werden somit die Treibstoffkompo­ nenten dem Einspritzkopf zugeführt und treten durch die Einspritzdüsen in die Brennkammer ein. Ein Teil der Brennkammer in der Nähe des Einspritzkopfes wird regenerativ mit Hilfe einer Außenkühlung abgekühlt. Ein weiterer Teil der Brennkammer im Bereich des maximalen Wärmeeintrages in die Brennkam­ merwand weist eine Transpirationskühlung auf.
Der Hauptmangel dieser bisher bekannten Brennkammer nach dem Stand der Technik besteht darin, dass der spezifische Schubimpuls der Kammer für ei­ nen gegebenen Treibstoffkomponentendurchsatz auf einen zu geringen Wert gegenüber dem spezifischen Schubimpuls einer Kammer ohne Transpirati­ onskühlung gesenkt ist. Dies ist durch ein ungünstiges Verhältnis der Längen der Regenerativ- und Transpirationskühlungsbereiche des gesamten Küh­ lungsweges zueinander bedingt. Folge ist ein übermäßiger Durchsatz des Kühlmittels durch den porösen Abschnitt der Brennkammerwand und damit eine übermäßigen Reduzierung des spezifischen Schubimpulses.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Brenn­ kammer eines Flüssigkeitsraketentriebwerks, dessen Konstruktion die zuver­ lässige Abkühlung der Kammerwände mit minimalen Leistungsverlusten bei möglichst geringer Brennkammermasse gewährleistet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Es wird dabei eine Brennkammer für ein Flüssigkeitsraketentriebwerk be­ schrieben, die zumindest eine Transpirationskühlung, einen Einspritzkopf mit Frontplatte und koaxialen Einspritzelementen mit einem Einsatz und einer den Einsatz koaxial umgebenden Hülse besitzt, wie bereits aus dem vorgenannten Stand der Technik bekannt, wobei die Innenwand der Brennkammer einen porösen Abschnitt aufweist. Erfindungsgemäß liegt der poröse Abschnitt von der Frontplatte im Abstand von 15 bis 20 Innendurchmessern der Hülse. Die Brennkammer des Flüssigkeitsraketentriebwerkes kann dabei insbesondere Innen- und Außenmäntel besitzen, die zumindest einen Teil des Kühlungswe­ ges bilden und mit dem porösen Abschnitt zur Transpirationskühlung verbun­ den sind. Das Innenprofil des porösen Abschnitts entspricht dabei bevorzugt dem gasdynamischen Kammerprofil.
Wie die durchgeführten Untersuchungen zeigen, kommt es bei einer weiteren Reduzierung der unteren Grenze des genannten Verhältnisses zu einer inten­ siven Abtragung des porösen Materials der Brennkammerwand, bedingt durch die Wirkung von Einspritzdüsen des Einspritzkopfes, die im Peripheriebereich des Einspritzkopfes angeordnet sind. Bei der Wahl der oberen Grenze des ge­ nannten Verhältnisses muß berücksichtigt werden, daß die Vorteile der Transpirationskühlung möglichst vollkommen realisiert werden können, d. h. eine ausreichende Wirkung der Transpirationskühlung garantiert werden kann.
Eine technische Lösung wie in Anspruch 1 vorgeschlagen ist aus dem bisheri­ gen Stand der Technik nicht bekannt. Außerdem zeigt sich, daß diese techni­ sche Lösung über das technische Niveau des Standes der Technik hinaus­ geht. Dies gründet sich auf der Möglichkeit einer wirtschaftlicheren Nutzung des Oxydatordurchsatzes und höherer Werte der spezifischen Parameter der Brennkammer ohne Komplizierung der Konstruktion.
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine vorgenannte Brennkammer, wobei der der Frontplatte zugewandte Bereich des porösen Abschnittes eine 1,1 bis 2,5-fach höhere Durchlässigkeit aufweist als der der Frontplatte ab­ gewandte Bereich des porösen Abschnittes.
Insbesondere kann vorgesehen sein, daß zumindest in dem der Frontplatte zugewandten Bereich des porösen Abschnittes seitens der Kühlmittelzufuhr Vertiefungen in dem porösen Abschnitt vorgesehen sind, wobei die Wanddi­ cke des porösen Abschnittes im Bereich der Vertiefung das 0,3 bis 0,4-fache der Wanddicke des porösen Abschnittes ohne Vertiefung beträgt. Die Vertie­ fungen können dabei als umlaufende Rille ausgeführt sein.
Eine spezielle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung sowie der Fig. 1 und 2 erklärt.
Fig. 1 Darstellung eines Querschnitts durch die Brennkammer
Fig. 2 vergrößerte Darstellung von Ausschnitt A aus Fig. 1.
Die Brennkammer beinhaltet einen Einspritzkopf 1 mit einer Frontplatte 2. In die Frontplatte 2 sind koaxiale Einspritzdüsen 3 montiert, die aus einem Ein­ satz 4 und einer Hülse 5 bestehen, welche den Einsatz 4 koaxial umschließt und mit diesem einen Ringspalt 11 bildet. Die Einspritzdüsen 3 verbinden Komponentenräume 12, 13 für Treibstoffkomponenten mit einem Brenn­ kammerraum 14. Die Wände der Brennkammer bestehen aus einem Außen­ mantel 6 und einem Innenmantel 7, wobei ein Zwischenraum zwischen diesen beiden Mänteln 6, 7 einen Kühlungsweg 8 für den an die Frontplatte 2 an­ grenzenden Teil der Brennkammer bilden. Die Mäntel 6, 7 sind mit einem po­ rösen Abschnitt 9 zur Transpirationskühlung der Brennkammer verbunden, der als von den Mänteln 6, 7 separater Einsatz 9 ausgebildet sein kann und dessen dem Brennkammerraum 14 zugewandtes Innenprofil dem gasdynami­ schen Profil der Brennkammer entspricht. Der poröse Abschnitt liegt erfin­ dungsgemäß im Abstand von 15 bis 20 Innendurchmessern der Hülse 5 von Frontplatte 2 entfernt. An der dem Brennkammerraum 14 abgewandten Au­ ßenseite des porösen Abschnittes bzw. Einsatzes 9 sind Zuführungen 10 für das zu verwendende Kühlmittel angeordnet.
Der der Frontplatte 2 zugewandte Bereich des porösen Abschnittes 9 kann mit Durchlässigkeit ausgestattet sein, die etwa 1,1 bis 2,5 mal höher ist als Durchlässigkeit in dem der Frontplatte 2 abgewandten Bereich des porösen Abschnittes 9. Dies ist notwendig zur Sicherung eines höheren Kühlmittel- Durchsatzes am Anfangsbereich des porösen Abschnittes 9 nahe der Front­ platte 2, um dort eine erhöhte Wirkung der Transpirationskühlung zu erzielen.
Untere Grenze des genannten Verhältnisses für den Abstand des porösen Ab­ schnittes 9 von der Frontplatte 2 ist so gewählt, daß noch keine Gefahr für intensive Erosion des porösen Abschnittes bzw. Einsatzes 9 in dem der Front­ platte 2 zugewandten Bereich entsteht. Bei einer weitergehenden Reduzie­ rung besteht jedoch die Gefahr einer solchen Erosion. Analoges gilt für die Wahl der unterschiedlichen Durchlässigkeiten des porösen Abschnittes 9.
Die obere Grenze des genannten Verhältnisses ist so ausgewählt, daß gerade noch eine genügende Wirkung der Transpirationskühlung realisiert werden kann. Bei einer weiteren Vergrößerung des Abstandes besteht jedoch die Ge­ fahr einer nur unzureichenden Kühlwirkung der Transpirationskühlung. Grundsätzlich ist sowohl bei der unteren Grenze als auch bei der oberen Grenze eine ausreichende Wirkung der Transpirationskühlung zu garantieren.
Es ist zweckmäßig, daß zumindest in dem der Frontplatte 2 zugewandten Be­ reich des porösen Abschnitts 9 Vertiefungen 15 in dem porösen Abschnitt 9 vorgesehen sind, die sich von der Kühlmittelzufuhr 10 aus in den porösen Ab­ schnitt 9 erstrecken. Diese Vertiefungen 15 können beispielsweise als umlau­ fende Rille ausgeführt sein. Dabei beträgt die verbleibende Wanddicke des porösen Abschnittes 9 im Bereich der Vertiefung das 0,3 bis 0,4-fache der Wanddicke des porösen Abschnittes 9 ohne Vertiefung.
Die Vertiefungen 15 werden insbesondere vorgesehen, um einen höheren Kühlmitteldurchsatz in der Übergangszone von den Mänteln 6, 7 zum porösen Abschnitt 9 zu sichern sowie auch in dem der Frontplatte 2 am nächsten lie­ genden Bereich des porösen Abschnittes 9, was durch die Reduzierung des hydraulischen Wegwiderstands in dem porösen Abschnitt 9 aufgrund der ge­ ringeren Materialdicke bewirkt wird.
Untere Grenze des genannten Verhältnisses ist dabei so ausgewählt, daß die Wirkung der Transpirationskühlung möglichst optimal realisiert werden kann.
Die vorliegende Brennkammer funktioniert wie folgt: Die Treibstoff- Komponenten werden dem Einspritzkopf 1 in die Komponentenräume 12, 13 zugeführt. Aus dem Einspritzkopf 1 treten die Treibstoffkomponenten durch die koaxialen Einspritzdüsen 3, die in der Frontplatte 2 montiert sind und aus dem Aufsatz 4 und der Hülse 5 bestehen, in den Brennkammerraum 14 ein.
Ein Teil des Kühlmittels wird dem Kühlungsweg 8 zugeführt, der durch den Außenmantel 6 und Innenmantel 7 gebildet wird und wird für seine weitere Verwendungen in anschließend dem entsprechenden Komponentenraum 6, 7 zugeführt. Der andere Teil des Kühlmittels wird in Zuführungen 10 zugeführt, die auf der dem Brennkammerraum 14 abgewandten Seite des porösen Ab­ schnittes 9 liegen. Durch die Poren innerhalb des porösen Abschnittes 9 wird das Kühlmittel zur Heißgasseite des porösen Abschnittes 9, der dem Brenn­ kammerraum 14 zugewandt ist, geführt und kühlt dort die Wand der Brenn­ kammer ab.
Die erfindungsgemäße technischen Lösung gestattet die zuverlässige Kühlung der Brennkammerwände in der Zone maximaler Dichte der Wärmeströmun­ gen, wobei gleichzeitig die Sicherung der günstigen massenenergetischen Charakteristiken gewährleistet ist.

Claims (4)

1. Brennkammer für ein Flüssigkeitsraketentriebwerk, zumindest aufwei­ send eine Transpirationskühlung (9), einen Einspritzkopf (1) mit Frontplatte (2) und koaxialen Einspritzelementen (3) mit einem Einsatz (4) und einer den Einsatz (4) koaxial umgebenden Hülse (5), wobei die Innenwand der Brenn­ kammer einen porösen Abschnitt (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Abschnitt (9) von der Frontplatte (2) im Abstand von 15 bis 20 Innendurchmessern der Hülse (5) liegt.
2. Brennkammer nach Anspruch 1 ist, dadurch gekennzeichnet, daß der der Frontplatte (2) zugewandte Bereich des porösen Abschnittes (9) eine 1,1 bis 2,5-fach höhere Durchlässigkeit aufweist als der der Frontplatte (2) abgewandte Bereich des porösen Abschnittes (9).
3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in dem der Frontplatte (2) zugewandten Bereich des porösen Abschnittes (9) seitens der Kühlmittelzufuhr (10) Vertiefungen (15) in dem porösen Abschnitt (9) vorgesehen sind, wobei die Wanddicke des porösen Abschnittes (9) im Bereich der Vertiefung das 0,3 bis 0,4-fache der Wanddi­ cke des porösen Abschnittes (9) ohne Vertiefung beträgt.
4. Brennkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (15) als umlaufende Rille ausgeführt sind.
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