DE102011000383B4

DE102011000383B4 - Triebwerkvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Triebwerkvorrichtung

Info

Publication number: DE102011000383B4
Application number: DE102011000383.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Hald Hermann; Jürgen Häberle; Markus Ortelt
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2015-01-22
Anticipated expiration: 2031-01-29
Also published as: DE102011000383A1

Abstract

Triebwerkvorrichtung, umfassend eine Schubkammereinrichtung (12; 68) mit mindestens einer Wandung (38; 40; 42; 44), welche einen Schubkammereinrichtungsraum (14) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wandung (38; 40; 42; 44; 118; 150) mindestens in einem Injektionsbereich porös ausgebildet ist und der Injektionsbereich eine Injektoreinrichtung zur Injektion von Treibstoff in den Schubkammereinrichtungsraum (14) bildet, durch welchen im Betrieb der Triebwerkvorrichtung mindestens 50% des benötigten Treibstoffs eingekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Triebwerkvorrichtung, umfassend eine Schubkammereinrichtung mit mindestens einer Wandung, welche einen Schubkammereinrichtungsraum begrenzt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Triebwerkvorrichtung mit einer Schubkammereinrichtung, bei dem in einen Schubkammereinrichtungsraum Treibstoff eingekoppelt wird.
In einer Schubkammereinrichtung wird der für den Antrieb eines Flugkörpers wie einer Rakete oder eines Raumfahrzeugs erforderliche Schub erzeugt. Beispielsweise umfasst die Schubkammereinrichtung als Schubkammer eine Brennkammer, in welcher ein Treibstoff (Brennstoff) mit Oxidator verbrannt wird, um den entsprechenden Impuls zu erzeugen.
Aus der EP 1 604 731 A1 ist ein Mischkopf zur Zuführung von Medien zu einem Mischraum eines Mischers bekannt, wobei der Mischkopf aus mindestens zwei koaxial zu einer Achse ineinandergreifenden Segmenten aufgebaut ist, die mindestens zwei Segmente mindestens einen Verteilkanal mit einem zugehörigen langgezogenen Auslassbereich für einen Strom eines ersten Mediums und mindestens einen Verteilkanal mit einem zugeordneten langgezogenen Auslassbereich für einen Strom eines zweiten Mediums begrenzende Wandbereiche aufweisen, und der langgezogene Auslassbereich für das erste Medium und der langgezogene Auslassbereich für das zweite Medium koaxial zueinander und mindestens in einem Winkelbereich von 360° um die Achse umlaufend ausgebildet sind.
Aus der EP 0 604 279 A1 ist ein Injektor bekannt.
Aus der WO 99/04156 A1 ist eine Brennkammer, insbesondere für ein Raketentriebwerk, bekannt, welche einen Brennraum, einen den Brennraum umschließenden Innenmantel, einen den Innenmantel umschließenden Außenmantel und zwischen dem Innenmantel und dem Außenmantel ausgebildete Kühlmittelkanäle umfasst. Der Außenmantel ist aus einem Faserkeramikmaterial gebildet und der Innenmantel ist aus einem Faserkeramikmaterial oder aus Graphit gebildet.
Aus der US 4,840,025 ist eine Verbrennungskammer bekannt, welche eine Hülle aus einer gewobenen Siliciumcarbidfaser aufweist. Eine äußere Wand aus einer gewobenen Siliciumcarbidfaser ist beabstandet zu der inneren Wand, um einen Brennstoffdurchgang zu bilden.
Aus der US 6,606,851 B1 ist ein Raketenmotor bekannt, welcher eine Verbrennungskammer mit einer inneren Wand, einen Hals mit einer Hals-Wand, und eine Düse mit einer Düsenwand aufweist.
Aus der DE 1 085 719 ist ein Raketenantrieb bekannt, bei dem an eine Verbrennungskammer eine Bergmann- oder Laval-Düse anschließt und der Vortrieb durch Rückstoß heißer Gase erzielt wird und bei dem Mittel zum Schutz der Verbrennungskammer gegen die Einwirkung der heißen Verbrennungsgase vorgesehen sind. Die Wände der Verbrennungskammer sind durch einen tangential eingeführten, sich synchron mit dem heißen Gasinnenkern spiralig um die Längsachse der Verbrennungskammer drehenden kühleren Gasaußenmantel geschützt.
Aus der US 3,585,800 ist eine Transpirationskühlungsvorrichtung bekannt.
Aus der DE 198 58 197 A1 ist ein Triebwerk mit einer Brennkammer und einer Düse aus kohlenstofffaser-verstärktem Siliciumcarbid bekannt, die in eine metallische Tragstruktur integriert sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Triebwerkvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche vorteilhafte Eigenschaften aufweist und insbesondere bezüglich der Verhinderung von Stoßbildung und/oder bezüglich der Minimierung von Druckverlusten und/oder Wirkungsgradverlusten optimiert ausgebildet ist.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Triebwerkvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die mindestens eine Wandung mindestens in einem Injektionsbereich porös ausgebildet ist und der Injektionsbereich eine Injektoreinrichtung zur Injektion von Treibstoff in den Schubkammereinrichtungsraum bildet, durch welchen im Betrieb der Triebwerkvorrichtung mindestens 50% des benötigten Treibstoffs eingekoppelt ist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ein Hauptanteil des für den Betrieb benötigten Treibstoffes über den oder die Injektionsbereiche in der mindestens einen Wandung eingekoppelt. Es kann bis zu 100% der benötigten Treibstoffmenge durch eine solche Injektoreinrichtung eingekoppelt werden.
Es lässt sich dadurch gleichzeitig der für den Betrieb benötigte Treibstoff bereitstellen und die Wand lässt sich über Transpirationskühlung oder Effusionskühlung kühlen. Es ist eine Multifunktionalität erreicht. Die mindestens eine poröse Wandung (welche insbesondere eine stochastische Mikrostruktur aufweist, das heißt eine Struktur mit stochastisch verteilten Mikroporen) ermöglicht die Kombination von flächiger Treibstoffinjektion ohne Stoßbildung, mit Reduktion der Reibung an der Wandung und mit Wandkühlung, insbesondere bei hypersonischen Strömungen.
An der Wand kann sich ein Treibstofffilm ausbilden. Dadurch wird die Wandreibung reduziert. Es lässt sich eine Stoßbildung vermeiden.
Lokale thermische Belastungen der Schubkammereinrichtung lassen sich verhindern. Treibstoff kann großflächig über einen großen Flächenbereich in den Schubkammereinrichtungsraum eingekoppelt werden.
Es lässt sich definiert beispielsweise ein Auslösungsübergang von laminarer zu turbulenter Strömung in dem Schubkammereinrichtungsraum einstellen.
An einer treibstoffreichen Grenzschicht lässt sich eine Vorverbrennung des Treibstoffs durchführen; dies kann wiederum die Wandreibung reduzieren.
Auch thermomechanische Belastungen lassen sich reduzieren, da eine Wandung in einem großen Bereich bis zu einem gesamten Innenbereich aus einem Material oder aus Materialien mit ähnlichen thermomechanischen Eigenschaften herstellbar ist.
Durch Einstellung der Porosität können lokal unterschiedliche Eigenschaften (beispielsweise um lokal unterschiedliche Injektionsmassenströme und/oder lokal unterschiedliche Austrittsgeschwindigkeitsvektoren zu erreichen) definiert eingestellt werden.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass Oxidator und insbesondere Sauerstoff durch eine poröse Wandung eingekoppelt wird. Insbesondere wird dazu das Material der Wandung entsprechend gewählt. Beispielsweise ist das Material eine oxidationsbeständige Oxidkeramik wie Al2O3. Die Zuführung von Sauerstoff kann aus Betriebsführungsgründen vorteilhaft sein oder kann vorteilhaft sein, um Verbrennungszonen beziehungsweise die Effizienz der Verbrennung in einer Verbrennungszone zu steuern beziehungsweise einzustellen. Durch eine axiale Schichtbauweise kann beispielsweise auch in einer axialen Richtung ein Wechsel eines Einkopplungsmediums erfolgen.
Insbesondere ist durch den mindestens einen Injektionsbereich 100% des von dem Betrieb der Triebwerkvorrichtung benötigten Treibstoffs eingekoppelt.
Insbesondere ist durch den Injektionsbereich Treibstoff in dem für den Betrieb der Triebwerkvorrichtung notwendigen Massenstrom und notwendigen Austrittsgeschwindigkeit eingekoppelt.
Es ist eine Zuführungseinrichtung zur Zuführung von Treibstoff zu dem mindestens einen Injektionsbereich vorgesehen. Dadurch lässt sich dann über den Injektionsbereich, das heißt über die mindestens eine Wandung in den Schubkammereinrichtungsraum einkoppeln.
Es ist dann günstig, wenn die Zuführungseinrichtung einen Verteiler umfasst, welcher fluidwirksam mit dem mindestens einen Injektionsbereich verbunden ist. Durch den Verteiler lässt sich dem mindestens einen Injektionsbereich großflächig Treibstoff bereitstellen, um eine großflächige Einkopplung von Treibstoff in den Schubkammereinrichtungsraum zu ermöglichen.
Günstig ist es, wenn eine Hauptströmungsrichtung im Verteiler quer zu einer Injektionsrichtung von Treibstoff in den Schubkammereinrichtungsraum orientiert ist. Dadurch lässt sich beispielsweise eine regenerative Kühlung über die Strömung des Treibstoffs im Verteiler erreichen.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst der Verteiler mindestens einen Kanalbereich, welcher aus einem porösen Material hergestellt ist, dessen Porosität höher ist als die Porosität des mindestens einen Injektionsbereichs. Dadurch lässt sich eine mechanisch stabile Schubkammereinrichtung realisieren. Die mindestens eine Wandung lässt sich über den Verteiler an einem lasttragenden Mantel der Triebwerkvorrichtung abstützen.
Insbesondere ist der Verteiler zwischen der mindestens einen Wandung und einem lasttragenden Mantel der Schubkammereinrichtung angeordnet und kontaktiert diese vorzugsweise. Dadurch erhält man einen mechanisch stabilen Aufbau.
Es ist auch günstig, wenn die Hauptströmungsrichtung in dem Verteiler mindestens näherungsweise parallel zu einer Hauptströmungsrichtung (in Gleichrichtung oder Gegenrichtung) in dem Schubkammereinrichtungsraum ist.
Die Schubkammereinrichtung ist vorzugsweise an einem lasttragenden Mantel der Triebwerkvorrichtung angeordnet. Dieser lasttragende Mantel ist beispielsweise aus einem metallischen Material oder beispielsweise aus einem faserkeramischen Material oder beispielsweise aus einem hochfesten Faserverbundwerkstoff auf polymerer Basis hergestellt. Es lässt sich dadurch eine funktionelle Trennung bezüglich der mindestens einen Wandung und einem lasttragenden Bereich der Triebwerkvorrichtung erreichen.
Günstigerweise ist eine Injektionsrichtung für die Injektion von Treibstoff in den Schubkammereinrichtungsraum an der mindestens einen Wandung quer zu einer Längsachse und/oder quer zu einer Hauptströmungsrichtung im Schubkammereinrichtungsraum. Grundsätzlich kann dabei auch in Bereichen eine parallele oder gegenüber einer Hauptströmungsrichtung angestellte (in einem endlichen Winkel zu dieser liegende) Injektionsrichtung vorgesehen sein. Dadurch lässt sich beispielsweise eine intensivere Verwirbelung erzielen, um eine optimierte Durchmischung von Oxidator und Treibstoff zu erreichen. Grundsätzlich ist es günstig, wenn die Injektionsrichtung in einem endlichen Winkel zu der Hauptströmungsrichtung liegt, das heißt gegenüber dieser angestellt ist (in einem Winkelbereich größer 0°). Der Winkel kann dabei spitz sein oder bei 90° liegen. Dadurch lässt sich Treibstoff tief in den Schubkammereinrichtungsraum einbringen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der mindestens eine Injektionsbereich mindestens teilweise an einem Wandungsbereich liegt, an welchem ein Querschnitt des Schubkammereinrichtungsraums variiert. Dadurch kann in einem Bereich Treibstoff eingekoppelt werden, indem beispielsweise eine Beschleunigung einer Strömung stattfindet. Es lässt sich eine optimale Vermischung erreichen und es lassen sich beispielsweise für ein Treibstoff-Oxidator-Gemisch optimierte Zündbedingungen schaffen.
Es ist dann besonders günstig, wenn der mindestens eine Injektionsbereich mindestens teilweise an dem Wandungsbereich liegt, an welchem sich ein Querschnitt des Schubkammereinrichtungsraums in Richtung eines Auslasses verjüngt. Es lassen sich dort optimierte Mischungsverhältnisse und Zündverhältnisses bereitstellen.
Günstig ist es, wenn eine Zuführungseinrichtung zur Zuführung von Oxidator in den Schubkammereinrichtungsraum vorgesehen ist, um ein Oxidator-Treibstoff-Gemisch zur Zündung bereitstellen zu können.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Zuführungseinrichtung für Oxidator mindestens teilweise an den mindestens einen Injektionsbereich gekoppelt ist. Es lässt sich dann auch mindestens eine Teilmenge von Oxidator durch die mindestens eine poröse Wandung im Schubkammereinrichtungsraum einkoppeln. Günstigerweise ist es dabei vorgesehen, dass keine Vormischung von Oxidator und Treibstoff vor der Einkopplung in den Schubkammereinrichtungsraum stattfindet.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Kühleinrichtung zur Transpirationskühlung und/oder Effusionskühlung vorgesehen ist, welche den mindestens einen Injektionsbereich umfasst. Durch die Treibstoffeinkopplung durch mindestens eine poröse Wand hindurch lässt sich auch eine Schwitzkühlung erreichen. Es lässt sich dabei auch ein Treibstofffilm an der Innenseite der mindestens einen Wandung ausbilden, um insbesondere die thermische Belastung der mindestens einen Wandung zu reduzieren. Ferner senkt ein solcher Treibstofffilm die Wandreibung.
Günstig ist es, wenn sich im Betrieb der Triebwerkvorrichtung ein Treibstofffilm an der mindestens einen Wandung und insbesondere an dem mindestens einen Injektionsbereich zu dem Schubkammereinrichtungsraum hin ausbildet. Ein oberflächennaher Treibstofffilm schützt grundsätzlich die mindestens eine Wandung und durch oberflächennahe Verbrennung wird die Wandreibung reduziert und der Schub erhöht. Er verhindert ferner die Stoßausbildung in der Strömung. Weiterhin kann eine Vorverbrennung an der entsprechenden Grenzschicht stattfinden. Es lässt sich auch ein räumlich definiertes Auslösen der Umschaltung von laminarer zu turbulenter Strömung erreichen.
Die Schubkammereinrichtung umfasst insbesondere mindestens eines der Elemente Einlauf, Injektorelement, Schubkammer, Düse, wobei die Elemente bezogen auf eine Hauptströmungsrichtung hintereinander angeordnet sein können. (Beispielsweise sind Einlauf, Injektorelement, Schubkammer und Düse hintereinander angeordnet. Es ist beispielsweise auch möglich, dass Injektorelemente im Einlauf angeordnet sind.). Diese Elemente haben unterschiedliche Funktionen. In einer Schubkammer erfolgt insbesondere die Verbrennung und der notwendige Schub wird durch die Düse erzeugt. erzeugt. An der Düse erfolgt eine Entspannung. Über ein Injektorelement wird in der Regel der Hauptmassenstrom an Treibstoff eingekoppelt. Über den Einlauf wird beispielsweise (wie bei luftatmenden Antrieben wie RAMjets oder SCRAMjets) Oxidator eingekoppelt oder wird flächig durch die Wandung (insbesondere zusätzlich) eingebracht, falls erforderlich. Aufgrund der unterschiedlichen Funktionen bestehen grundsätzlich unterschiedliche Anforderungen an diese Elemente, wobei diese unterschiedlichen Anforderungen auch durch Ausbildung von entsprechenden porösen Wandungen realisiert werden können.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Schubkammer als Brennkammer ausgebildet. In einer Brennkammer erfolgt eine Treibstoff-Oxidator-Verbrennung zur Schuberzeugung.
Günstig ist es, wenn benachbarte Elemente durch eine Wand getrennt sind, deren Durchlässigkeit für Treibstoff in einer Richtung des Aufeinanderfolgens (und auch in der Querrichtung dazu) niedriger ist als die Durchlässigkeit für Treibstoff in den Schubkammereinrichtungsraum hinein. Dadurch lassen sich unterschiedlich funktionelle Elemente unterschiedlich ausgestalten. Beispielsweise können unterschiedliche funktionelle Elemente unterschiedliche Massenstromzuführungen in den Schubkammereinrichtungsraum realisieren.
Günstig ist es, wenn die Wand gegenüber einer inneren Oberfläche der mindestens einen Wandung, welche dem Schubkammereinrichtungsraum zugewandt ist, zurückgesetzt ist. Dadurch lassen sich die thermischen und thermomechanischen Belastungen dieser Wand reduzieren.
Die Wand kann dabei diskret aufgebaut sein und/oder durch Modifikation der Porosität in der mindestens einen Wandung ausgebildet sein. Eine diskret aufgebaute Wand ist ein zusätzliches Bauteil, welches mit den benachbarten Wandungen gefügt ist. Durch Modifikation der Porosität und beispielsweise Einstellung einer verringerten Porosität beziehungsweise den Verschluss von Poren lässt sich ebenfalls eine Wand mit verringerter Durchlässigkeit für Treibstoff realisieren.
Grundsätzlich kann die mindestens eine Wandung eine Wandung sein, welche den Schubkammereinrichtungsraum mindestens in einem Teilbereich umgibt und/oder die Wandung eines in dem Schubkammereinrichtungsraum angeordneten strömungsbeeinflussenden Körpers sein. Im ersten Falle ist die mindestens eine Wandung eine äußere Begrenzungswand für den Schubkammereinrichtungsraum oder einen Teilbereich davon. Im zweiten Falle ist die Wandung diejenige eines Elements, welches innerhalb des Schubkammereinrichtungsraums angeordnet ist.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn an der mindestens einen Wandung eine Wirbelbildungseinrichtung angeordnet ist. Dadurch lässt sich Treibstoff verwirbeln, um für eine Optimierung der Vermischung mit Oxidator zu sorgen. Insbesondere ist dabei an der Wirbelbildungseinrichtung direkt mindestens ein Injektionsbereich gebildet, so dass sich Treibstoff quer zu einer Hauptströmungsrichtung einkoppeln lässt.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Wirbelbildungseinrichtung einen oder mehrere Stufenbereiche und/oder einen oder mehrere Rampenbereiche, wobei insbesondere an einem Stufenbereich oder Rampenbereich mindestens ein Injektionsbereich gebildet ist. Dadurch lässt sich bei konstruktiv einfacher Gestaltung eine großflächige Wirbelstruktur erzeugen.
Zur Erzeugung einer großflächigen Wirbelstruktur ist es insbesondere vorteilhaft, wenn Rampenbereiche mit gegenläufiger Rampensteigung vorgesehen sind.
Günstig ist es, wenn die Porenverteilung an dem mindestens einen Injektionsbereich stochastisch variiert. Dadurch lässt sich eine Rezirkulation von Treibstoff verhindern und die Grenzschicht bleibt stabil, insbesondere im Zusammenhang mit einer feinen Porenausbildung.
Die mindestens eine Wandung kann mindestens in dem Injektionsbereich aus einem faserverstärkten Material hergestellt sein und/oder aus einem C/C-Material hergestellt sein und/oder aus einem keramischen Material (insbesondere faserkeramischem Material) hergestellt sein und/oder aus einem oxidkeramischen Material hergestellt sein und/oder aus einem Sintermetall hergestellt sein und/oder aus einem karbidkeramischen Material hergestellt sein und/oder aus C/C-SiC hergestellt sein. Bei einem faserverstärkten Material lässt sich durch die Faserorientierung eine Injektionsrichtung vorgeben. Bei einem C/C-SiC-Material lässt sich durch Si-Infiltration die Porenverteilung gezielt beeinflussen. Beispielsweise lässt sich auch bei einem C/C-Material mit Harz-Infiltration die Porenverteilung gezielt beeinflussen.
Insbesondere ist der mindestens eine Injektionsbereich in einer Vorzugsrichtung für die Treibstoffinjektion eingestellt. Dadurch lassen sich die Leiter von Austrittsgeschwindigkeitsvektoren vorgeben.
Beispielsweise ist die Vorzugsrichtung durch eine Faserrichtung im Material der mindestens einen Wandung eingestellt und/oder durch fehlende Fasern im Material eingestellt. Es ist auch möglich, dass Kohlenstoffnanoröhren in der mindestens einen Wandung angeordnet sind und insbesondere in diese integriert sind. Durch entsprechende Lage der Röhren lässt sich ebenfalls eine Vorzugsrichtung für die Treibstoffinjektion vorgeben.
Bei einer Ausführungsform ist die Vorzugsrichtung so eingestellt, dass ein Austrittsgeschwindigkeitsvektor des Treibstoffs schräg zu einer Hauptströmungsrichtung in dem mindestens einen Schubkammereinrichtungsraum orientiert ist. Dadurch lässt sich je nach Verhältnissen eine optimierte Vermischung erreichen. Beispielsweise lässt sich auch die Wirbelbildung fördern, wenn der Austrittsgeschwindigkeitsvektor entgegen einer Hauptströmungsrichtung liegt.
Es ist dabei möglich, dass der Austrittsgeschwindigkeitsvektor bezüglich einer Ebene, welche die Hauptströmungsrichtung enthält, schräg orientiert ist und/oder schräg zu einer Ebene quer zur Hauptströmungsrichtung orientiert ist. Es ist dadurch eine Anpassung an die Anforderungen möglich.
Es ist auch möglich, dass die mindestens eine Wandung in einer Längsrichtung der Schubkammereinrichtung eine variierende Porosität und/oder variierende Wanddicke aufweist. Dadurch lässt sich insbesondere lokal und insbesondere variierend ein Massenstrom für den injizierten Treibstoff einstellen.
Es ist möglich, dass die mindestens eine Wandung durch Wicklung hergestellt ist.
Es ist auch möglich, dass die mindestens eine Wandung durch in Längsrichtung der Schubkammereinrichtung aufeinanderfolgende Schichten hergestellt ist. Die Schichten werden beispielsweise während der Herstellung integral miteinander verbunden.
Bei einer Ausführungsform ist mindestens ein Strömungskörper in dem Schubkammereinrichtungsraum angeordnet, welcher insbesondere umströmbar ist. Dadurch lässt sich ein Staustrahltriebwerk realisieren.
Bei einer günstigen Ausführungsform ist der mindestens eine Strömungskörper in einer Längsrichtung der Schubkammereinrichtung feststellbar beweglich. Dadurch lässt sich der Querschnitt eines oder mehrerer Strömungskanäle variabel einstellen und so an konkrete Bedingungen anpassen. Beispielsweise ist es dadurch auch möglich, zwischen einem RAMJET-Betrieb und SCRAMJET-Betrieb umzuschalten.
Insbesondere verengt der mindestens eine Strömungskörper einen Strömungsquerschnitt. Dadurch lässt sich eine Strömungsbeschleunigung erreichen. Über einen Injektionsbereich, welcher an einem Strömungskörper gebildet ist, lässt sich in einem solchen Bereich direkt Treibstoff einkoppeln.
Entsprechend ist es günstig, wenn der mindestens eine Strömungskörper in der Längsrichtung einen variierenden Querschnitt aufweist, um eine Beschleunigung zu erreichen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der mindestens eine Strömungskörper mindestens einen Injektionsbereich aufweist, um eine lokal optimierte Einkopplung von Treibstoff zu erhalten.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, dass mindestens 50% des für den Betrieb erforderlichen Treibstoffs durch eine poröse Wandung der Schubkammereinrichtung hindurch eingekoppelt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Triebwerkvorrichtung erläuterten Vorteile auf.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Triebwerkvorrichtung erläutert.
Die Porosität der Wandung ist insbesondere durch eine Mikrostruktur mit stochastischer Porengrößenverteilung bereitgestellt. Die Mikrostruktur selber kann keine Vorzugsrichtungen aufweisen oder sie kann insbesondere gezielt eingestellte Vorzugsrichtungen aufweisen; solche Vorzugsrichtungen lassen sich durch die Anordnung und/oder Ausbildung von verwendeten Fasern beziehungsweise Geweben beziehungsweise Gelegen einstellen.
Insbesondere lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren an der erfindungsgemäßen Triebwerkvorrichtung durchführen.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine schematische Teilschnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Triebwerkvorrichtung;
2 eine schematische Teilschnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Triebwerkvorrichtung;
3 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Triebwerkvorrichtung;
4 eine Schnittansicht längs der Linie 4-4 gemäß 3;
5 eine Schnittansicht längs der Linie 5-5 gemäß 3;
6 eine Teildarstellung des Bereichs A gemäß 1;
7 eine Schnittansicht längs der Linie 7-7 gemäß 6;
8 eine schematische Darstellung von Austrittsgeschwindigkeitsvektoren in Relation zu einer Hauptströmungsrichtung;
9 eine ähnliche Ansicht wie 8 mit einer anderen Lage der Austrittsgeschwindigkeitsvektoren;
10 eine weitere beispielhafte Darstellung der Lage von Austrittsgeschwindigkeitsvektoren relativ zur Hauptströmungsrichtung, welche senkrecht zur Zeichenebene ist;
11 eine schematische Darstellung eines Austrittsbereichs aus einer Wandung mit einem Injektionsbereich und einer entsprechenden porösen Struktur;
12 schematisch ein Ausführungsbeispiel mit variierender Porosität zur Einstellung eines ortsabhängigen Injektionsmassenstroms;
13 eine ähnliche Ansicht wie 12, mit einem anderen eingestellten ortsabhängigen Verlauf des Massenstroms;
14 einen schematischen Ausschnitt aus einer Kühleinrichtung einer erfindungsgemäßen Triebwerkvorrichtung;
15(a) eine schematische Schnittansicht einer Triebwerkvorrichtung mit Strömungskörpern;
15(b) eine Schnittansicht der Triebwerkvorrichtung gemäß 15(a);
16(a) eine weitere Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Triebwerkvorrichtung mit Strömungskörpern;
16(b) eine Schnittansicht der Triebwerkvorrichtung gemäß 16(a); und
17 eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Triebwerkvorrichtung mit einem Strömungskörper.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Triebwerkvorrichtung, welches in 1 in einer Schnittdarstellung schematisch gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, ist an einem Fahrzeug und insbesondere Flugkörper fixiert. Der Flugkörper ist insbesondere eine Rakete, ein Raumfahrzeug, oder ein Hyperschallflugzeug. Die Triebwerkvorrichtung 10 umfasst eine als Ganzes mit 12 bezeichnete Schubkammereinrichtung, welche den Schub für den Antrieb des Fahrzeugs bereitstellt.
Die Schubkammereinrichtung 12 hat einen Schubkammereinrichtungsraum 14, in welchem eine Fluidströmung ausbildbar ist. Der Schubkammereinrichtungsraum 14 weist eine Längsachse 16 auf, entlang welcher sich dieser erstreckt.
Die Längsachse 16 gibt eine axiale Richtung für die Schubkammereinrichtung 12 vor.
Der Schubkammereinrichtungsraum 14 kann rotationssymmetrisch zu der Längsachse 16 ausgebildet sein. Er kann beispielsweise auch kastenförmig ausgebildet sein.
Die Schubkammereinrichtung 12 umfasst eine Schubkammer 18 mit einem Schubraum 20. Die Schubkammer 18 ist insbesondere als Brennkammer ausgebildet, in welchem ein Treibstoff-Oxidator-Gemisch verbrennt, um den notwendigen Schub zu erzeugen.
Die Schubkammereinrichtung 12 weist einen Auslass 22 auf. In Richtung des Auslasses 22 ist der Schubkammer 18 eine Düse 24 nachgeordnet. Die Düse 24 hat dabei einen Verengungsbereich 26, an welchen sich in Richtung des Auslasses 22 ein Erweiterungsbereich 28 anschließt.
Die Schubkammereinrichtung 12 hat einen Einlass 30. An dem Einlass 30 ist ein Einlauf 32 angeordnet. Dem Einlauf 32 in Richtung des Auslasses 22 nachfolgend ist ein Injektorelement 34 angeordnet, durch welches Treibstoff und/oder Oxidator in den Schubkammereinrichtungsraum 14 einkoppelbar ist. Dem Injektorelement 34 nachfolgend ist die Schubkammer 18 angeordnet.
Die Schubkammereinrichtung 12 umfasst einen lasttragenden Mantel 36. An diesem sitzen Wandungen 38, 40, 42, 44, welche den Schubkammereinrichtungsraum 14 umgeben und diesen begrenzen. Die Wandung 38 ist dabei eine Wandung des Einlaufs 32, die Wandung 40 ist eine Wandung des Injektorelements 34, die Wandung 42 ist eine Wandung der Schubkammer 18, welche den Schubraum 20 umgibt, und die Wandung 44 ist eine Wandung der Düse 24, welche die Düsenform bestimmt.
Die Wandungen 38, 40, 42, 44 haben jeweils eine Innenseite 46, welche dem Schubkammereinrichtungsraum 14 zugewandt ist und diesen begrenzt. Sie haben ferner eine Außenseite 48, welche der Innenseite 46 abgewandt ist und welche dem Mantel 36 zugewandt ist.
Die jeweiligen Wandungen 38, 40, 42, 44 sind mindestens in Teilbereichen mit ihrer Außenseite 48 beabstandet zu dem Mantel 36. Dadurch sind jeweilige Freiräume 50 zwischen dem Mantel 36 und den Wandungen 38, 40, 42, 44 gebildet. Durch die Freiräume 50 ist ein Verteiler 52 gebildet, über welchen Treibstoff (und gegebenenfalls Oxidator) der jeweiligen Außenseite 48 der entsprechenden Wandung 38, 40, 42, 44 zuführbar ist und durch die jeweilige Wandung 38, 40, 42, 44 hindurch in den Schubkammereinrichtungsraum 14 einkoppelbar ist.
Die Wandung 38 des Einlaufs 32 ist (ring-)zylindrisch ausgebildet und begrenzt einen zylindrischen Einlaufraum 54. Die Wandung 40 des Injektorelements 34 ist kegelstumpfförmig ausgebildet und begrenzt einen kegelstumpfförmigen Injektorelementraum 56. Ein Querschnitt des Injektorelementraums 56 verjüngt sich dabei in Richtung des Auslasses 22.
Die Wandung 42 der Schubkammer 18 ist so ausgebildet, dass der Schubraum 20 sich in einer Richtung von dem Einlass 30 weg zu dem Auslass hin 22 erweitert.
Die Wandungen 38, 40, 42, 44 sind aus einem porösen Material mit poröser Mikrostruktur hergestellt. Die Porengrößenverteilung ist insbesondere stochastisch. Dadurch kann Treibstoff, welcher dem Verteiler 52 über eine Zuführungseinrichtung zugeführt wird, durch die Wandung 38, 40, 42, 44 hindurch in den Schubkammereinrichtungsraum 14 eingekoppelt werden. Dies ist in 1 durch die Pfeile 58 angedeutet. Eine Einkopplungsrichtung liegt dabei quer zu der Längsachse 16.
Es ist vorgesehen, dass über die Wandungen 38, 40, 42, 44 mindestens 50% des für den Betrieb der Triebwerkvorrichtung 10 benötigten Treibstoffs eingekoppelt wird. Beispielsweise wird der für den Betreib notwendige Treibstoff vollständig über die Wandungen 38, 40, 42, 44 eingekoppelt, das heißt 100% der benötigten Treibstoffmenge werden über die Wandungen 38, 40, 42, 44 in den Schubkammereinrichtungsraum 14 injiziert.
Die Wandungen 38, 40, 42, 44 bilden Injektionsbereiche, über welche Treibstoff in den Schubkammereinrichtungsraum 14 eingekoppelt wird. In die entsprechende Wandung ist eine Injektoreinrichtung integriert, welche für die zumindest partielle Treibstoffzufuhr sorgt. Der Treibstoff wird dabei mit dem für den Betrieb der Schubkammereinrichtung 12 notwendigen Massenstrom und mit der notwendigen Austrittsgeschwindigkeit bereitgestellt.
Es ist dabei möglich, dass eine Wandung 38, 40, 42, 44 vollständig als Injektionsbereich ausgebildet ist oder nur in einem oder mehreren Teilbereichen Injektionsbereiche vorhanden sind. Ferner ist es möglich, dass nicht alle Wandungen 38, 40, 42, 44 als Injektionsbereiche ausgebildet sind oder solche umfassen. Beispielsweise ist nur die Wandung 42 der Schubkammer 18 als Injektionsbereich ausgebildet beziehungsweise umfasst einen solchen oder mehrere; in diesem Fall ist kein Injektorelement 34 vorgesehen. Beispielsweise ist es auch möglich, dass die Treibstoffzuführung nur über das Injektorelement 34 erfolgt, das heißt nur die Wandung 40 als Injektionsbereich ausgebildet ist beziehungsweise einen oder mehrere Injektionsbereiche umfasst.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird Oxidator über eine Zuführungseinrichtung 60 über den Einlass 30 eingekoppelt. In dem Schubkammereinrichtungsraum 14 mischen sich dann Oxidator und Treibstoff und es entsteht insbesondere in dem Schubraum 20 ein zündfähiges Gemisch.
Es ist auch möglich, dass, wie oben erwähnt, Oxidator über eine oder mehrere der Wandungen 38, 40, 42, 44 in den Schubkammereinrichtungsraum 14 eingekoppelt wird, wobei insbesondere außerhalb des Schubkammereinrichtungsraums 14 kein zündfähiges Teibstoff-Oxidator-Gemisch entstehen kann, das heißt ein Verteiler für Oxidator und der Verteiler 52 für Treibstoff fluiddicht getrennt sind.
In dem Schubkammereinrichtungsraum 14 strömt Fluid in einer Hauptströmungsrichtung 62, welche mindestens näherungsweise parallel zur Längsachse 16 ist. Eine Haupt-Einkopplungsrichtung für Treibstoff durch einen Injektorbereich liegt quer zur Hauptströmungsrichtung 62 in dem Schubkammereinrichtungsraum 14. (Es ist aber grundsätzlich möglich, dass lokal auch parallel oder angestellt zur Hauptströmungsrichtung 62 Treibstoff injiziert wird.)
Durch die Injektion von Treibstoff über die poröse Wandung 42 usw., das heißt durch in die Wandung integrierte Injektionsbereiche, lässt sich auch eine Transpirationskühlung (Schwitzkühlung mit Phasenübergang) oder Effusionskühlung (Schwitzkühlung ohne Phasenübergang) an der entsprechenden Wandung erreichen. Es existiert auch die alternative Definition, dass Transpirationskühlung eine Schwitzkühlung mit oder ohne Phasenwechsel durch ein stochastisches poröses Medium ist. Effusionskühlung ist dann eine Schwitzkühlung in einem Feld aus diskreten Öffnungen. Weiterhin kann sich dann an der Innenseite 46 der entsprechenden Wandung ein Treibstofffilm 64 ausbilden. Dieser Treibstofffilm 64 erniedrigt die Wandreibung. Ferner lassen sich dadurch Stöße (im Vergleich zu diskreten lochförmigen Treibstoff-Einspritzungen) vermeiden.
Die Treibstoffinjektion über den oder die Injektionsbereiche wird über einen großen Flächenbereich durchgeführt. In einem Ausführungsbeispiel erfolgt beispielsweise die Treibstoffinjektion über die gesamte Innenseite 46 beispielsweise der Wandung 42.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist die Schubkammereinrichtung 12 die Elemente 32 (Einlauf), 34 (Injektorelement), 18 (Schubkammer) und 24 (Düse) auf, welche unterschiedliche Funktionen haben. Dementsprechend können unterschiedliche Einstellungen für die Treibstoffinjektion an unterschiedlichen funktionellen Elementen insbesondere bezüglich Ort der Einkopplung, Massenstrom, Austrittsgeschwindigkeit, Richtung des Austrittsgeschwindigkeitsvektors usw. vorliegen.
Benachbarte Elemente sind durch eine Wand 66 getrennt, welche eine erheblich geringere Durchlässigkeit (parallel und quer zur Längsrichtung 16) für Treibstoff aufweist als die entsprechende Wandung (beispielsweise die Wandung 40 und die Wandung 42), zwischen welchen die Wand 66 liegt. Die Wand 66 ist dabei so ausgebildet, dass sie die Treibstoffverteilung in dem Verteiler 52 nicht behindert.
Die Wand 66 kann dabei als diskretes Element ausgebildet sein, welches beispielsweise an dem Mantel 36 fixiert ist.
Eine Wand 66 kann grundsätzlich auch in die Wandung 40, 42 integriert sein und beispielsweise durch Modifikation der Porosität realisiert sein. Beispielsweise kann die entsprechende Wand 66 durch Verschließen von Poren hergestellt sein oder durch einen Bereich mit geringerer Porosität im Vergleich zu den entsprechenden Wandungen mit Injektionsbereichen versehen sein.
Grundsätzlich kann eine diskrete Wand 66 aus einem metallischen Material hergestellt sein wie ein Hochtemperaturstrahl oder beispielsweise aus einem faserkeramischen Werkstoff wie einem karbidkeramischen Werkstoff wie C/C-SiC. Eine Wand 66 kann dabei gegenüber der Innenseite 46 der entsprechenden Wandungen zurückgesetzt sein, um die thermische Belastung der Wand 66 zu minimieren.
Ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schubkammereinrichtung, welches in 1 gezeigt und dort mit 68 bezeichnet ist, ist grundsätzlich aufgebaut wie die Schubkammereinrichtung 12. Für gleiche Elemente werden gleiche Bezugszeichen verwendet. Die Schubkammereinrichtung 68 umfasst einen Verteiler 70, welcher zwischen dem lasttragenden Mantel 36 und den Wandungen 38, 40, 42, 44 angeordnet ist. Der Verteiler 70 ist dabei aus einem porösen Material hergestellt und liegt flächig und insbesondere vollflächig an dem lasttragenden Mantel und den Wandungen 38, 40, 42, 44 an. Er bildet einen Abstandshalter zwischen dem lasttragenden Mantel 36 und den Wandungen 38, 40, 42, 44 und kontaktiert beide.
Die Porosität des Verteilers 70 ist größer als die Porosität der Wandungen 38, 40, 42, 44, um den Außenseiten 48 der Wandungen 38, 40, 42, 44 großflächig Treibstoff zuführen zu können.
Durch den Verteiler 70 ist mindestens ein ”nicht leerer” Kanalbereich gebildet. Eine Hauptströmungsrichtung 72 in dem Verteiler 70 liegt dabei mindestens näherungsweise parallel zu der Hauptströmungsrichtung 62 in dem Schubkammereinrichtungsraum 14.
Dies ist auch in 14 nochmals angedeutet. Zusätzlich zu einer Transpirationskühlung beziehungsweise Effusionskühlung lässt sich dadurch ein Treibstoffstrom an der Außenseite 48 der entsprechenden Wandung 40 usw. vorbeiführen, durch welchen sich Wärme abführen lässt.
Der Verteiler 70 (und auf ähnliche Weise auch der Verteiler 52) sind damit Teil einer Kühleinrichtung, durch welche sich die Wandung 40 usw. kühlen lässt, indem Wärme über ihre Außenseite 48 abgeführt wird.
Die Wandung 40 usw. ist an dem lasttragenden Mantel 36 fixiert (3 bis 5). Eine entsprechende Fixierungseinrichtung 74 weist dazu beispielsweise Anlageelemente 76 auf, welche dem entsprechenden Schubkammereinrichtungsraum 14 zugewandt sind und in einer entsprechenden Ausnehmung 78 an der entsprechenden Wandung 40 anliegen und diese in einer Richtung quer zur Längsachse 16 (und insbesondere radial) halten. Die Anlageelemente 76 sind dabei über entsprechende Verbinder 80 direkt mit dem Mantel 36 verbunden. Ein Verbinder 80 taucht dabei durch die Wand 40 und den Verteiler 52, 70 hindurch. Er ist mit dem Mantel 36 beispielsweise über einen oder mehrere Bolzen 82 oder Schrauben usw. verbunden.
Zwischen dem Mantel 36 und der Wandung 40 usw. sind Abstandselemente 84 angeordnet, welche die Wandung 40 usw. quer zur Längsachse 16 in einer Richtung nach außen halten. Das oder die Abstandselemente 84 sind dabei vorteilhafterweise an dem Verbinder 80 angeordnet.
Ein Anlageelement 76 weist beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt auf, um eine große Anlagefläche bereitzustellen.
An einer Wandung 42 können, wie in den 1 und 6 und 7 beispielhaft gezeigt, eine Wirbelbildungseinrichtung 86 angeordnet sein, über welche sich insbesondere in eingekoppeltem Treibstoff Wirbel ausbilden lassen, um eine bessere Treibstoff-Oxidator-Vermischung zu erreichen. Die Wirbelbildungseinrichtung 86 umfasst beispielsweise Rampen 88, 90, welche an der Innenseite 46 der entsprechenden Wandung 42 angeordnet sind. Eine solche Rampe 88, 90 hat einen Steigungsbereich 90 mit einer steigenden Fläche, und einen Stufenbereich 92, wobei zwischen dem Steigungsbereich 90 und dem Stufenbereich 92 eine Kante 94 gebildet ist. Insbesondere durch die Kante 94 lassen sich Wirbel 96 erzeugen. Eine Rampe 88 bildet einen Injektionsbereich, das heißt die Rampe 88 ist aus einem porösen Material hergestellt, so dass sich Treibstoff durch die Rampe hindurch in den Schubkammereinrichtungsraum 14 injizieren lässt.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass Rampen 98a, 98b mit gegenläufiger Rampensteigung vorhanden sind, um für eine optimierte Wirbelbildung mit großflächiger Wirbelverteilung und damit Treibstoffverteilung in dem Schubkammereinrichtungsraum 14 zu sorgen.
Die Wirbelbildungseinrichtung 86 kann beispielsweise alternativ oder zusätzlich auch Stufen umfassen, bei dem der Steigungsbereich 90 in einem Winkel von 90° hochragt. (Bei einer Rampe liegt der Steigungsbereich 90 in einem spitzen Winkel zu der entsprechenden Wandung.)
Durch die entsprechende Ausbildung der Wirbelbildungseinrichtung 86 mit einer Mehrzahl von Rampen 88 mit insbesondere gegenläufiger Steigung lässt sich ein großflächiges Wirbelsystem erzeugen. Dadurch lässt sich eine schnelle Verbrennung innerhalb der Schubkammer 18 erreichen; der benötigte Treibstoff ist bereits in einer Grenzschicht der Strömung vorhanden.
Das poröse Material beispielsweise der Wandung 42 ist beispielsweise ein C/C-Material. Durch entsprechende Faserorientierung lässt sich eine definierte Injektionsrichtung und damit eine Richtung eines Austrittsgeschwindigkeitsvektors für die Injektion des Treibstoffs in den Schubkammereinrichtungsraum 14 einstellen. Eine entsprechende Richtungseinstellung kann beispielsweise auch durch fehlende Fasern eingestellt werden. Eine gerichtete poröse Kanalstruktur kann durch Oxidieren (Herausbrennen) zuvor eingelagerter Fasern (insbesondere C-Fasern) beispielsweise in einem oxidkeramischen Material erreicht werden. Als poröses Material für eine Wandung 42 usw. ist es beispielsweise auch möglich, ein entsprechendes oxidkeramisches Material und beispielsweise Aluminium-basiertes oxidkeramisches Material zu verwenden. Weitere mögliche Materialien sind Sintermetalle, karbidkeramische Werkstoffe usw.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass in einer Wandung Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT-Carbon Nano Tubes) integriert sind. Durch diese lässt sich eine hohe Austrittsgeschwindigkeit von Treibstoff erreichen mit definierter Richtungsgebung.
Wenn beispielsweise Wasserstoff als Treibstoff verwendet wird, dann kann der Wasserstoff in das poröse Wandungsmaterial eingepresst werden. Dieser kann entlang einer Mantelfläche von eingelagerten Kohlenstoffnanoröhrchen in deren Inneres gelangen und dann in axialer Richtung bezogen auf ein solches Kohlenstoffnanoröhrchen ausströmen. Dies ist in 11 angedeutet. Kohlenstoffnanoröhrchen sind dabei mit 100 bezeichnet. Diese sind in eine poröse Wandung (beispielsweise die Wandung 42) eingebettet.
Es ist auch möglich, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen in ein nichtporöses Massivmaterial eingebettet sind. Diese lassen sich dann in einer entsprechenden axialen Röhrchenrichtung durchströmen und es erfolgt ein Wärmeaustausch entlang einer Mantelfläche der Kohlenstoffnanoröhrchen.
Mögliche Orientierungen für einen Austrittsgeschwindigkeitsvektor 102 bei der Injektion sind in den 8 bis 10 gezeigt. Es können dabei am gleichen Funktionselement der Schubkammereinrichtung 12 unterschiedliche Orientierungen vorhanden sein und/oder in unterschiedlichen Funktionselementen können unterschiedliche Orientierungen vorhanden sein.
Die Längsachse 16 gibt zwei unterschiedliche Arten von Ebenen vor, nämlich eine Querebene 104, welche senkrecht zur Längsrichtung 16 liegt. Die Hauptströmungsrichtung 62 ist insbesondere senkrecht zu dieser Querebene 104. Ferner ist eine Längsebene 106 vorgegeben, welche senkrecht zur Querebene 104 liegt und welche die Längsachse 16 enthält.
Wie in den 8 und 9 gezeigt ist, können Austrittsgeschwindigkeitsvektoren 102 schrägt zur Querebene 104 liegen, wobei diese in Richtung der Hauptströmungsrichtung 82 zuweisend liegen können oder von dieser weg weisend.
Wie in 10 gezeigt, können Austrittsgeschwindigkeitsvektoren 102 schräg zur Längsebene 106 liegen.
Durch entsprechende Ausrichtung der Austrittsgeschwindigkeitsvektoren 102 und insbesondere durch Richtungsunterschiede und/oder auch durch Unterschiede in dem Betrag der Geschwindigkeit des austretenden Treibstoffs lassen sich auch Wirbel in einer Grenzschicht erzeugen, um die Vermischung mit Oxidator und insbesondere mit Treibstoff umströmenden Oxidator zu verbessern.
Es lässt sich auch der Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung definiert auslösen beziehungsweise verzögern.
Austrittsvektoren 102 können dabei auch sowohl schräg zur Querebene 104 als auch zur Längsebene 106 liegen.
Durch entsprechende Wandausbildung und insbesondere variierende Porosität in Richtung der Längsachse 16 lässt sich lokal gezielt der Injektionsmassenstrom (und wie oben beschrieben auch die Richtung des Austrittsgeschwindigkeitsvektors 102) einstellen, um abhängig von den Anforderungen einen optimierten Betrieb zu ermöglichen. Dadurch lässt sich beispielsweise auch die Funktion des entsprechenden Elements berücksichtigen.
In 12 ist ein Beispiel gezeigt, bei dem beispielsweise in einen mittleren Bereich 108 der entsprechenden Wandung Treibstoff in einem höheren Massenstrom eingekoppelt wird als in benachbarten Bereichen 110a, 110b. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass sich das Verhältnis der Porosität eines porösen Materials im Verteiler 70 zu der Porosität in der entsprechenden Wandung (beispielsweise Wandung 42) lokal verändert.
Bei einem weiteren Beispiel, welches in 13 gezeigt ist, wird durch entsprechende Variation der Porosität der Massenstrom an injiziertem Treibstoff stetig in Richtung des Auslasses 22 erhöht, wobei der Massenstrom in der Nähe des Auslasses 22 stärker steigt als in der Nähe des Einlasses 30.
Eine entsprechende Einstellmöglichkeit der Porosität ist bei der Herstellung der entsprechenden Wandung die Infiltration eines C/C-SiC-Material mit Si. Es lässt sich dadurch gegebenenfalls auch bereichsweise die Porosität auf Null reduzieren. Es lässt sich, wie in den 12 und 13 angedeutet, dadurch eine lokal unterschiedliche Durchlässigkeit der entsprechenden Wandung 42 einstellen und dadurch lassen sich lokal unterschiedliche Massenströme einstellen.
Grundsätzlich können als strömungsfähige Medien, das heißt Fluide, verwendet werden und insbesondere können gasförmige Treibstoffe, gelartige Treibstoffe und flüssige Treibstoffe verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich auch bei einem Staustrahltriebwerk (RAMJET beziehungsweise in der Überschallausführung SCRAMJET) einsetzen. Bei einem Staustrahltriebwerk erfolgt die Kompression von eingekoppeltem Fluid durch Ausnutzung der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Fluids. Dazu kann in dem Schubkammereinrichtungsraum 14 und insbesondere dem Schubraum 20 mindestens ein entsprechender Strömungskörper 112 angeordnet sein, welcher einen Strömungsquerschnitt verengt.
Bei einem Ausführungsbeispiel, welches in den 15(a) und 15(b) gezeigt ist, ist eine Brennkammer 114 vorgesehen. Diese umfasst einen Mantel 116 und eine poröse Wandung 118, welche einen Brennraum 120 umgibt. Es ist ein Verteiler vorgesehen, um der Wandung 118 Treibstoff zuzuführen (in der 15(a) nicht gezeigt).
Innerhalb des Brennraums 120 sind Strömungskörper 122 angeordnet. Ein Strömungskörper 122 erstreckt sich beispielsweise über einen gesamten Querschnitt der Brennkammer 114 und steht in Kontakt mit der Wandung 118. Der Strömungskörper 122 ist selber aus einem porösen Material hergestellt und über die Wandung 118 lässt sich dem Strömungskörper Treibstoff zuführen. Treibstoff kann dann aus diesem hindurch in den Brennraum 120 eintreten. Dies ist in 15(a) durch das Bezugszeichen 124 angedeutet. Der Strömungskörper 122 weist dann selber einen poröse Wandung 126 auf, mittels welcher ein Injektionsbereich gebildet ist.
Ein Strömungskörper 122 weist einen ersten Bereich 128 und einen zweiten Bereich 130 auf. Der zweite Bereich 130 folgt in der Hauptströmungsrichtung 162 auf den ersten Bereich 128. An dem ersten Bereich 128 ist eine Vorderkante 132 gebildet. Diese liegt quer und insbesondere senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 62. Ausgehend von der Kante 132 erweitert sich der Strömungskörper 122 in dem ersten Bereich. An dem Übergang zu dem zweiten Bereich 130 ist eine Art von Stufe gebildet und der Strömungskörper 122 verengt sich dann in dem zweiten Bereich 130 zu einer Kante 134 hin, welche der Kante 132 abgewandt ist.
Die Kanten 132 und 134 liegen vorzugsweise auf der gleichen Ebene, wobei diese Ebene parallel zu der Hauptströmungsrichtung 62 ist.
Bei dem in den 15(a) und 15(b) gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine SCRAMJET realisiert. Fluid wird in einer Überschallströmung mit einer Mach-Zahl Ma größer 1 den Strömungskörpern 122 zugeführt und strömt an diesen vorbei. An den Strömungskörpern 122 können sich Mikro-Verbrennungszonen 136 ausbilden. Nachfolgend den Strömungskörpern 122 bilden sich in dem Brennraum 120 Hauptverbrennungszonen 138 aus.
Die Strömungskörper 122 bilden mit der Wandung 118 sich verjüngende Kanäle 140, an welchen Treibstoff über die Wandungen 118, 126 injiziert wird. Durch die Verjüngung kommt es zu einer Strömungsbeschleunigung. In einem Bereich 142 des kleinsten Querschnitts lässt sich eine optimale Vermischung realisieren. Ein Oxidator-Treibstoff-Gemisch wird vorzugsweise in diesem Bereich 142 gezündet und verbrennt dort und/oder in den Hauptverbrennungszonen 138, welche dem Strömungskörper 122 nachfolgen.
Eine Beschleunigung der entsprechenden Abgase wird über die entsprechend beschriebene Ausbildung des zweiten Bereichs 130 erreicht.
Bei einem Ausführungsbeispiel eines Ramjets, welches in den 16(a) und 16(b) gezeigt ist, ist ein ringförmiger Strömungskörper 144 in dem entsprechenden Brennraum angeordnet. Der Strömungskörper 144 ist durch Leisten 146 an einer Wandung 148 gehalten. Die Wandung 148 umgibt den Brennraum. Die Leisten 146, eine Wandung 150 des Strömungskörpers und die Wandung 148 sind porös ausgebildet, um eine Treibstoffinjektion zu ermöglichen.
Der Strömungskörper 144 hat eine Kante 152, von der ausgehend der Strömungskörper sich erweitert und dann wieder verjüngt.
Durch den Strömungskörper 150 wird ein sich verjüngender Kanal 154 bereitgestellt, welcher ein Ringkanal ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel wird in einer Hauptströmungsrichtung 62 Fluid in Unterschallströmung (Ma kleiner 1) dem Strömungskörper 144 zugeführt. Dieser wird umströmt und es bilden sich an diesem Wirbel aus. Es entstehen Mikroverbrennungszonen 136 und Hauptverbrennungszonen 138.
Die Wandung 148 ist rotationssymmetrisch zu einer Achse des (rotationssymmetrischen) Brennraums 156 ausgebildet. Der sich verjüngende Kanal 154 ist ein sich verjüngender Ringspaltraum. Es lassen sich sehr hohe Expansionsverhältnisse von einem engsten Querschnitt zu einem Austrittsquerschnitt erhalten und dadurch lässt sich ein hoher spezifischer Impuls erreichen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches in 17 angedeutet ist, ist ein Strömungskörper 158 vorgesehen, welcher in einer Längsachse 160 feststellbar beweglich (insbesondere verschieblich) ist. Dies ist durch den Doppelpfeil mit dem Bezugszeichen 162 gezeigt. Zwischen dem Strömungskörper 158, welcher insbesondere aus einem porösen Material hergestellt ist, und einer Wandung 164 aus einem porösen Material ist ein sich verjüngender Kanal 166 gebildet, wobei durch die axiale Position des Strömungskörpers 158 in Richtung der Längsachse 160 eine Anpassung und insbesondere steuerbare Anpassung an beispielsweise Flugbedingungen möglich ist. Es lassen sich Querschnittsverhältnisses des Kanals 166 einstellen.
Durch entsprechendes axiales Verfahren des Strömungskörpers 158 kann ein Zuführkanal insbesondere für Oxidator verschlossen werden. Dadurch ist beispielsweise auch eine Umschaltung von einem RAM-Modus in einen SCRAM-Modus beziehungsweise Raketenmodus und umgekehrt möglich.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Porenverteilung stochastische Schwankungen aufweist. Dadurch lässt sich eine Treibstoffrezirkulation verhindern.
Bezugszeichenliste

10: Triebwerkvorrichtung
12: Schubkammereinrichtung
14: Schubkammereinrichtungsraum
16: Längsachse
18: Schubkammer
20: Schubraum
22: Auslass
24: Düse
26: Verengungsbereich
28: Erweiterungsbereich
30: Einlass
32: Einlauf
34: Injektorelement
36: Mantel
38: Wandung
40: Wandung
42: Wandung
44: Wandung
46: Innenseite
48: Außenseite
50: Freiraum
52: Verteiler
54: Einlaufraum
56: Injektorelementraum
58: Pfeile
60: Zuführungseinrichtung
62: Hauptströmungsrichtung
64: Treibstofffilm
66: Wand
68: Schubkammereinrichtung
70: Verteiler
72: Hauptströmungsrichtung
74: Fixierungseinrichtung
76: Anlageelement
78: Ausnehmung
80: Verbinder
82: Bolzen
84: Abstandselement
86: Wirbelbildungseinrichtung
88: Rampe
90: Steigungsbereich
92: Stufenbereich
94: Kante
96: Wirbel
98a: Rampe
98b: Rampe
100: Kohlenstoffnanoröhrchen
102: Austrittsgeschwindigkeitsvektor
104: Querebene
106: Längsebene
108: Mittlerer Bereich
110a: Bereich
110b: Bereich
112: Strömungskörper
114: Brennkammer
116: Mantel
118: Wandung
120: Brennraum
122: Strömungskörper
124: Strömungsaustritt
126: Wandung
128: Erster Bereich
130: Zweiter Bereich
132: Kante
134: Kante
136: Mikroverbrennungszone
138: Hauptverbrennungszone
140: Kanal
142: Bereich
144: Strömungskörper
146: Leiste
148: Wandung
150: Wandung
152: Kante
154: Kanal
156: Brennraum
158: Strömungskörper
160: Längsachse
162: Doppelpfeil
164: Wandung
166: Kanal

Claims

Triebwerkvorrichtung, umfassend eine Schubkammereinrichtung (12; 68) mit mindestens einer Wandung (38; 40; 42; 44), welche einen Schubkammereinrichtungsraum (14) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wandung (38; 40; 42; 44; 118; 150) mindestens in einem Injektionsbereich porös ausgebildet ist und der Injektionsbereich eine Injektoreinrichtung zur Injektion von Treibstoff in den Schubkammereinrichtungsraum (14) bildet, durch welchen im Betrieb der Triebwerkvorrichtung mindestens 50% des benötigten Treibstoffs eingekoppelt ist.
Triebwerkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch den mindestens einen Injektionsbereich 100% des für den Betrieb der Triebwerkvorrichtung benötigten Treibstoffs eingekoppelt ist.
Triebwerkvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Injektionsbereich Treibstoff in dem für den Betrieb der Triebwerkvorrichtung notwendigen Massenstrom und notwendigen Austrittsgeschwindigkeit eingekoppelt ist.
Triebwerkvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Zuführungseinrichtung zur Zuführung von Treibstoff zu dem mindestens einen Injektionsbereich.
Triebwerkvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungseinrichtung einen Verteiler (52; 70) umfasst, welcher fluidwirksam mit dem mindestens einen Injektionsbereich verbunden ist.
Triebwerkvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hauptströmungsrichtung (72) im Verteiler (52; 70) quer zu einer Injektionsrichtung von Treibstoff in den Schubkammereinrichtungsraum (14) orientiert ist.
Triebwerkvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (70) mindestens einen Kanalbereich umfasst, welcher aus einem porösen Material hergestellt ist, dessen Porosität höher ist als die Porosität des mindestens einen Injektionsbereichs.
Triebwerkvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (70) zwischen der mindestens einen Wandung (38; 40; 42; 44) und einem lasttragenden Mantel (36) der Schubkammereinrichtung (68) angeordnet ist.
Triebwerkvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hauptströmungsrichtung (72) in dem Verteiler (52; 70) mindestens näherungsweise parallel oder antiparallel zu einer Hauptströmungsrichtung (62) in dem Schubkammereinrichtungsraum (14) ist.
Triebwerkvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schubkammereinrichtung (12) an einem lasttragenden Mantel (36) der Triebwerkvorrichtung angeordnet ist.
Triebwerkvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Injektionsrichtung für die Injektion von Treibstoff in den Schubkammereinrichtungsraum (14) an der mindestens einen Wandung (38; 40; 42; 44) quer zu einer Längsachse (16) und/oder quer zu einer Hauptströmungsrichtung (62) im Schubkammereinrichtungsraum (14) liegt.
Triebwerkvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Injektionsbereich mindestens teilweise an einem Wandungsbereich liegt, an welchem ein Querschnitt des Schubkammereinrichtungsraums (14) variiert.
Triebwerkvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Injektionsbereich mindestens teilweise an einem Wandungsbereich liegt, an welchem sich ein Querschnitt des Schubkammereinrichtungsraums in Richtung eines Auslasses (22) verjüngt.
Triebwerkvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Zuführungseinrichtung (60) zur Zuführung von Oxidator in den Schubkammereinrichtungsraum (14).
Triebwerkvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungseinrichtung (60) für Oxidator mindestens teilweise an den mindestens einen Injektionsbereich gekoppelt ist.
Triebwerkvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kühleinrichtung zur Transpirationskühlung und/oder Effusionskühlung, welche den mindestens einen Injektionsbereich umfasst.
Triebwerkvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Betrieb der Triebwerkvorrichtung ein Treibstofffilm (64) an der mindestens einen Wandung (38; 40; 42; 44) insbesondere an dem mindestens einen Injektionsbereich zu dem Schubkammereinrichtungsraum (14) hin ausbildet.
Triebwerkvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schubkammereinrichtung (12) mindestens eines der Elemente Einlauf (32), Injektorelement (34), Schubkammer (18), Düse (24) umfasst.
Triebwerkvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Schubkammer (18) als Brennkammer ausgebildet ist.
Triebwerkvorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Elemente (32; 34; 18; 24) durch eine Wand (66) getrennt sind, deren Durchlässigkeit für Treibstoff in einer Richtung des Aufeinanderfolgens niedriger ist als die Durchlässigkeit für Treibstoff in den Schubkammereinrichtungsraum (14) hinein.
Triebwerkvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (66) gegenüber einer inneren Oberfläche (46) der mindestens einen Wandung (38; 40; 42; 44), welche dem Schubkammereinrichtungsraum (14) zugewandt ist, zurückgesetzt ist.
Triebwerkvorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (66) diskret aufgebaut ist und/oder durch Modifikation der Porosität in der mindestens einen Wandung (38; 40; 42; 44) ausgebildet ist.
Triebwerkvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wandung eine Wandung (38; 40; 42; 44) ist, welche den Schubkammereinrichtungsraum mindestens in einem Teilbereich umgibt und/oder die Wandung (118; 150) eines in dem Schubkammereinrichtungsraum (14) angeordneten, strömungsbeeinflussenden Körpers (122; 144) ist.
Triebwerkvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der mindestens einen Wandung (42) eine Wirbelbildungseinrichtung (86) angeordnet ist.
Triebwerkvorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelbildungseinrichtung (86) einen oder mehrere Stufenbereiche und/oder einen oder mehrere Rampenbereiche (88) umfasst, wobei insbesondere an einem Stufenbereich oder Rampenbereich (88) mindestens ein Injektionsbereich gebildet ist.
Triebwerkvorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass Rampenbereiche (88; 98a, 98b) mit gegenläufiger Rampensteigung vorgesehen sind.
Triebwerkvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenverteilung in dem mindestens einen Injektionsbereich stochastisch variiert.
Triebwerkvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wandung (38; 40; 42; 44; 118; 150) mindestens in dem Injektionsbereich aus einem faserverstärkten Material hergestellt ist und/oder aus einem C/C-Material hergestellt ist und/oder aus einem keramischen Material hergestellt ist und/oder aus einem oxidkeramischen Material hergestellt ist und/oder aus einem Sintermetall hergestellt ist und/oder aus einem karbidkeramischen Material hergestellt ist und/oder aus C/C-SiC hergestellt ist.
Triebwerkvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem mindestens einen Injektionsbereich eine Vorzugsrichtung für die Treibstoffinjektion eingestellt ist.
Triebwerkvorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzugsrichtung durch eine Faserrichtung im Material der mindestens einen Wandung (38; 40; 42; 44; 118; 150) und/oder durch fehlende Fasern im Material und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen in der mindestens einen Wandung (38; 40; 42; 44; 118; 150) eingestellt ist.
Triebwerkvorrichtung nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzugsrichtung so eingestellt ist, dass ein Austrittsgeschwindigkeitsvektor (102) des Treibstoffs schräg zu einer Hauptströmungsrichtung (62) in dem mindestens einen Schubkammereinrichtungsraum (14) orientiert ist.
Triebwerkvorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsgeschwindigkeitsvektor (102) bezüglich einer Ebene (106), welche die Hauptströmungsrichtung (62) enthält, schräg orientiert ist und/oder schräg zu einer Ebene (104) quer zur Hauptströmungsrichtung (62) orientiert ist.
Triebwerkvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wandung in einer Längsrichtung (16) der Schubkammereinrichtung (12) eine variierende Porosität und/oder Wanddicke aufweist.
Triebwerkvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wandung (38; 40; 42; 44; 118; 150) durch Wicklung hergestellt ist.
Triebwerkvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wandung (38; 40; 42; 44) durch in Längsrichtung (16) der Schubkammereinrichtung (12) aufeinander folgende Schichten hergestellt ist.
Triebwerkvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Strömungskörper (122; 144; 158) in dem Schubkammereinrichtungsraum (14) angeordnet ist, welcher insbesondere umströmbar ist.
Triebwerkvorrichtung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strömungskörper (158) in einer Längsrichtung (160) der Schubkammereinrichtung (12) feststellbar beweglich ist.
Triebwerkvorrichtung nach Anspruch 36 oder 37, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strömungskörper (122; 144; 158) einen Strömungsquerschnitt verengt.
Triebwerkvorrichtung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strömungskörper (122; 144; 158) in der Längsrichtung (16) einen variierenden Querschnitt aufweist.
Triebwerkvorrichtung nach einem der Ansprüche 36 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strömungskörper (122; 144; 158) mindestens einen Injektionsbereich aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer Triebwerkvorrichtung mit einer Schubkammereinrichtung, bei dem in einem Schubkammereinrichtungsraum Treibstoff eingekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 50% des für den Betrieb erforderlichen Treibstoffs durch eine poröse Wandung der Schubkammereinrichtung hindurch eingekoppelt wird.