DE102013105345B4

DE102013105345B4 - Schubkammervorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Schubkammervorrichtung

Info

Publication number: DE102013105345B4
Application number: DE102013105345.9A
Authority: DE
Inventors: Markus Ortelt
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2019-01-10
Anticipated expiration: 2033-05-25
Also published as: FR3006004A1; DE102013105345A1; FR3006004B1

Abstract

Schubkammervorrichtung, umfassend eine Schubkammer (12) mit einem Schubraum (16) und einer Düsenwandung (26), welche einen ersten Abschnitt (30) und einen sich an den ersten Abschnitt (30) anschließenden zweiten Abschnitt (32) aufweist, wobei die Düsenwandung (26) sich bezogen auf eine Innenseite (28) im ersten Abschnitt (30) zu dem zweiten Abschnitt (32) hin verjüngt und sich bezogen auf die Innenseite (28) im zweiten Abschnitt (32) von dem ersten Abschnitt (30) weg erweitert und eine engste Stelle am Übergang (34) von dem ersten Abschnitt (30) zu dem zweiten Abschnitt (32) liegt, wobei die Düsenwandung (26) in dem ersten Abschnitt (30) bezogen auf die Innenseite (28) rein konvex ausgebildet ist, gekennzeichnet durch eine Injektoreinrichtung (14), welche Kanäle aufweist, durch welche Treibstoff in Richtung von geometrischen Erzeugenden (40) der Innenseite (28) der Düsenwandung (26) einspritzbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schubkammervorrichtung, umfassend eine Schubkammer mit einem Schubraum und einer Düsenwandung, welche einen ersten Abschnitt und einen sich an den ersten Abschnitt anschließenden zweiten Abschnitt aufweist, wobei die Düsenwandung sich bezogen auf eine Innenseite im ersten Abschnitt zu dem zweiten Abschnitt hin verjüngt und sich bezogen auf die Innenseite im zweiten Abschnitt von dem ersten Abschnitt weg erweitert und eine engste Stelle am Übergang von dem ersten Abschnitt zu dem zweiten Abschnitt liegt, wobei die Düsenwandung in dem ersten Abschnitt bezogen auf die Innenseite rein konvex ausgebildet ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Schubkammervorrichtung.
Schubkammervorrichtungen werden bei Triebwerken eingesetzt, um einen Schub beispielsweise zum Antrieb eines Flugkörpers wie einer Rakete insbesondere durch Verbrennung eines Brennstoffs zu erzeugen.
Aus der EP 1 604 731 A1 ist ein Mischkopf bekannt, welcher zur Zuführung von Medien zu einem Mischraum eines Mischers dient. Der Mischkopf, welcher insbesondere ein Injektorkopf für eine Schubkammer ist, ist aus mindestens zwei koaxial zu einer Achse ineinandergreifenden Segmenten aufgebaut, wobei die mindestens zwei Segmente mindestens einen Verteilkanal mit einem zugeordneten langgezogenen Auslassbereich für einen Strom eines ersten Mediums und mindestens einen Verteilkanal mit einem zugeordneten langgezogenen Auslassbereich für einen Strom eines zweiten Mediums begrenzenden Wandbereich aufweisen. Der langgezogene Auslassbereich für das erste Medium und der langgezogene Auslassbereich für das zweite Medium sind koaxial zueinander und mindestens in einem Winkelbereich von 360° um die Achse umlaufend ausgebildet.
Aus der US 2,935,841 ist eine Schubkammerdüse bekannt, welche einstückig ausgebildet ist und aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist. Die Schubdüse weist einen konvergenten Teil, einen divergenten Teil und einen Hals als Verbindung zwischen diesen Teilen auf. Kühlkanäle erstrecken sich in geraden Linien durch Wände und sind gleich beabstandet um ein Düsenglied.
Aus der US 4,901,525 ist ein Antriebssystem für eine Rakete bekannt.
Aus der US 6,324,833 B1 ist eine Raketenmotordüse bekannt.
Aus der FR 1 198 723 ist eine konvergent-divergente Düse bekannt.
Aus der DE 10 2008 022 271 A1 ist eine Düse für einen Strömungsantrieb bekannt.
Aus der GB 885 489 ist ein Raketenmotor mit Verbrennungsmitteln bekannt.
Aus der DE 10 2011 000 383 A1 ist eine Triebwerksvorrichtung bekannt, bei der eine Wandung mindestens in einem Injektionsbereich porös ausgebildet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schubkammervorrichtung der eingangs genannten Art auszubilden, bei welcher im Betrieb eine Belastung der Düsenwandung aufgrund strömenden Heißgases minimiert ist.
Diese Aufgabe wird bei der Schubkammervorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Injektoreinrichtung vorgesehen ist, welche Kanäle aufweist, durch welche Treibstoff in Richtung von geometrischen Erzeugenden der Innenseite der Düsenwandung einspritzbar ist.
Im Betrieb der Schubkammervorrichtung strömen in dem Schubraum Heißgase. Diese entstehen insbesondere durch Verbrennung eines Brennstoffs mit Oxidator in dem Schubraum. Die Heißgase belasten die Düsenwandung und können zu einer Beschädigung führen.
In dem ersten Abschnitt liegt im Betrieb in der Regel eine Unterschallströmung vor, die aufgrund der Strömungsverengung am Übergang in eine Überschallströmung im zweiten Abschnitt übergeht. Es hat sich gezeigt, dass eine deutliche Krümmung von Stromlinien im wandnahen Bereich hohe physikalische Wandbelastungen auftreten, die zu einem relevanten Teil durch eine Impulswechselwirkung zwischen dem Heißgas und der Innenseite der Düsenwandung hervorgerufen werden.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist die Düsenwandung im ersten Abschnitt bezogen auf die Innenseite, an welcher die Strömungsbelastung erfolgt, rein konvex ausgebildet. Es lässt sich dadurch eine Strömungsführung realisieren, bei der im Idealfall trotz Einschnürung und der damit verbundenen Volumenkontraktion am Übergang zu dem zweiten Abschnitt Stromlinien rein tangential zu der Innenseite der Düsenwandung verlaufen. Damit ist der Querimpulsanteil auf die Innenseite der Düsenwandung minimiert. Dadurch wiederum minimieren sich die physikalischen Lasten an der Düsenwandung. Dies führt zu einem geringeren Wandwärmefluss und der erosive Wandangriff ist reduziert.
Eine rein konvexe Ausbildung bedeutet dabei, dass eine Verbindungsstrecke zwischen zwei beliebigen Punkten der Düsenwandung stets außerhalb eines Innenraums liegt, das heißt außerhalb des Schubraums liegt.
Es ist erfindungsgemäß eine Injektoreinrichtung vorgesehen, welche Kanäle aufweist, durch welche Treibstoff in Richtung von geometrischen Erzeugenden der Innenseite der Düsenwandung einspritzbar ist. Dadurch ist eine Querimpulseinwirkung der Strömung auf die Düsenwandung (an deren Innenseite) minimiert.
Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn die Injektoreinrichtung Kanäle aufweist, welche mindestens bezüglich eines Mündungsbereichs in den Schubraum längs geometrischen Erzeugenden der Innenseite der Düsenwandung ausgerichtet sind.
Es kann vorgesehen sein, dass die Düsenwandung in dem ersten Abschnitt und auch in dem zweiten Abschnitt bezogen auf die Innenseite rein konvex ausgebildet ist. Ein entsprechender Schubraum weist beispielsweise eine Spiegelebene auf, welche an dem Übergang liegt.
Es ist ebenfalls günstig, wenn die Düsenwandung in dem ersten Abschnitt eine rein negative Krümmung hat. Eine rein negative Krümmung bedeutet, dass der Abstand der Innenseite der Düsenwandung zu einer Achse (insbesondere Symmetrieachse) zu dem Übergang hin monoton abnimmt. Es lassen sich dadurch Stromlinien für die Strömung realisieren, welche im Idealfall rein tangential (parallel) zu der Innenseite der Düsenwandung liegen.
Es kann dann ebenfalls vorgesehen sein, dass die Düsenwandung in dem ersten Abschnitt und in dem zweiten Abschnitt bezogen auf die Innenseite eine rein negative Krümmung aufweist.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Düsenwandung bezogen auf die Innenseite mindestens teilweise als Rotationshyperboloid ausgebildet. Bei einem Rotationshyperboloid weist die Düsenwandung (bezogen auf die Innenseite) in dem ersten Abschnitt eine rein konvexe Ausbildung auf beziehungsweise es liegt eine rein negative Krümmung vor. Die Düsenwandung in Form eines Rotationshyperboloids lässt sich auf einfache Weise herstellen. Sie lässt sich auch auf einfache Weise beispielsweise mittels Faserwicklung herstellen. Beispielsweise sind der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt als Einheit als Rotationshyperboloid ausgebildet. Es ist beispielsweise auch möglich, dass nur der erste Abschnitt als Rotationshyperboloid ausgebildet ist.
Insbesondere weist die Düsenwandung bezogen auf die Innenseite eine Symmetrieachse auf, wobei mindestens teilweise die Innenseite der Düsenwandung geometrisch durch Rotation einer zu der Symmetrieachse windschief stehenden und zu der Symmetrieachse beabstandeten Geraden erzeugt ist. Diese Gerade ist eine Erzeugende für den Rotationshyperboloid. Durch eine tangentiale Einkopplung längs solcher erzeugenden Geraden lässt sich eine Wandbelastung minimieren.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind Kanäle der Injektoreinrichtung durch Ausbrennen von Fäden aus einem organischen Material in einem nicht ausbrennbaren Material erzeugt. Bei der Herstellung der Injektoreinrichtung werden entsprechende Fäden eingelegt, die dann später ausgebrannt werden. Es lassen sich so Kanäle mit relativ geringem Querschnitt (beispielsweise in der Größenordnung zwischen 0,1 mm und 1 mm) herstellen und definiert anordnen und insbesondere so anordnen, dass eine tangentiale Einspritzung erfolgt, um tangentiale Stromlinien zu der Innenseite der Düsenwandung zu erzeugen.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Schubkammer mindestens einen dritten Abschnitt auf, welcher auf den zweiten Abschnitt folgt. Dieser dritte Abschnitt hat beispielsweise eine Glockenform. Der dritte Abschnitt liegt im Überschallbereich.
Die erfindungsgemäße Schubkammer kann auf einfache Weise hergestellt werden, wenn die Düsenwandung eine Wicklungsstruktur ist, welche mittels Faserwicklung hergestellt ist, oder eine Schichtstruktur ist, oder mittels eines oder mehrerer Flechtschläuche hergestellt ist. Durch eine rein konvexe Ausbildung des ersten Abschnitts ist eine einfache Herstellung möglich.
Es ist dann besonders günstig, wenn Fasern längs geometrischen Erzeugenden ausgerichtet sind. Es ergibt sich dadurch eine einfache Herstellung.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Düsenwandung durch einen faserkeramischen Werkstoff hergestellt. Es ergibt sich dadurch eine hohe Belastbarkeit des Werkstoffs.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist in dem Schubraum in dem ersten Abschnitt ein (umströmbarer) Zentralkörper angeordnet, welcher ein Ringraum als Strömungsraum zwischen sich und der Innenseite der Düsenwandung definiert. Durch den Zentralkörper lässt sich ein Kontraktionsverhältnis einstellen als Verhältnis von Einkopplungsbreite im ersten Abschnitt zur Auskopplungsbreite im ersten Abschnitt. Dieses Kontraktionsverhältnis bestimmt die Schubcharakteristik der Schubkammervorrichtung. Es lässt sich dadurch eine Anpassung durchführen. Der Zentralkörper ist umströmbar. Er kann auch zum Wärmeaustausch verwendet werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Zentralkörper kegelförmig. Dadurch ergibt sich eine minimierte Strömungsstörung.
Insbesondere ist an einer Injektorebene ein Abstand zwischen dem Zentralkörper und der Innenseite der Düsenwandung kleiner als ein Abstand zwischen dem Zentralkörper und der Innenseite der Düsenwandung an dem Übergang oder in der Nähe des Übergangs zu dem zweiten Abschnitt. Es lässt sich so ein entsprechendes Kontraktionsverhältnis einstellen.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist mindestens eine erste Düsenwandung und eine zweite Düsenwandung vorgesehen, wobei die erste Düsenwandung die zweite Düsenwandung umgibt und ein Ringraum zwischen der ersten Düsenwandung und der zweiten Düsenwandung gebildet ist, wobei die erste Düsenwandung und die zweite Düsenwandung bezogen auf ihre jeweilige Innenseite mindestens in einem ersten Abschnitt rein konvex sind. Es sind dadurch gewissermaßen Düsenwandungen ineinandergestellt. Der Schubraum hat dadurch einen Schalenaufbau und wird dadurch in Unterräume unterteilt. In den Unterräumen lassen sich Strömungen mit Drall erhalten, wobei in unterschiedlichen Unterräumen der Drall unterschiedlich sein kann und insbesondere gegenläufig sein kann. Für eine Gesamtströmung lässt sich dadurch eine Drallstabilisierung erreichen und es lässt sich beispielsweise eine Gesamtströmung und dadurch Austrittsströmung realisieren, welche mindestens näherungsweise drallfrei ist.
Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn eine Mehrzahl von bezüglich ihrer Innenseiten rein konvexen Schalen (wie beispielsweise Rotationshyperboloidschalen) ineinandergestapelt ist.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Schubkammervorrichtung bereitzustellen, mittels welchem sich ein optimierter Betrieb erreichen lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Treibstoff längs geometrischen Erzeugenden für die Innenseite der Düsenwandung in den Schubraum eingespritzt wird.
Dadurch ergibt sich eine minimierte Querimpulsbelastung der Düsenwandung an deren Innenseite.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Schubkammervorrichtung erläutert.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist der Schubraum eine Mehrzahl von getrennten konzentrischen Unterräumen auf, wobei Strömungen, welche aus unterschiedlichen Unterräumen austreten, entgegengesetzte Drallrichtungen aufweisen und insbesondere Strömungen aus benachbarten Unterräumen entgegengesetzte Drallrichtungen aufweisen. Es lässt sich dadurch eine Drallkompensation für die Gesamtströmung erreichen. Diese lässt sich beispielsweise mindestens näherungsweise drallfrei ausbilden.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schubkammervorrichtung;
2 eine schematische Darstellung von Strömungsverhältnissen bezüglich Drallausbildung bei einer Schubkammer der Schubkammervorrichtung gemäß 1;
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schubkammer und eines Beispiels eines Herstellungsverfahrens;
4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Schubkammer;
5 schematisch einen Strömungsverlauf bei der Schubkammer gemäß 4;
6 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Schubkammer;
7 eine Teilschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Schubkammer zur Erläuterung der geometrischen Verhältnisse; und
8 im Vergleich dazu eine schematische Darstellung einer konventionellen Schubkammer.

Ein Ausführungsbeispiel einer Schubkammervorrichtung, welches in 1 schematisch gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine Schubkammer 12. Die Schubkammervorrichtung 10 ist Teil eines Triebwerks beispielsweise eines Flugkörpers wie einer Rakete. An der Schubkammer 12 sitzt eine Injektoreinrichtung 14. Über die Injektoreinrichtung 14 lässt sich Treibstoff und insbesondere Brennstoff und Oxidator in einen Schubraum 16 der Schubkammer 12 einblasen.
Die Schubkammer 12 ist insbesondere als Brennkammer ausgebildet und es erfolgt dort eine Verbrennung des Brennstoffs. Die entstehenden Produktgase erzeugen einen Schub.
Die Schubkammer 12 weist bezogen auf die Injektoreinrichtung 14 eine Eingangsseite 18 auf. Die Eingangsseite 18 definiert eine Injektorebene 20.
Die Schubkammer 12 weist ferner eine Ausgangsseite 22 auf, an der eine Ausgangsströmung austritt.
Die Schubkammer 12 ist als Düse ausgebildet mit einer Düsenwandung 26. Die Düsenwandung 26 hat eine Innenseite 28 und begrenzt mit dieser den Schubraum 16 und haust diesen ein.
Die Düsenwandung 26 und damit die Schubkammer 12 hat bezogen auf die Innenseite 28 einen ersten Abschnitt 30, an welchen sich ein zweiter Abschnitt 32 anschließt. Zwischen dem ersten Abschnitt 30 und dem zweiten Abschnitt 32 liegt ein Übergang 34.
Der erste Abschnitt 30 weist die Eingangsseite 18 auf. Von der Eingangsseite 18 zu dem Übergang 34 verjüngt sich der Durchmesser der Düsenwandung 26 an der Innenseite 28. Der Durchmesser der Düsenwandung 26 an der Innenseite 28 erweitert sich in dem zweiten Abschnitt 32 von dem Übergang 34 weg.
Der erste Abschnitt 30 bildet einen Unterschallbereich für eine Strömung im Schubraum 16. Der zweite Abschnitt 32 bildet einen Überschallbereich. Durch die Verengung am Übergang 34 wird eine Überschallströmung erzeugt. Der Übergang 34 ist der Laval-Querschnitt der Schubkammer 12.
Der Schubraum ist rotationssymmetrisch zu einer Symmetrieachse 36. Eine Hauptströmungsrichtung 38 für Produktfluide insbesondere der Verbrennung in dem Schubraum 16 liegt parallel zu der Symmetrieachse 36 und quer zu dem Übergang 34.
Die Düsenwandung 26 ist in dem ersten Abschnitt 30 rein konvex ausgebildet und weist eine rein negative Krümmung auf.
In 7 ist die Düsenwandung 26 schematisch in einer Schnittdarstellung gezeigt. Eine rein konvexe Ausbildung der Düsenwandung 26 (bezogen auf die Innenseite 28) bedeutet, dass jede Verbindungslinie 35a zwischen einem beliebigem Punkt 35b und einem beabstandeten Punkt 35c jeweils an der Innenseite, wobei die Punkte 35b und 35c in Richtung der Symmetrieachse 36 axial beabstandet sind, außerhalb des Schubraums 16 liegt.
Der zweite Abschnitt 32 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ebenfalls rein konvex ausgebildet und weist eine rein negative Krümmung auf.
Auf den zweiten Abschnitt 32 folgt im Überschallbereich ein dritter Abschnitt 33 mit der Ausgangsseite 22.
Der dritte Abschnitt 33 hat beispielsweise eine Glockenform.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Düsenwandung 26 im ersten Abschnitt 30 und im zweiten Abschnitt 32 bezogen auf ihre Innenseite 28 als Rotationshyperboloid ausgebildet.
Ein solcher Rotationshyperboloid weist als geometrische Erzeugende 40 eine Gerade auf (vgl. 3), welche windschief und in einem Abstand a zu der Symmetrieachse 36 ist. Durch Rotation der Erzeugenden 40 wird die Innenseite 28 der Düsenwandung 26 im ersten Abschnitt 30 und im zweiten Abschnitt 32 geometrisch erzeugt.
In Koordinatendarstellung ist der Rotationshyperboloid definiert durch $\frac{x^{2}}{a^{2}} + \frac{y^{2}}{b^{2}} - \frac{z^{2}}{c^{2}} = 1;$
a ist dabei der Abstand der Erzeugenden zu der Symmetrieachse 36, c ist die Hyperboloidsteilheit.
Die Injektoreinrichtung 14 ist so ausgebildet, dass ein Einblasen von Treibstoff (insbesondere Brennstoff und/oder Oxidator) in den Schubraum 16 längs von Erzeugenden 40 erfolgt. Dies ist in 1 durch das Bezugszeichen 42 angedeutet.
Insbesondere umfasst die Injektoreinrichtung 14 Kanäle welche mindestens in der Nähe einer Mündung 44 an der Injektorebene 20 in dem Schubraum 16 so ausgerichtet sind, dass eine Einblasrichtung längs der entsprechenden Erzeugenden 40 ist. Im Falle eines Rotationshyperboloids sind die Erzeugenden 40 Geraden.
Die entsprechenden Kanäle 43 sind beispielsweise durch Ausbrennen von Fäden aus organischem Material in einem nichtausbrennbaren Material und insbesondere nichtausbrennbaren keramischen Material gebildet.
Eine solche Schubkammervorrichtung 10 funktioniert wie folgt:
In dem ersten Abschnitt 30 erfolgt ein Einblasen tangential zu der Innenseite 28 und damit längs von Erzeugenden 40. Die Strömung im ersten Abschnitt 30 ist eine Unterschallströmung. Es ist der Querimpulsaustausch mit der Düsenwandung 26 in dem Unterschallbereich der Schubkammer 12 minimiert und dadurch erfolgt auch eine Reduktion dynamischer Druckkomponenten und dynamischer Temperaturkomponenten an der Innenseite 28 der Düsenwandung 26. Es wird die physikalische Wechselwirkung von in dem Schubraum 16 strömenden Heißgasen mit der Innenseite 28 der Düsenwandung 26 minimiert und damit deren Wärmebelastung minimiert.
Durch Einblasen von Treibstoff (Brennstoff und/oder Oxidator) über die Injektoreinrichtung 14 längs von Erzeugenden 40 werden entsprechende Stromlinien vordefiniert. Es wird dadurch eine drallbehaftete Strömung in der Hauptströmungsrichtung 38 erzeugt, wobei im Falle des Rotationshyperboloids Heißgas mindestens näherungsweise längs geraden Stromlinien durch den konvexen ersten Abschnitt 30 des Schubraums 16 strömen. Der erste Abschnitt 30 ist dabei der lastkritische Schubkammerteil.
In 7 ist schematisch der Verlauf einer entsprechenden Stromlinie 100 gezeigt. Diese Stromlinie weist an keiner Stelle eine Impulskomponente senkrecht zur Düsenwandung 26 auf. Impulsvektoren I liegen parallel zur Innenseite 28 der Düsenwandung 26.
Im Vergleich dazu ist in 8 eine konventionelle Schubkammer 102 schematisch in einer Schnittdarstellung gezeigt. Bei dieser ist eine entsprechende Düsenwandung 104 nicht rein konvex ausgebildet. Beispielsweise liegt eine Verbindungslinie 105a zwischen Punkten 105b und 105c jeweils an der Innenseite der Düsenwandung 104 innerhalb eines entsprechenden Schubraums der Schubkammer 102.
Es ergeben sich dann Stromlinien 106, welche nicht parallel zur Innenseite der Düsenwandung 104 liegen können. Es liegen Impulsvektoren I vor, welcher eine Komponente 108 quer zur Düsenwandung 104 mit entsprechender Belastung der Düsenwandung 104 aufweist.
Im Idealfall wird ein Querimpulsaustausch mit der Düsenwandung 26 vollständig verhindert. Die dynamischen Anteile des strömenden Heißgases haben dann keine Wechselwirkung mehr mit der Düsenwandung 26.
Ein Kompressionszwang findet in einer rein statischen Zustandsänderung des Heißgases statt und der dynamische Lastanteil an der Düsenwandung 26 fällt weg oder ist zumindest stark reduziert.
Es wird dadurch die Lebensdauer beziehungsweise die Zuverlässigkeit eines Triebwerks mit der Schubkammervorrichtung 10 erhöht beziehungsweise es wird die Leistungsfähigkeit erhöht.
Ein weiterer Effekt ist eine Strömungsstabilisierung durch Drallbeaufschlagung.
In dem zweiten Abschnitt 32 und dem dritten Abschnitt 33 liegt aufgrund der Verengung am Übergang 34 eine Überschallströmung vor.
In 2 sind schematisch unterschiedliche Stromlinien 46a und 46b gezeigt, die durch das Einblasen von Treibstoff an unterschiedlichen Erzeugenden 40 verursacht sind.
Diese Stromlinien 46a, 46b erzeugen entgegengesetzte Drallrichtungen, wobei in der Gesamtströmung wiederum eine mindestens näherungsweise Drallkompensation erfolgt.
Eine drall behaftete Gesamtströmung kann eine Drallstabilisierung erfahren.
Die Düsenwandung 26 der Schubkammervorrichtung 10 kann beispielsweise als Schichtstruktur oder Wickelstruktur oder mittels einem oder mehreren Flechtschläuchen hergestellt werden.
In 3 ist (für den ersten Abschnitt 30 und den zweiten Abschnitt 32) ein Ausführungsbeispiel einer Wicklungsstruktur 48 gezeigt. Bei dieser Wicklungsstruktur 48 werden insbesondere Fasern 50 gewickelt. Die Fasern 50 sind dabei Faserfilamentbündel (oder auch einzelne Faserfilamente), welche fadenförmig sind.
Eine Wicklung erfolgt beispielsweise um entsprechende Stifte 52, um eine Richtungsumkehr zu ermöglichen. Die Faserrichtung der Fasern 50 verläuft dabei längs der geometrischen Erzeugenden 40.
Die Schubkammer 12 mit der Düsenwandung 26 ist dann insbesondere als Faserkeramik hergestellt.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist in dem Schubraum 16 ein Zentralkörper 54 angeordnet (vgl. 4).
Der Zentralkörper 54 ist dabei in dem ersten Abschnitt 30 angeordnet. Der Zentralkörper 54 definiert einen Ringraum 56 zwischen sich und der Düsenwandung 26. Der Zentralkörper 54 selber ist undurchlässig für eine Strömung.
Die Strömung muss an einer Außenseite 58 des Zentralkörpers, welche den Ringraum 56 begrenzt, vorbeiströmen.
Zwischen dem Zentralkörper 54 und der Düsenwandung 26 liegt an der Eingangsseite 18 und insbesondere Injektorebene 20 ein Abstand A₁ vor.
Der Zentralkörper 54 endet insbesondere an dem Übergang 34 beziehungsweise vor diesem in dem ersten Abschnitt 30. Am Übergang 34 liegt zwischen dem Zentralkörper 54 und der Düsenwandung ein Abstand A₂ vor.
Das Verhältnis A₁ zu A₂ wird als Kontraktionsverhältnis bezeichnet. Es definiert die Schubcharakteristik eines Triebwerks mit der Schubkammervorrichtung 10. Über den Zentralkörper 54 lässt sich das Kontraktionsverhältnis entsprechend einstellen.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Zentralkörper 54 ein Kegel, wobei insbesondere eine Kegelspitze am Übergang 34 liegt.
In 5 ist schematisch ein entsprechender Strömungsverlauf in dem Ringraum 56 gezeigt. Der Zentralkörper 54 bestimmt das Kontraktionsverhältnis.
Durch den Zentralkörper 54 wird auch die „innere“ Oberfläche der Schubkammer 12 erhöht. Der Zentralkörper 54 kann auch zum Wärmeaustausch genutzt werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches in 6 schematisch gezeigt ist, umfasst eine Schubkammer 60 eine Mehrzahl von Düsenwandungen 62a, 62b usw. Die einzelnen Düsenwandungen 62a, 62b usw. sind rein konvex ausgebildet und beispielsweise Rotationshyperboloide.
Die Düsenwandungen 62a, 62b sind ineinandergestellt. Beispielsweise umgibt eine erste Düsenwandung 62a eine zweite Düsenwandung 62b und zwischen diesen ist ein Ringraum 64 gebildet. In dem Ringraum 64 kann eine Ringströmung von eingekoppelten Fluiden und Produktfluiden entstehen. Dies ist auch in 2 schematisch gezeigt.
Die zweite Düsenwandung 62b definiert einen weiteren Strömungsraum 66, welcher von dem Ringraum 64 umgeben ist und dabei fluiddicht getrennt ist.
Im Falle der Schubkammer 60 ist über die Düsenwandungen 62a, 62b ein zweischaliges Rotationshyperboloid gebildet. Es kann dabei auch eine mehr als zweischalige Ausbildung vorgesehen sein.
Durch das Ineinanderstapeln von mehreren Schalen können unterschiedliche Räume (wie der Innenraum 64 und der Strömungsraum 66 oder auch weitere Ringräume) mit jeweils gegenläufigem Drall vorgesehen werden. Insbesondere werden für entsprechende Räume, welche benachbart sind, gegenläufige Dralls für eine Austrittsströmung an einer Ausgangsseite 68 vorgesehen. Es kann dadurch eine Hauptströmung realisiert werden, welche minimierten Drall aufweist und beispielsweise drallneutral ist.
Bezugszeichenliste

10: Schubkammervorrichtung
12: Schubkammer
14: Injektoreinrichtung
16: Schubraum
18: Eingangsseite
20: Injektorebene
22: Ausgangsseite
26: Düsenwandung
28: Innenseite
30: Erster Abschnitt
32: Zweiter Abschnitt
33: Dritter Abschnitt
34: Übergang
35a: Verbindungslinie
35b: Punkt
35c: Punkt
36: Symmetrieachse
38: Hauptströmungsrichtung
40: Erzeugende
42: „Einblasen“
44: Mündung
46a: Stromlinie
46b: Stromlinie
48: Wicklungsstruktur
50: Faser
52: Stifte
54: Zentralkörper
56: Ringraum
58: Außenseite
60: Schubkammer
62a: Düsenwandung
62b: Düsenwandung
64: Ringraum
66: Strömungsraum
68: Ausgangsseite
100: Stromlinie
102: Konventionelle Schubkammer
104: Düsenwandung
105a: Verbindungslinie
105b: Punkt
105c: Punkt
106: Stromlinie
108: Komponente

Claims

Schubkammervorrichtung, umfassend eine Schubkammer (12) mit einem Schubraum (16) und einer Düsenwandung (26), welche einen ersten Abschnitt (30) und einen sich an den ersten Abschnitt (30) anschließenden zweiten Abschnitt (32) aufweist, wobei die Düsenwandung (26) sich bezogen auf eine Innenseite (28) im ersten Abschnitt (30) zu dem zweiten Abschnitt (32) hin verjüngt und sich bezogen auf die Innenseite (28) im zweiten Abschnitt (32) von dem ersten Abschnitt (30) weg erweitert und eine engste Stelle am Übergang (34) von dem ersten Abschnitt (30) zu dem zweiten Abschnitt (32) liegt, wobei die Düsenwandung (26) in dem ersten Abschnitt (30) bezogen auf die Innenseite (28) rein konvex ausgebildet ist, gekennzeichnet durch eine Injektoreinrichtung (14), welche Kanäle aufweist, durch welche Treibstoff in Richtung von geometrischen Erzeugenden (40) der Innenseite (28) der Düsenwandung (26) einspritzbar ist.
Schubkammervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenwandung (26) in dem ersten Abschnitt (30) und dem zweiten Abschnitt (32) bezogen auf die Innenseite (28) rein konvex ausgebildet ist.
Schubkammervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenwandung (26) in dem ersten Abschnitt (30) bezogen auf die Innenseite (28) eine rein negative Krümmung aufweist.
Schubkammervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenwandung (26) in dem ersten Abschnitt (30) und in dem zweiten Abschnitt (32) bezogen auf die Innenseite (28) eine rein negative Krümmung aufweist.
Schubkammervorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 oder einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenwandung (26) bezogen auf die Innenseite (28) mindestens teilweise als Rotationshyperboloid ausgebildet ist.
Schubkammervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenwandung (26) bezogen auf die Innenseite (28) eine Symmetrieachse (36) aufweist, wobei mindestens teilweise die Innenseite (28) der Düsenwandung (26) geometrisch durch Rotation einer zu der Symmetrieachse (36) windschief stehenden und zu der Symmetrieachse (36) beabstandeten Geraden (40) erzeugt ist.
Schubkammervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektoreinrichtung Kanäle aufweist, welche mindestens bezüglich eines Mündungsbereichs in den Schubraum (12) längs geometrischen Erzeugenden (40) der Innenseite (28) der Düsenwandung (26) ausgerichtet sind.
Schubkammervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kanäle der Injektoreinrichtung (14) durch Ausbrennen von Fäden aus einem organischen Material in einem nichtausbrennbaren Material erzeugt sind.
Schubkammervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schubkammer (12) mindestens einen auf den zweiten Abschnitt (32) folgenden dritten Abschnitt (33) aufweist.
Schubkammervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenwandung (26) eine Wicklungsstruktur (48) ist, welche mittels Faserwicklung hergestellt ist, oder eine Schichtstruktur ist, oder mittels eines oder mehrerer Flechtschläuche hergestellt ist.
Schubkammervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern (50) längs geometrischen Erzeugenden (40) ausgerichtet sind.
Schubkammervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenwandung (26) durch einen faserkeramischen Werkstoff hergestellt ist.
Schubkammervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schubraum (16) in dem ersten Abschnitt (30) ein Zentralkörper (54) angeordnet ist, welcher einen Ringraum (56) zwischen sich und der Innenseite (28) der Düsenwandung (26) definiert.
Schubkammervorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralkörper (54) kegelförmig ist.
Schubkammervorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Injektorebene (20) ein Abstand (A₁) zwischen dem Zentralkörper (54) und der Innenseite (28) der Düsenwandung (26) kleiner ist als ein Abstand (A₂) zwischen dem Zentralkörper (54) und der Innenseite (28) der Düsenwandung (26) an dem Übergang (34) oder in der Nähe des Übergangs (34) zum zweiten Abschnitt (32).
Schubkammervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine erste Düsenwandung (62a) und eine zweite Düsenwandung (62b), wobei die erste Düsenwandung (62a) die zweite Düsenwandung (62b) umgibt und ein Ringraum (56) zwischen der ersten Düsenwandung (62a) und der zweiten Düsenwandung (62b) gebildet ist, wobei die erste Düsenwandung (62a) und die zweite Düsenwandung (62b) bezogen auf ihre Innenseiten (28) mindestens in einem ersten Abschnitt (30) rein konvex sind.
Schubkammervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von bezüglich ihrer Innenseiten (28) rein konvexen Schalen, welche ineinandergestapelt sind.
Verfahren zum Betreiben einer Schubkammervorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem Treibstoff längs geometrischen Erzeugenden für die Innenseite der Düsenwandung in den Schubraum eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Schubraum eine Mehrzahl von getrennten konzentrischen Unterräumen aufweist, wobei Strömungen, welche aus unterschiedlichen Unterräumen austreten, entgegengesetzte Drallrichtungen aufweisen und insbesondere Strömungen aus benachbarten Unterräumen entgegengesetzte Drallrichtungen aufweisen.