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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbopumpe, insbesondere für ein Raketentriebwerk, umfassend eine durch ein Fluid angetriebene Turbine, eine von der Turbine angetriebene Pumpeinrichtung, welche Pumpeinrichtung saugseitig einen Einlass und druckseitig einen Auslass aufweist, und eine Kavitationsverhinderungseinrichtung.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Raketentriebwerk umfassend mindestens eine Turbopumpe.
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Turbopumpen der eingangs beschriebenen Art werden insbesondere bei Raketentriebwerken genutzt, um Raketentreibstoff in eine Brennkammer des Raketentriebwerks zu fördern beziehungsweise den Druck eines Fluids zu erhöhen. Hierfür werden axiale und/oder radiale Laufräder, sogenannte Impeller, verwendet.
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Insbesondere bei hochbelastenden Laufrädern, bei denen eine Zufuhr an spezifischer Arbeit sehr hoch ist, und bei Fluiden, deren Zustand nahe dem Siedepunkt ist, kann im Eintrittsbereich des Laufrades Kavitation auftreten. Kavitation ist jedoch ein unerwünschtes Phänomen, da es insbesondere die Laufräder irreversibel schädigen kann. Daher ist beim Betrieb einer solchen Pumpe darauf zu achten, dass Schäden durch Kavitation vermieden werden.
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Um hohe Arbeitsleistungen auch bei den zu fördernden Fluiden, beispielsweise Kryoflüssigkeiten beim Betrieb eines Raketentriebwerks, zu erreichen, sind zusätzliche konstruktive Maßnahmen erforderlich, um die Laufräder der Turbopumpe vor Kavitation zu schützen.
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Bekannt ist es, im industriellen Einsatz bei Turbopumpen einen Mindestdruck im Bereich des Einlasses des Laufrades nicht zu unterschreiten und zudem eine Drehzahl beziehungsweise eine Umfangsgeschwindigkeit des Laufrads zu begrenzen. Alternativ kann auch eine Geometrie des Laufrads im Bereich des Einlasses das Auftreten von Kavitation verhindern. Bei Turbopumpen für Raketentriebwerke ist ferner ein hohes Verhältnis von Leistung zu Gewicht der Turbopumpe gewünscht. Daher versucht man, hohe Umfangsgeschwindigkeiten des Laufrads zu realisieren, um pro Laufrad eine maximale Leistungszufuhr zu erreichen. Daher kann insbesondere bei Turbopumpen für Raketentriebwerke als zusätzliche konstruktive Maßnahme eine Kavitationsverhinderungseinrichtung in Form eines sogenannten Inducers dem Laufrad vorgeschaltet sein. Der Inducer hat die Aufgabe, dem Fluid eine zusätzliche geringe Leistung zuzuführen, welche ausreichend ist, den Zustand des Fluids von der Siedelinie zu entfernen, wodurch das Risiko für das Auftreten von Kavitation verringert wird.
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Eine weitere Methode, den Zustand des Fluids von der Siedelinie zu entfernen, ist die Vorschaltung eines Kühlers vor den Einlass des Laufrads.
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Ein Nachteil des vorzusehenden Mindestdrucks im Bereich des Einlasses des Laufrades der Turbopumpe ist, dass dieser Mindestdruck dem Fluid schon vor Eintritt in die Turbopumpe aufgeprägt werden muss. Bei Raketentriebwerken erfolgt dies insbesondere durch Bedrückung des Fluidtanks mit Gas, was jedoch ein zusätzliches System erfordert und aufgrund der erforderlichen erhöhten Tankwandstärke zu einer Gewichtserhöhung führt.
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Die Begrenzung der Drehzahl des Laufrades beziehungsweise der Umfangsgeschwindigkeit desselben hat den Nachteil, dass rotordynamisch und festigkeitstechnisch erreichbare Umfangsgeschwindigkeiten nicht realisiert werden. Dadurch können erreichbare Leistungszufuhren nicht voll ausgeschöpft werden.
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Einen Inducer der bekannten Art vorzusehen hat den Nachteil, dass dieser als zusätzliches Bauteil das Gewicht und die Baugröße der Turbopumpe erhöht. Zudem muss auch im Eintritt des Inducers wiederum Kavitationsfreiheit realisiert werden.
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Und schließlich bedeutet auch das Vorsehen eines Kühlers im Bereich des Einlasses der Turbopumpe die Bereitstellung eins zusätzlichen Systems, welches zusätzlich mit einem Kühlkreislauf gekoppelt werden muss. Eine solche Vorgehensweise ist bei Raketentriebwerken praktisch unmöglich.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbopumpe und ein Raketentriebwerk der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, dass das Auftreten von Kavitation im Bereich und/oder in der Turbopumpe minimiert wird.
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Diese Aufgabe wir bei einer Turbopumpe der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kavitationsverhinderungseinrichtung eine hydraulische Inducereinrichtung umfasst zum Einleiten eines Inducerfluidstroms mit einem Inducerfluidstromdruck, welcher größer ist als ein Fluidstromdruck des durch den Einlass strömenden Fluidstroms.
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Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen hydraulischen Inducereinrichtung ist es insbesondere möglich, den Druck des durch die Turbopumpe zu fördernden Fluids im Bereich insbesondere eines Einlasses desselben beziehungsweise vor einem Laufrad beziehungsweise Impeller der Turbopumpe zu erhöhen, um so den Zustand des Fluids von der Siedelinie zu entfernen. Die hydraulische Inducereinrichtung kann insbesondere eine Pumpstufe oder eine beliebige Pumpeinrichtung umfassen, die den zur Vermeidung der Kavitation erforderlichen Inducerfluidstromdruck erzeugt. Insbesondere durch das Beimischen des Inducerfluidstroms zum Fluidstrom wird ein im Fluid insgesamt herrschender Fluiddruck erhöht und somit ein Kavitationsrisiko minimiert.
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Vorteilhaft ist es, wenn die hydraulische Inducereinrichtung eine Fluidrückführeinrichtung umfasst, welche mit dem Auslass und dem Einlass in Fluidverbindung steht zum Rückführen eines Teils des durch die Pumpeinrichtung geförderten und im Druck erhöhten Fluids vom Auslass zum Einlass als Inducerfluidstrom. Mit der Fluidrückführeinrichtung wird quasi eine Rückkopplung der Druckseite mit der Saugseite der Pumpeinrichtung realisiert. Dabei wird ein kleiner Teil des geförderten und im Druck erhöhten Fluids als Inducerfluidstrom der Druckseite entnommen und der Saugseite der Pumpeinrichtung zugeführt. Durch den Ejektoreffekt tritt bei der Zufuhr des Inducerfluidstroms eine Gesamtdruckerhöhung des gesamten Zustroms im Bereich des Einlasses der Pumpeinrichtung ein. Auf diese Weise entfernt sich der Zustand des Fluids vor Eintritt insbesondere in ein Laufrad beziehungsweise einen Impeller der Pumpeinrichtung von der Siedelinie, was eine Erhöhung der gewünschten Kavitationssicherheit bedeutet. Anders als bei herkömmlichen Inducern, welche insbesondere rotormechanische Bauteile erfordern, kann so eine deutlich höhere Kavitationssicherheit erreicht werden. Auch eine Bedrückung beispielsweise der Tanks einer Rakete, welche den Raketentreibstoff enthalten, ist aus kavitationsrelevanten Gründen nicht erforderlich. Je nach Ausgestaltung der Rückführung sowie einem Ort der Rückführung im Bereich des Einlasses der Pumpeinrichtung kann unter Nutzung des Ejektoreffekts die gesamte Zuströmung vor einem Laufrad der Turbopumpe beeinflusst werden. Die Erzeugung von Geschwindigkeits- und Druckprofilen vor dem Turbopumpenlaufrad kann in gewünschter Weise verändert werden, um praktisch eine beliebige Kavitationssicherheit zu gewährleisten.
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Vorzugsweise umfasst die Fluidrückführeinrichtung mindestens eine Rückführleitung für den Inducerfluidstrom, die mit dem Auslass und dem Einlass in Fluidverbindung steht. Grundsätzlich werden außer der Fluidrückführleitung keine weiteren Bauelemente benötigt, um einen Teil des im Druck erhöhten Fluids zur Saugseite der Pumpeinrichtung zurückzuleiten. Insbesondere kann auf rotormechanische Inducereinrichtungen komplett verzichtet werden.
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Günstig ist es, wenn die Fluidrückführeinrichtung eine Regeleinrichtung zum Regeln eines Volumens und/oder eines Drucks des durch die Rückführleitung strömenden Inducerfluidstroms umfasst. Mit der Regeleinrichtung können also insbesondere der Druck im Inducerfluidstrom und/oder das Volumen des Inducerfluidstroms pro Zeiteinheit variiert werden, um nur so viel Fluid in den Einlassbereich der Pumpeinrichtung zurückzuführen, wie es zur Vermeidung der Kavitation erforderlich ist.
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Auf besonders einfache Weise lässt sich die Regeleinrichtung ausbilden, wenn sie mindestens ein Regelventil umfasst.
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Auf besonders einfache Weise lässt sich der Inducerfluidstrom regeln, wenn das mindestens eine Regelventil in der mindestens einen Rückführleitung angeordnet oder ausgebildet ist. So kann durch das mindestens eine Regelventil direkt Einfluss auf den Inducerfluidstrom genommen werden.
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Günstig ist es, wenn die Regeleinrichtung mindestens einen Auslassdrucksensor zum Bestimmen eines Auslassdrucks am Auslass und einen Einlassdrucksensor zum Bestimmen eines Einlassdrucks am Einlass umfasst. Der mindestens eine Auslassdrucksensor und der mindestens eine Einlassdrucksensor ermöglichen es insbesondere, den Inducerfluidstrom so zu regeln, dass nur so viel von dem bereits geförderten Fluid rückgeführt wird, wie zur Vermeidung der Kavitation am Laufrad der Pumpeinrichtung benötigt wird. So kann insbesondere eine Effizienz der Turbopumpe maximiert werden.
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Vorzugsweise ist die Regeleinrichtung derart ausgebildet, dass der Inducerfluidstrom in Abhängigkeit des Auslassdrucks und/oder des Einlassdrucks regelbar ist. So können Druck und/oder Volumenstrom des Inducerfluidstroms in gewünschter Weise geregelt werden, um Kavitation in der Pumpeinrichtung möglichst sicher zu vermeiden. Optional kann es zudem günstig sein, wenn zusätzlich auch eine Drehzahl der Pumpeinrichtung und/oder eine Temperatur am Einlass derselben durch die Regeleinrichtung erfasst und zum Regeln des Inducerfluidstrom in Abhängigkeit der Drehzahl der Pumpeinrichtung und/oder der Temperatur am Einlass derselben verwendet wird.
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Vorzugsweise umfasst die Pumpeinrichtung einen Impeller und/oder ist in Form einer Radialpumpe ausgebildet. Pumpeinrichtungen mit Impeller und/oder in Form einer Radialpumpe können insbesondere die für Raketentriebwerke erforderlichen Drucke und Volumenströme fördern.
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Günstigerweise steht der Auslass mit einem Fluidsammelraum in Fluidverbindung. Im Fluidsammelraum kann insbesondere unter erhöhtem Druck stehendes Fluid sozusagen zwischengespeichert und über Brennstoffleitungen zu Einspritzdüsen einer Brennkammer eines Raketentriebwerks geleitet werden. Zudem ist insbesondere die Herstellung einer Fluidverbindung mit dem Auslass über den Fluidsammelraum besonders einfach.
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Vorteilhaft ist es, wenn die mindestens eine Rückführleitung mit dem Fluidsammelraum in Fluidverbindung steht. So kann dann über den Fluidsammelraum indirekt eine Fluidverbindung zwischen dem Auslass über die Rückführleitung mit dem Einlass hergestellt werden.
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Günstig ist es, wenn eine minimale Rückführleitungsquerschnittsfläche der Rückführleitung kleiner ist als eine Auslassquerschnittsfläche des Auslasses. So kann durch die Wahl der beiden Querschnittsflächen bereits eine Begrenzung des durch die Rückführleitung rückgeführten Inducerfluidstroms vorgegeben werden. Mit der optionalen Regeleinrichtung kann der rückgeführte Inducerfluidstrom weiter verringert werden, beispielweise druckabhängig geregelt werden.
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Um eine möglichst effiziente Turbopumpe auszubilden, ist es vorteilhaft, wenn die minimale Rückführleitungsquerschnittsfläche nicht größer ist als ein Zehntel der Auslassquerschnittsfläche. Vorzugsweise ist sie nicht größer als ein Fünfzigstel der Auslassquerschnittsfläche. So kann auf einfache und sichere Weise ein Volumenstrom des Inducerfluidstroms auf die angegebenen Bereiche begrenzt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Fluidrückführeinrichtung mindestens eine Einspritzeinrichtung umfasst zum Einleiten des Inducerfluidstroms im Bereich des Einlasses, welche mindestens eine parallel zu einer Strömungsrichtung im Bereich des Einlasses verlaufende Einspritzrichtungskomponente aufweist. Mit einer solchen Einspritzeinrichtung ist es möglich, den Inducerfluidstrom im Bereich des Einlasses zu injizieren, und zwar mindestens teilweise in Richtung des Fluidstroms. So kann in Letzterem ein Druck gesteigert werden, um Kavitation zu vermeiden.
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Vorzugsweise verläuft eine von der Einspritzeinrichtung definierte Einspritzrichtung parallel zur Strömungsrichtung und/oder in radialer Richtung bezogen auf die Strömungsrichtung und/oder bezogen auf die Strömungsrichtung in Umfangsrichtung. Eine Einspritzeinrichtung, mit welcher eine solche Einspritzrichtung vorgebbar ist, ermöglicht es auf einfache und sichere Weise, den Zustand des zu fördernden Fluids im Bereich des Einlasses so zu verändern, dass keine Kavitationseffekte auftreten. Insbesondere kann die Einspritzeinrichtung derart ausgebildet sein, dass sich die Einspritzrichtung bei Bedarf ändern lässt. Dies kann insbesondere durch Zu- und Abschalten von Einspritzelementen, wie beispielsweise Einspritzdüsen, erfolgen oder aber auch durch Verändern einer Ausrichtung von Einspritzelementen. Insbesondere kann die Variation der Einspritzrichtung druckabhängig erfolgen, also beispielsweise abhängig vom Einlassdruck oder vom Auslassdruck.
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Günstig ist es, wenn die Einspritzeinrichtung mindestens ein Einspritzelement umfasst und wenn das mindestens eine Einspritzelement einen Einspritzelementauslass aufweist, welcher in Einspritzrichtung gerichtet ist. Mindestens ein Einspritzelement in der vorgeschlagenen Weise anzuordnen und auszubilden hat insbesondere den Vorteil, dass der Injektorfluidstrom in gewünschter Weise gerichtet im Bereich des Einlasses injiziert werden kann, um Kavitation zu verhindern. Es können insbesondere ein, zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht oder auch noch mehr Einspritzelement vorgesehen sein.
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Auf besonders einfache Weise ausbilden lässt sich die Einspritzeinrichtung, wenn das mindestens eine Einspritzelement in Form einer Einspritzdüse ausgebildet ist. Diese kann insbesondere in Form einer sich verjüngenden Durchbrechung im Bereich des Einlasses ausgebildet sein. Optional kann auch eine Verschlusseinrichtung am Einspritzelement vorgesehen sein, um so die Menge des im Bereich des Einlasses einströmenden Injektorfluidstroms zu regeln.
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Günstigerweise ist das mindestens eine Einspritzelement im Bereich eines freien Querschnitts des Einlasses angeordnet oder ausgebildet. So kann mitten im Fluidstrom zusätzlich im Druck erhöhtes Fluid injiziert werden. So kann insbesondere nicht nur an einem Rand des Fluidstroms ein Teil des Injektorfluidstroms oder der Injektorfluidstrom insgesamt eingeleitet werden, sondern über den Querschnitt des Fluidstroms verteilt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Einspritzeinrichtung eine Fluidverteilungseinrichtung umfasst zum Verteilen des Inducerfluidstroms im Bereich des Einlasses und dass die Fluidverteilungseinrichtung mit der mindestens einen Rückführleitung in Fluidverbindung steht. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, den Inducerfluidstrom in gewünschter Weise im Bereich des Einlasses einzuleiten und ihn insbesondere in gewünschter Weise im Bereich des Einlasses zu verteilen. Beispielsweise kann der Inducerfluidstrom durch mehrere Einspritzelemente im Bereich des Einlasses injiziert werden.
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Auf einfache Weise lässt sich der Injektorfluidstrom im Bereich des Einlasses verteilen, wenn die Fluidverteilungseinrichtung eine Ringleitung umfasst, welche den Einlass ringförmig umgibt. Auf diese Weise kann der Injektorfluidstrom den Einlass ringförmig umgeben und entweder direkt aus der Ringleitung im Bereich des Einlasses in den Fluidstrom injiziert werden oder durch mit der Ringleitung direkt oder indirekt in Fluidverbindung stehende Einspritzelemente.
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Günstig ist es, wenn die Einspritzeinrichtung mindestens ein Halteelement umfasst, welches das mindestens eine Einspritzelement trägt oder umfasst, und wenn das mindestens eine Halteelement im Bereich des Einlasses quer zur Strömungsrichtung angeordnet oder ausgebildet ist. Insbesondere kann das mindestens eine Halteelement senkrecht zur Strömungsrichtung im Bereich des Einlasses angeordnet oder ausgebildet sein. Beispielsweise kann es sich bei dem Halteelement um ein quer zur Strömungsrichtung erstreckendes Hohlprofil handeln, durch welches der rückgeführte Injektorfluidstrom mindestens teilweise strömen kann. Das mindestens einen Einspritzelement, das am Halteelement angeordnet oder ausgebildet ist, dient dann dazu, den Injektorfluidstrom im Bereich des Einlasses in den Fluidstrom zu injizieren.
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Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn das mindestens eine Halteelement in Form eines Strömungsprofils ausgebildet ist, welches einen Strömungskanal umfasst, welcher einerseits mit der Verteilungseinrichtung und andererseits mit dem mindestens einen Einspritzelement in Fluidverbindung steht. Die Ausbildung des mindestens einen Halteelements in Form eines Strömungsprofils hat insbesondere den Vorteil, dass dem Fluidstrom nur ein geringer Strömungswiderstand entgegengesetzt wird. Das Strömungsprofil kann zudem in Strömungsrichtung oder gegen diese geneigt angeordnet oder ausgebildet sein, insbesondere um den Fluidstrom ab und/oder umzulenken, um eine möglichst gleichmäßige Druck- und Geschwindigkeitsverteilung im Bereich des Einlasses zu erreichen.
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Vorzugsweise sind zwei oder mehr Einspritzelemente vorgesehen. Denkbar ist es insbesondere, zwei sich kreuzende Halteelemente vorzusehen, die sich kreuzförmig im Bereich des Einlasses erstrecken. Jedes Halteelement kann so ein, zwei, drei oder vier Einspritzelemente tragen oder umfassen. In der beschriebenen Weise kann so der Einlass in vier Sektoren unterteilt werden, die jeweils von zwei Halteelementen beziehungsweise zwei Abschnitten derselben begrenzt sind, die ein, zwei, drei oder mehr Einspritzelemente tragen oder umfassen können.
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Günstig ist es, wenn das mindestens einen Halteelement in Form eines Strömungsprofils ausgebildet ist, welches einen Strömungskanal umfasst, welcher einerseits mit der Verteilungseinrichtung und andererseits mit dem mindestens einen Einspritzelement in Fluidverbindung steht. Das mindestens eine Halteelement kann somit eine Doppelfunktion erfüllen. Zum einen kann es zum Halten des mindestens einen Einspritzelements dienen und zum anderen zum Durchleiten des Inducerfluidstroms von der Verteilungseinrichtung zum mindestens einen Einspritzelement.
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Um möglichst eine definierte Verteilung des Inducerfluidstroms im Bereich des Einlasses zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn zwei oder mehr Einspritzelemente vorgesehen sind. Beispielsweise können bei vier speichenartig angeordneten Halteelementen jeweils zwei Einspritzelemente vorgesehen sein.
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Günstig ist es, wenn die zwei oder mehr Einspritzelemente unterschiedliche Einspritzrichtungen definieren und/oder unterschiedliche Einspritzquerschnitte aufweisen. Auf diese Weise lässt sich ein Profil des rückgeführten Inducerfluidstroms im Bereich des Einlasses in gewünschter Weise vorgeben.
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Günstig ist es, wenn ein Einspritzquerschnitt des mindestens einen Einspritzelements umso größer ist, je näher das Einspritzelement an einer den Einlass umgebenden Innenwand des Einlasses angeordnet oder ausgebildet ist. Auf diese Weise kann ein Volumenstrom des Inducerfluidstroms vorgegeben werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn eine Einspritzrichtung umso mehr in Umfangsrichtung weist, je näher das Einspritzelement an einer den Einlass umgebenden Innenwand des Einlasses angeordnet oder ausgebildet ist. Diese Anordnung beziehungsweise Ausbildung des Einspritzelements und der von diesem definierten Einspritzrichtung ermöglicht es insbesondere, den Fluidstrom im Bereich der Innenwand zu beschleunigen.
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Vorteilhaft ist es, wenn das mindestens eine Einspritzelement im Bereich der oder an der Fluidverteilungseinrichtung oder in oder an einer den Einlass umgebenden Innenwand angeordnet oder ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht es insbesondere, den Inducerfluidstrom ohne zusätzliche, den Einlass mindestens teilweise versperrenden Elemente zurückzuführen.
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Ferner kann es günstig sein, wenn die Kavitationsverhinderungseinrichtung eine mechanische Inducereinrichtung zum Ab- und/oder Umlenken des durch den Einlass strömenden Fluidstroms umfasst. Beispielsweise können die Strömungsrichtung des Fluidstroms ändernde Profile im Bereich des Einlasses angeordnet oder ausgebildet werden, die den Zustand des Fluids, insbesondere dessen Strömungsgeschwindigkeit und damit auch den herrschenden Druck, ändern.
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Vorzugsweise umfasst die mechanische Inducereinrichtung mindestens ein Umlenkelement zum Ab- und/oder Umlenken des durch den Einlass strömenden Fluidstroms. Das Umlenkelement kann wahlweise feststehend angeordnet oder ausgebildet sein oder aber auch in Form eines bewegten Umlenkelements ausgebildet sein, beispielsweise in Form eines Rotors.
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Besonders kompakt ausbilden lässt sich die Rückführeinrichtung, wenn die mechanische Inducereinrichtung die Einspritzeinrichtung umfasst. Dies ist insbesondere dann auf einfache Weise realisierbar, wenn die mechanische Inducereinrichtung in Form einer unbeweglich angeordneten oder ausgebildeten Inducereinrichtung ausgebildet ist.
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Ferner lässt sich eine Baugröße der Pumpeinrichtung weiter verringern, wenn das mindestens eine Umlenkelement das mindestens eine Einspritzelement trägt oder umfasst. Auf diese Weise lässt sich insbesondere auch Gewicht einsparen, was für Raketentriebwerke von besonderer Bedeutung ist.
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Der eingangs gestellte Aufgabe wir ferner bei einem Raketentriebwerk der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die mindestens eine Turbopumpe in Form einer der oben beschriebenen Turbopumpe ausgebildet ist.
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Ein Raketentriebwerk mit einer der oben beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen von Turbopumpen auszustatten hat dann insbesondre auch die oben im Zusammenhang mit den bevorzugten Ausführungsformen beschriebenen Vorteile.
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung. Es zeigen:
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1: eine schematische Prinzipskizze eines Raketentriebwerks;
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2: einen schematischen Halbschnitt einer Turbopumpe mit Fluidrückführeinrichtung;
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3: eine schematische Schnittansicht längs Linie 3-3 in 2;
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4: eine schematische, vergrößerte Ansicht des Bereichs A in 2;
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5: eine schematische Schnittansicht einer Einspritzdüse;
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6: eine Schnittansicht längs Linie 3-3 in 2 eines alternativen Ausführungsbeispiels einer Einspritzeinrichtung;
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7: eine Schnittansicht längs Linie 7-7 in 6;
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8: eine schematische Schnittansicht einer Verteilungseinrichtung im Bereich eines Einlasses der Pumpeinrichtung mit Einspritzdüsen;
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9: eine Ansicht ähnlich 4 eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Einspritzeinrichtung; und
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10a bis 10e: schematische Prinzipskizzen von Turbopumpenkonfigurationen.
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In 1 ist eine schematische Prinzipskizze eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichneten Raktentriebwerks dargestellt. Es umfasst insbesondere eine Turbopumpe 12 mit einer von einer Turbine 14 angetriebenen Pumpeinrichtung 16. Ferner ist eine Kavitationsverhinderungseinrichtung 18 vorgesehen.
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Der Aufbau insbesondere der Pumpeinrichtung 16 sowie der Kavitationsverhinderungseinrichtung 18 wird nachfolgend in Verbindung mit 2 näher erläutert.
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In 2 ist schematisch ein Halbschnitt durch einen Teil der Pumpeinrichtung 16 dargestellt. Diese umfasst einen Impeller 20, zu dem das zu fördernde Fluid 22 durch einen Einlass 24 strömt. Der Einlass 24 steht beispielsweise mit einem Tank in Fluidverbindung, welcher das zu fördernde Fluid enthält, beispielsweise einen Raketentreibstoff oder ein Oxidationsmittel. Ein Fluidstrom 26 zum Impeller 20 hin ist durch einen Pfeil schematisch dargestellt. Der Impeller 20 ist in Form eines Radialrads ausgebildet und fördert das Fluid 20 zu einem Auslass 28, welcher mit einem Fluidsammelraum 30 in Fluidverbindung steht. Der Fluidsammelraum 30 ist somit auf einer Druckseite 32 der Pumpeinrichtung 16 angeordnet, der Einlass 24 ist mit einer Saugseite 34 in Fluidverbindung stehend.
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Zur Vermeidung von Kavitation am Impeller 20 dient die Kavitationsverhinderungseinrichtung 18. Sie umfasst eine hydraulische Inducereinrichtung 36 zum Einleiten eines Inducerfluidstroms 38 auf der Saugseite 34 der Pumpeinrichtung 16, und zwar mit einem Inducerfluidstromdruck, welcher größer ist als ein Fluidstromdruck des durch den Einlass 24 strömenden Fluidstroms 26.
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Der Inducerfluidstrom 38 wird mit einer Fluidrückführeinrichtung 40 zum Einlass 24 geleitet. Die Fluidrückführeinrichtung 40 steht mit dem Einlass 24 und mit dem Auslass 28 in Fluidverbindung. Sie umfasst mindestens eine Rückführleitung 42, die mit dem Auslass 28 und dem Einlass 24 in Fluidverbindung steht.
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Optional kann die Fluidrückführeinrichtung 40 eine Regeleinrichtung 44 zum Regeln eines Volumens und/oder eines Drucks des durch die Rückführleitung 42 strömenden Inducerfluidstroms umfassen. Beispielsweise kann die Regeleinrichtung 44 ein oder mehrere Regelventile 46 umfassen, welche in der Rückführleitung 42 angeordnet oder ausgebildet sind.
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Um mit der Regeleinrichtung 44 den Inducerfluidstrom 38 in Abhängigkeit eines Auslassdrucks im Fluid 22 am Auslass 28 und/oder eines Einlassdrucks am Einlass 24 zu regeln, können optional ein Auslassdrucksensor 48 und ein Einlassdrucksensor 50 vorgesehen sein, die mit der Regeleinrichtung 44 gekoppelt sind. Optional kann zusätzlich auch ein mit der Regeleinrichtung 44 gekoppelter Drehzahlmesser 90 zum Messen einer Drehzahl des Impellers 20 vorgesehen sein. Ferner kann optional auch noch ein mit der Regeleinrichtung 44 gekoppelter Temperatursensor 92 am Einlass 24 angeordnet sein, um eine Einlasstemperatur des Fluidstroms 26 zu bestimmen. Die Regeleinrichtung 44 kann somit auch derart ausgebildet sein, dass mit ihr der Inducerfluidstrom 38 in Abhängigkeit des Auslassdrucks und/oder des Einlassdrucks und/oder der Drehzahl des Impellers 20 und/oder der Einlasstemperatur regelbar ist.
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Um den Zustand des Fluids 22 im Bereich des Einlasses 24 von der Siedelinie zu entfernen und dadurch die Bildung von Kavitationsblasen zu vermeiden, wird mit der Fluidrückführeinrichtung 40 ein Teil des unter höherem Druck stehenden Fluids 22 vom Fluidsammelraum 30 durch die Rückführleitung 42 dem Einlass 24 in Form des Inducerfluidstroms 38 zugeführt. Um sicherzustellen, dass nur ein Teil des bereits durch die Pumpeinrichtung 16 geförderten und unter einem erhöhten Druck stehenden Fluids 22 zurück zum Einlass 24 geleitet wird, ist eine minimale Rückführleitungsquerschnittsfläche der Rückführleitung 42 kleiner als eine Auslassquerschnittsfläche des Auslasses 28. Vorzugsweise ist die minimale Rückführleitungsquerschnittsfläche nicht größer als ein Zehntel der Auslassquerschnittsfläche. Sie kann sogar noch kleiner sein, beispielsweise nicht größer als ein Fünfzigstel der Auslassquerschnittsfläche.
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Zum Einleiten des Inducerfluidstroms 38 im Bereich des Einlasses 24 umfasst die Fluidrückführeinrichtung 40 mindestens eine Einspritzeinrichtung 52. Diese weist mindestens eine parallel zu einer Strömungsrichtung 54 im Bereich des Einlasses 24 verlaufende Einspritzrichtungskomponente 56 auf. Sie kann auch eine Einspritzrichtungskomponente 58 aufweisen, welche quer zur Strömungsrichtung 54 verläuft. Insbesondere kann diese in radialer Richtung, also beispielsweise von der Längsachse 64 weg oder auf diese hin gerichtet sein, oder auch in Umfangsrichtung, also beispielsweise konzentrisch zu einer von einer Innenwand 60 der Pumpeinrichtung 16 definierten Längsachse 62 verlaufen. Die Längsachse 62 definiert gleichzeitig eine Drehachse 64 des Impellers 20. Man kann daher auch sagen, dass eine von der Einspritzeinrichtung 52 definierte Einspritzrichtung 66 parallel zur Strömungsrichtung 54 und/oder bezogen auf die Strömungsrichtung 54 in Umfangsrichtung 68 verläuft.
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Die Einspritzeinrichtung 52 umfasst mindestens ein Einspritzelement 70, welches einen Einspritzelementauslass 72 aufweist, welcher in Einspritzrichtung 66 gerichtet ist. Das mindestens eine Einspritzelement 70 kann insbesondere in Form einer Einspritzdüse 74 ausgebildet sein, deren innerer Querschnitt sich in Richtung auf den Einspritzelementauslass 72 hin verringert.
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Die Einspritzeinrichtung 66 kann insbesondere eine Fluidverteilungseinrichtung 76 umfassen zum Verteilen des Inducerfluidstroms 38 im Bereich des Einlasses 24. Die Fluidverteilungseinrichtung 76 steht vorzugsweise mit der Rückführleitung 42 in Fluidverbindung, so dass der Inducerfluidstrom 38 entweder direkt aus dem Auslass 28 oder indirekt über den Sammelraum 30 dem Fluidstrom 26 im Bereich des Einlasses 24 beigemischt werden kann.
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Wie beispielhaft in 3 dargestellt, kann die Fluidverteilungseinrichtung 76 eine Ringleitung 78 umfassen, die im Bereich des Einlasses 24 angeordnet ist und diesen ringförmig umgibt. An der Ringleitung 78 können optional Einspritzdüsen 74 angeordnet oder ausgebildet sein, die eine Einspritzrichtung 66 definieren, die parallel oder im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung 54 gerichtet oder relativ zu dieser geneigt ist. Insbesondere kann die Ringleitung 78 in einem Bereich angeordnet oder ausgebildet sein, in welchem sich eine vom Einlass 24 definierte Querschnittsfläche in Richtung auf den Impeller 20 hin vergrößert. Diese Ausgestaltung ist schematisch in 8 wiedergegeben.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Einspritzeinrichtung 52 ein oder mehrere Halteelemente 80 umfassen, die ein oder mehrere Einspritzelemente 70 tragen oder umfassen. Wie beispielhaft in 3 dargestellt, können die Halteelemente 80 im Bereich des Einlasses 24 quer zur Strömungsrichtung 54 angeordnet oder ausgebildet sein, beispielsweise in Form von radialen Streben. In 3 sind beispielhaft vier in einer senkrecht zur Strömungsrichtung 54 verlaufenden Ebene und gegenseitig um 90° abgewinkelte speichenförmige Halteelemente vorgesehen, die mit der Ringleitung 78 in Fluidverbindung stehen. Im Inneren weisen die Halteelemente einen Strömungskanal 82 auf, welcher die Ringleitung 78 und die Einspritzelemente 70 miteinander fluidisch verbindet.
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Die Halteelemente 80 können insbesondere in Form eines Strömungsprofils ausgebildet sein.
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Wie in 9 beispielhaft dargestellt, können mehrere Einspritzelemente 70 vorgesehen sein, die unterschiedliche Einspritzrichtungen 66 definieren. Ferner können sie unterschiedliche Einspritzquerschnitte aufweisen. Ein Einspritzquerschnitt der Einspritzelemente 70 kann insbesondere umso größer sein, je näher das Einspritzelement 70 an der den Einlass 24 definierenden Innenwand 60 der Pumpeinrichtung 16 angeordnet oder ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung ist insbesondere in 9 schematisch dargestellt. In dieser Figur ist zudem schematisch dargestellt, dass die Einspritzeinrichtung 52 Einspritzelemente 70 aufweisen kann, die Einspritzrichtungen 66 definieren, deren Anteil in Umfangsrichtung, also deren Einspritzkomponente 58, umso größer ist, je näher das Einspritzelement 70 an der Innenwand 60 angeordnet oder ausgebildet ist. Insbesondere kann ein Einspritzelement 70 im Bereich der oder an der Fluidverteilungseinrichtung 76 oder in oder an der den Einlass 24 umgebenden Innenwand 60 angeordnet oder ausgebildet sein. Diese Ausgestaltungen sind schematisch in den 8 und 9 dargestellt.
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Die Kavitationsverhinderungseinrichtung 18 kann ferner eine mechanische Inducereinrichtung 84 zum Ab- und/oder Umlenken des durch den Einlass 24 strömenden Fluidstroms 26 umfassen. Dabei kann es sich um einen in den Figuren nicht dargestellten rotierenden Inducer handeln oder um einen feststehenden Inducer 86. Der feststehende Inducer 86 kann insbesondere ein Umlenkelement 88 umfassen zum Ab- und/oder Umlenken des durch den Einlass 24 strömenden Fluidstroms 26. Wie schematisch in den 6 und 7 dargestellt, kann das Umlenkelement 88 in Form eines verwundenen Profils ausgebildet sein, das gleichzeitig ein Halteelement 80a bildet, welches wiederum ein oder mehrere Einspritzelemente 70 in Form von Einspritzdüsen 74 trägt. Damit kann diese mechanische Inducereinrichtung 84 auch die Einspritzeinrichtung 52 umfassen.
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In den 10a bis 10e sind mögliche Turbopumpenkonfigurationen in Raktentriebwerken in nicht abschließender Weise schematisch dargestellt, die nachfolgend kurz beschrieben werden sollen.
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In den Figuren sind Turbopumpen zur Förderung eines Oxidationsmittels mit "O" und zur Förderung des Raketentreibstoffes mit "F" bezeichnet. Die Turbine zum Antreiben der Turbopumpen ist mit "T" bezeichnet, welche von einem Gasstrom "G" angetrieben wird.
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In den 10a und 10b sind zwei Turbopumpen zur Förderung des Oxidationsmittels und des Raketentreibstoffs auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, wobei die antreibende Turbine bei der Anordnung in 10a außenliegend und bei der Anordnung in der 10b innen liegend angeordnet ist.
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In 10c dient eine Turbine T unter Zwischenschaltung eines Getriebes GC zum Antreiben der beiden Turbopumpen für das Oxidationsmittel und der Ra- ketenbrennstoff. Diese Anordnung hat insbesondere den Vorteil, dass die Turbine mit einer höheren Drehzahl betrieben werden kann als die beiden Turbopumpen.
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Alternativ ist es auch möglich, für jede Pumpeinrichtung eine eigene Turbine vorzusehen, also eine für die Pumpe zur Förderung des Oxidationsmittels und eine Pumpe zur Förderung des Raketentreibstoffs, wie dies beispielhaft in 10d dargestellt ist. Damit lässt sich ein freies Drehzahlverhältnis einstellen und somit auch ein beliebiges Mischungsverhältnis zwischen Oxidationsmittel und Raketentreibstoff.
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Und schließlich kann, wie schematisch in 10e dargestellt, zum Antreiben der beiden Turbinen, die mit jeweils einer Pumpeinrichtung gekoppelt sind, ein einzelner Gasstrom dienen. Es ist sowohl eine Anordnung mit einem parallelen als auch eine Anordnung mit einem seriellen Gasstrom möglich. Auch hier können freie Drehzahlverhältnisse für beide Pumpeinrichtungen vorgegeben werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Raketentriebwerk
- 12
- Turbopumpe
- 14
- Turbine
- 16
- Pumpeinrichtung
- 18
- Kavitationsverhinderungseinrichtung
- 20
- Impeller
- 22
- Fluid
- 24
- Einlass
- 26
- Fluidstrom
- 28
- Anlass
- 30
- Sammelraum
- 32
- Druckseite
- 34
- Saugseite
- 35
- hydraulische Inducereinrichtung
- 36
- Inducereinrichtung
- 38
- Inducerfluidstrom
- 40
- Fluidrückführeinrichtung
- 42
- Rückführleitung
- 44
- Regeleinrichtung
- 46
- Regelventil
- 48
- Auslassdrucksensor
- 50
- Einlassdrucksensor
- 52
- Einspritzrichtung
- 54
- Strömungsrichtung
- 56
- Einspritzkomponente
- 58
- Einspritzkomponente
- 60
- Innenwand
- 62
- Längsachse
- 64
- Drehachse
- 66
- Einspritzrichtung
- 68
- Umfangsrichtung
- 70
- Einspritzelement
- 72
- Einspritzelementauslass
- 74
- Einspritzdüse
- 76
- Fluidverteilungseinrichtung
- 78
- Ringleitung
- 80, 80a
- Halteelement
- 82
- Strömungskanal
- 84
- mechanische Inducereinrichtung
- 86
- Inducer
- 88
- Umlenkelement
- 90
- Drehzahlmesser
- 92
- Temperatursensor
