DE102018102222A1

DE102018102222A1 - Brennkammervorrichtung, Fahrzeug und Verfahren zum Betreiben einer Brennkammervorrichtung

Info

Publication number: DE102018102222A1
Application number: DE102018102222.0A
Authority: DE
Inventors: Markus Ortelt; Dirk Greuel
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2018-02-01
Filing date: 2018-02-01
Publication date: 2019-08-01
Also published as: WO2019149870A1

Abstract

Brennkammervorrichtung, umfassend einen Brennraum (12), welcher durch einen Innenmantel (14; 14') begrenzt ist, wobei der Innenmantel (14; 14') ein fluiddurchlässiges Strukturmaterial (32) aufweist, und wobei der Innenmantel (14; 14') mindestens einen Strömungskanal (42) mit einem Strömungsbereich (54) für Fluid umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (14; 14') eine fluidundurchlässige Innenmantelschicht (62) aufweist, welche an einer Seite (58) des Strukturmaterials (32) des Innenmantels (14; 14') angeordnet ist, wobei die Seite (58) den Strömungsbereich (54) des mindestens einen Strömungskanals (42) zumindest bereichsweise begrenzt, und wobei die fluidundurchlässige Innenmantelschicht (62) mindestens eine Öffnung (64) aufweist, mittels welcher eine fluidwirksame Verbindung zwischen dem Strömungsbereich (54) des mindestens einen Strömungskanals (42) und dem fluiddurchlässigen Strukturmaterial (32) des Innenmantels (14; 14') herstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkammervorrichtung, umfassend einen Brennraum, welcher durch einen Innenmantel begrenzt ist, wobei der Innenmantel ein fluiddurchlässiges Strukturmaterial aufweist, und wobei der Innenmantel mindestens einen Strömungskanal mit einem Strömungsbereich für Fluid umfasst.
Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, insbesondere einen Flugkörper.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkammervorrichtung.
Aus der DE 10 2005 059 502 A1 ist eine Heißkammer bekannt, umfassend mindestens einen Heißraum, mindestens eine Heißkammerwand, welche den Heißraum begrenzt und mindestens eine Hüllenstruktur, welche die Heißkammerwand umgibt und/oder von der Heißkammerwand umgeben ist. Zwischen der Heißkammerwand und der Hüllenstruktur ist eine Schale angeordnet, welche mindestens in Teilbereichen an der Heißkammerwand und an der Hüllenstruktur anliegt, und die Schale ist so ausgebildet, dass sie in einer Abstandsrichtung zwischen der Heißkammerwand und der Hüllenstruktur und in einer Querrichtung zu dieser Abstandsrichtung dehnbar ist.
Aus der DE 10 2005 036 137 A1 ist eine Brennkammer, umfassend einen Außenmantel und einen Innenmantel, welcher einen Brennraum begrenzt und welcher zur Effusionskühlung oder Transpirationskühlung fluiddurchlässig ist, bekannt. Der Innenmantel umfasst eine Mehrzahl von längs einer axialen Achse aufeinanderfolgenden Scheibenelementen.
Aus der DE 10 2010 043 336 A1 ist eine Brennkammervorrichtung bekannt, umfassend eine Brennkammer, einen Einspritzkopf zum Zuführen mindestens eines Fluids zu der Brennkammervorrichtung und eine sich an die Brennkammer anschließende Düsenerweiterung. Die Brennkammervorrichtung umfasst eine Hülle, welche zumindest abschnittsweise eine Wandung der Brennkammer und eine Wandung der Düsenerweiterung bildet und sich im montierten Zustand der Brennkammervorrichtung im Wesentlichen von dem Einspritzkopf bis zu einem dem Einspritzkopf abgewandten Ende der Düsenerweiterung erstreckt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkammervorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche bei einfacher Herstellbarkeit eine hohe Leistung und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Brennkammervorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Innenmantel eine fluidundurchlässige Innenmantelschicht aufweist, welche an einer Seite des Strukturmaterials des Innenmantels angeordnet ist, wobei die Seite den Strömungsbereich des mindestens einen Strömungskanals zumindest bereichsweise begrenzt, und wobei die fluidundurchlässige Innenmantelschicht mindestens eine Öffnung aufweist, mittels welcher eine fluidwirksame Verbindung zwischen dem Strömungsbereich des mindestens einen Strömungskanals und dem fluiddurchlässigen Strukturmaterial des Innenmantels herstellbar ist.
Die Brennkammervorrichtung umfasst beispielsweise eine Einspritzvorrichtung zum Zuführen von Fluiden zu dem Brennraum. Mittels dieser Einspritzeinrichtung lassen sich dem Brennraum beispielsweise Treibstoff und Oxidator zur Verbrennung zuführen.
Im Betrieb der Brennkammervorrichtung entstehen durch die chemische Reaktion der fluide innerhalb des Brennraums hohe Drücke und hohe Temperaturen. Dadurch wird insbesondere der Innenmantel der Brennkammervorrichtung thermisch sehr hoch belastet. Zur Kühlung der Brennkammervorrichtung sind aus diesem Grund effektive und effiziente Kühlverfahren notwendig.
Bei der erfindungsgemäßen Brennkammervorrichtung ist es vorgesehen, dass die Kühlung des Innenmantels insbesondere mittels Effusionskühlung oder Transpirationskühlung erfolgt.
Dem fluiddurchlässigen Strukturmaterial des Innenmantels wird hierzu über den mindestens einen Strömungskanal ein Kühlmedium zugeführt. Das Kühlmedium fließt (zumindest teilweise) aus dem mindestens einen Strömungskanal in das fluiddurchlässige Strukturmaterial des Innenmantels. Aufgrund der Fluiddurchlässigkeit des Strukturmaterials des Innenmantels gelangt das Kühlmedium beispielsweise an eine dem Brennraum zugewandte Innenseite des Innenmantels und bildet dort einen zumindest näherungsweise homogenen Kühlungsfilm (Effusionskühlung).
Bei der Transpirationskühlung ist es zusätzlich vorgesehen, dass das Kühlmedium einen Phasenwechsel durchführt. Dies lässt sich insbesondere durch geeignete Wahl des Kühlmediums realisieren.
Mittels der genannten Kühlmethoden kann die Brennkammervorrichtung effektiv und effizient gekühlt werden.
Der Innenmantel und/oder das Strukturmaterial des Innenmantels ist beispielsweise aus einem keramischen Faserverbundwerkstoffmaterial hergestellt.
Der Innenmantel begrenzt den Brennraum. Begrenzen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Innenmantel den Brennraum umgibt und/oder umschließt uns insbesondere vollumfänglich umgibt und/oder umschließt. Der Innenmantel ist beispielsweise hohlzylinderförmig ausgebildet.
An einer Seite des Innenmantels ist eine fluidundurchlässige Innenmantelschicht angeordnet. Diese Seite (und die an der Seite angeordnete Innenmantelschicht) umgeben und/oder begrenzen dabei den Strömungsbereich des mindestens einen Strömungskanals. Durch die fluidundurchlässige Innenmantelschicht wird grundsätzlich ein Eindringen von Fluid aus dem Strömungsbereich des mindestens einen Strömungskanals in das Strukturmaterial des Innenmantels verhindert.
Die fluidundurchlässige Innenmantelschicht weist mindestens eine Öffnung auf, durch welche eine fluidwirksame Verbindung zwischen dem Strömungsbereich des mindestens einen Strömungskanals und dem fluiddurchlässigen Strukturmaterial des Innenmantels herstellbar ist. Durch die mindestens eine Öffnung kann beispielsweise Kühlmedium aus dem Strömungsbereich in das Strukturmaterial des Innenmantels fließen.
Mittels der fluidundurchlässigen Innenmantelschicht lässt sich somit beispielsweise ein Fluidfluss aus dem Strömungsbereich des mindestens einen Strömungskanals in das Strukturmaterial des Innenmantels kontrollieren. Eine Stärke des Fluidflusses kann dadurch beispielsweise in Verbindung mit einer Blendeneinrichtung gesteuert und/oder geregelt werden.
Öffnungen innerhalb der fluidundurchlässigen Innenmantelschicht sind insbesondere in unterschiedlichen Bereichen der Brennkammervorrichtung positionierbar. Dadurch kann die Kühlung des Innenmantels der Brennkammervorrichtung beispielsweise auf bestimmte räumliche Bereiche eingeschränkt werden, welche beispielsweise einer besonders hohen thermischen Belastung unterliegen. Die vorstehend beschriebenen Kühlmechanismen können dadurch besonders flexibel eingesetzt werden.
Die fluidundurchlässige Innenmantelschicht ist insbesondere stoffschlüssig mit dem Strukturmaterial des Innenmantels verbunden. Sie ist beispielsweise auf das Strukturmaterial des Innenmantels stoffschlüssig aufgetragen. Die fluidundurchlässige Innenmantelschicht ist beispielsweise galvanisch auf das Strukturmaterial des Innenmantels aufgetragen.
Günstig ist es, wenn ein Außenmantel eine dem Brennraum abgewandte Außenseite des Innenmantels umgibt. Dadurch werden der Innenmantel und der Brennraum thermisch und räumlich abgeschirmt. Dadurch wird ferner die Stabilität der Brennkammervorrichtung erhöht.
Beispielsweise umfasst der Außenmantel einen faserverstärkten Kunststoff und insbesondere einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff. Es lässt sich dadurch eine gute thermische Abschirmung von inneren Komponenten der Brennkammervorrichtung bei hoher Stabilität realisieren.
Günstig ist es, wenn der Strömungsbereich des mindestens einen Strömungskanals zumindest bereichsweise von einer dem Innenmantel zugewandten Innenseite des Außenmantels begrenzt wird. Der mindestens eine Strömungskanal kann dadurch an der Brennkammervorrichtung bzw. an dem Innenmantel auf technisch einfache Weise realisiert werden.
Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn der mindestens eine Strömungskanal zwischen einer dem Außenmantel zugewandten Außenseite des Innenmantels und einer dem Innenmantel zugewandten Innenseite des Außenmantels positioniert ist.
Günstig ist es, wenn die fluidundurchlässige Innenmantelschicht eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist, welche parallel zu einer Längserstreckungsrichtung des mindestens einen Strömungskanals beabstandet sind. Es lässt sich dadurch Fluid aus dem Strömungsbereich des mindestens einen Strömungskanals gleichmäßig dem Strukturmaterial des Innenmantels zuführen.
Die Längserstreckungsrichtung des mindestens einen Strömungskanals liegt insbesondere parallel zu einer Längserstreckungsachse des Innenmantels.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Brennkammervorrichtung eine Blendeneinrichtung, mittels welcher die Fluidwirksamkeit der Verbindung zwischen dem mindestens einen Strömungskanal und dem Strukturmaterial des Innenmantels steuerbar und/oder regelbar ist. Es lässt sich dadurch beispielsweise eine Stärke eines Fluidzuflusses aus dem Strömungsbereich des mindestens einen Strömungskanals in das Strukturmaterial des Innenmantels steuern und/oder regeln. Dadurch kann beispielsweise eine Kühlleistung in Abhängigkeit eines Temperatur- und/oder Leistungszustands der Brennkammervorrichtung angepasst werden. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad der Brennkammervorrichtung erhöht.
Insbesondere ist mittels der Blendeneinrichtung die Fluidwirksamkeit der Verbindung zwischen dem mindestens einen Strömungskanal und dem Strukturmaterial des Innenmantels stufenlos steuerbar und/oder regelbar.
Günstig ist es, wenn die Blendeneinrichtung mindestens ein Blendenelement umfasst, welches zwischen der mindestens einen Öffnung der fluidundurchlässigen Innenmantelschicht und dem Strömungsbereich des mindestens einen Strömungskanals angeordnet ist, wobei das mindestens eine Blendenelement einen fluidundurchlässigen Bereich und mindestens einen Zuflusskanal für Fluid aufweist, welcher durch den fluidundurchlässigen Bereich verläuft. Dadurch kann beispielsweise die Fluidwirksamkeit der Verbindung zwischen dem mindestens einen Strömungskanal und dem Strukturmaterial des Innenmantels auf einfache Weise gesteuert und/oder geregelt werden. Die Fluidwirksamkeit der Verbindung ist dann beispielsweise von einer Position des mindestens einen Blendenelements relativ zu der mindestens eine Öffnung der fluidundurchlässigen Innenmantelschicht abhängig.
Die Blendeneinrichtung und/oder das mindestens eine Blendenelement der Blendeneinrichtung ist beispielsweise aus einem metallischen Material hergestellt oder umfasst ein metallisches Material. Die Blendeneinrichtung und/oder das mindestens eine Blendenelement ist beispielsweise aus einem Kupfermaterial hergestellt oder umfasst ein Kupfermaterial.
Insbesondere ist der mindestens eine Zuflusskanal des mindestens einen Blendenelements relativ zu der mindestens einen Öffnung der fluidundurchlässigen Innenmantelschicht verschiebbar angeordnet. Die Steuerung und/oder Regelung der Fluidwirksamkeit der Verbindung zwischen dem mindestens einen Strömungskanal und dem Strukturmaterial des Innenmantels lässt sich dadurch mittels des mindestens einen Blendenelements auf technisch einfache Weise realisieren.
Das mindestens eine Blendenelement ist beispielsweise parallel zu einer Längserstreckungsrichtung des mindestens einen Strömungskanals verschiebbar angeordnet.
Bei einer Ausführungsform weist die Blendeneinrichtung mindestens ein Halteelement auf, an welchem eines oder mehrere Blendenelemente angeordnet sind. Insbesondere ist an dem mindestens einen Halteelement ein Einstellelement angeordnet, mittels welchem das mindestens eine Halteelement mit den Blendenelementen verschiebbar ist. An dem mindestens einen Halteelement lassen sich beispielsweise eine Vielzahl von Blendenelementen anordnen. Mittels des Einstellelements können beispielsweise alle Blendenelemente der Blendeneinrichtung gleichzeitig verschoben werden. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Steuerung und/oder Regelung der Fluidwirksamkeit der Verbindung zwischen dem mindestens einen Strömungskanal und dem Strukturmaterial des Innenmantels.
Das Einstellelement ist insbesondere an einem Ende des mindestens einen Halteelements angeordnet und/oder einstückig mit dem mindestens einen Halteelement verbunden.
Das Einstellelement umfasst beispielsweise einen Stellring, an welchem eines oder mehrere Halteelemente angeordnet sind.
Günstig ist es, wenn jeweils ein Zuflusskanal des mindestens einen Blendenelements einer Öffnung der fluidundurchlässigen Innenmantelschicht zugeordnet ist. Ein möglicher Fluidfluss aus dem Strömungsbereich des mindestens einen Strömungskanals durch die mindestens eine Öffnung in das Strukturmaterial des Innenmantels kann dadurch mit dem mindestens einen Blendenelement besonders einfach gesteuert und/oder geregelt werden.
Insbesondere entspricht ein Abstand benachbarter Öffnungen der fluidundurchlässigen Innenmantelschicht einem Abstand benachbarter Zuflusskanäle der Blendeneinrichtung. Die Blendeneinrichtung lässt sich dadurch auf besonders einfache technische Weise realisieren.
Günstig ist es, wenn der mindestens eine Strömungskanal mindestens ein Führungselement aufweist, das mindestens eine Blendenelement ein zu dem mindestens einen Führungselement korrespondierendes Gegenelement aufweist, und wenn das Gegenelement an dem mindestens einen Führungselement insbesondere verschiebbar anordenbar ist. Dadurch lassen sich eines oder mehrere Blendenelemente innerhalb des mindestens einen Strömungskanals auf besonders einfache Weise anordnen und insbesondere verschiebbar anordnen.
Das mindestens eine Führungselement umfasst beispielsweise eine Einbuchtung und das mindestens eine Gegenelement umfasst beispielsweise eine zu der Einbuchtung korrespondierende Ausbuchtung. Das Gegenelement ist beispielsweise durch einseitigen Formschluss innerhalb des Führungselements verschiebbar gehalten.
Bei einer Ausführungsform weist die Blendeneinrichtung eine erste Gruppe von Blendenelementen auf, welche in einem Bereich eines ersten Endes des mindestens einen Strömungskanals angeordnet sind, und die Blendeneinrichtung weist eine zweite Gruppe von Blendenelementen auf, welche in einem Bereich eines dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Endes des mindestens einen Strömungskanals angeordnet sind. Ein Fluidzufluss aus dem Strömungsbereich des mindestens einen Strömungskanals in das Strukturmaterial des Innenmantels lässt sich dadurch auf den Bereich des ersten Endes des mindestens einen Strömungskanals und auf den Bereich des zweiten Endes des mindestens einen Strömungskanals beschränken. Dadurch kann beispielsweise eine Effusions- oder Transpirationskühlung des Innenmantels auf die genannten Bereiche des Innenmantels begrenzt werden.
Das erste Ende des mindestens einen Strömungskanals ist beispielsweise in einem Bereich eines ersten Endes des Brennraums angeordnet. Das zweite Ende des mindestens einen Strömungskanals ist insbesondere in einem Bereich eines zweiten Endes des Brennraums angeordnet, welches dem ersten Ende des Brennraums gegenüberliegt.
Insbesondere ist der mindestens eine Strömungskanal umlaufend geschlossen. Dadurch kann auf technisch einfache Weise Fluid durch den mindestens einen Strömungskanal geführt werden.
Günstig ist es, wenn eine Längserstreckungsrichtung des mindestens einen Strömungskanals parallel zu einer Längserstreckungsachse des Innenmantels orientiert ist. Der mindestens eine Strömungskanal kann dadurch auf technisch einfache Weise an dem Innenmantel ausgebildet werden. Der Innenmantel lässt sich dadurch beispielsweise mit einer Mehrzahl von Strömungskanälen zumindest näherungsweise rotationssymmetrisch ausführen. Die Längserstreckungsachse ist beispielsweise eine Symmetrieachse des Innenmantels. Der Innenmantel liegt beispielsweise achsensymmetrisch und/oder rotationssymmetrisch zu der Längserstreckungsachse.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind eine Mehrzahl von Strömungskanälen vorgesehen, welche in einer quer und insbesondere senkrecht zu einer Längserstreckungsachse des Innenmantels liegenden Umfangsrichtung des Innenmantels zueinander beabstandet sind. Dadurch kann beispielsweise ein gleichmäßiger Fluidzufluss aus den Strömungskanälen in das Strukturmaterial des Innenmantels über seinen gesamten Umfang oder eines Teils seines Umfangs realisiert werden. Es lässt sich dadurch eine umfangsseitig gleichmäßige Kühlung des Brennraums erreichen.
Das Strukturmaterial des Innenmantels ist oder umfasst insbesondere ein poröses Material, welches vorzugsweise eine hohe Fluiddurchlässigkeit aufweist.
Beispielsweise umfasst das fluiddurchlässige Strukturmaterial des Innenmantels ein Faserverbundwerkstoffmaterial und insbesondere ein keramisches Faserverbundwerkstoffmaterial. Die genannten Materialien sind insbesondere porös und weisen eine gute Fluiddurchlässigkeit auf. Dadurch kann beispielsweise die Effusions- oder Transpirationskühlung des Innenmantels einfach und effizient durchgeführt werden.
Bei einer Ausführungsform weist der Innenmantel eine Mehrzahl von Innenmantelelementen auf und/oder ist der Innenmantel aus einer Mehrzahl von Innenmantelelementen aufgebaut, wobei die Innenmantelelemente parallel zu einer Längserstreckungsachse des Innenmantels aufeinanderfolgend angeordnet sind. Der Innenmantel lässt sich dadurch als Hybrid ausführen. Dadurch lässt sich beispielsweise eine Kombination aus Regenerativ- und Transpirationskühlung erreichen.
Die Innenmantelelemente sind insbesondere jeweils ringförmig und/oder kreisringförmig ausgebildet.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Innenmantelelemente den Brennraum und/oder die Längserstreckungsachse des Innenmantels umgeben und/oder umschließen.
Die Innenmantelelemente sind beispielsweise rotationssymmetrisch zu der Längserstreckungsachse des Innenmantels angeordnet und/oder ausgebildet. Beispielsweise liegen jeweilige Mittelpunkte ringförmiger und/oder kreisringförmiger Innenmantelelemente auf der Längserstreckungsachse des Innenmantels.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Innenmantel jeweils Innenmantelelemente unterschiedlichen Typs und/oder unterschiedlicher Art aufweist. Die unterschiedlichen Innenmantelelemente weisen beispielsweise unterschiedliche physikalische Eigenschaften, wie z. B. unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten und/oder unterschiedliche Fluiddurchlässigkeiten auf.
Günstig kann es sein, wenn zueinander benachbarte Innenmantelelemente jeweils aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind oder unterschiedliche Materialien umfassen. Die unterschiedlichen Innenmantelelemente und/oder Materialien weisen beispielsweise unterschiedliche physikalische Eigenschaften auf. Die unterschiedlichen Innenmantelelemente und/oder Materialien weisen beispielsweise unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten und/oder unterschiedliche Fluiddurchlässigkeiten auf. Dadurch können mehrere unterschiedliche Kühlmechanismen an der Brennkammervorrichtung realisiert werden.
Insbesondere sind Innenmantelelemente unterschiedlichen Typs und/oder unterschiedlicher Art parallel zu der Längserstreckungsachse alternierend und/oder abwechselnd angeordnet.
Beispielsweise sind Innenmantelelemente eines ersten Typs und Innenmantelelemente eines zweiten Typs parallel zu der Längserstreckungsachse jeweils abwechselnd angeordnet.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Innenmantel Innenmantelelemente dreier oder mehrerer unterschiedlicher Typen und/oder unterschiedlicher Arten aufweist.
Beispielsweise umfasst der Innenmantel Innenmantelelemente dreier unterschiedlicher Typen und/oder Arten. Die Innenmantelelemente ersten Typs sind beispielsweise aus einem Kupfermaterial hergestellt oder umfassen ein Kupfermaterial. Die Innenmantelelemente zweiten Typs sind beispielsweise aus einem Chrommaterial hergestellt oder umfassen ein Chrommaterial. Die Innenmantelelemente dritten Typs sind beispielsweise aus einem Zirkonmaterial hergestellt oder umfassen ein Zirkonmaterial.
Die jeweiligen Innenmantelelemente unterschiedlicher Typen und/oder unterschiedlicher Arten sind insbesondere jeweils abwechselnd aufeinanderfolgend angeordnet.
Der Innenmantel und/oder die Innenmantelelemente werden beispielsweise mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt. Beispielsweise werden die jeweiligen Innenmantelelemente aus dem Kupfermaterial und/oder Chrommaterial und/oder Zirkonmaterial mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt.
Erfindungsgemäß umfasst das eingangs genannte Fahrzeug eine vorstehend beschriebene Brennkammervorrichtung. Das Fahrzeug ist insbesondere ein Flugkörper, welcher eine vorstehend beschriebene Brennkammervorrichtung umfasst.
Die Brennkammervorrichtung ist beispielsweise Bestandteil eines Triebwerks des Flugkörpers. Der Flugkörper ist dann mittels der Brennkammervorrichtung antreibbar.
Erfindungsgemäß umfasst die Brennkammervorrichtung des eingangs genannten Verfahrens einen Brennraum, welcher durch einen Innenmantel begrenzt ist, wobei der Innenmantel ein fluiddurchlässiges Strukturmaterial aufweist, und wobei der Innenmantel mindestens einen Strömungskanal mit einem Strömungsbereich für Fluid umfasst. Erfindungsgemäß ist es bei dem Verfahren vorgesehen, dass der mindestens eine Strömungskanal mit einem Fluid durchströmt wird, das Fluid aus dem mindestens einen Strömungskanal zumindest Anteilsweise in das Strukturmaterial des Innenmantels geleitet wird, und dass eine Zuflussstärke des Fluids von dem mindestens einen Strömungskanal in das Strukturmaterial des Innenmantels gesteuert und/oder geregelt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkammervorrichtung erläuterten Vorteile auf.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkammervorrichtung erläutert.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

1 eine perspektivische teilweise Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Brennkammervorrichtung;
2 eine Detailansicht des Teilbereichs A gemäß 1;
3 eine teilweise Schnittansicht der Brennkammervorrichtung bei einem Schnitt senkrecht zu einer Längserstreckungsachse der Brennkam mervorrichtung;
4 eine Detailansicht eines Innenmantels der Brennkammervorrichtung mit einer Blendeneinrichtung;
5 eine schematische Darstellung verschiedener Einstellungen I bis V einer Blende der Blendeneinrichtung in einer Aufsicht auf die Blende;
6 eine schematische Darstellung der Blendeneinstellungen I bis V in einer Schnittansicht senkrecht zur Blende;
7 eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Bren nkam mervorrichtung;
8 einen Flugkörper, umfassend eine Brennkammervorrichtung;
9 eine perspektivische Teilschnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennkammervorrichtung, wobei ein Innenmantel der Brennkammervorrichtung aus einer Mehrzahl von Innenmantelelementen aufgebaut ist; und
10 eine Detailansicht des Teilbereichs A gemäß 9.

Ein Ausführungsbeispiel einer Brennkammervorrichtung, welches in 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst einen Brennraum 12, welcher durch einen Innenmantel 14 begrenzt ist. Der Innenmantel 14 ist von einem Außenmantel 16 umgeben.
Die Brennkammervorrichtung 10 dient zum Verbrennen von in den Brennraum 12 eingebrachten Fluiden. Fluide werden beispielsweise mittels einer Einspritzeinichtung 18 (angedeutet durch Pfeile) in den Brennraum 12 eingebracht. Hierzu weist der Brennraum 12 an einem ersten Ende 20 eine Eintrittsöffnung 22 auf.
Verbrannte Fluide, welche ein heißes Abgas bilden, verlassen den Brennraum 12 durch eine Austrittsöffnung 24, welche an einem dem ersten Ende 20 gegenüberliegenden zweiten Ende 26 des Brennraums 12 gebildet ist. Hierdurch wird ein Schub erzeugt, welcher beispielsweise dem Antrieb einer Rakete dienen kann.
An dem zweiten Ende 26 des Brennraums 12 ist beispielsweise eine Düse und/oder eine Düsenerweiterung angeordnet.
Die Brennkammervorrichtung 10 erstreckt sich entlang einer Längserstreckungsachse 28. Die Brennkammervorrichtung 10 ist insbesondere im Wesentlichen rotationssymmetrisch bezüglich der Längserstreckungsachse 28 ausgebildet.
Der Innenmantel 14 und/oder der Außenmantel 16 sind beispielsweise hohlzylinderförmig ausgebildet.
Der Brennraum 12 wird durch den Innenmantel 14 vollumfänglich begrenzt. Der Innenmantel 14 begrenzt den Brennraum 12 in einer radialen Richtung 30, wobei die radiale Richtung 30 senkrecht zu der Längserstreckungsachse 28 orientiert ist.
Der Innenmantel 14 weist ein fluiddurchlässiges Strukturmaterial 32 auf. Eine Innenseite 34 des Strukturmaterials 32 ist dem Brennraum 12 zugewandt.
Das fluiddurchlässige Strukturmaterial 32 des Innenmantels 14 ist oder umfasst beispielsweise ein Faserverbundwerkstoffmaterial. Das Strukturmaterial 32 umfasst insbesondere ein keramisches Faserverbundwerkstoffmaterial. Das Strukturmaterial 32 weist insbesondere eine hohe Porosität auf.
Weiterhin weist das Strukturmaterial 32 des Innenmantels 14 insbesondere eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf.
Der Außenmantel 16 umgibt den Innenmantel 14 radial umlaufend. Eine dem Brennraum 12 abgewandte Außenseite 36 des Innenmantels 14 ist dabei einer Innenseite 38 des Außenmantels 16 zugewandt.
Der Außenmantel 16 ist insbesondere aus einem fluidundurchlässigen Material hergestellt. Er ist beispielsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff und insbesondere aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff hergestellt.
Der Außenmantel 16 bildet bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die radial äußerste Schicht der Brennkammervorrichtung 10. Eine Außenseite 40 des Außenmantels 16 ist dem Innenmantel 14 und dem Brennraum 12 abgewandt.
An der Außenseite 36 des Innenmantels 14 sind eine Mehrzahl von Strömungskanälen 42 gebildet. Ein Strömungskanal 42 verläuft parallel zu einer Längserstreckungsrichtung 44. Diese Längserstreckungsrichtung 44 ist insbesondere parallel zu einer Längserstreckungsachse 46 des Innenmantels 14 orientiert. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht die Längserstreckungsachse 46 des Innenmantels 14 der Längserstreckungsachse 28 der Brennkammervorrichtung 10.
Benachbarte Strömungskanäle 42 sind beispielsweise an der Außenseite 40 des Innenmantels 14 in einer Umfangsrichtung 48 des Innenmantels 14 zueinander beabstandet. Die Umfangsrichtung 48 liegt dabei senkrecht zur Längserstreckungsachse 46 und senkrecht zur radialen Richtung 30.
Die Strömungskanäle 42 weisen beispielsweise Einbuchtungen 50 auf, welche an der Außenseite 36 des Innenmantels 14 ausgebildet sind (vgl. 2 und 3). Diese Einbuchtungen 50 weisen beispielsweise einen U-förmigen Querschnitt auf (in einer Querschnittsrichtung senkrecht zur Längserstreckungsachse 28).
Zueinander benachbarte Strömungskanäle 42a, 42b sind beispielsweise an der Außenseite 40 des Innenmantels 14 durch Zwischenelemente 52 voneinander getrennt. Ein Zwischenelement 52 ist insbesondere einstückig mit dem Strukturmaterial 32 des Innenmantels 14 verbunden. Das Zwischenelement 52 ist beispielsweise aus dem Strukturmaterial 32 des Innenmantels 14 ausgebildet.
Ein Strömungskanal 42 weist jeweils einen Strömungsbereich 54 auf, welcher in einem Innenraum 56 des Strömungskanals 42 gebildet ist.
Der Innenraum 56 des Strömungskanals 42 ist umlaufend begrenzt.
Der Innenraum 56 des Strömungskanals 42 wird dem Strukturmaterial 32 des Innenmantels 14 zugewandt von einer Seite 58 des Innenmantels 14 begrenzt. Die Seite 58 ist beispielsweise ein Teilbereich der Außenseite 36 des Innenmantels 14.
An einer dem Innenmantel 14 abgewandten Seite wird der Innenraum 56 des Strömungskanals 42 von der Innenseite 38 des Außenmantels 16 begrenzt.
Auf diese Weise ist ein Strömungskanal 42 zwischen eines Teilbereichs der Außenseite 36 des Innenmantels 14 und eines Teilbereichs der Innenseite 38 des Außenmantels 16 ausgebildet.
Die Zwischenelemente 52 weisen jeweils Seiten 53 auf, welche Teilbereiche der Außenseite 36 des Innenmantels 14 sind, und welche der Innenseite 38 des Außenmantels 16 zugewandt sind. Die Seite 53 eines Zwischenelements 52 liegt insbesondere an einem Teilbereich der Innenseite 38 des Außenmantels 16 an.
Die Strömungskanäle 42 dienen im Betrieb der Brennkammervorrichtung 10 der Kühlung. Mittels der Strömungskanäle 42 kann insbesondere das Strukturmaterial 32 des Innenmantels sowie der Außenmantel 16 gekühlt werden. Hierzu wird durch den Strömungsbereich 54 der Strömungskanäle 42, beispielsweise ein Kühlmedium geführt.
Die Strömungskanäle 42 können alternativ oder zusätzlich auch zur Zufuhr eines Fluids zu der Einspritzeinrichtung 18 genutzt werden. Über die Strömungskanäle 42 lässt sich der Einspritzeinrichtung 18 beispielsweise Treibstoff oder Oxidator zuführen. Das Fluid wird der Einspritzeinrichtung 18 in diesem Fall in insbesondere kaltem Zustand zugeführt, so dass es sich beispielsweise zugleich als Kühlmedium nutzen lässt.
Bei der Brennkammervorrichtung 10 ist es vorgesehen, dass die Kühlung des Innenmantels 14 nach dem Prinzip der Effusionskühlung oder Transpirationskühlung erfolgt. Hierzu wird ein Fluid, beispielsweise ein Kühlmedium, welches den Strömungsbereich 54 des Strömungskanals 42 durchströmt, zumindest teilweise in das Strukturmaterial 32 des Innenmantels 14 geleitet. Dies wird weiter unten im Detail erläutert. Das Fluid gelangt auf diese Weise über einen Innenbereich 60 des Innenmantels 14 an die dem Brennraum 12 zugewandte Innenseite 34 des Innenmantels 14. Dadurch lässt sich an der Innenseite 34 ein homogener Kühlungsfilm realisieren. Es lässt sich dadurch die Brennkammervorrichtung effektiv und homogen kühlen.
Die Transpirationskühlung erfolgt grundsätzlich nach dem gleichen Prinzip wie die vorstehend beschriebene Effusionskühlung. Bei der Transpirationskühlung wird zusätzlich ein Phasenwechsel des zur Kühlung eingesetzten Fluids realisiert. Ein solcher Phasenwechsel lässt sich durch geeignete Wahl des Kühlmediums realisieren. Auf diese Weise lässt sich die Effektivität der Kühlung weiter steigern.
An der Seite 58 des Innenmantels 14, welche den Innenraum 56 des Strömungskanals 42 begrenzt, ist eine fluidundurchlässige Innenmantelschicht 62 angeordnet. Die Innenmantelschicht 62 ist beispielsweise auf das Strukturmaterial 32 des Innenmantels 14 aufgetragen. Sie ist beispielsweise durch ein galvanisches Verfahren auf das Strukturmaterial 32 aufgetragen. Die Innenmantelschicht 62 ist insbesondere stoffschlüssig mit dem Strukturmaterial 32 verbunden.
Die Innenmantelschicht 62 ist nicht notwendigerweise als zusammenhängende Schicht an der Außenseite 36 des Innenmantels 14 ausgeführt. Im Bereich von Zwischenelementen 52 kann die Innenmantelschicht 62 beispielsweise zwischen benachbarten Strömungskanälen 42 Unterbrechungen aufweisen.
Die Innenmantelschicht 62 ist fluidundurchlässig. Die Innenmantelschicht 62 weist insbesondere eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf.
Die Innenmantelschicht 62 ist beispielsweise aus einem metallischen Material, wie z. B. einem Kupfergalvanisat, hergestellt.
Durch die fluidundurchlässige Innenmantelschicht 62 wird ein Eindringen von Fluid aus dem Strömungsbereich 54 des Strömungskanals 42 in das Strukturmaterial 32 des Innenmantels 14 verhindert.
Die fluidundurchlässige Innenmantelschicht 62 weist eine Mehrzahl von Öffnungen 64 auf, durch welche eine fluidwirksame Verbindung zwischen dem Strömungsbereich 54 des Strömungskanals 42 und dem Strukturmaterial 32 des Innenmantels 14 hergestellt werden kann. An einer Öffnung 64 ist die fluidundurchlässige Innenmantelschicht 62 unterbrochen.
Der Strömungsbereich 64 des Strömungskanals 42 grenzt an der Öffnung 64 direkt an das Strukturmaterial 32 des Innenmantels 14 an. An der Öffnung 64 ist der Innenraum 56 des Strömungskanals 42 durch das Strukturmaterial 32 des Innenmantels 14 begrenzt. Auf diese Weise wird ein Fluidfluss aus dem Innenraum 56 des Strömungskanals 42 durch die Öffnung 64 in das Strukturmaterial 32 des Innenmantels 14 ermöglicht.
Die Öffnungen 64 sind beispielsweise als längliche Unterbrechungen der Innenmantelschicht 62 ausgebildet. Eine Haupterstreckungsrichtung der länglichen Unterbrechungen ist dabei insbesondere parallel zu der Längserstreckungsrichtung 44 des Strömungskanals 42 orientiert.
Die Öffnungen 64 sind an der Innenmantelschicht 62 beispielsweise im Bereich des Zwischenelements 52 ausgebildet. Das Zwischenelement 52 weist beispielsweise eine Einbuchtung 66 auf, innerhalb welcher die Öffnungen 64 an der Innenmantelschicht 62 ausgebildet sind. Die Einbuchtung 66 verläuft insbesondere parallel zu der Längserstreckungsrichtung 44 des Strömungskanals 42.
Eine Mehrzahl von Öffnungen 64 ist beispielsweise über eine gesamte Erstreckungslänge des Strömungskanals 42 an der Einbuchtung 66 ausgebildet. Zueinander benachbarte Öffnungen 64 sind dabei parallel zur Längserstreckungsrichtung 44 des Strömungskanals 42 beabstandet.
Beispielsweise sind innerhalb eines Strömungskanals 42, zwei gegenüberliegende Einbuchtungen 66a, 66b gebildet, an welchen die Innenmantelschicht 62 die Öffnungen 64 aufweist. Die gegenüberliegenden Einbuchtungen 66a, 66b sind insbesondere an gegenüberliegenden Zwischenelementen 52a, 52b ausgebildet.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Brennkammervorrichtung 10 ist eine Blendeneinrichtung 68 vorgesehen, mittels welcher die Fluidwirksamkeit der Verbindung zwischen dem mindestens einen Strömungskanal 42 und dem Strukturmaterial 32 des Innenmantels 14 steuerbar und/oder regelbar ist.
Die Blendeneinrichtung 68 umfasst hierzu eine Mehrzahl von Blendenelementen 70, wobei ein Blendenelement 70 zwischen einer Öffnung 64 der fluidundurchlässigen Innenmantelschicht 62 und dem Strömungsbereich 54 des mindestens einen Strömungskanals 42 angeordnet ist. Das Blendenelement 70 ist zwischen der Öffnung 64 und dem Innenraum 56 des Strömungskanals 42 positioniert.
Das Blendenelement 70 weist einen fluidundurchlässigen Bereich 72 und mindestens einen Zuflusskanal 74 für Fluid auf.
Der Zuflusskanal 74 ist durch den fluidundurchlässigen Bereich 72 des Blendenelements 70 geführt. Der Zuflusskanal 74 weist eine dem Innenraum 56 des Strömungskanals 42 zugewandte Eintrittsöffnung 76 und eine zu der Eintrittsöffnung 76 gegenüberliegende Austrittsöffnung 78 auf. Die Austrittsöffnung 78 ist der Öffnung 64 der Innenmantelschicht 62 zugewandt. Die Austrittsöffnung 78 ist beispielsweise an einer der Öffnung 64 zugewandten Seite des Blendenelements 70 gebildet.
Beispielsweise ist ein Zuflusskanal 74 des Blendenelements 70 einer Öffnung 64 der Innenmantelschicht 62 zugeordnet. Das Blendenelement ist mit dem Zuflusskanal 74 relativ zu der Öffnung 64 verschiebbar angeordnet. Insbesondere ist die Austrittsöffnung 78 des Zuflusskanals 74 relativ zu der Öffnung 64 der Innenmantelschicht 62 verschiebbar.
Auf diese Weise kann über die Blendeneinrichtung 64 eine fluidwirksame Verbindung zwischen dem Strömungsbereich 54 des Strömungskanals 42 und dem Strukturmaterial 32 des Innenmantels 14 hergestellt oder unterbrochen werden. Mittels der Blendeneinrichtung 68 kann die Fluidwirksamkeit der Verbindung insbesondere stufenlos geregelt werden. Dies wird weiter unten noch näher erläutert.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel (vgl. 2) umfasst die Blendeneinrichtung 68 eine Mehrzahl von Blendenelementen 70, welche an einem Halteelement 80 positioniert sind. Es ist dabei jeweils beispielsweise ein Blendenelement 70 einer Öffnung 64 zugeordnet. In den gezeigten Abbildungen ist zwecks verbesserter Darstellbarkeit und Übersichtlichkeit nur ein Halteelement 80 mit Blendenelementen 70 dargestellt.
Verschiedene Blendenelemente 70 sind an dem Halteelement 80 jeweils einstückig miteinander verbunden und/oder integral an dem Halteelement 80 ausgebildet.
Insbesondere entspricht ein Abstand 81a benachbarter Öffnungen 64 der Innenmantelschicht 62 einem Abstand 81b benachbarter Zuflusskanäle 74 der Blendeneinrichtung 68.
Das Halteelement 80 ist beispielsweise stabförmig ausgebildet, wobei eine Haupterstreckungsrichtung parallel zur Längserstreckungsrichtung 44 des Strömungskanals 42 orientiert ist.
Das Halteelement 80 ist innerhalb des Strömungskanals 42 verschiebbar angeordnet. Das Halteelement 80 ist beispielsweise parallel zur Längserstreckungsrichtung 44 verschiebbar. Auf diese Weise sind die Zuflusskanäle 74 der Blendenelemente 70, welche an dem Halteelement 80 positioniert sind, ebenfalls parallel zur Längserstreckungsrichtung 44 verschiebbar. Dadurch sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Zuflusskanäle 74 relativ zu den Öffnungen 64 der Innenmantelschicht 62 verschiebbar.
Zur verschiebbaren Lagerung der Blendenelemente 70 weist der Strömungskanal 42 beispielsweise ein Führungselement 82 auf. Das Führungselement 82 ist beispielsweise durch die Einbuchtung 66 des Strömungskanals 42 gebildet oder umfasst die Einbuchtung 66.
Ein Blendenelement 70 der Blendeneinrichtung 68 weist insbesondere ein zu dem Führungselement 82 korrespondierendes Gegenelement 84 auf, welches in das Führungselement 82 einlegbar und/oder einrastbar ist. Das Gegenelement 84 umfasst hierzu beispielsweise eine Ausbuchtung 86, welche in die Einbuchtung 66, welche an dem Zwischenelement 52 positioniert ist, einlegbar ist.
Mittels des Gegenelements 84 ist das Blendenelement 70 innerhalb des Führungselements 82 parallel zur Längserstreckungsrichtung 44 verschiebbar gelagert. Eine Bewegung des Blendenelements 70 in Richtungen quer zur Längserstreckungsrichtung 44 des Strömungskanals 42 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel zumindest teilweise durch Formschluss gesperrt.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass zueinander gegenüberliegende Halteelemente 80 innerhalb eines Strömungskanals 42 über ein Verbindungselement 88 (vgl. 3) miteinander verbunden sind.
Beispielsweise ist ein Halteelement 80a über das Führungselement 82 mit einem gegenüberliegenden Halteelement 80b verbunden. Das Halteelement 80a ist dabei an der Einbuchtung 66a des Strömungskanals 42 angeordnet und das Halteelement 80b ist an der Einbuchtung 66b angeordnet.
Das Verbindungselement 88 ist beispielsweise einstückig mit den Halteelementen 80a, 80b verbunden.
Das Verbindungselement 88 ist beispielsweise der Innenseite 38 des Außenmantels 16 zugewandt positioniert.
Das Verbindungselement 88 ist beispielsweise mit den Halteelementen 80a, 80b federelastisch ausgeführt, so dass sich die Halteelemente 80a, 80b durch Überwindung einer Federkraft aufeinander zu bewegen lassen. Dadurch lassen sich die Halteelemente 80a, 80b beispielsweise zwischen den Einbuchtungen 66a, 66b des Strömungskanals 42 einspannen.
Bei einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Blendeneinrichtung 68 ein Einstellelement 90 aufweist, mittels welchem ein oder mehrere Halteelemente 80 verschiebbar sind (vgl. 4). Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit ist in 4 nur ein Halteelement 80 der Blendeneinrichtung 68 dargestellt.
Das Einstellelement 90 ist beispielsweise an einem Ende 92 des Halteelements 80 angeordnet. Das Einstellelement 90 ist beispielsweise einstückig mit dem Halteelement 80 verbunden.
An dem Einstellelement 90 sind insbesondere alle Halteelemente 80 der Blendeneinrichtung 68 angeordnet. Dadurch lässt sich mittels des Einstellelements 90 insbesondere eine Verschiebung aller Blendenelemente 70 der Blendeneinrichtung 68 relativ zu den Öffnungen 64 der Innenmantelschicht 62 realisieren. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel können die Blendenelemente 70 der Blendeneinrichtung 68 mittels des Einstellelements 90 parallel zur Längserstreckungsrichtung 80 des Strömungskanals 42 verschoben werden.
Das Einstellelement 90 ist beispielsweise kreisringförmig ausgebildet.
Das Einstellelement 90 ist beispielsweise dem ersten Ende 20 oder dem zweiten Ende 26 des Brennraums 12 zugewandt angeordnet.
Mittels der Blendeneinrichtung 68 kann beispielsweise ein Zufluss von Fluid aus dem Strömungsbereich 54 des Strömungskanals 42 in das Strukturmaterial 32 des Innenmantels 14 insbesondere stufenlos gesteuert und/oder geregelt werden.
Verschiedene Zustände der Blendeneinrichtung 68 sind beispielhaft in den 5 und 6 gezeigt und dort mit I bis V bezeichnet. In 5 ist dabei eine Aufsicht auf das Halteelement 80 dargestellt. 6 zeigt eine Schnittansicht der Zustände I bis V längs der Linie 2-2 gemäß 5.
In Zustand I ist die fluidwirksame Verbindung zwischen dem Strömungsbereich 54 des Strömungskanals 42 und dem Strukturmaterial 32 des Innenmantels 14 unterbrochen. Die Austrittsöffnungen 78 der Zuflusskanäle 74 der Blendenelemente 70 sind jeweils der fluidundurchlässigen Innenmantelschicht 62 zugewandt. Die fluidundurchlässigen Bereiche 72 der Blendenelemente 70 sind den Öffnungen 64 der Innenmantelschicht 62 zugewandt. In Zustand I kann daher kein Fluid von dem Strömungsbereich 54 in das Strukturmaterial 32 gelangen.
Der Zustand V ist ein zu Zustand I gegenteiliger Zustand. In Zustand V ist die fluidwirksame Verbindung zwischen dem Strömungsbereich 54 und dem Strukturmaterial 32 vollständig hergestellt. Die Austrittsöffnungen 78 der Zuflusskanäle 74 sind den Öffnungen 64 der Innenmantelschicht 62 zugewandt.
Fluid aus dem Strömungsbereich 54 gelangt über die Eintrittsöffnung 76 in den Zuflusskanal 74 und verlässt den Zuflusskanal 74 über die Austrittsöffnung 78 in die Öffnung 64 der Innenmantelschicht 62. Von dort aus kann das Fluid direkt in das Strukturmaterial 32 einströmen.
Die Zustände II bis IV sind entsprechende Zwischenzustände zwischen dem Zustand I (kein Fluiddurchfluss) und dem Zustand V (maximaler Fluiddurchfluss). Zwischen den Zuständen II und IV nimmt die Fluidwirksamkeit der Verbindung zwischen dem Strömungsbereich 54 und dem Strukturmaterial 32 zu. Die Menge an Fluid, welche von dem Strömungsbereich 54 in das Strukturmaterial 32 strömen kann, ist abhängig von einem Überlapp der Austrittsöffnungen 78 der Zuflusskanäle 74 mit den Öffnungen 64 der Innenmantelschicht 62.
Bei den gezeigten Beispielen ist in Zustand II der Überlapp der Austrittsöffnungen 78 mit den Öffnungen 64 gering, so dass nur eine geringe Menge an Fluid von dem Strömungsbereich 54 in das Strukturmaterial 32 einströmen kann. In den Zuständen III und IV nimmt dieser Überlapp jeweils zu, so dass eine zunehmend größere Menge an Fluid von dem Strömungsbereich 54 in das Strukturmaterial 32 einströmen kann.
Die Einstellung verschiedener Zustände erfolgt beispielsweise durch Verschiebung der Halteelemente 80 innerhalb der Strömungskanäle 42. Dies geschieht beispielsweise mittels des Einstellelements 90.
Die gezeigten Zwischenzustände II bis IV sind lediglich beispielhaft. Der Grad der Fluidwirksamkeit der Verbindung zwischen dem Strömungsbereich 54 und dem Strukturmaterial 32 lässt sich über die Blendeneinrichtung 68 insbesondere stufenlos steuern und/oder regeln.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel einer Blendeneinrichtung, welche in 7 gezeigt und dort mit 68' bezeichnet ist, ist es vorgesehen, dass Blendenelemente 70 jeweils nur bereichsweise innerhalb des Strömungskanals 42 angeordnet sind. Die Blendeneinrichtung 68' ist ansonsten gleichartig ausgebildet wie die Blendeneinrichtung 68.
Durch die bereichsweise Anordnung von Blendenelementen 70 kann die Steuerung und/oder Regelung des Zuflusses von Fluid aus dem Strömungsbereich 54 des Strömungskanals 42 in das Strukturmaterial 32 des Innenmantels 14 auf Teilbereiche der Brennkammervorrichtung 10 beschränkt werden. Es lassen sich dadurch beispielsweise gezielt bestimmte Teilbereiche der Brennkammervorrichtung mittels Effusionskühlung oder Transpirationskühlung kühlen.
Bei dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Blendeneinrichtung 68' eine erste Gruppe 94a von Blendenelementen 70, welche in einem Bereich eines ersten Endes 96 des Strömungskanals 42 angeordnet sind. Das erste Endes 96 ist dem ersten Ende 20 des Brennraums 12 zugewandt.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Blendeneinrichtung 68' eine zweite Gruppe 94b von Blendenelementen 70 auf, welche in einem Bereich eines dem ersten Ende 96 gegenüberliegenden zweiten Endes 98 des Strömungskanals 42 positioniert sind. Das zweite Ende 98 ist dem zweiten Ende 26 des Brennraums 12 zugewandt.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass an der Innenseite 34 des Innenmantels 14 ein zusätzlicher Schutzfilm 100 angeordnet ist. Der Schutzfilm 100 ist beispielsweise ein Wärmeschutzfilm. Es lässt sich dadurch die thermische Resistenz des Innenmantels 14 weiter steigern.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Brennkammervorrichtung 10' ist in den 9 und 10 gezeigt und umfasst einen Innenmantel 14', welcher eine Mehrzahl von Innenmantelelementen 108 aufweist. Die Brennkammervorrichtung 10' weist grundsätzlich die gleiche Funktionsweise auf und ist grundsätzlich gleichartig aufgebaut wie die vorstehend beschriebene Brennkammervorrichtung 10. Gleiche oder funktional äquivalente Elemente der Brennkammervorrichtungen 10 und 10' sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Für diese Elemente wird auf die vorstehende Beschreibung der Brennkammervorrichtung 10 Bezug genommen.
Der Innenmantel 14' ist beispielsweise aus den Innenmantelelementen 108 aufgebaut.
Voneinander verschiedene Innenmantelelemente 108 sind entlang der Längserstreckungsachse 46 nacheinander angeordnet.
Die Innenmantelelemente 108 sind beispielsweise ringförmig und/oder kreisringförmig ausgebildet. Die Innenmantelelemente 108 umgeben und/oder umschließen den Brennraum 12 und/oder die Längserstreckungsachse 46. Die Innenmantelelemente 108 sind beispielsweise rotationssymmetrisch zu der Längserstreckungsachse 46 angeordnet. Jeweilige Mittelpunkte der Innenmantelelemente 108 liegen beispielsweise auf der Längserstreckungsachse 46.
Die Innenmantelelemente 108 sind beispielsweise scheibenförmig ausgebildet.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 9 und 10 weist der Innenmantel 14' jeweils Innenmantelelemente 108a, 108b, 108c dreier unterschiedlicher Arten und/oder Typen auf. Die unterschiedlichen Innenmantelelemente 108a, 108b, 108c sind jeweils entlang der Längserstreckungsachse 46 abwechselnd angeordnet. Die Abfolge der Innenmantelelemente ist beispielsweise Innenmantelelement 108a-Innenmantelelelement 108b-Innenmantelelement 108c-Innenmantelelement 108a-Innenmantelelement 108b... usw.
Das Innenmantelelement 108a ersten Typs ist beispielsweise aus einem Kupfermaterial hergestellt oder umfasst ein Kupfermaterial. Das Innenmantelelement 108b zweiten Typs ist beispielsweise aus einem Chrommaterial hergestellt oder umfasst ein Chrommaterial. Das Innenmantelelement 108c dritten Typs ist beispielsweise aus einem Zirkonmaterial hergestellt oder umfasst ein Zirkonmaterial.
Die unterschiedlichen Innenmantelelemente 108 weisen insbesondere jeweils eine unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit und/oder Fluiddurchlässigkeit auf.
Mittels der Innenmantelelemente 108 lässt sich beispielsweise eine Wärmeableitung parallel zur Längserstreckungsachse 46 realisieren. Dadurch kann Wärme beispielsweise zu dem ersten Ende 20 und/oder zu dem zweiten Ende 26 hin abgeleitet werden.
Mittels der unterschiedlichen Innenmantelelemente 108 kann der Innenmantel 14' beispielsweise als Hybrid ausgeführt werden.
Auf diese Weise lässt sich mittels des Innenmantels 14' eine Kombination aus Regenerativ- und Transpirationskühlung realisieren.
Die vorstehend beschriebene Brennkammervorrichtung 10, 10' dient beispielsweise dem Antrieb eines Fahrzeugs. Das Fahrzeug ist insbesondere ein Flugkörper. Ein Ausführungsbeispiel eines Flugkörpers, welcher eine Brennkammervorrichtung 10 oder 10' umfasst, ist in 7 gezeigt und dort mit 102 bezeichnet.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Flugkörper 102 eine Rakete, welche ein Triebwerk 104 aufweist. Die Brennkammervorrichtung 10, 10' ist Bestandteil dieses Triebwerks 104.
Die Brennkammervorrichtung 10 funktioniert wie folgt:
Dem Brennraum 12 wird beispielsweise mittels der Einspritzeinrichtung 18 ein erstes und ein zweites Fluid zugeführt. Insbesondere wird hierbei ein Treibstoff-Oxidator-Gemisch in den Brennraum 12 eingebracht. Als Treibstoff kommt beispielsweise Wasserstoff in Betracht. Als Oxidator wird beispielsweise Sauerstoff verwendet.
Durch die chemische Reaktion der beiden Fluide, insbesondere des Brennstoffs und des Oxidators, entstehen im Betrieb der Brennkammervorrichtung 10 in dem Brennraum 12 hohe Drücke und Temperaturen.
Die Abgase, d. h. die Reaktionsprodukte der in den Brennraum 12 eingebrachten Fluide, verlassen die Brennkammervorrichtung durch das zweite Ende 26. Aufgrund des Ausstoßes der Abgase aus der Brennkammer wird ein Schub entgegen einer Hauptströmungsrichtung 106 erzeugt, welcher beispielsweise zum Antreiben einer Rakete verwendet werden kann.
Die Kühlung der Brennkammervorrichtung 10 erfolgt über die Strömungskanäle 42. Die Strömungskanäle 42 werden hierzu beispielsweise mit einem Kühlmedium durchströmt. Als Kühlmedium eignet sich beispielsweise auch kalter Treibstoff, dessen Temperatur beispielsweise einer Umgebungstemperatur der Brennkammervorrichtung 10 entspricht. Falls kalter Treibstoff als Kühlmedium verwendet wird, können die Strömungskanäle 42 zusätzlich auch zur Zufuhr des Treibstoffs zur Einspritzeinrichtung 18 verwendet werden.
Die Kühlung der Brennkammervorrichtung 10 erfolgt mittels Effusionskühlung oder Transpirationskühlung über den Innenmantel 14. Es wird hierfür ein Zufluss von Kühlmedium aus dem Strömungsbereich 54 der Strömungskanäle 42 in das Strukturmaterial 32 des Innenmantels 14 über die Blendeneinrichtung 68 insbesondere stufenlos gesteuert und/oder geregelt. Die Steuerung bzw. Regelung der Blendeneinrichtung 68 erfolgt beispielsweise mittels einer Verschiebung des Einstellelements 90 in einer insbesondere zur Längserstreckungsrichtung 44 parallelen Richtung.
Befindet sich die Blendeneinrichtung 68 beispielsweise im Zustand I, ist eine Fluidzufuhr von dem Strömungsbereich 54 in das Strukturmaterial 32 des Innenmantels 14 unterbrochen und es erfolgt keine Effusions- oder Transpirationskühlung. Befindet sich die Blendeneinrichtung 68 hingegen beispielsweise in Zustand V erfolgt ein maximaler Zufluss von Kühlmedium in das Strukturmaterial 32 des Innenmantels 14. In Zustand V erfolgt daher eine Effusions- oder Transpirationskühlung mit maximaler Intensität.
Durch die Möglichkeit der Steuerung und/oder Regelung des Fluidzuflusses des Kühlmediums aus dem Strömungsbereich 54 in das Strukturmaterial 32 des Innenmantels 14 lässt sich die Kühlleistung steuern und/oder regeln. Dies ermöglicht eine optimale Anpassung der Kühlleistung an einen jeweiligen Temperatur- bzw. Leistungszustand der Brennkammervorrichtung 10.
Beispielsweise kann die Kühlleistung bei einer hohen Temperatur innerhalb des Brennraums 12 gesteigert und bei einer geringen Temperatur innerhalb des Brennraums 12 verringert werden. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad der Brennkammervorrichtung 10 gesteigert.
Bezugszeichenliste

10: Brennkammervorrichtung
10': Brennkammervorrichtung
12: Brennraum
14: Innenmantel
14': Innenmantel
16: Außenmantel
18: Einspritzeinrichtung
20: erstes Ende
22: Eintrittsöffnung
24: Austrittsöffnung
26: zweites Ende
28: Längserstreckungsachse
30: radiale Richtung
32: Strukturmaterial
34: Innenseite
36: Außenseite
38: Innenseite
40: Außenseite
42: Strömungskanal
44: Längserstreckungsrichtung
46: Längserstreckungsachse
48: Umfangsrichtung
50: Einbuchtung
52: Zwischenelement
52a: Zwischenelement
52b: Zwischenelement
54: Strömungsbereich
56: Innenraum
58: Seite
60: Innenbereich
62: Innenmantelschicht
64: Öffnung
66: Einbuchtung
66a: Einbuchtung
66b: Einbuchtung
68: Blendeneinrichtung
68': Blendeneinrichtung
70: Blendenelement
72: Bereich
74: Zuflusskanal
76: Eintrittsöffnung
78: Austrittsöffnung
80: Halteelement
80a: Halteelement
80b: Halteelement
81a: Abstand
81b: Abstand
82: Führungselement
84: Gegenelement
86: Ausbuchtung
88: Verbindungselement
90: Einstellelement
92: Ende
94a: erste Gruppe
94b: zweite Gruppe
96: erstes Ende
98: zweites Ende
100: Schutzfilm
102: Flugkörper
104: Triebwerk
106: Hauptströmungsrichtung
108: Innenmantelelement
108a: Innenmantelelement Typ 1
108b: Innenmantelelement Typ 2
108c: Innenmantelelement Typ 3

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005059502 A1 [0004]
DE 102005036137 A1 [0005]
DE 102010043336 A1 [0006]

Claims

Brennkammervorrichtung, umfassend einen Brennraum (12), welcher durch einen Innenmantel (14; 14') begrenzt ist, wobei der Innenmantel (14; 14') ein fluiddurchlässiges Strukturmaterial (32) aufweist, und wobei der Innenmantel (14; 14') mindestens einen Strömungskanal (42) mit einem Strömungsbereich (54) für Fluid umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (14; 14') eine fluidundurchlässige Innenmantelschicht (62) aufweist, welche an einer Seite (58) des Strukturmaterials (32) des Innenmantels (14; 14') angeordnet ist, wobei die Seite (58) den Strömungsbereich (54) des mindestens einen Strömungskanals (42) zumindest bereichsweise begrenzt, und wobei die fluidundurchlässige Innenmantelschicht (62) mindestens eine Öffnung (64) aufweist, mittels welcher eine fluidwirksame Verbindung zwischen dem Strömungsbereich (54) des mindestens einen Strömungskanals (42) und dem fluiddurchlässigen Strukturmaterial (32) des Innenmantels (14; 14') herstellbar ist.
Brennkammervorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Außenmantel (16), welcher eine dem Brennraum (12) abgewandte Außenseite (36) des Innenmantels (14; 14') umgibt.
Brennkammervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel (16) einen faserverstärkten Kunststoff und insbesondere einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff umfasst.
Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsbereich (54) des mindestens einen Strömungskanals (42) zumindest bereichsweise von einer dem Innenmantel (14; 14') zugewandten Innenseite (38) des Außenmantels (16) begrenzt wird.
Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strömungskanal (42) zwischen einer dem Außenmantel (16) zugewandten Außenseite (36) des Innenmantels (14; 14') und einer dem Innenmantel (14; 14') zugewandten Innenseite (38) des Außenmantels (16) positioniert ist.
Brennkammervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die fluidundurchlässige Innenmantelschicht (62) eine Mehrzahl von Öffnungen (64) aufweist, welche parallel zu einer Längserstreckungsrichtung (44) des mindestens einen Strömungskanals (42) beabstandet sind.
Brennkammervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Blendeneinrichtung (68; 68'), mittels welcher die Fluidwirksamkeit der Verbindung zwischen dem mindestens einen Strömungskanal (42) und dem Strukturmaterial (32) des Innenmantels (14; 14') steuerbar und/oder regelbar ist.
Brennkammervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendeneinrichtung (68; 68') mindestens ein Blendenelement (70) umfasst, welches zwischen der mindestens einen Öffnung (64) der fluidundurchlässigen Innenmantelschicht (62) und dem Strömungsbereich (54) des mindestens einen Strömungskanals (42) angeordnet ist, wobei das mindestens eine Blendenelement (70) einen fluidundurchlässigen Bereich (72) und mindestens einen Zuflusskanal (74) für Fluid aufweist, welcher durch den fluidundurchlässigen Bereich (72) verläuft.
Brennkammervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zuflusskanal (74) des mindestens einen Blendenelements (70) relativ zu der mindestens einen Öffnung (64) der fluidundurchlässigen Innenmantelschicht (62) verschiebbar angeordnet ist.
Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendeneinrichtung (68; 68') mindestens ein Halteelement (80) aufweist, an welchem eines oder mehrere Blendenelemente (70) angeordnet sind, und insbesondere, dass an dem mindestens einen Halteelement (80) ein Einstellelement (90) angeordnet ist, mittels welchem das mindestens eine Halteelement (80) mit den Blendenelementen (70) verschiebbar ist.
Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Zuflusskanal (74) des mindestens einen Blendenelements (70) einer Öffnung (64) der fluidundurchlässigen Innenmantelschicht (62) zugeordnet ist.
Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (81a) benachbarter Öffnungen (64) der fluidundurchlässigen Innenmantelschicht (62) einem Abstand (81b) benachbarter Zuflusskanäle der Blendeneinrichtung (68; 68') entspricht.
Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strömungskanal (42) mindestens ein Führungselement (84) aufweist, dass das mindestens eine Blendenelement (70) ein zu dem mindestens einen Führungselement (82) korrespondierendes Gegenelement (84) aufweist, und dass das Gegenelement (84) an dem mindestens einen Führungselement (82) insbesondere verschiebbar anordenbar ist.
Brennkammervorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendeneinrichtung (68; 68') erste Gruppe (94a) von Blendenelementen (70) aufweist, welche in einem Bereich eines ersten Endes (96) des mindestens einen Strömungskanals (42) angeordnet sind, und dass die Blendeneinrichtung (68; 68') eine zweite Gruppe (94b) von Blendenelementen (70) aufweist, welche in einem Bereich eines dem ersten Ende (96) gegenüberliegenden zweiten Endes (98) des mindestens einen Strömungskanals (42) angeordnet sind.
Brennkammervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Strömungskanälen (42), welche in einer quer und insbesondere senkrecht zu einer Längserstreckungsachse (46) des Innenmantels (14; 14') liegenden Umfangsrichtung (48) des Innenmantels (14; 14') zueinander beabstandet sind.
Brennkammervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das fluiddurchlässige Strukturmaterial (32) des Innenmantels (14; 14') ein Faserverbundwerkstoffmaterial und insbesondere ein keramisches Faserverbundwerkstoffmaterial umfasst.
Brennkammervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (14; 14') eine Mehrzahl von Innenmantelelementen (108; 108a; 108b; 108c) aufweist und/oder dass der Innenmantel (14; 14') aus einer Mehrzahl von Innenmantelelementen (108; 108a; 108b; 108c) aufgebaut ist, wobei die Innenmantelelemente (108; 108a; 108b; 108c) parallel zu einer Längserstreckungsachse (46) des Innenmantels (14; 14') aufeinanderfolgend angeordnet sind, und insbesondere dass die Innenmantelelemente (108; 108a; 108b; 108c) jeweils ringförmig und/oder kreisringförmig ausgebildet sind.
Brennkammervorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zueinander benachbarte Innenmantelelemente (108; 108a; 108b; 108c) jeweils aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind oder unterschiedliche Materialien umfassen, und insbesondere dass Innenmantelelemente (108; 108a; 108b; 108c) unterschiedlichen Typs und/oder unterschiedlicher Art parallel zu der Längserstreckungsachse (46) alternierend und/oder abwechselnd angeordnet sind.
Fahrzeug, insbesondere Flugkörper (102), umfassend eine Brennkammervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkammervorrichtung, umfassend einen Brennraum (12), welcher durch einen Innenmantel (14; 14') begrenzt ist, wobei der Innenmantel (14; 14') ein fluiddurchlässiges Strukturmaterial (32) aufweist, und wobei der Innenmantel (14; 14') mindestens einen Strömungskanal (42) mit einem Strömungsbereich (54) für Fluid umfasst, bei dem der mindestens eine Strömungskanal (42) mit einem Fluid durchströmt wird, das Fluid aus dem mindestens einen Strömungskanal (42) zumindest anteilsweise in das Strukturmaterial (32) des Innenmantels (14; 14') geleitet wird, und bei dem eine Zuflussstärke des Fluids von dem mindestens einen Strömungskanal (42) in das Strukturmaterial (32) des Innenmantels (14; 14') gesteuert und/oder geregelt wird.