DE1151409B - Ringspaltduese fuer Raketentriebwerke - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

B 56534 Ia/46g

ANMELDETAG: 5. F E B RU AR 1960

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 11. JULI 1963

Die Erfindung betrifft eine Ringspaltdüse für Raketentriebwerke mit einem inneren und mindestens einem äußeren Düsenring, von denen ersterer ein mit Austrittsöffnungen für die Verbrennungsgase versehener Teil der Brennkammerwand ist, der von dem oder den äußeren Düsenring(en) derart umschlossen ist, daß die Austrittsöffnungen vor dem Zünden des Triebwerks vollständig abgedeckt sind, und mit vorherbestimmbarem zeitlichem Änderungsverlauf der Düsenöffnungsweite unter dem Einfluß der austretenden Verbrennungsgase.

Soweit Ringspaltdüsen der vorgenannten Art bekannt sind, wird bei diesen ein vorherbestimmbarer zeitlicher Änderungsverlauf der Düsenöffnungsweite unter dem Druckeinfluß der Verbrennungsgase erzielt. Derartige Konstruktionen besitzen jedoch den Nachteil, daß sie zu Schwingungen entsprechend der Eigenfrequenz des bzw. der äußeren Düsenringe(s) führen. Durch solche Schwingungen läßt sich deshalb kein konstanter Gasdruck einstellen, weil die Gasdruckveränderung durch Variation des Düsenspaltes während einer Schwingung im Innern des Brennraumes zu stoßartigen Abbränden führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ringspaltdüse der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Nachteile der bekannten Ringspaltdüsen, insbesondere hinsichtlich des Auftretens von Schwingungen, vermieden werden.

Eine Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine solche Ausbildung des oder der äußeren Düsenringe(s) erzielt, daß sich die Düsenöffnungsweite unter dem Temperatureinfluß der austretenden Verbrennungsgase ändert.

Im Gegensatz zu den bekannten Ringspaltdüsen benutzt die Erfindung zur Verformung und Veränderung des Düsenspalts also nicht die Druck-, sondern die Temperaturfunktion des Düsenteils. Nur zu Beginn des Abbrandes, wo die Düse einen Ausströmquerschnitt Null aufweist, wird der Innendruck zum ersten Öffnen von etwa 20% der gesamten Austrittsfläche benutzt. Von diesem Zeitpunkt ab erwärmen die durchströmenden Gase durch den elastisch aufgehenden Spalt die Düsenteile und erzeugen durch die thermische Veränderung eine Vergrößerung des Düsenspalts, der je nach Ausbildung des oder der äußeren Düsenringe(s) bis zum fünffachen Betrag des ursprünglich durch die elastische Verformung erzielten Spalts ansteigen kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der zeitliche Verlauf der Veränderung der Düsenöffnungsweite entweder durch die Dicke des oder der äußeren Düsenringe(s) bestimmbar sein oder Ringspaltdüse für Raketentriebwerke

Anmelder:

Bölkow-Entwicklungen

Kommanditgesellschaft,

Ottobrunn bei München,

und Dipl.-Ing. Franz Rudolf Thomanek,

Sandizell 38V₄ (Kr. Schrobenhausen, Obb.)

Dipl.-Ing. Franz Rudolf Thomanek,

Sandizell (Kr. Schrobenhausen, Obb.),

ist als Erfinder genannt worden

durch Verwendung von Werkstoffen mit unterschiedlicher Wärmekapazität für den Innen- und Außenring. Bei kurzzeitigen Ausströmvorgängen, d. h. kurzen Antriebszeiten, stellt die Wandstärke des Düsenringes bereits einen Wärmebehälter dar, welcher die Düsenspaltöffnung wesentlich beeinflußt. Wird z. B. der Düsenaußenring dünn gehalten und der Düseninnenring stark, so steigt während der Düsenerwärmung die Temperatur des Außenringes erheblich schneller an als die des Innenringes, so daß der Düsenaußenring eine größere Dehnung erfährt und als Folge davon der Ringspaltquerschnitt vergrößert wird.

Im umgekehrten Falle, wo ein starkwandiger Düsenaußenring und ein dünner Düseninnenring vorgesehen sind, wird während der Düsenerwärmung der Ringspaltquerschnitt verringert, weil sich der dünnwandige Düseninnenring stärker dehnt und damit dem weniger wärmen und weniger gedehnten Außenring nähert. Das Material der Düsenringe kann über die durch verschiedene Ringstärken erzielbaren Wirkungen hinaus einen zusätzlichen Einfluß auf die Wärmekapazität und damit auf den Änderungsverlauf des Spaltquerschnitts ausüben.

Die thermische Beeinflussung der Ringspaltdüsengröße läßt sich nach der Erfindung auch durch eine Steuerung der Wärmeableitung der von den durch die Düse strömenden Brenngasen erzeugten Wärme erzielen, und zwar hierbei durch eine zusätzliche Kühlung des bzw. der äußeren Düsenringe(s),

Eine besonders wirksame Steigerung des zeitlichen Änderungsverlaufs der Düsenöffnungsweite einer

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Ringspaltdüse für Raketentriebwerke mittels einer schiede auf, die dazu führen, daß sich der Düsenquerzusätzlichen Kühlung der vorgenannten Art läßt sich schnitt während des Abbrennens des Treibsatzes mit gemäß der Erfindung dann erzielen, wenn der äußere vorherbestimmbarem zeitlichem Verlauf verändert. Düsenring von einem weiteren, mit Abstand von die- Dieser Änderungsverlauf läßt sich entweder durch sem konzentrisch angeordneten Ring umschlossen ist, 5 entsprechende Formgebung bzw. Wandstärkenwahl wobei der zwischen dem Außendüsenring und dem der Einzelringe 23, 24, 25 oder durch Verwendung weiteren Ring gebildete Zwischenraum mit einem in verschiedener Werkstoffe in bestimmten Grenzen bean sich bekannter Weise der Brennkammer vorge- einflussen.

schalteten Raum zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit Der Körper des Raketengeschosses nach Fig. 2

in Verbindung steht. io besteht aus dem hinteren Teil 10 zur Aufnahme des

Bei Ringspaltdüsen mit mindestens zwei äußeren, Treibsatzes 16 und einer nicht näher gezeigten Nutzkonzentrisch zueinander angeordneten und ineinan- last sowie aus dem kegelförmigen Vorderteil 11. Im der geführten Düsenringen ist schließlich nach einem kegelförmigen Teil sind Ausströmöffnungen 12 für weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, daß die die Verbrennungsgase der Treibladung vorhanden, äußeren Düsenringe aus Werkstoffen mit verschiede- 15 Über den vorderen Teil 11 ist ein konischer Ring 13 nen Schmelzpunkten bestehen und daß der zeitliche mit gleichem Kegelwinkel geschoben und am vorderen Änderungsverlauf der Düsenöffnungsweite durch von Ende mit dem Teil 11 verschweißt. Der konische Ring den Verbrennungsgasen hervorgerufenes Abschmelzen 13, der eine über seine Breite stetig von vorn nach einer oder mehrerer der äußeren Düsenringe beein- hinten abnehmende Wandstärke aufweist, stellt den flußbar ist. Außer aus Werkstoffen mit verschiedenen 20 Außenring der nach hinten offenen Ringspaltdüse 14 Schmelzpunkten könnten aber in gleich vorteilhafter dar, während der konische Teil 11 den Düseninnen-Weise auch für die äußeren Düsenringe Werkstoffe ring bildet.

mit verschiedenen Wärmedehnungskoeffizienten vor- Vor dem Zünden des Triebwerks liegt der Außengesehen sein. ring 13 mit seiner ganzen inneren Mantelfläche an

In den Figuren sind verschiedene Ausführungs- 25 dem Vorderteil 11 des Triebwerksgehäuses an. Durch

beispiele einer gemäß der Erfindung ausgebildeten den beim Zünden der Treibladung auftretenden

Ringspaltdüse für Raketentriebwerke gezeigt. Hieran Druck wird zunächst eine Dehnung des Ringes 13

sind die vorgenannten und weitere sich aus der Erfin- hervorgerufen, so daß zwischen diesem und dem

dung ergebende Vorteile näher erläutert. Es zeigt Vorderteil 11 ein schmaler, als Düse wirkender Ring-

Fig. 1 im Längsschnitt ein Raketengeschoß mit 30 spalt 14 entsteht. Dieser Spalt 14 erweitert sich mit

einem gemäß der Erfindung ausgebildeten Raketen- zunehmender Erwärmung des Außenringes 13, da die

triebwerk, welches eine Ringspaltdüse mit mehreren vom Teil 11 aufgenommene Wärme zunächst auf das

konzentrisch zueinander angeordneten Düsenringen gesamte Triebwerksgehäuse übergeleitet wird,

besitzt, Der Außenring 13, der durch die vorbeistreichende

Fig. 2 in einer ähnlichen Darstellung wie Fig. 1 die 35 Luft gekühlt wird, erreicht sehr bald ein Temperatur-Teilansicht eines Raketentriebwerks mit Ringspalt- maximum. Von diesem Zeitpunkt ab verkleinert sich düse gemäß der Erfindung mit einem einzigen äußeren der Düsenspalt wieder, da die zunehmende Erwär-Düsenring, dessen Wandstärke unterschiedliche Dicke mung des Düseninnenringes 11 eine Dehnung dieses besitzt, - Bauteiles zur Folge hat. Das Verkleinern des Düsen-

Fig. 3 den Düsenteil eines Raketentriebwerks mit 40 spalts dauert so lange, bis ein Grenzwert erreicht ist,

mehreren konzentrisch zueinander angeordneten und der einer im wesentlichen gleichen Temperatur der

von Kühlflüssigkeit gekühlten äußeren Düsenringen. Düsenwandungen entspricht. Durch Wahl der Wand-

Das in Fig. 1 gezeigte Raketengeschoß besteht aus stärken oder Materialien von Teil 11 und Düsen-

einem rückwärtigen hohlzylindrischen Teil 20 zur außenring 13 läßt sich bei einem gegebenen Innen-

Aufnahme der Nutzlast und des Treibsatzes, einem 45 druck des Triebwerks ein vorbestimmter Änderungs-

daran anschließenden Düsenteil 26 und dem kegel- verlauf des Düsenquerschnitts festlegen,

förmig nach vorn zulaufenden Vorderteil 21. Der In Fig. 3 ist das Triebwerk eines sich um die

Düsenteil 26 ist mit Bohrungen 22 versehen, die von Längsachse schnell drehenden Flugkörpers dargestellt,

drei konzentrisch angeordneten zylindrischen Ringen welches im wesentlichen dem Aufbau nach Fig. 1

23, 24, 25 unterschiedlicher Breite abgedeckt sind. 50 entspricht. Auf den vorderen kegelförmigen Teil 31 Zwecks Verhinderung einer axialen Verschiebung sind zwei konische Düsenringe 34, 35, von denen der sind die Ringe mit ihrem vorderen Rand am Düsen- äußere einen größeren Kegelwinkel aufweist als der teil 26 angeschweißt. Durch die Anordnung der Boh- Teil 31, aufgeschoben und bei 37 am Teil 31 so anrungen 22 und der Düsenaußenringe in der Mitte des geschweißt, daß einerseits zwischen den Ringen ein Triebwerks wird ein besserer axial gerichteter Schub 55 nach rückwärts gerichteter kleiner Spalt 36 vorhanden erzielt, als dies beispielsweise bei der Ausführung ist, andererseits der innere Ring 34 aber die Bohrunnach Fig. 2 und 3 der Fall ist. gen 32 voll abdeckt. Ein mit Flüssigkeit 33 gefüllter

Beim Zünden des im Innenraum 27 des Teils 20 Behälter 30 im Vorderteil 31 steht über eine Anzahl

angeordneten Treibsatzes 28 werden die Ringe 23, von Ausflußrohren 38 mit dem Spalt 36 zwischen den

24, 25, die zunächst fest am Außenumfang des Teils 60 Düsenringen 34 und 35 in Verbindung, wobei die 26 anliegen, durch den ansteigenden Gasdruck ge- Ausflußrohre 38 durch den äußeren Ring 35 verdehnt, so daß ein schmaler Düsenspalt entsteht. Da- schlossen sind, solange der Treibsatz 16 nicht gezündurch, daß die einzelnen Ringe verschiedene Breiten det wird. Nach dem Zünden des letzteren dehnen sich haben, wird bei der entsprechenden, unterschied- die Ringe 34 und 35 unter der Einwirkung der aus liehen Dehnung eine bessere Annäherung an die 65 den Öffnungen 32 austretenden heißen Verbrennungsideale Düsenform erreicht. Bei der Erwärmung des gase und geben die äußere Öffnung der Ausflußrohre als Düseninnenring wirkenden Teils 26 und der Du- 38 frei. Beim Vorwärtsflug des beispielsweise einen senaußenringe 23, 24, 25 treten definierbare Unter- Bestandteil eines Flugkörpers bildenden Triebwerks

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Ringspaltdüse für Raketentriebwerke mit einem inneren und mindestens einem äußeren Düsenring, von denen ersterer ein mit Austrittsöffnungen für die Verbrennungsgase versehener Teil der Brennkammerwand ist, der von dem oder den äußeren Düsenring(en) derart umschlossen ist, daß die Austrittsöffnungen vor dem Zünden des Triebwerks vollständig abgedeckt sind und mit vorherbestimmbarem zeitlichem Ändemngsverlauf der Düsenöffnungsweite unter dem Einfluß der austretenden Verbrennungsgase, ge kennzeichnet durch eine solche Ausbildung des oder der äußeren Düsenringe(s) (13), daß sich die Düsenöffnungsweite (14) unter dem Temperatureinfluß der austretenden Verbrennungsgase ändert.

2. Ringspaltdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Verlauf der Veränderung der Düsenöffnungsweite (14) durch die Dicke des oder der äußeren Düsenringe(s) (13) bestimmbar ist.

3. Ringspaltdüse nach Ansprach 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Änderungsverlauf der Düsenöffnungsweite durch unterschiedliche Wärmekapazität der einzelnen Düsenringe bestimmbar ist.

4. Ringspaltdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Änderungsverlauf der Düsenöffnungsweite durch zusätzliche Kühlung des bzw. der äußeren Düsenringe(s) beeinflußbar ist.

5. Ringspaltdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Düsenring (34) von einem weiteren, mit Abstand von diesem konzentrisch angeordneten Ring (35) umschlossen ist, und daß der zwischen dem äußeren Düsenring (34) und dem weiteren Ring (35) gebildete Zwischenraum (36) mit einem in an sich bekannter Weise der Brennkammer vorgeschalteten Raum (30) zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit in Verbindung steht.

6. Ringspaltdüse mit mindestens zwei äußeren konzentrisch zueinander angeordneten und ineinander geführten Düsenringen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Düsenringe (23, 24, 25) aus Werkstoffen mit verschiedenen Schmelzpunkten bestehen und daß der zeitliche Änderungsverlauf der Düsenöffnungsweite durch von den Verbrennungsgasen hervorgerufenes Abschmelzen eines oder mehrerer der äußeren Düsenringe beeinflußbar ist.

7. Ringspaltdüse mit mindestens zwei äußeren konzentrisch zueinander angeordneten und ineinander geführten Düsenringen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Düsenringe (23, 24, 25) aus Werkstoffen mit verschiedenen Wärmedehnungskoeffizienten bestehen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 958 705;
britische Patentschriften Nr. 508 201, 126 325;
USA.-Patentschriften Nr. 2 909 032, 2 870 599,
914, 2633 702, 2544422, 2406 560.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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