DE1152851B - Combustion process for use in combustion chambers of jet engines or rockets and jet engine or rocket to carry out the process - Google Patents
Combustion process for use in combustion chambers of jet engines or rockets and jet engine or rocket to carry out the processInfo
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Description
DEUTSCHESGERMAN
PATENTAMTPATENT OFFICE
S 62784 Ia/46gS 62784 Ia / 46g
BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 14. AUGUST 1963 NOTICE
THE REGISTRATION
AND ISSUE OF THE
EDITORIAL: AUGUST 14, 1963
Die Planung von Raketen mit großen Fluggeschwindigkeiten führt zur Wahl von hohen Ausstoßgeschwindigkeiten (d. h. spezifischen Impulsen) und großen Massenverhältnissen.The planning of missiles with high flight speeds leads to the choice of high ejection speeds (i.e. specific impulses) and large mass ratios.
Es sei daran erinnert, daß unter dem Ausdruck »spezifischer Impuls« das auf das Gewicht des benutzten Treibstoffs in Kilogramm bezogene Produkt aus dem Schub in Kilogramm und der Betriebszeit der Rakete in Sekunden zu verstehen ist. Ferner wird unter dem Ausdruck »Massenverhältnis« das Verhältnis zwischen der Summe der Massen des Brennstoffs und des Sauerstoffträgers einerseits und der Summe der Massen der leeren Rakete, des Brennstoffs und des Sauerstoffträgers andererseits verstanden. It should be remembered that under the term "specific impulse" that refers to the weight of the Fuel in kilograms related product of the thrust in kilograms and the operating time the rocket can be understood in seconds. Furthermore, under the expression "mass ratio" comes the ratio between the sum of the masses of the fuel and the oxygen carrier on the one hand and the Understood the sum of the masses of the empty rocket, the fuel and the oxygen carrier on the other hand.
Die hohen Ausstoßgeschwindigkeiten erfordern die Benutzung von sehr heißen ausgestoßenen Gasen, eines geringen Molekulargewichts und eines hohen Entspannungsverhältnisses.The high ejection speeds require the use of very hot ejected gases, low molecular weight and high relaxation ratio.
Die Erzielung beträchtlicher Massenverhältnisse ao wird durch die Verwendung von sehr dichten Brennstoffen und Sauerstoffträgern erleichtert.The achievement of considerable mass ratios ao is achieved through the use of very dense fuels and oxygen carriers.
Die Raketentreibstoffe müssen daher folgende theoretische Forderungen erfüllen:The rocket fuels must therefore meet the following theoretical requirements:
1. einen hohen oberen Heizwert (zur Erzielung einer beträchtlichen Temperatur vor der Entspannung); 1. a high upper calorific value (to achieve a considerable temperature before expansion);
2. eine starke Dichte der Stoffe vor der Reaktion in der Brennkammer der Rakete;2. A high density of substances before the reaction in the rocket's combustion chamber;
3. eine geringe Dichte der ausgestoßenen Gase.3. a low density of the emitted gases.
Es wurde nun ein Verbrennungsverfahren zur Anwendung in Brennkammern von Strahltriebwerken oder Raketen gefunden, in denen flüssige Oxydationsmittel, insbesondere zerstäubte HNO3 und flüssige Brennstoffe auf der Basis von Lithium und Kohlenwasserstoff zur exothermen Reaktion gebracht werden, wobei bekannte Nachteile vermieden werden können, wenn in der einbautenfreien Brennkammer gleichzeitig zwei bestimmte und räumlich getrennte Reaktionen hervorgerufen werden: die erste mit starker Entwicklung von Verbrennungswärme in der axialen Zone der Brennkammer, hervorgerufen durch Einspritzung von metallischem, flüssigem Lithium, dessen Einspritzstrahlen sich in an sich bekannter Weise mit den zerstäubten Strahlen des Oxydationsmittels kreuzen, die andere mit relativ niedriger Verbrennungswärme und die erste umhüllend in der Umfangszone längs der Innenwand der Brennkammer, hervorgerufen durch an sich bekannte Verbrennungsverfahren zur AnwendungA combustion process has now been found for use in combustion chambers of jet engines or rockets, in which liquid oxidants, in particular atomized HNO 3 and liquid fuels based on lithium and hydrocarbons, are brought to an exothermic reaction, known disadvantages can be avoided if in the built-in combustion chamber, two specific and spatially separate reactions are caused at the same time: the first with a strong development of combustion heat in the axial zone of the combustion chamber, caused by the injection of metallic, liquid lithium, the injection jets of which intersect in a manner known per se with the atomized jets of the oxidizing agent , the other with relatively low heat of combustion and the first enveloping in the circumferential zone along the inner wall of the combustion chamber, brought about by combustion processes known per se for use
in Brennkammern von Strahltriebwerkenin combustion chambers of jet engines
oder Raketen und Strahltriebwerk oderor missiles and jet engines or
Rakete zur Durchführung des VerfahrensRocket to carry out the procedure
Anmelder:Applicant:
Societe Nationale d'EtudeSociete Nationale d'Etude
et de Construction de Moteurs d'Aviation,et de Construction de Moteurs d'Aviation,
ParisParis
Vertreter: Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 41Representative: Dr.-Ing. H. Negendank, patent attorney,
Hamburg 36, Neuer Wall 41
Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 15. Dezember 1958 (Nr. 781 835)Claimed priority:
France of December 15, 1958 (No. 781 835)
Roger Adrien Feraud, Epinay-sur-Orge,Roger Adrien Feraud, Epinay-sur-Orge,
und Robert Oscar Aider, Saint Mande (Frankreich),and Robert Oscar Aider, Saint Mande (France),
sind als Erfinder genannt wordenhave been named as inventors
Einspritzung von Kerosin, dessen Einspritzstrahlen sich mit den Strahlen des Oxydationsmittels kreuzen.Injection of kerosene, the injection jets of which are mixed with the jets of oxidizing agent cross.
Eine besondere Ausführungsform besteht darin, daß dem flüssigen Lithium zur Bildung einer an sich bekannten, vorwiegend eutektischen Legierung Natrium und Kalium beigemischt ist, welche eingespritzt wird.A special embodiment is that the liquid lithium to form a per se known, mainly eutectic alloy sodium and potassium is added, which is injected will.
Bei dem Strahltriebwerk oder der Rakete, in welchem bzw. in welcher man das Verfahren gemäß der Erfindung durchführt, ist zur Aufnahme des flüssigen Lithiums oder der Legierung zweckmäßig ein wärmeisolierter Behälter vorgesehen, der zur Einspritzung dieser flüssigen Brennstoffe in die Brennkammer mit einer Pumpe für flüssiges Metall verbunden ist.In the case of the jet engine or the rocket in which the method according to carries out the invention is useful for receiving the liquid lithium or the alloy a thermally insulated container is provided, which is used to inject these liquid fuels into the Combustion chamber is connected to a pump for liquid metal.
Eine gewisse Zahl von einfachen Körpern, welche bei der Verbrennung eine hohe Wärmemenge entwickeln, können in nachstehender Weise in der Reihenfolge abnehmender Wärmeentwicklung je Gewichtseinheit des Brennstoffs geordnet werden:A certain number of simple bodies, which develop a large amount of heat when burned, can be performed in the following manner in the order of decreasing heat generation per unit weight of the fuel:
309 667/92309 667/92
des aus
gestoßenen
StoffskCaVkg
of the
encountered
Fabric
mitOäCombustion reaction
with oä
= BeO + 135,9 kCalBe + 1/2 O 2
= BeO + 135.9 kCal
= Li2O"+ 142,82Li + 1 / 2O 9
= Li 2 O "+ 142.8
= B2O3 + 2802B + 3 / 2O 2
= B 2 O 3 + 280
= Al2O3 + 3802Al + 3 / 2O 2
= Al 2 O 3 + 380
= MgO + 144Mg + 1/2 O,
= MgO + 144
Die Kühlung der Wände der Rakete kann in einfacher bekannter Weise erfolgen, z. B. dadurch, daß man den Sauerstoffträger vor seiner Einspritzung in das Innere der Kammer in einem den Hals der Düse und die Wand der Brennkammer umgebenden Mantel strömen läßt.The walls of the rocket can be cooled in a simple known manner, e.g. B. in that the oxygen carrier is placed in the throat of the nozzle before it is injected into the interior of the chamber and the jacket surrounding the wall of the combustion chamber can flow.
Der Nachteil der spontanen Oxydation des Lithiums in der Luft kann leicht dadurch vermieden werden, daß man es mit einer dünnen Schicht von ίο Öl oder einem silikonhaltigem Stoff überzieht.The disadvantage of the spontaneous oxidation of lithium in the air can easily be avoided in this way be that you cover it with a thin layer of ίο oil or a silicone-containing substance.
Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert, deren einzige Abbildung einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Rakete zeigt.The invention is explained below by way of example with reference to the drawing single figure shows a longitudinal section of a missile according to the invention.
Die Wand 1 (aus Metall oder einem temperaturbeständigen Werkstoff) der Brennkammer und des Düsenhalses, welche sich einerseits an den denThe wall 1 (made of metal or a temperature-resistant material) of the combustion chamber and the Nozzle neck, which on the one hand to the
Das Lithium besitzt außer seinem hohen Heiz- Boden der Kammer bildenden Flansch 2 und anwert folgende Vorteile: dererseits an den divergierenden Teil 3 der Düse anSein Schmelzpunkt ist verhältnismäßig niedrig 20 schließt, ist von einem Mantel la umgeben, welcher Roo γλ „„η K^ o„f λ™ i*no r „»„«„ν* ™Λη zwischen ihm und der Wand 1 einen Ringraum Ib In addition to its high heating base of the chamber forming flange 2 and anwert, the lithium has the following advantages: on the other hand, on the diverging part 3 of the nozzle, its melting point is relatively low 20 closes, is surrounded by a jacket la, which Roo γλ “η K ^ o "f λ ™ i * no r """"" ν * ™ Λ η between it and the wall 1 an annular space Ib
herstellt. Die von der Pumpe kommende Leitung zur Zufuhr der Salpetersäure ist an den mit dem Ringraum Ib in Verbindung stehenden Stutzen 4 an-25 geschlossen. Die Salpetersäure strömt daher im Gegenstrom zwischen den Wänden 1 und la, kühlt die Wand 1, wobei sie sich erwärmt, tritt aus dem Zwischenraum Ib durch den Stutzen 5 aus und gelangt zu Stutzen 6, welche durch in dem Boden der in die Brennkammer der Rakete keine Schwierig- 30 Kammer ausgearbeitete Kanäle mit in diesem Boden keiten macht. verteilten Vielfachdüsen 7 verbunden sind. Zur Ver-manufactures. The line coming from the pump for supplying the nitric acid is connected to the connecting piece 4 connected to the annular space Ib. The nitric acid therefore flows in countercurrent between the walls 1 and la, cools the wall 1, whereby it heats up, emerges from the space Ib through the nozzle 5 and reaches the nozzle 6, which through the bottom of the rocket into the combustion chamber no difficulty makes 30 chamber worked out channels with in this floor. distributed multiple nozzles 7 are connected. For
Bezüglich der Hilfsverbrennung mit niedrigerer einfachung der Zeichnung sind diese Kanäle nicht Reaktionswärme hat der Erfinder gefunden, daß dargestellt, und die Düsen 7 zur Einspritzung derRegarding the auxiliary combustion with lower simplification of the drawing, these channels are not Heat of reaction, the inventor has found that shown, and the nozzles 7 for injection of the
hierfür zweckmäßig Kerosin benutzt wird, und daß ~ * ~ ~kerosene is expediently used for this, and that ~ * ~ ~
man durch Veränderung der in die Brennkammer eingespritzten relativen Mengen von Kerosin und Lithium eine große Anpassungsfähigkeit erhaltenby changing the relative amounts of kerosene and Lithium obtained a great adaptability
(180° C) und kann auf etwa 150° C gesenkt werden, wenn es mit Kalium und Natrium in geringen Mengen legiert wird. Ferner kann es wegen seiner hohen Schmelzwärme leichter in flüssigem Zustand gehalten werden.(180 ° C) and can be lowered to around 150 ° C when used with potassium and sodium in small amounts is alloyed. Furthermore, because of its high heat of fusion, it can be kept in a liquid state more easily will.
Die Technik der Pumpen für geschmolzene Metalle ist gegenwärtig durch die Anwendung bei Atommeilern bekannt, so daß die Herstellung einer Pumpe zur Einspritzung des geschmolzenen LithiumsThe technique of pumps for molten metals is currently being applied at Atomic piles known so that the manufacture of a pump for the injection of the molten lithium
Salpetersäure sind durch Quadrate angedeutet.Nitric acid are indicated by squares.
Die Wand 1 der Kammer kann porös sein, so daß in die Kammer etwas Salpetersäure durchsickert, deren auf der Innenfläche dieser Wand erfolgende Verdampfung dann eine zusätzliche Kühlung bewirkt. The wall 1 of the chamber can be porous, so that some nitric acid seeps into the chamber, the evaporation of which takes place on the inner surface of this wall then causes additional cooling.
Die geschmolzene Lithiumlegierung wird durch eine Pumpe zu dem Flansch 8 gefördert, welcher durch Kanäle im Boden der Kammer mit auf den mittleren Teil des Bodens verteilten Einspritzdüsen 9 verbunden ist. Diese Düsen sind in der Zeichnung durch kleine Kreise dargestellt.The molten lithium alloy is fed to the flange 8 by a pump, which through channels in the bottom of the chamber with injection nozzles 9 distributed over the central part of the bottom connected is. These nozzles are shown in the drawing by small circles.
Das Kerosin oder ein anderer Brennstoff zur Herstellung einer unter der Verbrennungstemperatur des Lithiums liegenden Verbrennungstemperatur wird durch eine Pumpe zu dem Stutzen 10 gefördert,The kerosene or other fuel used to produce a temperature below combustion of the lithium lying combustion temperature is conveyed by a pump to the nozzle 10,
b) Kerosin oder ein anderer in einem anderen 5° welcher durch Kanäle mit an dem Umfang des Behälter eingelagerter flüssiger Körner (Hy- Bodens der Kammer gelegenen Einspritzdüsen 11b) kerosene or another in another 5 ° which through channels with liquid grains embedded on the periphery of the container (hy-bottom of the chamber located injection nozzles 11
' · — - verbunden ist. Diese Düsen zur Einspritzung des' · - - connected is. These nozzles for injecting the
Kerosins sind durch kleine Dreiecke dargestellt.Kerosene are represented by small triangles.
Die Düsen 7 zur Einspritzung des Sauerstoff-55 trägers können Einspritzrichtungen haben, welche von denen der Brennstoffdüsen 9 und 11 verschieden sind, wie durch die Pfeile dargestellt, um die Mischung der einzuspritzenden Stoffe zu erleichtern und die Homogenität der Verbrennung zu be-Dieses Gemisch besitzt einen spezifischen Impuls 60 günstigen.The nozzles 7 for injecting the oxygen carrier can have injection directions which from those of the fuel nozzles 9 and 11 are different, as shown by the arrows to the To facilitate mixing of the substances to be injected and to improve the homogeneity of the combustion Mixture has a specific impulse of 60 favorable.
von 300 Sekunden, d.h. eine sehr große Ausstoß- Die in dem Umfangsabschnitt der Kammer er-of 300 seconds, i.e. a very large ejection.
geschwindigkeit. haltenen Verbrennungstemperaturen des Kerosins,speed. maintained combustion temperatures of kerosene,
Die Temperatur der Verbrennungsgase ist hoch. welche größenordnungsmäßig 3000° K betragen, Die mittlere Temperatur beträgt etwa 4000° K, sind niedriger als die in dem mittleren Teil erhaltewährend die wirklichen Temperaturen zwischen 65 nen Temperaturen des Lithiums (in der Größen-3200 und 4400° K Hegen. Ordnung von 4700° K).The temperature of the combustion gases is high. which are of the order of 3000 ° K, The mean temperature is about 4000 ° K, are lower than those in the central part while maintaining the real temperatures between 65 nen temperatures of lithium (in the size-3200 and 4400 ° K Hegen. Order of 4700 ° K).
Die Handhabung und die Beschaffenheit des Die von dem Temperaturgradienten herrührendeThe handling and nature of the die resulting from the temperature gradient
Sauerstoffträgers sind heutzutage Allgemeingut. Verschiedenheit der Viskosität, die VerschiedenheitOxygen carriers are commonplace these days. The difference in viscosity, the difference
kann, welche die geeignete Wahl der Temperatur der austretenden Gase und des spezifischen Gewichts dieser Mischgase ermöglicht.can which the appropriate choice of the temperature of the exiting gases and the specific weight this allows mixed gases.
Erfindungsgemäß können z. B. folgende Stoffe in die Brennkammer der Rakete eingespritzt werden:According to the invention, for. B. The following substances are injected into the combustion chamber of the rocket:
1. Sauerstoffträger: NO3H, welche übersäuert sein kann.1. Oxygen carrier: NO 3 H, which can be acidic.
2. Brennstoffe:2. Fuels:
a) vorher geschmolzenes und in einem mit einem Wärmeschutz versehenen Behälter eingelagertes Gemisch von Li + Na + K;a) previously melted and in a container provided with a thermal protection embedded mixture of Li + Na + K;
drazin, Xilidin, aromatische Amine, usw.).
Folgende Zusammensetzung ist empfehlenswert:drazin, xilidine, aromatic amines, etc.).
The following composition is recommended:
NO3H 71 »/0NO 3 H 71 »/ 0
Li+ Na+ K 23%Li + Na + K 23%
Kerosin 6 %Kerosene 6%
der chemischen Art der Gase und die Längskomponente der Strömungsgeschwindigkeit verhindern den Temperaturausgleich.the chemical nature of the gases and the longitudinal component of the flow velocity prevent the Temperature compensation.
Die Wand der Kammer wird so durch den durch die Zone niedriger Temperatur gebildeten Schutzschirm gegen zu hohe thermische Beanspruchungen geschützt.The wall of the chamber is thus covered by the protective screen formed by the low temperature zone Protected against excessive thermal loads.
Zu dieser Schutzwirkung tritt gegebenenfalls noch die Kühlwirkung der Strömung des Sauerstoffträgers und seine Verdampfung im Falle poröser Wände hinzu. Man kann so einen wirksamen Schutz erhalten, ohne einen starken Energieverlust in Kauf nehmen zu müssen, welcher auf den thermischen Wirkungsgrad einen ungünstigen Einfluß haben würde. Der spezifische Impuls der gemischten Einspritzung ist nur wenig kleiner als der des Lithiums allein. Zwar sind Raketenbrennkammern, welche mit öffnungen zur Einspritzung des Reaktionspartners für die zweite, heiße exothermische Reaktion versehen sind, bereits bekannt.In addition to this protective effect, there may also be the cooling effect of the flow of the oxygen carrier and its evaporation in the case of porous walls. One can get such an effective protection, without having to accept a great loss of energy, which affects the thermal efficiency would have an adverse impact. The mixed injection specific impulse is only little less than that of lithium alone. There are rocket combustion chambers with openings to the Injection of the reactant for the second, hot exothermic reaction are already provided known.
Mit den bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen gelingt es jedoch nicht, die beiden Reaktionen, die eine unterschiedliche Verbrennungswärme entwickeln, ohne besondere, trennende Zwischenwand durchzuführen, noch ist es danach möglich, daraus herzuleiten, daß flüssiges Lithium eingespritzt werden kann. Es ist lediglich bekannt, Metallpulver als suspendierte Beimischung zu flüssigen Kohlenwasserstoffen einzuspritzen, wobei die bekannten Triebwerke eine Zwischenwand aufweisen und darüber hinaus nur eine Verbrennungsreaktion stattfindet, die innerhalb der Zwischenwand stattfindet.With the known methods and devices, however, it is not possible to carry out the two reactions develop a different heat of combustion, without a special, separating partition nor is it possible to deduce from this that liquid lithium is being injected can. It is only known to use metal powder as a suspended admixture to liquid hydrocarbons injected, the known engines have a partition and beyond only one combustion reaction takes place, which takes place inside the partition.
Auch wurden bereits Alkali- bzw. Alkaliborhydride, wie z. B. LiBH4, für den Rückstoßantrieb in Wasser empfohlen. Die Verwendung eines getrennten Oxydationsmittels, von der Art der Salpetersäure, ist jedoch neu, und es war keineswegs aus dem bisher Bekannten herzuleiten, daß man den Antrieb durch Anwendung zweier verschiedener Brennstoffe oder Verbrennungsmethoden auf einfache Weise regem kann.Alkali or alkali borohydrides, such as. B. LiBH 4 , recommended for recoil propulsion in water. The use of a separate oxidizing agent, of the nitric acid type, is new, however, and it was by no means to be deduced from the previously known that the propulsion can be stimulated in a simple manner by using two different fuels or combustion methods.
Claims (3)
807;
USA.-Patentschriften Nr. 2 763 987, 2 754 656;British Patent Nos. 738 219, 727 720,
807;
U.S. Patent Nos. 2,763,987, 2,754,656;
Zeitschrift des VDI, 99. Band, Nr. 31 (1.11. 57), S. 1587; 97. Band, Nr. 3 (21. 1. 55), S. 68;Industriekurier, supplement "Technology and Research" 11th year, issue 79 (19) from May 28, 58, p. 304;
Zeitschrift des VDI, Volume 99, No. 31 (1.11. 57), p. 1587; Volume 97, No. 3 (1. 1. 55), p. 68;
Berlin 1950, S. 306 bis 314;E. Schmidt, "Introduction to Technical Thermodynamics", 4th edition, Springer-Verlag,
Berlin 1950, pp. 306 to 314;
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