DE1626048A1 - Fluessigkeitsgekuehlte Raketenbrennkammer mit Schubduese - Google Patents

Description

BÖLKOW Gesellschaft .mit. beschränkter Haftung Ottobrunn bei München

1626Q48

Ottobrünn, 5· Januar I967 SXJ Hn/er

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Flüssigkeitsgekühlte Raketenbrennkammer mit Schubdüse

iVissigkeitsgekühlte Brennkammern mit Schubdüsen für Raketen* ¹Tr werke sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Eir. allgemein übliche Kühlung der Brennkammer mit Schubdüse c^s*. ht darin, flüssigen Sauerstoff am hinteren Snde 3-h--düse über einen Ringkanal in die in

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laufende Kühlkanäle aufweisende Schubdüsenwand einzuleiten/" in denen der flüssige Sauerstoff unter Wärmeaufnahme nach

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vorne bis zum Brennkammerkopf strömt und dort in die Brennkammer gefördert wird. Gemäß der USA-Patentschrift 3 188 801 ist es bekannt, um den Düsenhals einer Raketenbrennkammer eine Kühleinrichtung-in Form mehrerer paralleler, ringförmiger Kühlkanäle zu installieren, die über einzelne Zulaufleitungen

" und eine gemeinsame Versorgungsleitung mit Kühlflüssigkeit beschickt werden. Die Kühlung der Düsenhalspartie erfolgt durch Schwitzkühlung, wobei die zugeführte Kühlflüssigkeit durch die aus porösem Material hergestellte Wand des Düsenhalses dringt, so daßr im bekannten Fall ein offener Kühlkreislauf gegeben ist. Abgesehen davon, daß es fraglich ist, den wärmeteehnisch exponierten Düsenhäls auch unter extremen Betriebsbedingungen durch Schwitzkühlung ausreichend zu kühlen, ist diese Art der Kühlung in gewisser Hinsicht unkontrollierbar und der Gefahr ausgesetzt, daß sich die Poren durch Verunreinigungen verengen oder sogar verlegen. Außerdem haftet der bekannten Ausführung der Nachteil an, daß nach Verschleiß des Düsenhalses, dessen Lebensdauer durch die hohen Betriebsanforderungen kürzer ist als die der übrigen Schub- · düsen- und Brennkammerteile, bei einjstüokiger Ausbildung der , Brennkammer'mit Schufedüse dag gesamte Bauteil unbrauchbar wirk.

.franzuslBQhen Patentschrift I 108. ©90 ist

lolsQsats in der'Wsnd €ss iahuijdüsenteisββ ■ einen Bingrftum vopjsui, der'von einer-'der beiden RaketenkoftponepttBi,

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vom flüssigen Brennstoff oder vom flüssigen Sauerstoff-bzw. -träger, durchströmt wird, wobei derSchubdüsenhals gekühlt und gleichzeitig der JBrerinstoff oder der Sauerstoff zum Zwecke der Wirkungsgradverbesserung.des Verbrennungsprozesses aufgeheizt wird. Ferner ist es nach der genannten französischen Patentschrift bekannt, die gesamte Schubdüse gegenüber der eigentlichen Brennkammer als eigenen Bauteil auszuführen und an dieser durch eine Flanschverbindung lösbar zu befestigen. Die eigentliche Schubdüse mit dem kQnYergent-divergenteh "Teil besteht dabei aus einem porösen futter, in dem eine. Ringkammer vorgesehen ist* der Kühlflüssigkeit zugeführt wird, die durch das poröse Futter durchtritt und Sehwitzkühlung hervorruft. Eine andere bekannte, yersion besteht darin» im konvergenten Teil der Schubdüse Einspritzbohrungen anzuordnen, durch die Kühlflüssigkeit aus dem in der Senübdüsenwand vorgesehenen Ringraum in'Gegenstroinrichtung in die Schubdüse eingebracht wird. : '. . ;"-...·.,. ., _ :;■- ,- .,....--;-..; ..'■- ■; -

Diesen bekannten Ausführungen.haftet der. Nachteil an, .daß- · nach Verschleiß des .Schubdüsenhalses <iie gesamte ,Sehubdüse unbrauchbar wird bzw. ausgewechselt werden muß- Außerdem weist die bekannte Konstruktion im Uinblick auf sehr hohe thermische Belastungen Mängel bezüglich der Kühlung des Gesamtbauteiles "Brennkammer mit Schubdüse" insofern auf, als die eigentliche Brennkammer überhaupt nicht gekühlt ist und die Sehubdüse nur im gesamten durch einen Kühlkreislauf beaufschlagt wird. . ·

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile und Mangel der bekannten Ausführungen zu vermeiden und eine Kühlung für Raketenbrennkammern mit Schubdüsen zu schaffen, die auch unter extremen Betriebsbedingungen dem Gesamtkomplex "Brennkammer und Schubdüse" mit Rüc'ksieht auf deren "individuelle" und partikuläre Betriebserfordernisse und -gegebenheiten gezielt Rechnung trägt.

Generell wird .die Aufgabe gemäl der, Erfindung gelöst durch mehrere voneinander unabhängige kühlkreislaufe für den Bauteilkompiex "Brennkammer-Schübdüse".

Eine weitere Aufgäberisfceilung der Erfindung liegt darinj inu Hinblick auf" rationelle Gesichtspunkte konstruktiver, herstellüngst^enhiseher und montiagemäßiger Art die Kühlung schwerpunktmäßig zu. konzipieren. Die Lösung hierfür besük gemäß der Erfindung in einem nur innerhalb des DÜsehhäisis angeordneteni auswechselbaren Einsatz mit einem eigenen halboffenen oder geschlossenen^ oder offenen^Kühlkreis!auf\ Einzelmerkmaie des ßtisehhaiseinsatzes gehen aus den Unfröransprüchen hervor; spezielle Vorteile desselben sind in der Zeichnungsbesehreibung angeführt.

Eine Lösungsform der Erfindung im Zusammenhäng'mit .dem Hauptgedanken liegt in der Kombination eines .in an sich bekannter Weise vom Schubdüsenende bis zum Brennkammerkopf in der Schubdüsen- und Brennkammerwand geführten Kühlkreislauf es und eines im Düsenhal.s ,ader im .bespnderen Düsenhals eins at ζ geführten Kühlkreislauf es«-

Eine besondere Lösungsform der gestellten Aufgabe besteht gemäß der Erfindung ferner darin, drei voneinander unabhängige bzw. getrennte Kühlkreislaufe vorzusehen, und zwar einen nur den divergenten Teil der Schubdüsenwand beaufschlagenden Kühlkreislauf, einen nur den konvergenten Teil der Schubdüsenwand und die Haketenbrennkammerwand · beaufschlagenden Kühlkreislauf und einen den Düsenhals bzw. den besonderen Düsenhaiseinsatz beaufschlagenden Kühlkreislauf.' ^!

Dur·;: die erfindungsgemäße Installierung mehrerer voneinander unanhängiger bzw. zumindest getrennter Kühlkreisläufe innerder Brennkammer- und Schubd4senwan"d und ·* sofern zusätzlich, vorgesehes -■innerhalb eines baulich eigenen Düsen-

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halseinsatzes kann allen auftretenden Betriebsverhältnissen in den einzelnen BereicherTund Abschnitten "individuell" und partikulär Rechnung getragen werden, und zwar nicht nur quantitativ hinsichtlich der Verwendung einer Kühlflüssigkeit, sondern auch in der Auswahl verschiedener Kühlmedien.., Außerdem läßt die Aufteilung des Gesamtkomplexes "Brennkammer-Schubdüse" in einen Bauteil "Brennkammer mit konvergentem Schubdüsenteil" einerseits und in einen hauptsächlich "divergenten Schubdüsenteil" andererseits sowie gegebenenfalls in einen besonderen, baulieh getrennten Düsenhalseinsatz eine Variierung der Kühlflüssigkeit in "stofflicher" Hinsicht zu, d. h. es können für die einzelnen Kühlkreisläufe verschiedene Mengen und verschiedene Arten von Kühlflüssigkeiten Verwendung finden, insbesondere je nach Art des verwendeten Werkstoffes für die einzelnen Bauteile.

Weitere Vorteile und Wirkungsweisen der Erfindung bzw.. der einzelnen;erfindungsgemäßen Lösungen gehen aus der nachfolgenden· Zeichnungsbeschreibung hervor, , ="

In der Zeichnung Ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, · ' ι

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Ms zeigfeit

Pig. 1 eine Brennkammer mit Schübdüse (nur teilweise veranschaulicht) und einen in der Schubdüse angeordneten Einsatz im Längsschnitt, wobei

......--, zw.ei voneinander getrennte Kühlkreis laufe vor- >..',.. gesehen sind,

Fig.2 ebenfalls eine Brennkammer mit Schubdüse und einen in der Schubdüse angeordneten Haiseinsatz im Längsschnitt; wobei drei voneinander getrennte Kühlkreislaufe vorgesehen sind und

Fig. |l einen Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 1;

Wie aus Fig» I hervorgeht, besteht der Gesamtkomplex "Brennkammer mit Schubdüse" aus zwei Bauteilen, nämlich aus einem stromaufwärts liegenden Bauteil 1, der die eigenfciiqhe Brennkammer 2 und den konvergenten Teil 3 der Schubdüse umfaßt, und aus einem stromabwärts angeordneten Bauteil.4, der hauptsächlich den divergenten Teil 5 der Sohubdüse,darstellt. Beide Bauteile 1 und 4 weisen an ihrem hinteren bzw. vorderen Ende je einen Flansch 6 auf. Über» die sie lösbar miteinander verbunden sind. In der Wand der Bauteile 1 und 4 verlaufen in Längsrichtung viele einzelne Kühlkanäle 7, die von einer Treibmittelkomponente, insbesondere von flüssigem Sauerstoff, in Pfeilrichtung

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durchströmt werden. Diese Maßnahme stellt.einen ersten . Kühlkreislauf A dar, der den Gesamtkomplex "Brennkammer-Schubdüse" in konservativer Manier kühlt.

Im Bereich des Düsenhalses ist ein Einsatz (Düsenhalseinsatz 8) vorgesehen, dessen Außenkontur mindestens zum Teil konisch mit stromabwärts gerichteter Verjüngung ausgebildet ist. Auch die Bauteile 1 und 4 weisen im fraglichen Bereich eine konische Form auf, so daß der Düsenhaiseinsatζ 8 formschlüssig innerhalb der Bauteile 1 und 4 fest sitzt. Der Düsenhaiseinsatz 8 besteht im wesentlichen aus einem stromabwärts gelegenen Zulaufringkanal S, aus einer einen Kühlkanal 10 einschließenden Doppelwand 11 und aus einem stromaufwärts gelegenen Ringkanal 12, wobei zwischen beiden Ringkanälen 9 und 12 eine Verbindungswand iy vorgesehen ist, die zur Anordnung zweier Dichtringe 14 dient, die zu beiden Seiten der zwischen beiden Flanschen 6 liegenden Fuge 15 eingesetzt sind. In den Zulaufringkanal 9 münden tangential ZuI auf leitungen 16 (Fig. j?) für den Kühlkreislauf B, die an eine gemeinsame Zulaufringleitung If angeschlossen sind. Der stromaufwärts gelegene Ringkanal 12 ist zum Innenraum, des DÜsenhälses hin offen ausgebildet, und zwar weist er hier ein freies Ende 18 auf, das stromabwärts gebogen ist und mit der Doppelwand 11 des Ringkanales 10 einen Ringschlitz 19 bildet, aus-.dem Kühlflüssigkeit,zur Erzeugung einerJSßhleierkühl ung für den Düsenhals austritt« Dabei kann dies®. Schleier-'

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■ kühlung für*den^! Düsenhälse ins at ζ 8 als alleinige Kühlung fungieren (offener Kühlkreislauf) ₄ es kann aber auch'die Schleierkühlung nur zusätzlich zu einer Regenerativkühlurig vorgesehen sein. Die im Zülaufringkanal 9 erzeugte Umlaufströmung setzt sich im Ringkanal 10 als schraubenförmige Strömung fort, wodurch der Weg der Strömung, auf dem der Wärmeaustausch erfolgt/ in vorteilhafter Weise verlängert wird. Durch den innewohnenden'Drall der Strömung legt sich auch die aus dem Ringschlitz 19 austretende Kühlflüssigkeit filmartig an die Innenseite derDoppelwand/sehutζend an und" stabilisiert sich dort durch die auftretende Zentrifugalwirkung länger Der Düsenhalseinsatζ 8 ist - in Längsrichtung betrachtet - in bezug auf seinen engsten Querschnitt unsymmetrisch mit einem stromaufwärts sich erstreckenden längeren Teil ausgebildet. Dadurch wird der Tatsache Rechnung getragen, wonach vor dem engsten Querschnitt eine höhere Temperatur herrscht als nach dem engsten Querschnitt, d. h» bei gleicher axialer Länge des Düsenhaiseinsatzes 8 findet die jwärmetech* tiitioh exponierte Zone vor dem engsten Querschnitt" in stärkerem i-ifiiie ßärücksichtigung. Der als besonderes Bauteil ausssbildete r/ns.irähalsöinsätz 8 kann in yorteillliaiter Weise aus ^iem :■·:Aeven_t d. h« für seine Aufgab© geeigneterem Werkstoff herge stellt se1|n als'die beiden Bauteil^ 1 Und 4>"rnlt andeyen dfv DUs-öfthütlseinsfitz ■ 8 kanti aus- einem ^eta» Widerstands fähigem Material, wit r guter Wärn»Xeitfähigk9tt oder mit Üb9FSS<8geA mit bei ii ^

höchster thermischer und chemischer Widerstandsfähigkeit, z. B. Gold, hergestellt sein, das zwar an sich teuer ist, dessen Kosten Jedoch durch die verhältnismäßig kleinen Ausmaße des Bauteiles selbst - bezogen auf den ganzen Baukomplex - noch wirtschaftlich bleiben. Im separaten Kühlkreislauf des Düsenhaiseinsatzes 8 .können Sonderkühlstoffe mit hoher Verdampfungswärme und geringem Treibstoffanteil Verwendung finden, beispielsweise; Wasser,. Alkohol, Ammoniak. Außerdem können, wie bereits erwähnt, zu einem geschlossenen Kühlkreislauf besondere Zusatzkühlpraktiken, wie Schleier-, Schwitz- oder Abbrandkühlung in Anwendung gelangen. Der auswechselbare DUsenhalseinsatz 8 erlaubt zudem im Gegensatz zur herkömmlichen Brennkammerherstellung eine einfachere Fertigung, da der konstruktiv schwierigere und technologisch anspruchsvollere Teil/ nämlich die Düsenhalspartie, als eigener Bauteil gefertigt wird, wobei gleichzeitig auch die Bauteile 1 und k technologisch und hersteliungstechnisch einfacher werden.

Diese Bauteile 1 und k werden andererseits durch den besonderen

Düsenhalseinsatz/insbesondere thermisch entlastet und können dadurch ihrer besonderen Aufgabe als festigkeitsmäßig tragende Teile in höherem Maße gerecht werden.' Außerdem entlastet die J in axiale*¹ Richtung frei ausdehnbare Anordnung des püsenhals-: .einsatzes Sispannungsmäßlg den wärmefcechnisoh exponiei-ten Bersioli aeis ßesamtkonitruktion« -■ .· ',-. - -.-.. -..,· . . . _;-. „

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-".-. Gemäß der Ausführung Pig* 2 sind drei voneinander unabhangige bzw. parallele Kühlkreislaufe C, D und E vorgesehert. Ein erster Kühlkreislauf C beaufsehlagt nur den konvergenten

. Teil 5a der Sehubdüsenwand, ein zweiter> im vorliegenden. Fall geschlossener' (regenerativ arbeitender) Kühlkreislauf D beaufschlagt wiederum einen als besonderen Bauteil ausgeführten Düsenhalseinsatz 8a und ein dritter Kühlkreislauf E beaufschlagt nur den noch verbleibenden Teil des divergenten Bereiches Ja der Schubdüsenwand und gleichzeitig die Wand der Brennkammer 2a* Die beiden Kühlkreisläufe G und E werden vorzugsweise von Treibmittelkomponenten, flüssigem Brennstoff ; und/oder Sauerstoff, durchströmt. Eine Möglichkeit besteht ζ-, B. auch darin, ara Schubdüsenende nur einen Teil des' flüssigen Sa.uerstoff es zuzuführen und mit der anderen Sauerstoffteilmenge den Kühlkreislauf E zu beschicken, wobei die beiden Sauerstoffteilmengen im Verhältnis zur anfallenden Wärmemenge in den Bauteilen 5a und 2a aufgeteilt sein können, um den Kühlwirkungsgrad durch die lokale Erhöhung des Wärmegefälleszu steigern. Auch gem. Fig. 2 besteht der Gesamtkomplex "Brennkammer-Schubdüse'¹ aus zwei Bauteilen, nämlich aus einem stromaufwärts liegenden Bauteil la und aus einem stromabwärts angeordneten Bauteil 4a, die beide im wesentlichen axial gerichtete Flansche 20 aufweisen. Vor deren Trennfuge 21 ist ein Dichtring 22 eingesetzt.

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Die bezüglich der Ausführung gemäß Pig. I angeführten Besonderheiten im Hinblick auf Anordnung und Werkstoffverwendung und erwähnte Vorteile gelten auch für die Ausführung gemäß Fig. 2. Zur letzteren kommt noch hinzu, daß drei Kühlkreisläufe eine individuellere bzw. optimale Abstimmung hinsichtlich der Gesamtkühlung erlauben.

Patentansprüche:

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Claims (1)

1. BÖLKOW Gesellschaft Ottobrunn, 5. Januar I967

   mit beschränkter Haftung SX3 Hh/er

   Ottobrunn bei München BP 594

   P at ent ansprüche

   1. FlüssigkeitsgekUhlte Raketenbrennkammer mit Schubdüse, gekennzeichnet durch mehrere voneinander unabhängige Kühlkreisläufe (A und B bzw. C, D und E).

   2. Raketenbrennkammer mit Schubdüse, insbesondere nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen nur innerhalb des Düsenhalses angeordneten, auswechselbaren Düsenhaiseinsatz (8 bzw. 8a) mit einem eigenen halboffenen oder geschlossenen oder offenen Kühlkreislauf (B bzw. D). .

   J₄ Düsenhalseinsatz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß dieser in Längsrichtung frei ausdehnbar innerhalb der Schubdüse {J>, 5 bzw. ^a, 5aJangeordnet ist,

   b, Msenhals eins atz nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η ■ -i i cj h η e t , daß - in Längsrichtung betrachtet « Φ-· rs eitle in bezug auf seinen engsten Querschnitt unsymmetrisch

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   mit einem stromaufwärts sich e?9.t?eekenden IMpgQyciiii T@ll"?

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   5· Düsenhalseinsatζ nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η - ' zeichnet/ daß derselbe ganz oder teilweise "aus einem anderen Werkstoff, und zwar aus einem hochwarmfesteren und gegebenenfalls aus einem chemisch widerstandsfähigeren Werkstoff hergestellt ist als die Bauteile (1 und 4 bzw. la . und 4a), aus der die eigentliche Brennkammer und Schubdüse hergestellt sind. ~-■-.-.-...■.. ^ ;

   6. Düsenhaiseinsatz nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß'die Zufuhr seines Kühlkreislaufes (B bzw. D), zur Verlängerung des Durchströniweges tangential erfolgt.

   7« Düsenhaiseinsatz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß seine Außenwand ganz oder teilweise kegelförmig mit stromabwärts sich erstreckender Verjüngung ausgeführt ist und in der in seinem Bereich ebenfalls · ^: kegelförmig ausgeführten Schubdüsenwand formschlüssig sitzt»

   8» Düsenhai se, ins at ζ nach Anspruch 2, dadurch ge ken n zeichnet, daß derselbe im wesentlichen aus einem ©trdmabwärts gelegenen Zulauf-ringkanal (9)V aus ®1ηβϊ> eiij€h Kühlkanal (10} einschließenden Doppelwand (11) sp© ©Jiieiji stromaufwärts gslegeilan Ringkanal (12) be-.

   9. Düsenhalseinsatζ nach Anspruch 2 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß an seinem stromaufwärtigen Ende bzw. in seinem Ringkanal (12) ein Ringschlitz (I9) oder über den Umfang verteilte Öffnungen zum Austritt des Kühlmittels des Kühlkreislaufes (B) oder nur einer bestimmten Kühlmittelteilmenge desselben vorgesehen sind.

   10. Düsenhaiseinsatz nach Anspruch 2, 8 und 9* dadurch gekennzeichnet , daß der stromaufwärts gelegene Ringkanal (12) ein freies Ende (18) aufweist, das stromabwärts gebogen ist und zusammen mit der Doppelwand (10) den Ringjschlitz (19) bildet.

   11. Düsenhaiseinsatz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet^- daß derselbe zur Erzielung von Schwitzkühlung porös ausgeführt ist.

   12. Düsenhaiseinsatz nach Anspruch 2, dadurch -g e k e η η ~ zeichnet, daß derselbe zur Erzielung von Abbrand- kühlung aus einem entsprechenden Werkstoff besteht oder mit einem entsprechenden überzug versehen ist.

   15. Raketenbrennkammer mit Schubdüse nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Kombination eines in an sich bekannter Weise vom Schubdüsenende bis zum Brennkammerkopf in der Brennkammer- und Sehubdüsenwand . geführten Kühlkreislaufes (A) und eines im Düsenhals bzw. im besonderen DUsenhalseinSatz (8) geführten Kühlkreislaufes (B). 009884/047$

   14. Raketenbrennkammer mit Schubdüse nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch drei voneinander unabhängige Kühlkreisläufe (C, D und E), und zwar einen nur den divergenten Teil der Schubdüsenwänd beaufschlagenden Kühlkreislauf (C), einen nur den konvergenten Teil der SchubdUsenwand und die Raketenbrennkammerwand beaufschlagenden Kühlkreislauf (E) und einen den Düsenhals bzw. den besonderen Düsenhalseinsatζ (8a) beaufschlagenden Kühlkreislauf (D). -

   15· Raketenbrennkammer mit Schubdüse nach Anspruch 1, 2, IJ oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Raketenbrennkammer mit Schubdüse aus zwei Bauteilen (1 und 4) besteht, die im Bereich des Etisenhalses durch radiale Plangehe l&) oder durch «seiale Flansche (20) lösbar mit einander v^e^bunden sind.

   ORfGiNAL INSPECTED