DE1916245A1 - Brennkammer mit Schubdruese von Fluessigkeitsraketentriebwerken - Google Patents

Description

Messerschmitt-Bölkow Ottobrunn, 21. März I969

Gesellschaft mit SX3 Hn/er

beschränkter Haftung BP 8 München

Brennkammer mit Schubdüse von Flüssigkeitsraketentriebwerken

Zusatz zu Patent . (Patentanmeldung P I7 51 69I.5)

Die Hauptanmeldung hat eine Brennkammer mit Schubdüse von Flüssigkeitsraketentriebwerken zum Gegenstand, bestehend aus einem Brennkammer-Schubdüsengrundkörper mit durchlaufenden Kühlkanälen, die durch eine Außenwand abgedeckt sind und von mindestens einer Treibstoffkomponente durchströmt werden.

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Nach der Hauptanmeldung wird im wesentlichen vorgeschlagen, den Grundkörper aus praktisch säuerstofffreiem Kupfer oder bezüglich seiner Wärmeleitfähigkeit gleichwertigem Material, wie Silber oder Molybdän, herzustellen und dann die Außenwand aufzugalvanisieren.

Wie bei allen Brennkraftmaschinen ist auch im Raketenbau das Druckverhältnis bzw. der in der Brennkammer vorherrschende Druck ein entscheidender Parameter zur Beeinflussung der Leistung bzw. Leistungsausbeute des Brennprozesses. Konstruktive Schwierigkeiten und vor allen Dingen die mechanische und, da Druck und thermische Belastung Hand in Hand gehen, insbesondere die thermischen Eigenschaften der Werkstoffe setzen der Höhe des Brennkammerdruckes eine werkstoffabhängige natürliche Grenze. Die Grenze der Belastbarkeit von Hochleistungsbrennkammern wird nach dem heutigen Stand der Erkenntnisse durch die noch mögliche Bewältigung des sogenannten Wärmestromes, nämlich der anfallenden und abzuführenden Wärmemenge pro Flächeneinheit und Zeiteinheit, bestimmt. Der Wärmestrom ist seinerseits abhängig vom Brennkammerdruck bzw. diesem angenähert proportional, d.h. je größer die Heißgasdichte ist, desto größer ist die Intensität des Wärmeübergangs vom Heißgas auf die Brennkammerwand. Um stationäre thermische- Verhältnisse in der Brennkammerwand zu garantieren, muß Gleichgewicht herrschen zwischen anfallenden und durch das Kühlmedium abgeführten Wärmemengen. Berechnungen und Versuche haben ergeben, daß bei aus z. B. durch Hartlöten miteinander verbundenen Stahlrohren bestehenden Brennkammern mit Außenbandagen, die bisher gebräuchlichste Bauweise, die thermische Grenzbelastung bei etwa 100 atü Brennkammerdruck liegt.

) Ferner ist aus Theorie und Praxis der Raketentechnik bekannt, daß den Nebenstromtriebwerken, die meist verwendete Triebwerksart, eine aus dem Nebenstromprlnzip resultierende Wirkungsgrad·

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charakteristik eigen ist, die bei etwa 100 atü Brennkammerdruck ein Maximum ,aufweist, um dann bei noch höheren Brennkammerdrücken wieder abzufallen. Die Gründe für diesen Nachteil des Nebenstromverfahrens liegen darin, daß die für den Nebenstrom aus der Hauptkammer abgezweigten Treibgase oder in Hilfsbrennkammern erzeugten Treibgase relativ niedriger Temperatur zur Beaufschlagung der Turbinen zum Antrieb für die Treibstoffpumpen bereits in den Turbinen auf einen Druck entspannt werden, der wesentlich unter dem der Hauptbrennkammer liegt.

Diese Turbinenabgase niedrigen Druckes und niedriger Temperatur können daher - wenn überhaupt - nur mit einem sehr schlechten Wirkungsgrad in Zusatzschubdüsen entspannt werden.

Bei steigenden bzw. extrem hohen Brennkammerdrücken wird mit der dadurch zwangsläufig steigenden Pumpen- bzw. Turbinenleistung dieser abzuzweigende Treibstoffanteil immer größer und dadurch der Gesamtwirkungsgrad des Triebwerkes entsprechend verschlechtert. ^

Eine teilweise Verminderung dieser Verluste wäre möglich durch die Verwendung vieler Turbinenstufen zum Antrieb der Treibstoffpumpen] dieser relative Vorteil müßte jedoch mit einem · ungewöhnlich hohen konstruktiven Aufwand erkauft werden, der für sich wiederum einen Nachteil darstellt.

Es ist Aufgabe und Zielsetzung der Erfindung, Mittel und Wege vorzuschlagen, die dem Raketenbau die Möglichkeit eröffnen, Triebwerke bei höchsten Brennkammerdrücken zu betreiben und zwar einerseits mit hohen Wirkungsgraden und andererseits bei zuverlässiger Beherrschung des In der Brennkammerwand anfallenden Wärmestromes.

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Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch die Verwendung der Brennkammer nach den Merkmalen der Hauptanmeldung als Hauptbrennkammer bei einem an sich bekannten Hauptstromraketentriebwerk, das dadurch charakterisiert ist, daß hinter einer Vorbrennkammer, in der brennstoffreiche oder oxydatorreiche Gase erzeugt werden, eine Turbine zum Antrieb der Hilfsaggregate, wie Treibstoffpumpen, elektrische Maschinen, Regler, angeordnet ist, die von diesen Gasen beaufschlagt wird. Nach der Turbine folgt die Hauptbrennkammer, in welche die Abgase der Turbine einströmen und in die außerdem die restliche Oxydatorteilmenge oder Brennstoffteilmenge eingebracht wird, die jeweils den Hauptteil dieser Treibstoffkomponente bildet, so daß dann in der Hauptbrennkammer eine impulsoptimale Endverbrennung stattfindet. Das Hauptstromverfahren (Vorbrennkammer mit nachfolgender Turbine und dazu in Serie geschalteter Hauptbrennkammer) zeichnet sich in vorteilhafter Weise dadurch aus, daß auch im Bereich extrem hoher Brennkammerdrücke bei steigenden Brennkammerdrücken der spezifische Impuls, im Gegensatz zum Nebenstromverfahren, weiterhin noch ansteigt.

Die Erfindung liegt gleichsam in der Kombination eines Hauptstromraketentriebwerkes und der gemäß der Hauptanmeldung gekennzeichneten Brennkammer, und zwar als Hauptbrennkammer in einem solchen Triebwerk. Beide Maßnahmen fördern und ergänzen sich gegenseitig, insofern, als einerseits das Hauptstromtriebwerk thermodynamisch die Möglichkeit eröffnet, extrem hohe Brennkammerdrücke auch über etwa 100 atü mit steigendem Wirkungsgrad bzw. spezifischem Impuls zu fahren und andererseits die Brennkammerbauweise nach der Hauptanmeldung in der Lage ist, den bei extrem hohen Drücken auftretenden hohen Wärmestrom zu bewältigen. Erst beide Maßnahmen lassen eine wirkungsgradmäßig sinnvolle Realisation eines Raketentriebwerkes hcihster spezifischer Leistung zu.

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In Ausgestaltung der Erfindung wird weiter vorgeschlagen, · den Grundkörper der Brennkammer aus einer Kupferlegierung mit einer gegenüber dem Kupfer wesentlich höheren Festigkeit zu fertigen. Um dies zu erreichen, kann das Kupfer mit einem geringeren Zusatz von Chrom, etwa 0,5 %, legiert sein.

Durch folgendes Fertigungsverfahren bzw. folgende -schritte kann die Brennkammer erfindungsgemäß hergestellt werden:

a) Herstellung eines aus sauerstofffreiem Kupfer bestehenden Grundkörperrohlings durch Schmieden, wodurch dessen Gefüge verdichtet und damit verfestigt wird,

b) spanabhebende Bearbeitung der Innen- und Außenfläche des Grundkörperrohlings und Herausarbeiten der Kühlkanäle, letztere insbesondere durch Fräsen,

c) Ausfüllen der Kühlkanäle mit elektrisch leitendem, leicht schmelzbarem Werkstoff,

d) Aufgalvanisieren der Außenwand und

e) Ausschmelzen des unter Punkt c) genannten Werkstoffs aus den Kühlkanälen.

Unter Bezugnahme auf die in der Hauptanmeldung genannten Vorteile der dortigen Brennkammerbauweise sei noch zum Thema Wärmestrom bzw. spezifische Wärmeleitfähigkeit weiterhin angeführt, daß der Grundkörper nicht nur durch seinen Werkstoff Kupfer und duroh seine massive Bauweise mit seiner günstigen Bearbeitungs- und Gestaltungsmöglichkeit für die Praxis die Möglichkeit der Beherrschung maximaler Wärmeströme mit sioh bringt, sondern daß darüber hinaus duroh die Aufgalvanisierung

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der Brennkammeraußenwand auf diesen Grundkörper eine strukturell angenähert homogene Brennkammergesamtwand, bestehend aus Brennkammerinnen- und Brennkammeraußenwand mit eingeschlossenen Kühlkanälen, entsteht. Eine solche Brennkammerwand ergibt einerseits einen maximalen unmittelbaren Wärmeübergang zwischen der Innenwand und dem in den Kühlkanälen strömenden Kühlmittel und bringt andererseits einen durch den praktisch nahtlosen galvanischen Übergang an den gegenseitigen Berührungsflächen zwischen den Oberflächen der Kühlkanalstege und der Innenseite der Brennkammeraußenwand praktisch staufreien Wärmeübergang zwischen Brennkammerinnenwand und Brennkammeraußenwand zur Erzielung auch einer günstigen mittelbaren Wärmekonvektion von der Brennkammeraußenwand auf den Kühlmittelstrom zur Erhöhung der Ge samt konvektion mit sich.

Patentansprüche;

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Claims (3)

Patentansprüche

1. !Brennkammer mit Schubdüse von Flüssigkeitsraketentriebwerken, bestehend aus einem Brennkammer-Schubdüsengrundkörper mit durchlaufenden Kühlkanälen, die durch eine Außenwand abgedeckt sind und von mindestens einer Treibstoffkomponente durchströmt werden, wobei der Grundkörper aus praktisch sauerstofffreiem Kupfer oder bezüglich seiner Wärmeleitfähigkeit gleichwertigem Material, wie Silber oder Molybdän, hergestellt und die Außenwand aufgalvanisiert ist, nach Patent . ... (Patentanmeldung P I7 5I 69I.5), gekennzeich net durch die Verwendung der Brennkammer als Hauptbrennkammer bei einem an sich bekannten Hauptstromrake-. tentriebwerk.

2. Brennkammer mit Schubdüse nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß der Grundkörper aus einer Kupferlegierung mit einer dem Kupfer angenäherten Wärmeleitfähigkeit, jedoch einer gegenüber dem Kupfer wesentlich größeren Festigkeit besteht.

3. Brennkammer mit Schubdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupfer mit einem geringen Zusatz von Chrom, etwa 0,5 %» legiert ist.

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Verfahren zum Herstellen der Brennkammer mit Schubdüse nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch folgende, für sich bekannte Fertigungsschritte zur Herstellung dieser Baueinheit:

a) Herstellung eines GrundkÖrperrotilings durch Schmieden,

b) spanabhebende Bearbeitung der Innen- und Außenfläche des Grundkörperrohlings und Herausarbeiten der KUhI-kanäle, letztere insbesondere durch Fräsen,

c) Ausfüllen der Kühlkanäle mit elektrischjLeitendem, leicht schmelzbarem Werkstoff,

d) Aufgalvanisieren der Außenwand und

e) Ausschmelzen des unter Punkt c) genannten Werkstoffs aus den Kühlkanälen.

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