DE2022517A1

DE2022517A1 - Raketentriebwerksduese mit Grenzschichtabsaugung

Info

Publication number: DE2022517A1
Application number: DE19702022517
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl-Ing Kaufmann
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1970-05-08
Filing date: 1970-05-08
Publication date: 1971-11-25
Also published as: FR2088412A7; US3712546A; FR2088412B3; GB1345257A

Description

Messerschmitt-BÖlkow-Blohm Ottobrunn, 28„ April 1970

Gesellschaft mit ZVP3 -Jk/sch

beschränkter Haftung 7049
München

Raketentriebwerksdüse mit Grenzschichtabsaugung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schubdüse für Raketentriebwerke, insbesondere Vakuum-Schubdüse.

Bekanntlich ist der innere Wirkungsgrad eines Raketentriebwerks definiert als das Quadrat des Quotienten aus der effektiven Austrittsgeschwindigkeit des Treibgases und der

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theoretischen Austrittsgeschwindigkeit des Treibgaces bei richtig erweiterter Schubdüse, welche sich dadurch auszeichnet, daß sie auf ihrer gesamten Länge die Treibgasströmung beschleunigt und dabei ihr Austrittsdruck gerade den Umgebungsdruck erreicht. Eine Verbesserung dieses Wirkungsgrades, welcher von der Ausführungsform und den Betriebsbedingungen der Brennkammer und Schubdüse maßgeblich abhängt, läßt sich einmal -durch eine Anhebung des Betriebsdrucks in der Brennkammer und zum anderen durch eine entsprechende Anpassung des Erweiterungsverhältnisses (Düsenendfläche zu Düsenhaisfläche) und somit auch der Länge der bisher aus praktischen Gründen meist beträchtlich verkürzten Schubdüsen an das jeweils zur Verfügung stehende Druckgefälle erreichen.

Eine Verwirklichung der letztgenannten Maßnahme bringt zwar einen Leistungsgewinn bezüglich des spezifischen Impulses, dieser Leistungsgewinn, der vor allem bei einem für den Betrieb im Vakuum bestimmten und mit einer entsprechend langen Düse sehr großen Erweiterungsverhältnisses versehenen Hochdruck-Raketentriebwerk beachtlich iä, erfährt aber durch die mit der Düsenlänge ansteigenden Reibungsverluste in der Treibgasströmung eine merkliche Reduzierung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schubdüse der eingangs genannten Gattung zu entwickeln, welche sich den bekannten Schubdüsen gleichen Erweiterungsverhältnisses und gleicher Länge gegenüber durch wesentliche geringere Reibung switterstände auszeichnet und demzufolge bei vorgegebenem Reibungswiderstand auch mit einem wesentlich größeren Erweiterungsverhältnis ausgestattet werden kann, was vor allem In Verbindung mit für höchste Betriebsdrücke ausgelegte Brennkammern und für den Betrieb derselben im Vakuum technisch ifon größter Bedeutung ist.

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.Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Düsenkörper mindestens bereichsweise durchlässig ausgebildet ist und/oder von seiner Innenfläche zu seiner Außenfläche sich erstreckende Öffnungen mit im Vergleich zum örtlichen Schubdüsenquerschnitt sehr kleinem Strömungsgesamtquerschnitt aufweist.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen machen sich in Vergleichs-weise geringen Reibungswiderständen der Schubdüse positiv bemerkbar. Die durch die Wand des Düsenkörpers entweichenden Treibgasmengen, welche bezogen auf den Gesamtdurchsatz des ™ zugeordneten Raketentriebwerks sehr klein sind und^deshalb einen nur kleinen, wirtschaftlich vertretbaren Verlust darstellen, sorgen, nämlich für eine fortwährende Absaugung der für den Reibungsverlust der Treibgasströmung * verantwortlichen. Grenzschichten und verhindern auf diese einfache Weise die Neigung derselben, nach einer bestimmten Anlaufstrecke vom laminaren in den bezüglich der Reibung wesentlich ungünstigeren turbulenten Strömungszustand überzugehen. Es können demzufolge - wie bereits an anderer Stelle angedeutet - bei Schubdüsen nunmehr auch solche Erweiterungsverhältnisse verwirklicht werden wie sie für die Kombination mit■einer Hochdruckbrennkammer interessant erscheinen, bisher jedoch JM wegen der ihnen anhaftenden hohen Reibungswiderstände nicht in Frage kamen. Schließlich ist noch die mit einer Einarbei- ■' tung von Öffnungen in den Düsenkörper verbundene, vorteilhafte Gewichtsverminderung gegenüber einer keine Öffnungen der erwähnten Art aufweisenden Schubdüse gleicher Abmessung zu erwähnen.

In den meisten Fällen, insbesondere bei Vakuum-Düsen, wird es genügen, wenn lediglich der den konvergenten Schubdüsenabschnitt an Länge meist weit übertreffende und daher für die Höhe des Reibungswiderstandes der Schubdüse maßgebliche, divergente Schubdüsenabschnitt durchlässig ausgebildet

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und/oder mit Öffnungen der erwähnten Art versehen ist» Die Öffnungen können hierbei die Form von Schlitzen haben oder von Kanälen beliebig geformten Querschnitts gebildet werden, wobei im letztgenannten Fall jedoch aus Gründen einer wirtschaftlicheren Herstellung, beispielsweise durch Bohren, Fräsen oder Erodieren, und aus Gründen einer besseren Kalibrierung Kanälen kreisförmigen Querschnitts meist der Vorzug gegeben wirde Zur Vermeidung eines Auftretens von Schubkomponenten empfiehlt es sich die Schlitze, Kanäle oder dergleichen derart in den Düsenkörper einzuarbeiten, daß sie eine oder mehrere Reihen bilden und innerhalb jeder Reihe jeweils symmetrisch über den örtlichen Düsenumfang verteilt sind»

Wenn gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung für den Aufbau des gesamten Düsenkörpers oder einzelner Bereiche desselben von Natur aus poröses oder beispielsweise auf galvanoplastischem Wege absichtlich porös hergestelltes Material Verwendung findet, machen die in Form von Poren bereits vorhandenen Öffnungen die vorbeschriebene, mitunter sehr zeitaufwendige Einarbeitung von Öffnungen in den Düsenkörper überflüssige Auch hier lassen sich durch geeignete Verteilung des porösen Materials über den Düsenumfang unerwünschte Schubkomponenten vermeiden.

Bekanntlich erfolgt bei der Um- und Durchströmung von Körpern der Umschlag der laminaren Grenzschicht in die einen größeren Reibungsverlust in der Strömung verursachende turbulente Grenzschicht bei einer ganz bestimmten Schichtdicke, für deren Ausbildung eine gewisse Strecke, die sogenannte Anlaufstrecke, erforderlich ist. Aus diesem Grund genügt es bereits, zur Verringerung der Reibungsverluste lediglich vor einem möglichen Umschlagspunkt der laminaren Grenzschicht der Düsenströmung in die turbulente Medium aus der

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Grenzschicht abströmen zu lassen« Dies führt zu Düsenkörpern mit in axialer Richtung abwechselnd aufeinanderfolgenden undurchlässigen und durchlässigen Düsenwandzonen, wobei letztere - wie bereits erwähnt - eingearbeitete Öffnungen aufweisen oder selbst aus porösem Material bestehen können. Eine erfindungsgemäße Schubdüse letztgenannter Bauart zeichnet sich bei geringem Reibungswiderstand gleichzeitig durch minimale prozessuale Abstromverluste aus.

Weitere Einzelheiten der Erfindung können den in den Zeichnungen schematisch dargestellten und nachfolgend näher beschriebenen Ausführungsbeispielen entnommen werden.

Es zeigen: ·

Fig_o 1 den Längsschnitt eines Teiles einer strahlungsgekühlten Ausführungsform der erfindungsgemäßen S ehübüse,

Fig. 2 einen Querschnitt einer regenerativ gekühlten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schubdüse und

Fig» 3 einen Längsschnitt der Schubdüse gemäß Fig. 2, und zwar entlang der Schnittlinie III-III.

Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, wird die darin wiedergegebene und - wie bereits erwähnt - strahlungsgekühlte Vakuum-Schubdüse 1, die sich durch ein extrem hohes Erweiterungsverhältnis (Düsenendfläche zu Düsenhaisfläche) von beispielsweise 400 auszeichnet, von einem einwandigen Düsenkörper 2 gebildet. Dieser Düsenkörper 2 zeigt im konvergenten Abschnitt der Schubdüse 1 einen andersartigen Aufbau als im divergenten Schubdüsenabschnitt 4. Während der Düsenkörper 2 im · erstgenannten Düsenabschnitt 3 durchweg gasundurchlässig

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ausgebildet ist, setzt er sich im letztgenannten Düsenabschnitt 4 zusammen aus in axialer Richtung abwechselnd aufeinanderfolgenden gasundurchlässigen Wandzonen 5 und Wandzonen 6 aus porösem Material,., dessen Poren 7 eine Verbindung zwischen dem von der Schubdüse 1 gebildeten Strömungsraum und dem Außenraum herstellen=

Die mit 11 bezeichnete Schubdüse für Raketentriebwerke gemäß Fig. 2 und 3 zählt zu den regenerativ gekühlten Schubdüsenbauarten ο Ihr Düsenkörper 12 besteht aus einer massiven Innenwand 13, in die von der radial außenliegenden Mantelfläche her in Düsenlängsrichtung verlaufende, durch Stege 14 voneinander getrennte Kühlkanäle 15, beispielsweise durch Fräsen, eingearbeitet sind, und aus einer die Kühlkanäle 15 nach außen abdeckenden, bei spiel swei-se galvanoplastisch hergestellten Außenwand 16. Bei dieser Ausführungsform erstrecken sich über die gesamte Länge des Düsenkörpers 12 in gleichmäßigen axialen Abständen voneinander zur Düsenlängsachse konzentrische Reihen von gleichmäßig über den örtlichen Umfang des Düsenkörpers 12 verteilten Bohrungen 17a bis g, deren Gesamtquerschnitt im Vergleich zum örtlichen Düsenquerschnitt jeweils sehr klein ist. Diese Bohrungen 17a bis g verlaufen von der radial innenliegenden Mantelfläche der Innenwand 13 ausgehend durch die Stege 14 bis zur radial außenliegenden Mantelfläche der Aussenwand 16.

Patentansprüche:

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BAD ORIGINAL.

Claims

Messerschmitt-Bölkow-Blohm Ottobrunn, 28. April 1970
Gesellschaft mit ZVP
3 Jk/sch

beschränkter Haftung 7049
München .

P atentans prüch e

( 1.^Schubdüse für Raketentriebwerke, insbesondere Vakuum- ^-^ Schubdüse, dadurch ge k e η η ζ e ich η e-'.t , daß der Düsenkörper (2, 12) mindestens bereichsweise durchlässig ausgebildet ist und/oder von seiner Innenfläche / zu seiner Außenfläche sich erstreckende Öffnungen (7, - 17a bis g) mit im Vergleich zum örtlichen Schubdüsenquerschnitt sehr kleinem Strömungsgesamtquerschnitt aufweist «. ■...-. .

2= Schubdüse nach Anspruch 1, dadurch . g e k e η η ^J-s e i c h η e t , daß die Öffnungen (7) auf den divergenten Abschnitt (4) der Schubdüse (1) beschränkt sind.

3ο Schubdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Öffnungen '(17a. bis g) zu einer oder mehreren, in Umfangsrichtung des Düsenkörpers (12) .sich erstreckenden Reihen zusammengefaßt sind und die jeweils in einer Reihe zusammengefaßten Öffnungen (17a bis g) symmetrisch über den örtlichen Dusenumfang verteilt sind. ■
4« Schubdüse nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die Öffnungen im Düsenkörper (12). als Bohrungen (17a bis g) eingearbeitet sind.

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5. ο Schubdüse nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet ₃ daß als -Öffnungen Poren (7) eines für den Aufbau des Schubdüsenkörpers (2) bzw» von Bereichen desselben .verwendeten, porösen Materials dienen,
6. Schubdüse nach Anspruch 1 oder 5, dadurch g e 3c e η η zeich ne t , daß der gesamte .Schubdüsenkörper (2) bzw. lediglich dessen divergenter Abschnitt (4) aus.in axialer Richtung abwechselnd aufeinanderfolgenden durchlässigen Zonen (5.) und undurchlässigen Zonen (6) aufgebaut ist ο

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