DE2027168C3 - Aus einem luftatmenden Strahltneb werk und einem Flussigkeitsraketentneb werk bestehendes Kombinationstnebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein aus einem luftatmenden Strahltriebwerk und einem Flüssigkeitsraketentriebwerk bestehendes Kombinationstriebwerk, bestehend aus einer Brennkammer mit Flammhalter, an deren slromaiifwärtigem Ende ein Einsptritzkopf für ein Luft-Oxydator-Brennstoff-Gemisch angeordnet ist, wobei die Luft im atmosphärischen Flug, äer höherwertige Oxydator beim Betrieb außerhalb der Atmosphäre und ein Luft-Oxydator-Gemisch in geregelter Weise in Abhängigkeit vom atmosphärischen Flugzustand Verwendung finden, und ferner bestehend aus einer am anderen Ende der Brennkammer angeordneten Schubdüse.

Bei einem bekannten Kombinationstriebwerk der eingangs genannten Art (USA.-Patentschrift 3 308 626) besteht das Strahltriebwerk aus einem Turbinentriebwerk. Das Triebwerk weist einen Flammhalter aus ringförmig radial angeordneten Leitschaufeln auf, die eine strömungsgünstige Beaufschlagung eines Turbinenrades bewirken sollen. Dieses Turbinenrad ist gekuppelt mit einem Verdichter, der im atmosphärischen Flugbetrieb die angesaugte Luft komprimiert. Dieses kombinierte Turbinenluftstrahl-Raketentriebwerk ist naturgemäß relativ kompliziert aufgebaut. Als Nachteil wird auch angesehen, daß auch im außeratmosphärischen Flugbetrieb <iie Leil- und die Turbinenschaufeln von den heißen Gasen beaufschlagt werden.

ίο Es ist weiterhin eine Strahltriebwerksbrennkammer (deutsche Auslegeschrift 1 291 166) bekannt, von welcher nur ein Abschnitt fur die auftretenden iciaiiv hohen Verbrennungstemperaturen, wie sie z. B. bei Nachverbrennung anfallen, ausgelegt ist. In der

Brennkammer ist dann ein axial verschiebbarer, auch die Funktion eines Einspritzkopfes übernehmender Flammhalter angeordnet, der ermöglichen soll, daß bei hohen Fluggeschwindigkeiten der verhältnismäßig kurze axiale Raum, in dem die Verbrennung stattfindet, mit dem für hohe Temperaturen aufgelegten Brennkammerabschnitt zusammenfällt.

Es besteht die Aufgabe, bei einem Kombinationstriebwerk der eingangs umrissenen Art das luftatmende Strahltriebwerk als baulich einfaches, sich in das Gesamttriebwerk gut einfügendes und somit die genannten Flugbereiche funktionssicher ermöglichendes Staustrahltriebwerk auszubilden.

Diese Aufgabe wird eriindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Einsprit/kopf mit dem Flammhalter eine Baueinheit bildet und in der Brennkammer axial verschiebbar ist, derart, daß der Flammhalter in seiner stromdüfwärtigen, für den Raketenbetrieb maßgebenden Stellung einen Teil des hierbei geschlossenen Brennkammerbodens biiuei und in jcJci !-,einer »iroriiabwärtigen, für luftatmcnden Betrieb maßgebenden Stellungen den Einlaß für Staalaft aus der Atmosphäre in die Brennkammer begrenzt.

Aus Raketen- und Staustrahltriebwerken bestehende Kombinationen sind ebenfalls bekannt (USA.-Patent-

ir. schrift 2 912 820). Doch bezieht sich der Stand der Technik auf keine Ausführungsform mit der oben angegebenen Merkmalsverbindung zur Lösung der gestellten Aufgabe.

Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Demgemäß ist zentrisch im Flammhalter eine Einspritzdüse für Brennstoff angeordnet, wobei in einen die Einspritzdüse konzentrisch umgebenden Ringraum der Oxydator eingeleitet wird, in welchem Ringraum ein Drallkörperring angeordnet ist. Hierdurch kann sich im Bereich des Flammhalters und des Brennkammerbodens ein Drallschleier zur Kühlung des Flammhalters und des Brennkammerbodens ausbilden. Zudem wird in Ausgestaltung der Erfindung die Luft bei Staustrahlbetrieb über einen das Führungsteil des Flammhalters umgebenden äußeren Ringraum zugeführt, in welchem ebenfalls ein Drallkörperring angeordnet sein kann. Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden an Hand der Zeichnung erläutert; es zeigt F i g. 1 ein Kombinationstriebwerk im Längsschnitt, schematisiert dargestellt, und

F i g. 2 eine weitere Ausführungsform eines Kombina.tionstriebwerks im Längsschnitt.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Triebwerk ist mit 1 die Brennkammer, mit 2 die Schubdüse und mit 4 der Einspritzkopf für die Treibstoffkomponenten bezeichnet.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der

mittlere Abschnitt der Brennkammerwandung zylinderrohrförmig ausgebildet. An diesen Abschnitt schließt sich einerseits der Brennkammerboden 8 und andererseits ein die Schubdüse 2 !ragender Kammerwandabschnitt 9 an. Während der Kammerhoden 8 stromab divergierenden Ver'auf aufweist, ist der Kammer· _wandabschnitt 9 konvergierend ausgeführt. Der Kammerwanuabschnitt 9 geht stromab in die Wandung Iü der Schubdüse 2 über, während dem Brennkammerboden 8 der Einspritzkopf 4 zugeordnet ist. Der Breniikammerraum trägt hierbei die Bezugsziffar 5. Der S inspritzkopf 4 besitzt eine z.ylinderrohrförmige VVaiuiung !2, die einerseits an d;n Brennkammerboden 8 anschließt und andererseits eine Stirnwand 14 aufweist. Diese Stirnwand ist mit einer zentralen Öffnung \ersehen, in der sich unter Vermittlung einer Dithiane 15ein Führungsteil 22eines 1 lammhalters30 lagen. Das Führungsteil 22 trägt an seinem dem BrennkammerraumS zugewandten Fnde den Flammhaltvi 30. Der Flammhalter 30 weist bei dem beschi icbenen Ausführungsbeispiel Trichterform auf, wolvi die Außenfläche 30" einen gleichen divergierenden Verlauf wie die Innenfläche 8' des Kammerboo.iis 8 besitzt. Mittels des Kihrungsteiles 22 und der dazu konzentrischen Wandung 12 des Einspritzkopie* 4 ist ein durch die Stirnwand 14 nach ; ußen abt'e-Jilossener, in den Brennkammerraum 5 mündender äußerer Ringraum 23 gebildet, der einen DrallköüK-rring 24 z.B. mit Leitschaufeln enthält. Das Hühnmgsteil 22 ist ebenfalls rohrförmig ausgebildet und ;rägt zentral ein Finspritzrohr 34, das eine in den Brennkammerraum 5 mündende Hinspritzdüse 35 aufweist Zwischen dem Einspritzrohr 34 und dem rohrförmigen Führungsteil 22 ist ferner ein zum [^spritzrohr 34 konzentrischer, einerseits in den Brennkammerraum 5 mündender und andererseits durch eine Stirnwand 36 nach außen abgeschlossener Ringraum38 eebildet. In den Ringraum 38 ist ein Drallkörperring 40 z. B. mit Leitschaufeln eingesetzt, der gemeinsam mit der stirnwand 36 das Einspritzrohr 34 tragt. Über öffnungen in den Stirnwänden 14 bzw. 36 münden in die Ringräume 23 bzw. 39 Zuführungsleitungen bzw. 45, die zum Lufteinlauf des Triebwerks führen. Ebenso mündet in das Einspritzrohr 34 eine Zuführungsleitung 46, die zu einem Brennstoffbehälter führt. In die Zuführungsleitungen 45 und 46 sind hier nicht dargestellte Mengenregelventile eingesetzt. Ferner ist für die Betätigung des Flammhalters 30 eine Verstellei: .ichtung vorgesehen, die hier jedoch nicht ("argestellt ist. Die Mengenregelventile und die Verstelleinrichtung können dabei Teil einer in Abhängigkeit vom Einspritzdifferenzdruck arbeitenden Rcgelanlage sein.

Konzentrisch zur Schubdüsenwandung 10 und zum Kammerwandabschnitt 9 ist eine zweite Wandung zur Bildung einer Ringkammer 49 vorgesehen. In diese Kammer 49 münden im Bereich der Austrittsöffnung der Schubdüse 2 und im Bereich des größten Durchmessers des Kammerwandabschnittes 9 Leitungsteile 53 bzw. 54. Die Mündungsöffnungen sind mit den Positionen 50 bzw. 51 bezeichnet. Die Leitungsteile bzw. 54 schließen dabei an die Zuführungsleitung für den Brennstoff an und bilden in bekannter Weise in Verbindung r"it der Ringkammer 49 ein Regenerationskühlsystem für die Brennkammer- bzw. Düsenwandung.

Dem Brennkammerraum 5 wird über den äußeren Ringraum 23 Luft als Sauerstoffträger zugeführt, die der Atmsosphäre eninommei, Aird. Der innerhalb des Führungsteiles 22 des Flammhalters 30 angeordnete Rmgraum 38 dient demgegenüber zur Zuführung eines mitgeführten höherwertigen Oxydators, /.. B. reinen Sauerstoffes oder eines Sauerstofflrägers. Über das zenirale Einspritzrohr 34 und dessen Düv 35 wird dem 3rennkammerraum 5 der zur Verbrennung erforderliche Brennstoff zugeführt.

Wird beispielsweise das hier beschriebene KombiiQ nationstriehwerk für eine sich sowhl im inner- als Much iin außeratmosphärischen Bereich erstreckende Mission eingesetzt, so wird im inneratmosphärischen Bereich zumindest der für den Betrieb der Brennkammer in Verbindung mit dem eingespritzten '5 Brennstoff erforderliche [.roßte Anteil an Sauerstoff der Atmosphäre entnommen und über den äußeren Ringraurn23 dem Brennkammerraum 5 zugeleitet Durch den Flammhalter "0 wird dabei die für die ungestörte Ausbildung ein?¹" Flamme notwendige Ruhezope innerhalb des Brennkammerraumes 5 geschaffen. Infolge des Einflusses der Leitschaufeln auf die zugeführte Luft entsteht im Bereich der Brennkammerwandung ein Drallschleier, der zur Kühlung der Brennkammer 1 dient. Die sich nach Zündung ausbildende Flamme entnimmt dabei dem Luftschleier fortschreitend von innen nach außen den zur Verbrennung erforderlichen Sauerstoff. Der für die Verbrennung darüber hinaus noch benotigte restliche Anteil an Sauerstoff wird hierbei vom mitgeführten Sauersicffträger gedeckt, wobei dessen Zuführung in Abhängigkeit von der Einstellung des erwähnten MengenregeKentils in der Zuführungsleitung 45 über den Ringraum 38 zum Brennkammerraum 5 erfolgt. Beim Übergang \om inneratmosphärischen in den außeratmosphärischen Bereich erfolg! in zunehmendem Maße eine Erhöhung des Anteiles des höherwertigen mitgeführten Oxydators zum Brennkammerraum über den Ringraum 38. Dem zugeführten Oxydator wird hierbei mittels der Leitschaufeln ebenfalls eine Draiibeweguiig aufgezwungen, >o daß lieh entlang der Innenfläche des trichterförmigen Flammhalters und im Bereich des Kammerbodens 8 und der Brennkammerwandung 6 an der Innenwand 6' ein Kühlschleier auszubilden vermag.

Da infolge der intensiveren Reaktion beim Betneb der Brennkammer mit einem höherwertigen Oxydator in Verbindung mit dem eingespritzten Brennstoff wesentlich höhere Temperaturen auftreten, die emc Zerstörung des Flammhalters bewirken können, wird der Flammhalter in dieser Arbeitsphase der Brennkammer in Richtung auf den Brennkammerboden verstellt. In der strichpunktiert angedeuteten Stellung liegt der Flammhalter 30 am Brennkammerboden 8 an und bildet somit einen Teil desselben. In dieser Stellung kann somit die Kühlung des Flammhalters 30 und des Brennkammerbodens 8 durch den mittels des Oxydators gebildeten Drallschleier erfolgen. Bei Anlage des Flammhalters 30 am Kaminerboden 8 wird die Außenfläche des Flammhalters nicht von der sich ausbildenden Flamme erreicht. Ein Zurückschlagen der Flamme in den äußeren Ringraum 23 für den niederwcrtigen Oxydator wird damit ebenfalls unterbunden. Durch entsprechende Verstellung des verschiebbaren Flammhalters läßt sich die Zuführung von niederwertigem 65 Oxydator regulieren, wenn z. B., wie bereits beschrieben, die Brennkammer mit Anteilen des höher- und niederwertigen Oxydators betrieben werden soll. Das Verhältnis der Anteile läßt sich über die Mengen-

regelung in der Zuführung zum Ringraum 38 und Ringraum 23 einstellen.

Beim oben beschriebenen Regenerationskühlsystem wird der zum Betrieb der Brennkammer dienende Brennstoff über den Leitungsteil 53 und die Öffnung 50 der Ringkammer 49 zugeführt und über die Öffnung 51 sowie den Leitungsteil 54 und die Leitung 46 dem Hinspritzrohr 34 zugeleitet. Es werden auf diese Weise einerseits der Kammerwandabschnitt 9 der Brennkammer und die Wandung 10 der Schubdüse 2 gekühlt und andererseits der Brennstoff vor Einführung in den Brennkammerraum 5 vorgewärmt bzw. verdampft.

Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Brennkammer 1 aus zwei gegeneinander, in Richtung der Triebwerkslängsachse verschiebbaren Teilen. Der Brennkammerboden 8 stellt hierbei das eine, am Einspritzkopf 4 feste Teil dar, während das zweite Teil durch den Brennkammerabschnitt 6 bzw. 9 gebildet ist. Der Brennkammerboden 8 trägt dabei an seiner Dichtfläche 60 eine Dichtung 61, die mit der Brennkammerinnenwand 6' zusammenwirkt. Die Dichtung 61 ist in bekannter, hier nicht dargestellter Weise mit einer Druckentlastung versehen, um die Druckdifferenz zwischen dem Brennkammerraum 5 und der Umgebung der Brennkammer auszugleichen. Dadurch werden die Verstellkräfte zur Veränderung des Brennkammervolumens gering gehalten. Die Innenfläche 8' des Kammerbodens 8 ist in gleicher Weise, wie bei der Ausführung gemäß F i g. 1, ausgebildet und weist den gleichen divergierenden Verlauf wie die Außenfläche 30" des

ίο Flammhalters 30 auf.

Durch die Veränderung der Brennkammerlänge kann der Brennkammerraum 5 sowohl den Erfordernissen beim Betrieb mit einem niederwcrtigen als auch beim Betrieb mit einem höherwertigen Oxydator angepaßt werden, um zu einer bei beiden Betriebsarten optimalen Verbrennung und Brennkammerbelastung zu gelangen.

Gemäß F i g. 2 umfaßt die Schubdüse 2 ein zur Wandung 10 konzentrisches, divergierendes Rohr-

ao teil 65, das in Richtung der Brennkammerlängsachse unter Bildung eines Ringspaltes 66 für Ejektorluft verschiebbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Aus einem luftatmenden Strahltriebwerk und einem Flüssigkeitsraketentriebwerk bestehendes Kombinationstriebwerk, bestehend aus einer Brennkammer mit Flammhalter, an deren siromaufwärtigem F.nde ein Einspril/.kopf für ein Luft-Oxydator-Brennstoff-Gemisch angeordnet ist, wobei die Luft im atmosphärischen Flug, dci höherwer!ige Oxydator beim Betrieb ausserhalb dei Atmosphäre und ein Luft-Oxydator-Gemisch in geregelter Weise in Abhängigkeit vom atmosphärischen Flugzustand Verwendung linden, und ferner bestehend aus einer am anderen F.nde der Brennkammer angeordneten Schubdüse, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzkopf (A) mit dem Flammhalter (30) eine Baueinheit bildet und in der Brennkammer (5, 6) axial verschiebbar ist, derart, daß der Flammhalter (30) in seiner stromaufwärtigen, für den Raketenantrieb maßgebenden Stellung einen Teil des hierbei geschlossenen Brennkammerbodens (8) bildet und in jeder seiner stromabwärtigen, für luftatmenden Betrieb maßgebenden Stellungen den Einlaß für Stauluft aus der Atmosphäre in die Brennkammer (5, 6) begrenzt.

2. Kon:')inationstriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, c*>ß zentrisch im Flammhalter (30) eine Einspritzdüse (35) für Brennstoff angeordnet ist und der O ydator in einen die Einspritzdüse (35) konzentrisch umgebenden Ringraum (38) eingeleitet wird.

3. Kombinationstriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Ringraum (38) ein Drallkörperring (40) angeordnet ist.

4. Kombinationstriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem das Führungsteil (22) des Flammhalters (30) umgebenden äußeren Ringraum (23) die Luft zuführbar ist.

5. Kombinationstriebwerk nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß im äußeren Ringraum (23) ein Drallkörperring (24) angeordnet ist.