DE2416766A1 - Hauptstromraketentriebwerk - Google Patents

Description

Messerschmitt-Bölkow-Slohra Gesellschaft mit beschränkter Haftung München

Ottobrunn, 18. März 1974 BS63 Hn/Hi/ral

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Hauptstroraraketentriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf ein Hauptstromraketentriebwerk, im wesentlichen bestehend aus einer Vorbrennkammer zur Erzeugung von brennstoffreichen oder sauerstoffreichen Treibgasen in der Weise, daß entweder der gesamte Brennstoff oder der gesamte Sauerstoff und nur eine Teilmenge des Sauerstoffs oder Brennstoffs in die Vorbrennkaramer eingebracht wird, aus zwei mechanisch voneinander getrennten

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Turbinen, die von den VorbrennJcammer-Treibgasen über einen Strömungskanal hintereinander beaufschlagt werden und über jeweils eine eigene Welle Treibstofforderpumpen antreiben und aus einer Hauptbrennkammer zur Erzeugung von im stöchiometrischen Verhältnis verbrannten Treibgasen für eine nachfolgende Schubdüse, wobei die Hauptbrennkammer die Turbinenabgase aufnimmt, in welche die zweite Teilmenge des Treibstoffes eingefördert wird₉ der in der Vorbrennkammer mit Unterschuß verbrannt wird·

Wie bei allen Brennkraftmaschinen ist auch im Raketenbau das D ruck verhältnis tssw« der in der Brennkammer vorherrschende Druck einer der entscheidenden Parameter für die Brennkanunerleistung bsw« dia Leistungsausbeute des Brennprozesses· Das Hauptstromverfahren zeichnet sich in vorteilhafter Weise dadurch aus, daß auch im Bereich extrem hoher Brennkamraerdrücke bei weiter ansteigenden Brennkammerdrücken der spezifische Impuls_e its Gegensatz zum Nebenstromverfahren, noch weiter ansteigt» Aus Theorie und Praxis der Raketentechnik ist bekannt, daß den Nebenstromtriebwerken, die heute noch meistverwendet® Triebwerfcssrt_e eine aus dem Nebenstrosuprinzip resultierende Wirkungsgradcharakteristilc eigen ist₅ die bei etwa 100 atü Brenakammerdruck ein Maximum aufweist, um dann aber bei noch höheren Brennkammerdrücken wieder abzufallen« Die Gründe für diesen Nachteil des Nebenstromverfahrens liegen darin, daß die für den Neben— strom aus der Raketenbrennkammer 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 Turbinengase niedrigen Druckes und niedriger Temperatur können daher - wenn überhaupt nur mit einem sehr schlechten Wirkungsgrad in Zusatzschub— düsen entspannt werden· Bei steigenden bzw· extrem hohen Brennkammerdrücken wird mit der dadurch zwangsläufig

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steigenden Pumpen- bzw. Turbinenleistung dieser abzuzweigende Treibstoffanteil immer größer und dadurch der Gesamtwirkungsgrad des Triebwerks entsprechend verschlechtert.

Da ein Hauptstromraketentriebwerk durch die Serienschaltung von Vorbrennkammer, Turbinen für den Antrieb der Treibstoff- förderpumpen und Hauptbrennkammer mit nachgeschalteter Schubdüse diesen Nachteil nicht aufweist, vielmehr noch Wirkungsgradsteigerungen bis zu höchsten Brennkammerdrücken mit sich bringt, findet das Hauptstromprinsip bei Raketentriebwerken, von denen höchste spezifische Leistungen gefordert werden, immer mehr Anwendung.

Hauptstromraketentriebwerke sind in verschiedenen Konzeptionen bereits bekannt. So zeigt die deutsche Patentschrift 977 815 ein mit flüssigem Sauerstoff und flüssigem Wasserstoff betriebenes Hauptstromraketentriebwerk mit zwei Vor— brennkammern in Zweiwellenausführung, wobei in der einen Vorbrennkamraer sauerstoffreiche Treibgase und in der anderen Vorbrennkammer brennstoffreiche Treibgase erzeugt werden, die jeweils nur eine Turbine, die strömungsmäßig parallel zueinander laufen, beaufschlagen, wovon die eine Turbine über eine zentrale Welle die den flüssigen Sauerstoff fördernde Pumpe, während die andere Turbine über eine zur vorgenannten zentralen Welle koaxiale Hohlwelle die den flüssigen Wasserstoff fördernde Pumpe antreibt. Beide zueinander parallele Turbinenabgasströme gelangen dann in die in Achsrichtung hinten liegende Hauptbrennkammer, wo sie stöchiometrisch miteinander verbrennen und über die nachfolgende Schubdüse unter Impulserzeugung ausströmen»

Weiter offenbart die deutsche Patentschrift 1 626 055 ein HauptStromraketentriebwerk mit nur einer Vorbrennkammer zur Erzeugung von wasserstoffreichen Treibgasen, die mindestens zwei strömungsmäßig in Serie geschaltete und auch axial

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hintereinander angeordnete Turbinen antreiben· Diese sind mechanisch voneinander getrennt und treiben über jeweils eine zentrale Welle und jeweils eine zu dieser koaxialen Hohlwelle die Treibstofförderpurapen an. Der gemeinsame Turbinenabgasstrom gelangt dann nach der letzten Turbine in die Hauptbrennkammer, in welche die zweite Teilmenge des Sauerstoffs eingebracht wird, um dort eine stöchiometrische Verbrennung zu vollziehen.

Bei beiden vorgenannten bekannten Konzeptionen von Haupt— Stromraketentriebwerken ist nur eine Konstruktionshauptachse gegeben, in der in axialer Gruppierung die Treibstoff örderpumpen, die beiden Vorbrennkammern bzw. die eine Vorbrennkaramer, die Turbinen und die Hauptbrennkammer mit Schubdüse liegen.

Bekanntlich müssen Gasturbinen und auch die Treibstofförderpumpen sowohl solche von luftatmenden Triebwerken als auch von mit chemischen Treibstoffen versorgten Raketentriebwerken der Hauptstrombauart, um vernünftige und spezifisch günstige Betriebskennzahlen zu erhalten, mit hohen Drehzahlen laufen. Mit diesen hohen Drehzahlen rotieren folglich auch die Pumpenantriebswellen. Nun weiß man aus der mechanischen Schwingungslehre, daß Wellen mit hoher Drehzahl dann vornehmlich zu Eigenschwingungen neigen, wenn sie lang und insbesondere im Verhältnis zu ihrer Länge einen geringen Durchmesser aufweisen, wobei beim Hochfahren der Triebwerke die gefährlichen Resonanzbereiche durchlaufen werden müssen. Um die Resonanzdrehzahlen von vornherein über die Betriebsdrehzahlen zu legen oder das Durchfahren solcher Resonanzbereiche zu entschärfen, sofern diese noch innerhalb der Betriebsdrehzahlen liegen, werden im Gasturbinentriebwerk sbau bei Zwei- und Mehrwellenausführung mit mechanisch voneinander getrennten Hoch- und Niederdruckverdichtern die Verdichterantriebswellen mit großen Durchmessern ausgeführt. Dieser Bauweise kommt die Gestaltung der mehrstufigen Axialverdichter entgegen, deren Trommel-

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innendurchmesser von Stufe zu Stufe zunimmt. Damit können auch die Verdichterantriebswellen schwingungsunetnpfindlich gestaltet werden. Diese schwingungsfeindliche Konstruktionstendenz kann bei den weiter vorne beschriebenen Hauptstromraketentriebwerken mit einem koaxialen Wellenantrieb für die Treibstofförderpumpen durch die Vorbrennkammer hindurch nicht oder nur in geringem Maße praktiziert werden, da die Anschlüsse zwischen den Wellen und Pumpenläufern baulich über eine große Konstruktionslänge nicht mit großem Durchmesser ausgeführt werden können. Aus diesem Grunde sind die in Rede stehenden Konzeptionen von Hauptstromraketentriebwerken in koaxialer Zweiwellenausführung entweder schwingungsempfindlich oder aber müßten wellenmäßig konstruktiv aufwendig sein, wobei wiederum die theoretisch einerseits schlanke Bauweise durch die in der Praxis erforderlichen großen Wellendurchmesser verloren ginge· Außerdem muß hierbei die Vorbrennkamraer als Ringbrennkammer ausgeführt sein, da der zentrale Brennkammerraum nicht ausgenutzt werden kann, was wiederum zu einem größeren Vorbrennkammerdurchmesser führt·

Ferner ist in der amerikanischen Fachzeitschrift "Flight International, 26. August 1971, auf den Seiten 329 bis 332 das sogenannte "Space Shuttle Main Engine¹* der Firma Rocketdyne beschrieben. Hierbei sind zwei auf zwei nebeneinanderliegenden Konstruktionshauptachsen angeordnete Vorbrennkammern zur Erzeugung von wasserstoffreichen Treibgasen vorgesehen. Axial hinter jeder Vorbrennkammer läuft eine von deren Treibgasen beaufschlagte Turbine zum Antrieb einer Treibstofförderpumpe jeweils für flüssigen Wasserstoff oder flüssigen Sauerstoff· Von jeder Vorbrennkammerturbine führt je ein Abgaskanal bzw· Überströmkanal zur Hauptbrennkammer, in welche die zweite Teilmenge des Sauerstoffs eingebracht wird. Es sind also zwei Turbinenabgaskanäle vorgesehen, die zur Hauptbrennkamraer führen, die mit der Schubdüse in einer dritten Konstruktionshauptachse liegt·

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Es ist Aufgabe der Erfindung, für ein Hauptstromraketentriebwerk in Zweiwellenausführung mit nur einer Vorbrenn— kammer und zwei bezüglich der Vorbrennkam^.ertreibgase .strömungsmäßig in Serie laufenden Turbinen zum Antrieb der Treibstofförderpumpen, eine gegenüber den bekannten Konzeptionen konstruktiv einfachere sowie übersichtliche, bauvolumenmäßig gedrängtere, dabei strömungstechnisch weniger aufwendige und im Hinblick auf die Schwingungs— Probleme-der rotierenden Bauteile unempfindliche Ausführung zu schaffen, d.h. eine Konzeption vorzuschlagen, welche die Vorteile der bekannten Ausführungen von Hauptstrom— raketentriebwerken in sich vereinigt, dabei aber deren rotationsmechanische Schwierigkeiten vermeidet und mit geringerem Bauaufwand die gestellten Forderungen erfüllt·

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die wesentlichen Aggregate eines Hauptstromraketentriebwerks, die Vorbrennkammer, die beiden Turbinen, die beiden Treibstofförderpumpen mit ihren Antriebswellen und die Hauptbrennkaramer mit Schubdüse auf zwei im Abstand nebeneinander verlaufenden Konstruktionshauptachsen in folgender koaxialer Gruppierung von einer hinter dem Triebwerk gedachten Bezugsebena aus betrachtet hintereinander angeordnet sind: die Vorbrennkammer, die Hochdruckturbine und eine Treibstofförderpumpe liegen in der ersten Konstruktionshauptachse und die Hauptbrennkammer mit Schubdüse, die Niederdruckturbine und die andere Treibstofförderpumpe liegen in der zweiten Konstruktionshauptachse.

Bei einem solchen Konzeptionsaufbau wird ein günstiger Verlauf des Überströraweges von der Hochdruckturbine zur Niederdruckturbine dann erreicht, wenn in Weiterverfolgung der Erfindung von der gedachten Bezugsebene aus betrachtet die Hochdruckturbine und die Niederdruckturbine in der gleichen Höhe oder in etwa gleicher Höhe sich befinden.

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Diese Anordnung der beiden Turbinen erlaubt nämlich den kürzest möglichen Strömungsweg zwischen der Hochdruckturbine und der Niederdruckturbine dann, wenn erfindungsgemäß der Turbinenauslaufraum der Hochdruckturbine und der Turbineneinlaufraum der Niederdruckturbine durch einen senkrecht zu den beiden Konstruktionshauptachsen verlaufenden geradlinigen Überströmkanal für die Treibgase verbunden sind.

Baulich einfach und übersichtlich wird die Triebwerkskonzeption dann, wenn die beiden Konstruktionshauptachsen erfindungsgemäß in einer Konstruktionsebene liegen und parallel zueinander verlaufen.

Bei einer erfindungsgemäßen Zuordnung der den flüssigen Wasserstoff fördernden Pumpe zur Hochdruckturbine ergibt sich der Vorteil eines relativ größeren Druckabbaues schon in der letztgenannten Turbine, da die Masse des benötigten Wasserstoffs größer ist und dieser auf einen höheren Druck gebracht wird als der Sauerstoff. Dies bringt auch den Vorteil mit sich, daß der Wasserstoff als Spernnedium für die Wellenlager der Sauerstoffpumpe gegenüber dem Treibstoff "Sauerstoff" einerseits und den wasserstoffreichen Turbinentrelbgasen verwendet werden kann. Dabei wird verhindert, daß von der Sauerstoffpumpe Lecksauerstoffmengen in den mit wasserstoffreichen Gasen angefüllten Turbineneinlaufraum der NiederdruGkturbine gelangen, was zu gefährlichen Temperaturerhöhungen dieser Treibgase und zu einer Zerstörung der Niederdruckturbine führen würde·

In Ausgestaltung der Erfindung zur Erlangung herstellungstechnischer Vorteile sind der Turbinenauslauf der Hochdruckturbine, der Turbineneinlauf der Niederdruckturbine rotationssymmetrisch gestaltet und liegen koaxial zu den jeweiligen Konstruktionshauptachsen. Dabei wird der

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zwischen dem genannten Turbinenauslauf und dem Turbineneinlauf befindliche Überströmkanal von einem zylindrischen Rohr gebildet, dessen Längsachse sich mit den beiden Kon— struktionshauptachsen schneidet.

Die erfindungsgemäße Gruppierung der Hauptaggregate eines solchen Raketentriebwerks ist gegenüber den bekannten Ausführungen mit koaxialer Anordnung und Durchführung längerer Antriebswellen durch die Vorbrennkammer für die beiden Trelbstofförderpumpen mechanisch funktionssicherer und bringt außerdem gegenüber der anderen bekannten Ausführung mit zwei Vorbrennkammern eine Reduzierung an konstruktivem Aufwand mit sich. Hinzu kommt durch die erfindungsgemäßen Konstellationen der Hauptaggregate eine insgesamt kürzere Treibgasführung· Diese beiden Momente, nur eine Vorbrenn— kammer und kürzere Treibgasführungen bei zwei in einem Abstand nebeneinander angeordneten Wellen läßt eine Gesamtwirkungsgradverbesserung und ein günstigeres Leistungsgewicht erwarten·

Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung in einem teilweisen Längsschnitt durch das Hauptstromraketentriebwerk·

Das erfindungsgemäße Hauptstromraketentriebwerk weist zwei Konstruktionshauptachsen A und B auf. In der Konstruktions— hauptachse A sind von einer Bezugsebene E aus gesehen eine Vorbrennkamraer 1, eine Hochdruckturbine 2 und eine Treibstoff örderpumpe 3, im vorliegenden Fall für flüssigen Wasserstoff, koaxial hintereinander angeordnet· Die Pumpe wird durch eine verhältnismäßig kurze Welle 4 von der Hochdruckturbine 2 angetrieben· Der Pumpeneinlauf 5 liegt vorne und erfolgt axial·

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Auf der zweiten Konstruktionshauptachse B liegen von der Bezugsebene E aus betrachtet eine Hauptbrennkammer 6 mit Schubdüse 7_t eine Niederdruckturbine 8 und eine zweite Treibstofförderpumpe 9, im vorliegenden Fall für flüssigen Sauerstoff, koaxial hintereinander. Der Einlauf 10 dieser Pumpe 9 ist ebenfalls axial und liegt vorne·

Nach der Hochdruckturbiße 2 befindet sich ein rotationssymmetrischer Turbinenauslauf 11 koaxial zur Konstruktions— hauptachse A und vor der Niederdruckturbine 8 ist ein rotations symmetrischer Turbineneinlauf 12 koaxial zur Konstruktionshauptachse B angeordnet* Zwischen dem Turbinenauslauf 11 und dem Turbineneinlauf 12 verläuft ein zylindrischer gerader Überströmkanal 13 für die Treibgase, dessen Längsachse d sich mit den Konstriiktionshauptachsen A u. B schneidet und zu diesen senkrecht verläuft·

Die Hochdruckturbine 2 und die Niederdruckturbine 8 liegen, von der Bezugsebene E aus betrachtet, etwa auf der gleichen Höhe h*

Der von der Pumpe 3 geförderte flüssige Wasserstoff strömt über eine Leitung 14, die zur Kühlung d&s Schubdüse 7 und der Hauptbrennkammer 6 durch deren Wand führt, in die Vor— brennkammer 1» Auch eine Teilmenge des flüssigen Sauerstoffs wird von der Pumpe 9 über eine Zweigleitung 15a in die Vorbrennkammer 1 eingebracht, in der auf diese Weise ein wasserstoffreiches Treibgas für die beiden Turbinen 2 u. 8 erzeugt wird. Nach der Niederdruckturbine 8 strömen die Turbinenabgase in die Hauptbrennkammer 6, deren Einspritz— kopf 6a über eine weitere Zweigleitung 15b die zweite Teilmenge des Sauerstoffs zugeführt wird. In der Hauptbrenn— kammer 6 findet dann eine stöchiometrische Verbrennung mit sehr hohen Temperaturen statt·

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Patentanspruches

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Claims (7)

1. Patentansprüche

   Hauphstromraketentriebwerk, im wesentlichen bestehend aus einer Vorbrennkammer zur Erzeugung von brennstoffreichen oder sauerstoffreichen Treibgasen in der Weise, daß entweder der gesamte Brennstoff oder der gesamte Sauerstoff und rsur eins Teilmenge des Sauerstoffs oder Brennstoffs irs dta -Vorforennkammer eingebracht v?ird_s axis swei mechanisch voneinander getrennten Turbinen, die von den Vorbrennkaramer-Treibgasen über einen SferSisungskanal hintereinander feeaufschlagt werden und über jeweils eine eigene Welle Treibstoffe?rderpussipen antreiben und aus einer Hauptbrennkammer zur Erzeugung von im stöchioisetrischen Verhältnis ver« brannten Treibgasen füz sine nachfolgende Schubdüse_s wöbe! die HsuptbrennteaüPJf&eif die Sisrbiaenabgase aufnimmt, iß welche die zweite Teilaaenge des Treibstoffes eingefordert wis"d_s der in der Yorbrennkammer mit Unterschuß verbrannt wird, dadurch geke- anzeichnet , daß die vorgenannte» Triebwerksaggregate auf zwei im Abstand nebeneinander verlaufenden Konstruktionshauptachsen (A u. B) In folgender koaxialer Gruppierung von einer hinter dem Triebwerk gedachten Besugsebene (E) aus betrachtet hintereinander angeordnet sind? die Vorbrennkamraer (l)_s die Hochdruckturbine (2) und eine Treibstofförderpumpe (3) liegen in der ersten Konstruktionshauptachse (A) und die Hauptbrennkammer (6) mit Schubdüse (7), die Niederdruckturbine (8) und die andere Treibstofförderpumpe (9) liegen in der zweiten Konstruktionshauptachse (B).

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2. 2. Hauptstromraketentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ₅ daß von der gedachten Bezugsebene (E) aus betrachtet die Hochdruckturbine (2) und die Niederdruckturbine (8) in der gleichen Höhe oder in etwa gleicher Höhe (h) sich befinden·
3. 3. Hauptstromraketentriebwerk nach Anspruch 1 u. 2» dadurch gekennzeichnet , daß der Turbinenauslauf (11) für die Abgase der Hochdruckturbine (2) und der Turbineneinlauf (12) für die Treibgase der Niederdruckturbine (8) durch einen senkrecht zu den beiden Konstruktionshauptachsen (A u. B) verlaufenden geradlinigen Überströmkanal (13) für die Treibgase verbunden sind·
4. 4· Hauptstromraketentriebwerk nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Konstruktionshauptachsen (Au. B) in einer Konstruktionsebene liegen und parallel zueinander verlaufen.
5. 5. Hauptstromraketentriebwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die auf der ersten Konstruktionshauptachse (A) vorgesehene Pumpe (3) flüssigen Wasserstoff und die auf der zweiten Konstruktionsachse (B) vorgesehene Pumpe (9) flüssigen Sauerstoff fördert·
6. 6. HauptStromraketentriebwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Turbinenauslauf (11) für die Abgase der Hochdruckturbine (2), der Turbineneinlauf (12) für die Treibgase der Niederdruckturbine (8) rotationssymmetrisch gestaltet sind und koaxial zu den jeweiligen Konstruktionshauptachsen (A u· B) liegen und daß der zwischen dem Turbinenauslauf (11)

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   und dem Turbineneinlauf (12) verlaufende Treibgas-Überströmkanal (13) von einem zylindrischen geraden Rohr gebildet wird, dessen Längsachse (d) sich mit den beiden Konstruktionshauptachsen (Au. B) schneidet.
7. 7. HauptStromraketentriebwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Einlauf (5 bzw. 10) zu den Treibstofförderpumpen (3 u. 9) jeweils vor diesen liegt und jeweils axial erfolgt.

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