DE2515845B2

DE2515845B2 - Flüssigkeitsraketentriebwerk regelbaren Schubs

Info

Publication number: DE2515845B2
Application number: DE2515845A
Authority: DE
Inventors: Guenther Dr.-Ing. 8025 Unterhaching Schmidt
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1975-04-11
Filing date: 1975-04-11
Publication date: 1981-02-19
Also published as: DE2515845C3; DE2515845A1; FR2307138B3; US4109460A; FR2307138A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Flüssigkeitsraketentriebwerk regelbaren Schubs der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art

Bei bekannten Triebwerken dieser Art (DE-AS U 91 178), die eine Regelung des Schubvektors sowohl nach Größe als auch Richtung unter Annäherung an jeweils maximale Leistungswerte ermöglichen, wird das innere Düsenteil als Ganzes axial und radial verstellt und ist zu diesem Zweck gelenkig und längsverschieblich mit dem äußeren Düsenteil verbunden. Diese Art der Regulierung des Düsenhaisquerschnitts erfordert jedoch eine komplizierte Mechanik mit einer thermisch und druckmäßig hochbelasteten Lagerung und zugehörigen Abdichtung und ist baulich sehr aufwendig und störanfällig.

Demgegenüber ist die Aufgabe der Erfindung darin zu sehen, bei einem Flüssigkeitsraketentriebwerk der eingangs erwähnten Art eine baulich wesentlich einfachere und störsichere Regulierung des Düsenhaisquerschnitts zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch i gekennzeichnete Flüssigkeitsraketentriebwerk gelöst

Bei dem erfindungsgemäßen Triebwerk wird neben einer Längs- auch eine Querschubregelung bei gleichs zeitiger, selbsttätiger Anpassung der Stromaustrittsfläche an den jeweils optimalen Wert erreicht, mit der Besonderheit, daß die Regelung mit einer reversiblen Schubdüsenverformung arbeitet, bei der die erzielbaren Verstellbewegungen naturgemäß zwar gering sind, in

to Verbindung mit der Ringhalsdüse wegen der dort ebenfalls nur geringen Spaltweite im Bereich des Düsenhalses jedoch vergleichsweise große Querschnittsänderungen bewirken, die zum Aufrechterhalten eines im wesentlichen konstanten Brennkammerdrucks über den gesamten Schubregelbereich und zur Einstellung der gewünschten Schubrichtung ausreichen, ohne daß es der bisher üblichen, gelenkigen und längsverschieblichen Lagerung und Abdichtung eines hoch belasteten Düsecieils bedarf.

Vorzugsweise wird die Relatiwerstellung der Düsenteile gemäß Anspruch 2 durch eine reine Temperatursteuerung unter Verzicht auf mechanische Betätigungsvorrichtungen bewirkt und die bei Schubdüsen zumeist ohnehin vorhandene Regenerativkühlung in der Weise

ausgenutzt, daß durch Änderung des jedem Düsenteil insgesamt zugeführten Kühlmittelmengenstroms die axiale Relatiwerschiebung der Düsenteile und mithin die Größe des Düsenhaisquerschnitts reguliert und durcn eine unsymmetrische Verteilung des Kühlmittel-Stroms über den Umfang des oder der Düsenteile eine exzentrische Auslenkung der Düsenteile erreicht und damit durch eine gesteuerte unsymmetrische Verformung des Düsenhaisquerschnitts die geforderte Querschubsteuerung bewirkt wird.

Einen besonders geringen Bauaufwand erfordert die thermische Steuerung bei Triebwerken mit mehreren Treibstoffkomponenten, wenn die Kühlsysteme der Düsenteile gemäß Anspruch 3 von jeweils unterschiedlichen Treibstoffkomponenten durchströmt sind. Die unsymmetrische Verteilung des Kühlmittelstroms über den Umfang des Düsenteils wird in weiterer, baulich zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung auf die im Anspruch 4 gekennzeichnete Weise erreicht

Um eine ungehinderte Wärmeexpansion der Düsenteile über eine möglichst große Axiallänge zu ermöglichen, sind diese gemäß Anspruch 5 vorzugsweise jeweils an ihrem brennkammerseitigen Ende einseitig fest eingespannt
Zur gesteuerten elastischen Verformung mindestens eines der Düsenteile ist vorzugsweise eine hydraulische Betätigungsvorrichtung vorgesehen, die zwar im Vergleich zur thermischen Steuerung einen größeren mechanischen Aufwand erfordert, zugleich jedoch eine nahezu verzögerungsfreie Regulierung des Düsenhalsquerschnitts gewährleistet Zweckmäßigerweise sind die thermische und die elastische Steuerung gleichzeitig vorgesehen, wobei die baulich einfachere und robustere, jedoch unempfindlichere Temperatursteuerung zur Grobregulierung des Düsenhaisquerschnitts und die rascher ansprechende, mechanische Steuerung zur Feinregulierung dient

Die Erfindung wird nunmehr anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert Es zeigen

es F i g. 1 und 2 eine schematische Seiten- bzw. Stirnansicht eines Triebwerks mit thermischer Schubdüsenverformung;
Fig.3 eine teilweise geschnittene Darstellung eines

weiteren, geringfügig abgewandelten Triebwerks mit thermischer Schubdüsenverformung;

Fig.4 und 5 einen schematischen Längs- bzw. Querschnitt eines Triebswerks mit einer elastischen Schubdüsenverformung.

Die F i g. 1 und 2 zeigen ein Triebwerk 2 in Form eines Zweistoff-Flüssigkeitsraketentriebwerks mit einer Brennkammer 4 und einer dieser nachgeschalteten Ringhalsdüse 6, die von einem äußeren ringförmigen Dfisentei) 14 und einem koaxial dazu angeordneten, inneren, ebenfalls ringförmigen Düsenteil 10 begrenzt wird. Abströmseitig des als schmaler Ringspalt ausgebildeten Düsenhalses 8 enthält das innere Düsenteil 10 einen konisch zulaufenden Diffusorabschnitt 12, während das äußere Düsenteil 14 unmittelbar hinter dem is Düsenhals 8 endet Die äußere Strahlkontur ist somit zur Umgebung hin frei und paßt sich selbsttätig an das jeweilige Expansionsverhältnis an.

Die Düsenteile 10,14 sind einseitig, nämlich an ihrem brennkammerseitigen Ende, fest eingespannt, und durch Steuerung der Wärmeexpansion der Düsenteile 10, 14 im Bereich des Düsenhalses 8 mit Hilfe einer thermischen Steuerung 16 wird der Düsenhaisquerschnitt auf einen vorgegebenen Wert einreguliert

Zur regenerativen Kühlung des äußeren Düsenteils 14 ist dieser von einem Kühlmantel 18 umschlossen, der von einem Teilstrom der anschließend in die Brennkammer 4 eingespritzten, ersten Treibstoffkomponente durchströmt wird. Die Größe dieses Teilstroms wird mittels des Kühlmittelsteuerventils 22 einreguliert, während der zur Temperatursteuerung des äußeren Düsenteils 14 nicht benötigte Reststrom der ersten Treibstoffkomponente über eine Nebenstromleitung 41 unmittelbar in die Brennkammer gelangt Ebenso ist dem inneren Düsenteil 10 ein innerer Kühlmantel 20 zugeordnet, der von einem mit Hilfe eines weiteren Kühlmittelsteuerventils 26 regulierbaren Teilstrom der zweiten Treibstoffkomponente durchströmt wird. Die zur Kühlung nicht benötigte Teilmenge der zweiten Treibstoffkomponente wird über eine Nebenstromleitung 40 unmittelbar in die Brennkammer 4 eingespritzt

Die die Düsenteile 10, 14 jeweils kühlenden Treibstoff-Teilmengen werden in jedem Fall so groß bemessen, daß die Düsenteile 10,14 ausreichend sicher gegen eine Überhitzung geschützt sind. Oberhalb dieses Mindestwertes lassen sich die Treibstoff-Kühlströme mit Hilfe der Steuerventile 22, 26 unabhängig voneinander einregulieren. Durch Steuerung der von der Kühlwirkung abhängigen, thermischen Längenexpansion der zwischen Einspannstelle und Düsenhals 8 so gelegenen Abschnitte der Düsenteile 10,14 wird somit die Größe des Querschnitts des Düsenhalses 8 derart geregelt daß der Brennkammerdruck unabhängig von der Größe des Schubvektors konstant bleibt d· h. der Düsenhaisquerschnitt wird bei sinkender Treibwerksleistung zunehmend zugesteuert, und umgekehrt Im Hinblick auf einen möglichst großen Regelbereich des Düsenhaisquerschnitts werden die Düsenteile 10, 14 gegensinnig zueinander gesteuert Für kleinere Regelbereiche des Düsenhaisquerschnitts kann eine thermi- eo sehe Steuerung für lediglich ein einziges Düsenteil 10 oder 14 ausreichen.

Außer in Axialrichtung sind die Düsenteile 10,14 im Bereich des Düsenhalses 8 auch in Radialrichtung durch die thermische Steuerung 16 relativ zueinander verstellbar. Wie F i g. 2 zeigt ist zu diesem Zweck der äußere Kühlmantel 18 in Umfangsrichtung in vier voneinander getrennte Segmente 18Λ, 18ß, 18C und 18D unterteilt auf die der am Steuerventil 22 einregulierte Kühlmittelstrom durch vier parallel geschaltete, getrennt einstellbare Verteilerventile 24Λ 24ft 24Cund 24£> aufgeteilt wird.

Ebenso ist der innere Kühlmantel 20 in vier Segmente 2OA 2OA 20C und 20D unterteilt, die jeweils fiber ein Verteilerventil 28Λ bzw. 28B bzw. 28Cbzw. 28D an das Steuerventil 26 für die zweite Treibftoffkomponente angeschlossen sind. Durch Regulierung der Verteilerventile läßt sich für jedes Düsenteil IU, 14 gesondert eine unterschiedliche Aufteilung der Kühlmittelströme auf die jeweiligen Kühlmantelsegmente und somit eine in Umfangsrichtung ungleichförmige Temperaturverteilung erreichen, wodurch der Düsenhaisquerschnitt unsymmetrisch gemacht und dadurch die Richtung des Scnubvektors geändert wird. Im Hinblick auf einen großen Regelbereich werden die Düsenteile 10, 14 bezüglich ihrer Radialauslenkung ebenfalls wieder gegensinnig thermisch gesteuert wobei auch hier wieder bei einem der Düsenteile auf die thermische Radialsteuerung verzichtet werden kann, falls zur Regelung der Schubrichtung geringere radiale Relativbewegungen der Düsenteile 10,14 genügen.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.3 arbeitet die Schubregelung ebenfalls wieder mit einer thermischen Steuerung des Düsenhaisquerschnitts. Die Düsenteile 10,14 einschließlich der daran befestigten Bauteile sind auch hier wieder an ihrem brennkammerseitigen Ende fest eingespannt und zwar an einem Befestigungsflansch 66 des Triebwerks 2. Jedoch ist auf die Unterteilung des äußeren Kühlmantels 18 in einzelne Segmente verzichtet und durch Regulierung des Mengenstroms der über den Zulaufring 30, den äußeren Kühlmantel 18 und den Ringkanal 33 über die zentrale Einspritzdüse 36 des Einspritzkopfes 34 in die Brennkammer 4 eingespritzten, ersten Treibstoffkomponente läßt sich somit nur die axiale Verlängerung bzw. Verkürzung des äußeren Düsenteils 14 und mithin die Größe des Düsenhaisquerschnitts regulieren, während die radiale Querschnittsteuerung ausschließlich über das innere Düsenteil 10 erfolgt, und zwar mit Hilfe eines besonders ausgebildeten Verteilerventils 43, das eine stufenlose Aufteilung des Kühlmittelstroms in Umfangsrichtung des inneren Kühlmantels 20 ermöglicht

Das Verteilerventil 43 enthält einen hohlen Kugelschieber 44, der dichtend und allseitig begrenzt und verschwenkbar in der teilweise durch die Dichtstücke 50, 52 gebildeten Ventilkammer 45 gelagert ist Zum Verkippen des Kugelschiebers 44 dienen zwei, über Schaltventile 62, 64 hydraulisch betätigte, doppelt wirkende Stellmotoren 54,56, deren Stellkolben jeweils über einen an beiden Enden kugelgelenkförmig ausgebildeten Stellhebel 58 bzw. 60 an in Umfangsrichtung um 90° zueinander versetzten Stellen mit einem Ringflansch 47 des Kugelschiebers 44 gekoppelt sind.

Der innere Kühlmantel 20 ist in Umfangsrichtung in eine Vielzahl von Kühlmantelsegmenten unterteilt, die jeweils über ein Verteilerrohr 48, von denen in F i g. 3 lediglich drei gezeigt sind, an die Ventilkammer 45 angeschlossen sind; die Verteilerrohre 48 werden an ihren zulaufseitigen Enden je nach Kippstellung des Kugelschiebers 44 mehr oder weniger stark verschlüsse·.. Zu diesem Zweck ist der Kugelschieber 44 auf seiner dem Ringflansch 47 abgekehrten Seite kalottenförmig geöffnet derart daß in der gezeigten Mittelstellung des Kugelschiebers 44 durch seine Steuerkante 46 sämtliche Verteilerrohre 48 etwa zur Hüfte verschlos-

sen sind. Durch Kippen des ICugelschiebers 44 läßt sich somit eine unsymmetrische, je nach Anzahl der KOhlmantelsegmente feinstufige Aufteilung des Kühlmittelstroms aber den Umfang des inneren Düsenteils 10 erreichen, wobei die dadurch bewirkte, thermische Radialauslenkung des inneren Düsenteils 10 hinsichtlich Größe und Richtung von der Größe und Richtung der Kippbewegung des Kugelschiebers 44 abhängig ist

Die Größe des zur Kühlung abgezweigten Teilstroms der zweiten Treibstoffkomponente wird wiederum am Steuerventil 26 eingestellt, von wo der Treibstoff über einen Zulaufkanal 32 und eine Mittelbohrung im Ringflansch 47 zum Kugelschieber 44 und nach Durchströmen der Verteilerrohre 48 und der Kühlmantelsegmente in einen Ringkanal 35 gelangt, um von dort

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ten, über die Nebenstromleitung 40 und einen Nebenstromkanal 42 zugeführten Restmenge der zweiten Treibstoffkomponente über die Einspritzringdüse 38 des Einspritzkopfes 34 in die Brennkammer versprüht zu werden. Am Steuerventil 26 wird die axiale Verkürzung bzw. Verlängerung des inneren Düsenteils 10 und daher zusätzlich oder wahlweise zum Steuerventil 22 die Größe des Düsenhaisquerschnitts reguliert

Das Ausführungsbeispiel gemäß den F i g. 4 und 5, wo entsprechende Bauteile jeweils mit dem gleichen, jedoch um 100 erhöhten Bezugszeichen gekennzeichnet sind, arbeiten mit einer elastischen Verformung des inneren Düsenteils 110, das zu diesem Zweck an seinem brennkammerseitigen Ende einseitig fest eingespannt und einschließlich seines Kühlmantels 120 derart ausgebildet ist, daß es sich zwecks Steuerung des Düsenhaisquerschnitts in bestimmten Grenzen sowohl axial als auch radial elastisch verbiegen läßt, und zwar mit Hilfe einer Betätigungsvorrichtung in Form von drei Hydraulikmotoren UOA, 170B und 170C die in Umfangsrichtung gleichförmig verteilt (Fig.5) an einem starren, stationären Gehäuseteil 168 angeordnet sind, und deren Hydraulikkolben 172 jeweils über eine Kolbenstange 186 unter Zwischenschaltung eines an beiden Enden 174 und 176 gelenkig gelagerten Betätigungsstößels 184 zug- und druckfest mit einem im vorderen Ende des Diffusorabschnitts 112 befindlichen Druckkörper 178 gleichförmig verteilt verbunden sind.

to Die Hydraulikmotoren 170 sind doppelt wirkend ausgebildet und werden jeweils durch ein elektrisch betätigtes, im Zuge von Druckmittel· bzw. Rücklaufleitungen 182 gelegenes Umschaltventil 180 gesteuert Durch die Hydraulikmotoren 170 wird der Druckkörper 178 einerseits in Axialrichtung verstellt, wodurch die Größe des Düsenhaisquerschnitts reguliert wird, und andererseits — bei ungleicher oder gegensinniger Betätigung der Hydraulikmotoren 170 — in einer irgend erwünschten Richtung bis zu einem vorgegebenen Winkel verkippt, was zu einer nach Größe und Richtung entsprechenden Radialauslenkung des inneren Düsenteils HO und Asymmetrie des Düsenhaisquerschnitts führt
Wie bereits eingangs erwähnt, kann die elastische Verformung mit der thermischen Verformung kombiniert werden, wobei in jedem Fall bereits geringfügige axiale bzw. radiale Relativbewegungen der Düsenteile 10,12 im Bereich des Ringdüsenhalses 8,108 genügen, um die erforderlichen Querschnittsänderungen zu bewirken, da der Ringspalt sehr schmal ist und bei Schüben bis zu einigen Tausen kp nur wenige mm mißt Bei einem typischen Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen Schub von 1200 kp beträgt die Ringhalsweite etwa 1 mm bei einem Ringhalsdurchmesser von etwa 100 mm.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Flüssigkeitsraketentriebwerk regelbaren Schubs mit einer von einem ringförmigen äußeren und einem zentralen inneren Düsenteil begrenzten Ringhalsdüse, wobei die Düsenteile im Bereich des Düsenhalses sowohl in Axial- als auch Radialrichtung der Düse relativ zueinander verstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenteile (10, 14, HO, 114) gelenk- und lagerfrei miteinander verbunden und durch gesteuerte Wärmeexpansion und/oder elastische Verformung mindestens eines der Düsenteile Relativ zueinander verstellbar sind.

2. Flüssigkeitsraketentriebwerk nach Anspruch 1, mit einer Regenerativkühlung für die Ringhalsdüse, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsentetcs (10,14) jeweils zur Regulierung ihrer Wärmeexpansion getrennt steuerbare Kühlsysteme (18,22,30; 20,26, 32,43) aufweisen.

3. Flüssigkeitsraketentriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlsysteme (18, 22, 30; 20, 26, 32, 43) der DDsenteile (10, 14) von jeweils unterschiedlichen Treibstoffkomponenten durchströmt sind.

4. Flüssigkeitsraketentriebwerk nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem mindestens eines Düsenteils (10, 14) einen in mehrere Segmente (20Λ, 20B, 20Q 20D) unterteilten Kühlmantel (20) und eine Steuerventilanordnung (26, 28Λ, 2BB, XQ XD; 43) zur veränderlichen Aufteilung des Kühlmittelstroms auf die einzelnen Segmente enthält,

5. Flüssigkeitsraketentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Düsenteile (10, 14) an ihrem brennkammerseitigen Ende einseitig fest eingespannt sind.

6. Flüssigkeitsraketentriebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine vorzugsweise hydraulische Betätigungsvorrichtung (170, 180) zur Steuerung der elastischen Verformung mindestens eines Düsenteils (110).