DE3023755A1 - Einrichtung zum einbringen brennstoffreicher gase in die brennkammer von raketen-staustrahltriebwerken - Google Patents

Description

Messerschmitt-Bölkow-T.'lohm Ottobrunn, 20.6.1980

Gesellschaft mit BTOj.-Hn/er beschränkter Haftung

M ü η ch e η 8673

Einrichtung zum Einbringen brennstoffreicher Gase in die Brennkammer von Raketen-Staustrahltriebwerken

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Einbringen brennstoffreicher Gase axial in die Brennkammer von Raketen-Staustrahltriebwerken, der gleichzeitig über insbesondere vier Lufteinströmkanäle vorverdichtete Luft ins-

.besondere ..-.-.■,_

/schräg von außen nach innen quer zu den brennstoffreichen Gasen zugeführt wird, die sich mit der Luft vermischen, wobei der Luftsauerstoff und das brennstoffreiche Gas insbesondere hypergol miteinander reagieren.

Bei Staustrahltriebwerken wird die bei hohen Fluggeschwindigkeiten aufgefangene Luft im Einlaufdiffusor verzögert und strömt als verdichtete Verbrennungsluft in die Brennkammer ein. In dieser wird der verdichteten Luft mit Hilfe von Brennstoff Energie zugeführt, die in der nachfolgenden Schubdüse in Vortrieb umgewandelt wird. Auch bei Rückstoßtriebwerken wird, wie bei allen Wärmekraftmaschinen ein hoher Wirkungsgrad und insbesondere bei Flugtriebwerken auch eine große spezifische Leistung angestrebt. Hoher Wirkungsgrad bedingt einen nahezu vollständigen Ausbrand und große spezifische Leistung bringt eine hohe Brennkammerbelastung mit sich. Das Belastungsvermögen der Brennkammer wirkt sich unmittelbar auf deren Bauvolumen aus, das, um am Baugewicht und an der Baugröße des Fluggerätes zu sparen, möglichst zu reduzieren ist. Die Voraussetzung zur Erfüllung der angeführten Forderungen bei solchen Rückstoßtriebwerken ist eine schnelle und gleichzeitig

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intensive Vermischung der einströmenden Luft mit dem eingebrachten Brennstoff, um einerseits die Ausbrandstrecke zu verkürzen und damit das Bauvolumen zu reduzieren und andererseits den Ausbrand zu verbessern und damit den Wirkungsgrad hoch zu halten. Um genügend Zeit für die Vermischung zwischen dem Brennstoff und dem Luftsauerstoff sowie für den Reaktions- bzw. Ausbrandvorgang zu erhalten und um eine thermische Zerstörung der Brennkammer- bzw. Schubdüsenwand zu vermeiden, ist es erforderlich, innerhalb der Brennkammer eine gewisse "Ruhezone" zu schaffen, in der die Bewegungsgeschwindigkeit des Brennstoff-Luftgemisches stromabwärtsunterhalb der Flammenfortschrittsgeschwindigkeit liegt. Mit anderen Worten, es ist notwendig, den heißen Flammenkern frei im Brennkammerinnenraum zu stabilisieren und ihm laufend·. Sekundärluft zuzuführen, so daß der heiße Reaktionskern mit den Brennkammerwänden nicht unmittelbar in Berührung kommt und die Temperatur der heißen Reaktionsgase auf ein für den Werkstoff der Schubdüse verträgliches Maß gesenkt wird. Zur Stabilisierung des Flammenkerns werden sogenannte Flammenhalter in verschiedenen Ausführungsformen verwendet, die ein Rückströmgebiet hervorrufen.

Wie bereits eingangs erwähnt, sind Raketen-Staustrahltriebwerke mit einem festen Treibsatz zur Erzeugung brennstoffreicher Gase bekannt, wie z.B. die US-PS 2 987 875 offenbart. Gemäß der dort gezeigten Konzeption werden die brennstoffreichen Gase nach Abbrand des Starttreibsatzes über eine zentrale Düse divergierend über einen ringförmigen Flammenhalter in eine gemeinsame Brennkammer eingeblasen. Die Stauluft wird dabei ringförmig koaxial von außen her der innenliegenden, zwar durch den Flammenhalter verwirbelten, jedoch in sich geschlossenen Konusströmung der brennstoffreichen Gase beigemischt. Dies kann zu einer mangelhaften Vermischung und damit zu einem unvollständigen Ausbrand führen. Auch kann unter bestimmten Betriebsbedingungen die Zündfreudigkeit des Gemisches ungenügend sein.

Um diese Mangel su vermeiden, ist gemäß der DE-PS 24 59 innerhalb der Brennkammer eine nach hinten offene Hilfskammer vorgesehen, in welche die Einblasdüse für die brennstoffreichen Gase mündet. Dabei verbleibt eine Teilmenge der brennstoffreichen Gr.se innerhalb der Hilfskammer und wird mit einer Teilmenge der Gesamtluft als brennstoffreicheres zündwilliges Teilgemisch verbrannt.

Wie bereits beschrieben, werden bei Raketen-Staustrahltriebwerken als Brennstoff während der Marschphase brennstoff reiche Gase verwendet, die durch Abbrand eines Festtreibstoffes mit Sauerstoffunterbilanz erzeugt werden· Dabei erfolgt der Ausbrand des festen Marschtreibsatzes nicht vollständig, d.h. es fallen zum einen kleinere und größere unverbrannte Feststoffteilchen an, die im Gasstrom mitgerissen werden und zum anderen wird kein homogenes Gas erzeugt, vielmehr werden leichtere und schwerere Gasanteile produziert, die mehr oder weniger zündwillig und schneller oder langsamer verbrennen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, auch diesem mangelhaften Umstand Rechnung zu tragen und hierfür eine Einrichtung zu schaffen die über einen breiten Leistungsbereich ein spontanes Zünden zumindest eines Teils des Brennstoff-Luftgemiseries bzw. ein sicheres Durchzünden/der Brennkammer gewährleistet. Ferner soll diese Einrichtung bei guter Flammenstabilisierung eine schnelle und intensive Durchmischung der Luft mit den brennstoffreichen Gasen garantieren sowie gleichzeitig eine wirksame thermische Aufbereitung des Gemisches in kürzester Zeit nach sich ziehen.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch einen im Brennkammerkopf zentral angeordneten, in den Brennraum frei hineinragenden Verteilerkegel mit radial gerichteter

Dispersionsschanze für die einströmenden brennstoffreichen

insbesondere

Gase, und durch/zahlenmäßig den Lufteinströmkanälen entsprechende, in deren radialen Einströmebenen angeordnete, an der Wurzel des Verteilerkegels mündende Einströmkinäle für die brennstoffreichen Gaseο

In weiterer Ausbildung der Erfindung weist der Verteilerkegel einen zentralen Hohlraum auf.

Ferner ist erfindungsgemäß die Abreißkante des Verteilerkegels zum Eingrenzen bzw. gegenseitigen Abgrenzen der einzelnen Gasströme durch Einkerbungen unterbrochen. In Ausgestaltung hierzu ist auf jeder Seite eines jeden Gasstromes je eine Einkerbung in der Dispersionsschanze vorgesehen.

Ferner können zur gegenseitigen Abgrenzung der einzelnen Gasströme auf dem Verteilerkegel Leitschaufeln vorgesehen sein.

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden deren besondere Vorteile und Funktionen im Rahmen der Zeichungsbeschreibung näher erläutert.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den vorderen Teil einer Brennkammer,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II—II in Figur 1,

Fig. 3 den vorderen Bereich des Verteilerkegels mit Einkerbungen in der Dispersionsschanze,

Fig. 4 eine Stirnansicht des Verteilerkegels nach Fig. 3, Fig. 5 einen Verteilerkegel mit Leitschaufeln und Fig. 6 einen Verteilerkegel mit Hohlraum.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist im vorderen Bereich der Brennkammer 1 bzw. im Brennkammerkopf 2 zentral ein Verteilerkegel 3 vorgesehen, der von brennstoffreichen Gasen G beaufschlagt wird, die über vier Düsen 4 einströmen. Auch die Verbrennungsluft L gelangt über vier Einströmkanäle 5 in die Brennkammer Durch den KegelwinkelOc wird bewirkt, daß die aus den Düsen 4 austretenden einzelnen Gasstrahlen sich auf dem Kegelmantel ausbreiten, und einen dünnen Gasfilm bilden, mit anderen Worten, durch den KegelwinkelOc können der Verbreiterungsgrad und die Filmdicke der einzelnen Gasströme GS auf dem Kegelmantel mitbestimmt werden. Außerdem erfahren die Gaspartikel durch Reibung eine Rotationsbewegung. Am hinteren freien Ende weist der Verteilerkegel 3 eine Dispersionsschanze 6 mit einem Dispersionswinkel /3 auf, die bezweckt, daß die einzelnen Gasströme GS dispergierend frei in den Brennraum abströmen. Dabei findet gewichtsmäßig eine Separierung statt, insofern, als durch die ablenkende Wirkung der Disperionsschanze 6, ferner durch den zentralen Rückströmsog, hervorgerufen insbesondere durch den Verteilerkegel 3 und schließlich durch die im wesentlichen als Querströmung von außen wirksame Lufteinströmung über die Einströmkanäle 5 sich die Gasströme GS, in radialer Richtung betrachtet, in einzelne Strömungszonen aufteilen, nämlich in einen radial äußeren Gasstromanteil GSIa mit leichteren Gasbestandteilen, in einen mittleren GasStromanteil GSsm mit schwereren Gasanteilen und noch festen Brennstofffpartikelchen und in einen radial inneren Gasstromanteil GSIi mit ebenfalls leichteren Gasbestandteilen. Dieses erfindungsgemäße Phänomen der radialen Mehrfach- bzw. Dreifachschichtung für das brennstoff reiche Gas G in Verbindung mit der weiteren Maßnahme, daß die einzelnen, im vorliegenden Fall vier Gasströme GS in ümfangsrichtung betrachtet nicht zusammenhängen, wodurch sich

zwischen den einzelnen freien Gasströmen GS nach dem Verteilerkegel 3 noch Lücken bzw. gasfreie Zwischenräume Z ergeben, erlaubt nicht nur, wie insbesondere die Fig. 2 erkennen läßt, den einzelnen Luftströmen L das Umströmen der einzelnen geschichteten Gpsströme GS, es tritt darüber hinaus noch der günstige Umstand ein, daß die leichteren, d.h. sündfähigeren Gosbestandteile GSIa und GSIi von der Verbrennungsluft/rund um die schwereren Strömungsanteile GSsm über die "freien"Zwischenräume Z erreichbar sind, daß also peripher der Verbrennungsluft L ein zündwilliger Ringbereich angeboten wird, innerhalb dem die mittlere Zone mit den schwereren und sündunwilliceren Gasbestandteilen GSrm thermisch aufbereitet und dem Ausbrand zugeführt werden kann. Damit wird insgesamt der Ausbrand sotvohl gesteigert als auch beschleunigte Dies führt zu einem höheren Wirkungsgrad sowie zur Erhöhung der spezifischen Brennkammerleistung und damit gleichzeitig zur Einsparung von Bnugewicht und Hnulünge der Frennk^mmer.

In den Figuren 3, 4 und 5 sind Maßnahmen gezeigt, welche dazu beitragen, daß, wie bereits beschrieben, zwischen den einzelnen Gasströmen GS gasfreie Zwischenräume Z ver; leiben.»*) Zur Unterstützung dieser Erscheinung sind in der Dispersionsschanse 6 Kerben 7 vorgesehen, auf jeder Seite eines jeden Gasstromes GS je eine.

Die gleiche Wirkung ergeben Leitschaufeln 0 gemäß Fic „ 5, welche die einzelnen Gasströme GS eingrenzen und ihnen eine solche Richtung geben, daß zwischen den einzelnen Gasströmen GS auch noch nach dem Vorteilerkegel 3 Durchströmlücken bzw. gasfreie Zwischenräume Z verbleiben.

Wie in Figur 6 dargestellt, wird die Rückströmung der Gasströme GS und der Luftströme L noch unterstützt durch einen Hohlraum 9„ Dieser intensiviert also das durch den Verteilerkegel 3 ohnehin angefachte Rückströmgebiet, was

*) durch die die Teilluftströme in den Rückströmsog gezogen werden.

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einer weiteren Verkürzung der irennkaramerbaulänge und Verkleinerung der Teuqröße der l-rennkammer entgegenkommt,

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Claims (5)

1. Messerschmitt-Bölkow-Blohm Ottobrunn, 20.6.1980

   Gesellschaft mit BT01-Hn/er beschränkter Haftung

   München 8673

   Einrichtung zum Einbringen brennstoffreicher Gase in die Brennkammer von Raketen-Staustrahltriebwerken

   Patentansprüche

   ( 1. .Einrichtung zum Einbringen brennstoffreicher Gase axial in die Brennkammer von Raketen-Staustrahltriebwerken, der gleichzeitig über insbesondere vier Lufteinströmkanäle vorverdichtete Luft insbesondere schräg von außen nach innen quer zu den brennstoffreichen Gasen zugeführt wird, die sich mit der Luft vermischen, wobei der Luftsauerstoff und das brennstoffreiche Gas insbesondere hypergol miteinander reagieren , gekennzeichnet durch einen im Brennkammerkopf zentral angeordneten, in den Brennraum frei hineinragenden Verteilerkegel (3) mit Dispersionsscharize (S) für die einströmenden brennstoffreichen Gase (G), und durch insbesondere zahlenmäßig den Lufteinströmkanälen (5) entsprecher

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   in deren radialen Einströmebenen (E) angeordnete, an der Wurzel des Verteilerkegels (3) mündende Einströmkanäle (4) für die brennstoffreichen Gase (G)₀
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Verteilerkegel (3) einen zentralen Hohlraum (9) aufweist.
3. 3· Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Dispersions- · schanze (6) des Verteilerkegels (3) durch Einkerbungen (7) zum Eingrenzen bzw. gegenseitigen Abgrenzen der einzelnen Gasströme (GS) unterbrochen ist.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß auf jeder Seite eines jeden Gasstromes (GS) je eine Einkerbung (7) in der Dispersionsschanze (6) vorgesehen ist.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder teilweise nach Anspruch 1 und nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß auf beiden Seiten der einzelnen Gasströme (GS) zu ihrer gegenseitigen Abgrenzung auf dem Verteilerkegel (3) Leitschaufeln (8) vorgesehen sind.