DE3432607A1 - Device for the damping of combustion chamber vibrations in liquid-fuelled rocket engines - Google Patents
Device for the damping of combustion chamber vibrations in liquid-fuelled rocket enginesInfo
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Abstract
Description
PatentabteilungPatent department
23.08.1984, 0175A08/23/1984, 0175A
Hn/erHn / he
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Einrichtung zum Dämpfen von Brennkammerschwinqunqen bei FlüssigkeitsraketentriebwerkenDevice for damping combustion chamber vibrations in liquid rocket engines
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zumThe invention relates to a device for
Dämpfen von innerhalb der Brennkammer von Raketentriebwerken, die mit flüssigen Treibstoffen arbeiten, auftretenden Gasschwingungen während des Verbrennungsprozesses, mit Hilfe von im Bereich des Einspritzkopfes angeordneten Dämpfungskammern, die mit dem BrennraumVapors from within the combustion chamber of rocket engines that operate on liquid fuels Gas oscillations during the combustion process, with the help of in the area of the injection head arranged damping chambers connected to the combustion chamber
über Durchtrittskanäle verbunden sind.are connected via passage channels.
Bei der Verbrennung von flüssigem Brennstoff mit Luftsauerstoff oder chemischem Sauerstoff, z. B. von Wasserstoff und Sauerstoff, in Raketenbrennkammern treten je nach konstruktiven und verbrennungstechnischen Bedingungen und physikalischen Zuständen Gasschwingungen mit kleinerer oder größerer Intensität auf, die sich auf die umliegenden Bauteile bzw. auf die Brennkammer mit Schubdüse und den Einspritzkopf übertragen. Diese unerwünschten Gasschwingungen, die aus Verbrennungsunregelmäßigkeiten und Druckspitzen resultieren, bewirken, sofern sie ein bestimmtes Maß nicht überschreiten, spürbare Wirkungsgradeinbußen und damit Leistungsverluste und können bei großer Schwingungsintensität zu Schwingungsbrüchen benachbarter Bauteile führen.When burning liquid fuel with oxygen from the air or chemical oxygen, e.g. B. of hydrogen and oxygen, occur in rocket combustion chambers gas oscillations depending on the structural and combustion-related conditions and physical states with lesser or greater intensity, which affects the surrounding components or the combustion chamber transferred with thrust nozzle and the injection head. These undesirable gas oscillations that result from combustion irregularities and pressure peaks result, provided they do not exceed a certain level, noticeable losses in efficiency and thus performance losses and can increase with high vibration intensity Vibration fractures lead to neighboring components.
Im Brennkammerbau für Raketentriebwerke ist es bekannt, zur Unterdrückung dieser Gasschwingungen innerhalb der Brennkammer am vorderen Ende derselben, über deren Umfang gleichmäßig verteilt, viele DurchtrittsfensterIn the combustion chamber for rocket engines, it is known to suppress these gas oscillations within the Combustion chamber at the front end of the same, evenly distributed over the circumference, many passage windows
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vorzusehen, die in zugeordnete, verhältnismäßig kleine, gleichgroße Dämpfungskammerη im Einspritzkopf münden. Durch diese, lediglich nur im peripheren Bereich des Einspritzkopfes angeordneten Dämpfungskammern werden Schwingungserscheinungen normaler Intensität in ausreichendem Maße gedämpft. Es ist aber anzunehmen, daß das Auftreten starker Schwingungen nur ungenügend unterdrückt wird, insbesondere deswegen, weil die einzelnen Dämpfungskammern zum Teil zu weit von im zentralen Bereich gelegenen Schwingungsquellen entfernt sind.to be provided, which open into associated, relatively small, equally sized damping chambers in the injection head. These damping chambers, which are only arranged in the peripheral region of the injection head, are created Vibration phenomena of normal intensity are sufficiently dampened. But it can be assumed that that Occurrence of strong vibrations is only insufficiently suppressed, in particular because the individual Damping chambers are sometimes too far away from vibration sources located in the central area.
Hier setzt die Erfindung ein, deren Aufgabe darin besteht, eine der eingangs genannten Art entsprechende Dämpfungseinrichtung zu schaffen, die befähigt ist, vorhandene Schwingungserscheinungen umfassender zu bekämpfen und auch extreme Schwingungen wirksamer zu dämpfen.This is where the invention comes in, the object of which is to provide a type corresponding to the type mentioned at the beginning To create damping device that is able to combat existing vibration phenomena more comprehensively and also to extreme vibrations more effectively dampen.
Gelöst wird diese Aufgabe im Rahmenm einer EinrichtungThis task is solved within the framework of an institution
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zur Dämpfung der in der Brennkammer von Raketentriebwerken angefachten Gasschwingungen gemäß der Erfindung dadurch, daß die Dämpfungskammern über die ganze Stirnseite des Einspritzkopfes verteilt innerhalb desselbenfor damping the gas vibrations fanned in the combustion chamber of rocket engines according to the invention in that the damping chambers over the entire end face of the injection head distributed within the same
vorgesehen sind.
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Durch die Erfindung werden die innerhalb der Brennkammer auftretenden Schwingungen über den gesamten Brennkammerquerschnitt bekämpft und zum Abklingen gebracht.As a result of the invention, the vibrations occurring within the combustion chamber over the entire combustion chamber cross-section fought and subsided.
Bei einer Ausbildung des Einspritzkopfes derart, daß zum Einbringen zweier Treibstoffe im Einspritzkopf viele, parallel im Abstand zueinander verlaufende Einspritzdüsen mit jeweils einem zentralen Zulaufkanal für den einen Treibstoff, insbesondere Sauerstoff, und jeweils einem koaxialen Zulaufringkanal für den anderenWhen the injection head is designed such that for introducing two fuels into the injection head, many injection nozzles running parallel at a distance from one another each with a central inlet channel for one fuel, in particular oxygen, and each a coaxial feed ring channel for the other
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Treibstoff, insbesondere Wasserstoff, vorgesehen sind und der verbleibende Raum zwischen den Treibstoffdüsen als Treibstoffverteilerraum dient, von dem aus die koaxialen Treibstoffzulaufringkanäle in den Treibstoffdüsen mit dem anderen Treibstoff, insbesondere Wasserstoff, versorgt werden, sind erfindungsgemäß die Dämpfungskammern zwischen den Einspritzdüsen angeordnet innerhalb des Einspritzkopfes vorgesehen.Fuel, in particular hydrogen, are provided and the remaining space between the fuel nozzles serves as a fuel distribution space, from which the coaxial fuel inlet ring channels in the fuel nozzles are supplied with the other fuel, in particular hydrogen, are according to the invention Damping chambers arranged between the injection nozzles are provided within the injection head.
Im Rahmen einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird vorgeschlagen, die Dämpfungskammern als eigene, flaschenförmige Bauteile auszubilden, die mit ihren Hälsen in der Stirnwand des Einspritzkopfes befestigt sind und sich freistehend zwischen den Einspritzdüsen im Treibstoffverteilerraum für den anderen Treibstoff, insbesondere dem Wasserstoff, erstrecken.As part of a first embodiment of the invention, it is proposed that the damping chambers as their own, to form bottle-shaped components with their Necks attached in the end wall of the injection head and are free-standing between the injection nozzles in the fuel distribution chamber for the other fuel, especially the hydrogen.
Der besondere Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausführung liegt darin, daß, über den BrennkammerquerschnittThe particular advantage of this embodiment according to the invention lies in the fact that, across the combustion chamber cross-section
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betrachtet, je nach gegebenem Schwingungsraster entsprechend angepaßte Dämpfungskammern eingesetzt werden können, in denen sich die örtlich erzeugten Schwingungen totlaufen. Dabei werden die zu Sekundärschwingungen angeregten Dämpfungskammern durch den umgebenden Treib-considered, depending on the given vibration pattern, appropriately adapted damping chambers are used in which the locally generated vibrations run out. They become secondary vibrations excited damping chambers by the surrounding driving
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stoff ihrerseits gedämpft, wodurch insgesamt eine hohe Dämpfungsleistung erzielt wird.fabric itself is steamed, which means that overall a high level of damping performance is achieved.
Eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung von Dämpfungskammern innerhalb eines Einspritzkopfes, wie vorbeschrieben, besteht darin, daß - von der Brennkammer her betrachtet - die Dämpfungskammern hinter dem im Einspritzkopf vorgesehenen Treibstoffverteilerraum liegen und gegenüber diesem durch eine Schottwand abgetrennt sind und die Verbin-A second embodiment of an inventive design and arrangement of damping chambers within an injection head, as described above, consists in that - viewed from the combustion chamber - the Damping chambers are located behind the fuel distribution chamber provided in the injection head and opposite this are separated by a bulkhead and the connec-
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dung zwischen dem Brennraum und den einzelnen Dämpfungskammerη über den Treibstoffverteilerraum durchsetzende Verbindungsrohre als Durchtrittskanäle relativ großer LÄnge erfolgt.tion between the combustion chamber and the individual damping chambers via the fuel distribution chamber penetrating connecting pipes are made as passage channels of relatively great length.
Die Vorteile dieser Ausführungsform sind in der Groß>räumigkeit der Dämpfungskammern und damit in deren besonderer Dämpfungsleistung zu sehen und ferner in der verhältnismäßig großen Länge der Verbindungsrohre, wodurch insbesondere hochfrequente Radialschwingungen abgebaut werden.The advantages of this embodiment are the spaciousness to see the damping chambers and thus in their special damping performance and also in the relatively large length of the connecting pipes, which in particular reduces high-frequency radial vibrations will.
Eine dritte Ausführungsform der Erfindung besteht bei einem Einspritzkopf der in Rede stehenden Art darin, die Dämpfungskammern unmittelbar hinter der Stirnwand des Einspritzkopfes radial aneinandergrenzend anzuordnen und dabei mittels einer dahinterliegenden Schottwand gegenüber dem Brennstoffverteilerraum abzutrennen, wobei die zwischen der Brennkammer und den Dämpfungs-A third embodiment of the invention consists in an injection head of the type in question therein, the damping chambers immediately behind the end wall of the injection head to be arranged radially adjacent to one another and by means of a bulkhead lying behind it to be separated from the fuel distribution chamber, whereby the between the combustion chamber and the damping
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kammern vorgesehenen Durchtrittskanäle in der Stirnwand des Einspritzkopfes vorgesehen sind. Diese Ausführungsform ist insbesondere herstellungstechnisch einfach.. chambers provided through channels are provided in the end wall of the injection head. This embodiment is particularly simple in terms of production technology.
Um Schwingungserscheinungen verschiedener IntensitätAbout vibrations of different intensities
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nach Amplitude und Frequenz und im Hinblick auf unregelmäßige Verteilung innerhalb der Brennkammer individuell entgegentreten zu können, wird in Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, die einzelnen Dämpfungskammern in bezug auf Volumen, Durchmesser und Länge den Störparametern angepaßt auszubilden. Diese Maßnahmen haben auch Gültigkeit für die Gestaltung der Durchtrittskanäle. individually according to amplitude and frequency and with regard to irregular distribution within the combustion chamber to be able to counteract, is proposed in an embodiment of the invention, the individual damping chambers in terms of volume, diameter and length To train interference parameters adapted. These measures also apply to the design of the passage channels.
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Die Zeichnung zeigt drei erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele mit Anordnungen von Dämpfungskammern innerhalb des Einspritzkopfes von Raketenbrennkammern.The drawing shows three exemplary embodiments according to the invention with arrangements of damping chambers inside the injection head of rocket combustion chambers.
Wie aus den drei Figuren hervorgeht, sind im Einspritzkopf viele, zueinander parallel gerichtete Einspritzdüsen 1 vorgesehen, durch deren Zentralrohr 2 jeweils der eine der beiden Treibstoffe, insbesondere Sauerstoff O, der Brennkammer 3 zugeführt wird, während derAs can be seen from the three figures, there are many injection nozzles directed parallel to one another in the injection head 1 provided, through the central tube 2 of each of the two fuels, in particular oxygen O, the combustion chamber 3 is supplied during the
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andere Treibstoff, insbesondere Wasserhoff H, jeweils über einen Ringspalt 4 zwischen der Außenfläche des Zentralrohres 2 und einer Überwurfhülse 5 (Fig. 1) sowie jeweils einem Mündungsstück 6 (Fig. 2 und 3) in die Brennkammer 3 eingespritzt wird. Zugeführt wird der Wasserstoff aus einem Verteilerraum 7 über Zulaufbohrungen 8 in den Überwurfhülsen 5. Den vorderen Abschluß des Einspritzkopfes gegenüber der Brennkammer 3 bildet eine Stirnwand 9.other fuel, in particular Wasserhoff H, each via an annular gap 4 between the outer surface of the Central tube 2 and a union sleeve 5 (Fig. 1) and one mouthpiece 6 (FIGS. 2 and 3) is injected into the combustion chamber 3. The Hydrogen from a distributor space 7 via inlet bores 8 in the union sleeves 5. The front closure of the injection head opposite the combustion chamber 3 forms an end wall 9.
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Wie die Fig. 1 zeigt, sind in dieser Stirnwand 9 flaschenförmige, verhältnismäßig dünnwandige Dämpfungskammern IO mit ihren Hälsen 1Oa eingesetzt und erstrecken sich frei innerhalb des Verteilerraumes 7. In der Brennkammer 3 erzeugte Gasschwingungen pflanzen sich inAs FIG. 1 shows, 9 bottle-shaped, relatively thin-walled damping chambers IO are inserted with their necks 10a and extend freely within the distributor space 7. In the combustion chamber 3 generated gas vibrations are planted in
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die Dämpfungskammern 10 hinein fort und werden dort nachhaltig unterdrückt. Die Dämpfungskammern 10 stellen ihrerseits schwingungsfähige Gebilde dar. Ihre Eigenschwingungen werden durch die große Masse des umgebenden Wasserstoffes gedämpft.the damping chambers 10 continue into it and are permanently suppressed there. Set the damping chambers 10 for their part represent vibratory structures. Their natural vibrations are caused by the large mass of the surrounding Hydrogen steamed.
In Fig. 2 sind gegenseitig abgegrenzte einzelne Dämpfungskammern 20 hinter dem Treibstoffverteilerraum 7, von diesem durch eine Schottwand 11 abgetrennt.In Fig. 2 mutually delimited individual damping chambers 20 are behind the fuel distribution space 7, separated from this by a bulkhead 11.
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vorgesehen. Dabei wird der Verteilerraum 7 überbrückt durch Verbindungsrohre 12, die diesen durchsetzen und die Brennkammer 3 mit den Dämpfungskammern 20 verbinden.intended. The distributor space 7 is bridged by connecting pipes 12 which penetrate it and connect the combustion chamber 3 to the damping chambers 20.
Diese Ausführungsform bringt in vorteilhafter Weise großvolumige Dämpfungskammern 20 mit sich und die verhältnismäßig langen Verbindungsrohre 12 als Durchtrittskanäle ergeben eine große Dämpfungsleistung bezüglich radialer Schwingungsvektoren. 10This embodiment advantageously brings large-volume damping chambers 20 with it and the relatively long connecting pipes 12 as passage channels result in a great damping performance with regard to radial vibration vectors. 10
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind die gegenseitig abgegrenzten einzelnen Dämpfungskammern 30 unmittelbar hinter der Stirnwand 9 vorgesehen und sind gegenüber dem hintenliegenden Verteilerraum 7 für den Wasserstoff H durch eine Schottwand 21 abgetrennt, die, um selbst Schwingungen aufnehmen zu können, verhältnismäßig dünnwandig ausgebildet ist. Die zwischen der Brennkammer und den einzelnen Dämpfungskammern 3O verlaufenden Durchtrittskanäle 22 sind unmittelbar in derIn the embodiment according to FIG. 3, they are mutual delimited individual damping chambers 30 are provided immediately behind the end wall 9 and are separated from the rear distributor space 7 for the hydrogen H by a bulkhead 21 which, in order to be able to absorb vibrations itself, is relatively thin-walled. The one between the The combustion chamber and the individual damping chambers 3O extending passage channels 22 are directly in the
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Stirnwand 9 vorgesehen. Die Schwingungen gelangen bei dieser Ausführung durch die kurzen Durchtrittskanäle in die einzelnen Dämpfungskammern 30 und werden dort unterdrückt.End wall 9 is provided. In this version, the vibrations pass through the short passage channels into the individual damping chambers 30 and are suppressed there.
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In den einzelnen Dämpfungskammern 10 bzw. 20 bzw. 30 sind Spülöffnungen 13 vorgesehen, die zu den Verteilerräumen 7 gerichtet sind, in denen sich der Wasserstoff H befindet, so daß eine Teilmenge Wasserstoff H in die Dämpfungskammerη 10 bzw. 20 bzw. 30 überströmt, wodurch vermieden wird, daß sich hier reaktionsfähige Gemische bilden. Außerdem vermeidet die Einblasung von geringen Mengen Wasserstoff Eisbildung in den Dämpfungskammern.In the individual damping chambers 10 or 20 or 30 flushing openings 13 are provided, which lead to the distributor spaces 7 are directed, in which the hydrogen H is located, so that a partial amount of hydrogen H overflows into the damping chamber η 10 or 20 or 30, whereby it is avoided that reactive mixtures are formed here. It also avoids blowing in small amounts of hydrogen ice formation in the damping chambers.
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