DE3535779C1 - Arrangement for the cooling of rocket engine walls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Kühlen der Brennkammer- und Düsenwände von Raketentriebwerken ge­ mäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Eine solche Anordnung ist aus der CH-PS 3 24 836 be­ kannt. Vorteilhaft an derartigen Triebwerksstrukturen ist, daß aufgrund der geringen Innenwandstärke ein guter Wärmeübergang von der heißen Triebwerksinnenseite an das die Kühlkanäle durchströmende Kühlmittel gewähr­ leistet ist, wobei die mechanischen Belastungen durch den Triebwerksinnendruck größtenteils außerhalb der Kühlkanäle von einer relativ dicken Außenwandseite auf­ genommen werden. Konstruktiv ist dies in der CH-PS 3 24 836 so gelöst, daß die eigentliche Kühlstruktur aus vielen aneinandergrenzenden, spiralgewickelten Kühl­ röhrchen auf der Außenseite mit einem druckfesten Man­ tel (J) umhüllt ist. Dabei ergeben sich in den Kühl­ röhrchen Strömungswege, welche - aufgrund des Spiral­ winkels - in den Fig. 2 bis 5 mehr als doppelt so lang sind wie das Triebwerk, in den Fig. 6 und 7 immerhin noch länger als das Triebwerk. Bei vorgegebe­ nen, relativ geringen Triebwerksstrukturdicken mit ent­ sprechend kleinen Kühlkanalquerschnitten führt dies zu hohen Druckverlusten und somit zu einer Begrenzung des Kühlmitteldurchsatzes. Dies wiederum begrenzt die Kühl­ leistung und somit auch die Triebwerksleistung. Die nach der CH-PS 3 24 836 bevorzugt zu verwendenden, kreisrunden Kühlröhrchen sind relativ ungünstig hin­ sichtlich der mechanischen Kraftübertragung an den druckfesten Mantel, so daß sich auch Begrenzungen hin­ sichtlich des Triebwerksinnendruckes ergeben.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, konstruktive Maßnahmen aufzuzeigen, welche die ther­ mischen und mechanischen Eigenschaften von Raketen­ triebwerken im Hinblick auf eine Optimierung der Trieb­ werksleistungen noch wesentlich verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch gekenn­ zeichneten Merkmale gelöst.

Die Ausführung der Kühlkanäle mit schmaler Umfangsbasis und großer radialer Höhe ist mechanisch besonders günstig, da die vielen radialen Stege zwischen den Kühlkanälen eine direkte und gleichmäßige Einleitung der aus dem Triebwerksinnendruck resultierenden Kräfte in die Außenwandseite gewährleisten. Die strömungstech­ nische Aufteilung der Kühlkanäle in mehrere Einzelab­ schnitte über ihre Länge (Parallelschaltung) entspricht einer Vervielfachung der Anzahl der Kanäle und somit des Strömungsquerschnittes. In Verbindung mit der Län­ genverkürzung ergeben sich dabei wesentlich geringere Druckverluste, Triebwerkskühlung und -leistung werden verbessert, außerdem kann durch die Verwendung kleinerer und leichterer Kühlmittelpumpen Raum und Ge­ wicht gespart werden.

Die Erfindung wird anhand der Figuren noch näher er­ läutert. Dabei zeigt in vereinfachter Darstellung

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Triebwerkswand mit einer dünnen Innenwandseite und einer relativ dicken Außenwandseite;

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Triebwerkswand in per­ spektivischer Darstellung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Triebwerkes.

Aus der Fig. 1 ist ein Querschnitt ersichtlich, in dem die Triebwerkswand 13 erfindungsgemäß aus einer dünnen Innenwandseite 11 und einer relativ dicken Außenwand­ seite 12 besteht und auch gleichzeitig über eine höhere Zahl von Kühlkanälen 5 verfügt, die eine große radiale Höhe a und eine kleine Umfangsbasis b besitzen.

Diese kleine Unfangsbasis b bei vorgegebener Kühlkanal­ höhe dient zur Stützung der dünnen Innenwandseite 11 gegen den hohen Brennkammerdruck. Mit der dünneren Innenwandseite 11 wird nämlich erreicht, daß aufgrund der geringeren wärmeleitenden Masse die Temperaturdif­ ferenz zwischen der heißen Brennkammerseite und der ge­ kühlten Kühlkanalseite der Innenwandseite 11 verringert wird. Das bedeutet, daß dadurch der Druckverlust in der Kühlmittelströmung reduziert wird.

Um nun die Kühlleistung weiter zu verbessern, ist nach der Fig. 2 vorgesehen, einen Zufuhrkanal 1 für die Kühlmittelzuführung und einen weiteren Kanal 14 zur Rückführung des Kühlmittels an der Außenseite der Triebwerkswand 13 anzuordnen. Der Zufuhrkanal 1 und der Abfuhrkanal 14 stehen durch die Ein- und Auslaßbohrun­ gen 2, 10 über die Kammer 3 und über die weitere Kammer 8 mit den Kühlkanälen 5 in Wirkverbindung, wobei hierzu die Triebwerkswand 13 im Bereich der Kammern 3, 8 mit Bohrungen 4, 9 versehen ist. Die Kammern 3, 8 sind in ihrer Bauhöhe derart ausgebildet, daß sie zur Vermei­ dung einer thermischen Kopplung als Abstandhalter zwischen der Triebwerkswand 13 und den Kanälen 1, 14 dienen. Die Richtung der Kühlmittelführung im Zufuhr­ kanal 1 und im Abfuhrkanal 14 ist beispielsweise mit 6 und 7 bezeichnet.

Aus der Fig. 3 geht in schematischer Darstellung die erfindungsgemäße Kühlmittelführung in der Triebwerks­ wand 13 hervor. Dabei kann sowohl der Abstand e zwischen dem Kühlmitteleinlaß und -auslaß in der Triebwerkswand 13 als auch in dieser die Länge der Kühlstrecke f je nach Bedarf variiert werden, wobei die Kühlkanäle 5 parallel bis quer zur Längsachse L des Triebwerkes in dessen Triebwerkswand 13 mit der ent­ sprechenden Zuordnung der Kammern 3, 8 mit den Kanälen 1, 14 angeordnet sein können.

Claims (1)

1. Anordnung zum Kühlen der Brennkammer- und Düsenwände von Raketentriebwerken, mit einer Vielzahl von dicht nebeneinanderliegenden, in Triebwerkslängsrichtung oder schräg dazu schraubenlinienförmig verlaufenden Kühlkanälen in den Wänden, mit mindestens zwei die Kühlkanäle verbin­ denden, ringförmigen Kammern für die Zu- und Abfuhr des Kühlmittels, sowie mit mindestens je einem in die entsprechende Kammer mündenden Zu- bzw. Abfuhrkanal, wobei die Wände aus einer, nicht von Kühlkanälen durch­ setzten, dünnen Innenwandseite und einer relativ dicken Außenwandseite bestehen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kühlkanäle (5) einen recht­ eckigen Querschnitt mit gegenüber der Umfangsbasis (b) großer radialer Höhe (a) aufweisen und daß die Kühlka­ näle (5) über ihre Länge in mehrere Einzelabschnitte (Kühlstrecke f) mit je einer Kammer (3) für die Zufuhr und einer Kammer (8) für die Abfuhr des Kühlmittels aufgeteilt sind, und daß alle Kammern (3) über mindes­ tens einen gemeinsamen Zufuhrkanal (1), alle Kammern (8) über mindestens einen gemeinsamen Abfuhrkanal (14) verbunden sind.