DE602005000196T2

DE602005000196T2 - Ringförmiges Kühlmittelsammelrohr

Info

Publication number: DE602005000196T2
Application number: DE602005000196T
Authority: DE
Inventors: Jim A. Jupiter Clark; Mark Royal Palm Beach Ricciardo
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2025-02-11
Also published as: US7373774B2; EP1564398A1; EP1564398B1; RU2283965C1; US20050178106A1; JP2005226640A; DE602005000196D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Kühlen einer Brennkammer einer Maschine, beispielsweise eines Raketentriebwerks, und insbesondere eine ringförmige Kühlmittelsammeleinrichtung mit verbesserter Leistungsfähigkeit zur Verwendung in der Maschine.
In einem typischen Raketentriebwerk, wie in 1 oder dem Dokument EP 0 697 515 A gezeigt, strömt Kühlmittel durch eine Mehrzahl von Rohren oder Passagen 10, welche die zylinderförmige Wand 14 einer Raketenbrennkammer 16 bilden. Das Kühlmittel wird mit einer relativ hohen Geschwindigkeit in eine ringförmige Kühlmittelsammeleinrichtung 18 abgegeben, die typischerweise eine einzige (nicht gezeigte) Abgabeöffnung hat. Die Strömung durch einzelne Rohre oder Passagen 10 wird durch die Drücke in der Kühlmittelsammeleinrichtung 18 beeinflusst. Da eine gleichförmige Strömung durch alle Rohre oder Passagen 10 wünschenswert ist, sollten die Drücke in der Kühlmittelsammeleinrichtung 18 so gleichförmig wie möglich sein.
Typische Raketentriebwerksanwendungen erfordern, dass der Gesamtkühlmitteldruckverlust minimiert ist, so dass die Triebwerksleistung optimiert sein kann. Je höher der Kühlmitteldruckverlust ist, desto höher ist der erforderliche Pumpdruck, um das Kühlmittel durch das Triebwerk zu drücken. Um zum Minimieren des Gesamtkühlmitteldruckverlustes beizutragen, sollten die mit der Kühlmittelsammeleinrichtung 18 einher gehenden Druckverluste minimiert sein.
In dem aktuellen System, wie in 1 gezeigt, wird Kühlmittel von den einzelnen Rohren oder Passagen 18 radial oder axial in die Kühlmittelsammeleinrichtung 18 abgegeben. Sobald das Kühlmittel in die Sammeleinrichtung 18 gelangt, muss es um 90° drehen und umfangsmäßig in Richtung zu der Abgabeöffnung der Sammeleinrichtung strömen. Diese abrupte und unkontrollierte Kehre ist die Quelle für signifikanten Druckverlust in der Sammeleinrichtung 18. Außerdem baut sich in der ringförmigen Sammeleinrichtung 18 ein Druckgradient auf, um das Kühlmittel in Richtung zu der Abgabeöffnung der Sammeleinrichtung zu drücken, wobei der höchste Druck 180° von der Abgabeöffnung angeordnet ist. Dieser Druckgradient trägt zu einer ungleichförmigen Strömung in den Kühlmittelrohren oder -passagen bei.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Folglich ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Sammeleinrichtungsstruktur zur Verwendung beim Kühlen von Brennkammern in einer Maschine bereitzustellen, welche den Druckverlust in der Sammeleinrichtung verringert.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Sammeleinrichtungsstruktur wie vorangehend bereitzustellen, welche die Druckgleichförmigkeit in den Kühlmittelrohren oder -passagen und der Sammeleinrichtung verbessert.
Die vorgenannten Ziele werden durch die ringförmige Kühlmittelsammeleinrichtung der vorliegenden Erfindung verbesserter Leistung erzielt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein System zum Kühlen einer Brennkammer eine Maschine breit gefasst eine Mehrzahl von Kühlmittelrohren oder -passagen, die die Brennkammer umgeben, eine ringförmige Kühlmittelsammeleinrichtung zum Aufnehmen des Kühlmittels von den Kühlmittelrohren oder -passagen und zum Abgeben des Kühlmittels durch eine Abgabeöffnung, und eine Einrichtung in der ringförmigen Sammeleinrichtung auf zum Verringern des Druckverlustes und zum Verbessern der Druckgleichförmigkeit, die zu der ringförmigen Kühlmittelsammeleinrichtung gehören. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Einrichtung zum Verringern des Drucks und zum Verbessern der Druckgleichförmigkeit eine Mehrzahl von Dreh-Leitelementen auf, die in die ringförmige Kühlmittelsammeleinrichtung ragen.
Andere Details der ringförmigen Kühlmittelsammeleinrichtung verbesserter Leistung der vorliegenden Erfindung sowie weitere damit einher gehende Vorteile sind in der folgenden detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen ausgeführt, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Kühlmittelsammeleinrichtung des Stands der Technik für eine Raketentriebwerksbrennkammer;
2 zeigt eine Kühlmittelsammeleinrichtung für eine Maschinenbrennkammer gemäß der vorliegenden Erfindung; und
3 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Kühlmittelsammeleinrichtung von 2.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
Es ist nun mit Bezugnahme auf die 2 und 3 ein verbessertes System 30 zum Kühlen einer Brennkammer 32 einer Maschine, beispielsweise eines Raketentriebwerks, wird gezeigt. Das System 32 hat eine Mehrzahl von Rohren oder Passagen 34, welche die zylindrische Wand der Brennkammer 32 bilden. Die Kühlmittelrohre oder -passagen 34 werden verwendet, um ein Kühlfluid von einer Quelle (nicht gezeigt) des Fluids zu einer ringförmigen Kühlmittelsammeleinrichtung 36 zu transportieren.
Die ringförmige Kühlmittelsammeleinrichtung 36 ist einem Ende 38 eines jeden Kühlmittelrohrs oder einer jeden Kühlmittelpassage 34 benachbart angeordnet. Die ringförmige Kühlmittelsammeleinrichtung 36 hat eine Abgabeöffnung 40. Während üblicherweise die Sammeleinrichtung 36 eine einzige Abgabeöffnung 40 hat, kann sie eine Mehrzahl derartiger Öffnungen haben, falls dies erwünscht ist.
Wie man aus den 2 und 3 erkennen kann, ist eine Mehrzahl von Leitelementen 44 in der Sammeleinrichtung 36 vorgesehen. Jedes Leitelement 44 ist mit einem entsprechenden Kühlmittelrohr oder einer entsprechenden Kühlmittelpas sage 34 ausgerichtet und ist einer Öffnung 46 in dem entsprechenden Kühlmittelrohr oder der entsprechenden Kühlmittelpassage 34 benachbart angeordnet. Jedes Leitelement 44 wird verwendet, um die Kühlmittelströmung, welche das entsprechende Kühlmittelrohr oder die entsprechende Kühlmittelpassage 34 verlässt, aus einer radialen oder axialen Richtung zu einer tangentialen Richtung, d.h. in Richtung der Sammeleinrichtungsabgabeöffnung(en) 40, zu drehen. Die Dreh-Leitelemente 44 eliminieren größtenteils die plötzlichen Expansions- und Mischverluste, die man bei aktuellen Sammeleinrichtungen sieht.
Wie man aus den 2 und 3 erkennt, sind die Leitelemente 44 in die innere Wand der Sammeleinrichtung 36 inkorporiert oder in der Sammeleinrichtung angeordnet, so dass die Leitelemente 44 die Volumenströmung des Kühlmittels in Richtung der Sammelabgabeöffnung(en) 40 nicht behindern.
Das relativ schnelle die Dreh-Leitelemente 44 verlassende Kühlmittel wirkt als eine Strahlpumpe für die Masse des Kühlmittels, welches in Richtung der Abgabeöffnung 40 strömt. In der Folge lösen die Dreh-Leitelemente im Wesentlichen, wenn nicht gar komplett, sowohl die Probleme des Druckverlusts als auch der Gleichförmigkeit, die mit den ringförmigen Kühlmittelsammeleinrichtungen des Stands der Technik verbunden waren.
Wie man aus den 2 und 3 erkennen kann, können die Dreh-Leitelement 44 unterschiedliche Krümmungsmaße oder -längen haben. Beispielsweise können die Dreh-Leitelemente 44 so konfiguriert sein, dass sie wiederholende Muster von vier Leitelementen haben, wobei das Leitelement 44' mit der größten Erstreckung zwischen zwei Leitelementen 44'' mit der kleinsten Erstreckung positioniert ist, und ein Leitelement 44''' mit einer mittleren Erstreckung zwischen zwei der Leitelemente 4" positioniert ist.
Obwohl die ringförmigen Kühlmittelsammeleinrichtungen in dem Kontext von Kühlsystemen für Raketentriebwerke beschrieben wurde, sollte man erkennen, dass die ringförmigen Kühlmittelsammeleinrichtungen der vorliegenden Erfindung in anderen Maschinentypen und Vorrichtungen verwendet werden können, die komprimiertes Gas sammeln.
Man erkennt, dass gemäß der vorliegenden Erfindung eine ringförmige Kühlmittelsammeleinrichtung verbesserter Leistung bereitgestellt wurde, welche die Ziele, Mittel und Vorteile, die vorangehend ausgeführt wurden, vollständig erfüllt. Obwohl die vorliegende Erfindung in dem Kontext spezieller Ausführungsformen davon beschrieben wurde, werden Fachleuten, welche die vorangehende Beschreibung gelesen haben, andere Alternativen, Modifikationen und Variationen ersichtlich werden. Folglich sollen die Alternativen, Modifikationen und Variationen als in den breiten Umfang der angefügten Ansprüche fallend eingeschlossen sein.

Claims

System zum Kühlen einer Brennkammer (32) einer Maschine, aufweisend: eine Mehrzahl von Kühlmittelrohren (34) oder -passagen (34), welche die Brennkammer (36) umgeben; eine ringförmige Kühlmittelsammeleinrichtung (36) zum Erhalten von Kühlmittel von den Kühlmittelrohren oder -passagen (34) und zum Abgeben des Kühlmittels durch eine Abgabeöffnung (40); und eine Einrichtung (44) in der ringförmigen Sammeleinrichtung (36) zum Verringern des Druckverlustes und Verbessern der Druckgleichförmigkeit, die mit der ringförmigen Kühlmittelsammeleinrichtung (36) einhergehen.
System nach Anspruch 1, wobei die Kühlmittelrohre oder -passagen (34) eine Wand der Brennkammer (36) bilden.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einrichtung zum Verringern des Druckverlustes und Verbessern der Druckgleichförmigkeit eine Mehrzahl von Dreh-Leitelementen (44) aufweist, die in der Sammeleinrichtung (36) positioniert sind.
System nach Anspruch 3, wobei jedes der Dreh-Leitelemente (44) einem Ende einer Öffnung (46) in einem der Kühlmittelrohre oder einer der Kühlmittelpassagen (34) benachbart positioniert ist, so dass das eine Kühlmittelrohr oder die eine Kühlmittelpassage (34) verlassende Kühlmittelströmung von einer radialen oder axialen Richtung in eine tangentiale Richtung von den Dreh-Leitelementen (44) gedreht wird.
System nach Anspruch 3 oder 4, wobei mindestens einige der Dreh-Leitelemente (44) eine längere Erstreckung als andere der Dreh-Leitelemente (44) haben.
System nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei jedes der Dreh-Leitelement (44) einen bogenförmige geformten Bereich hat.
System nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Sammeleinrichtung (36) eine Abgabeöffnung (40) hat und die Dreh-Leitelemente (44) in einer Innenwand der Sammeleinrichtung (36) inkorporiert sind oder in der Sammeleinrichtung (36) positioniert sind, um die Volumenströmung des Kühlmittels in Richtung der Abgabeöffnung (40) nicht zu behindern.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Brennkammer (32) Teil einer Raketentriebwerks bildet.