DE69205145T2

DE69205145T2 - Vorrichtung zum Dämpfen der Hochfrequenzverbrennungsinstabilitäten in einer Brennkammer.

Info

Publication number: DE69205145T2
Application number: DE69205145T
Authority: DE
Inventors: Georges J. F-76000 Rouen Dorville; Jean-Paul F-27940 Notre Dame De L'isle Druart; Andre M. F-27950 Saint Just Huck; Alain M. F-75009 Paris Kernilis
Original assignee: Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1991-12-20
Filing date: 1992-12-14
Publication date: 1996-02-29
Anticipated expiration: 2012-12-15
Also published as: DE69205145D1; FR2685386B1; FR2685386A1; EP0549402B1; US5353598A; JPH05272412A; EP0549402A1

Description

Gebiet der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Dämpfen von Hochfrequenzverbrennungsinstabilitäten in einer Brennkammer, insbesondere eines Raketenantriebs, ausgehend von wenigstens einem mitschwingenden Hohlraum, der in Verbindung steht mit der Brennkammer.
Instabilitäten der Verbrennung können in allen Arten von Brennkammern auftreten, in denen sich starke Hitzeausbreitungen ergeben, diese sind jedoch speziell kritisch im Fall von Brennkammern von Raketenantrieben.
Die Verbrennungsinstabilitäten haben hauptsächlich die Zerstörung der Grenzfließschicht zur Folge, die normalerweise in der Nähe der inneren Seitenwände einer Brennkammer gebildet wird, und die ihnen darüber hinaus eine Schutzrolle sicherstellt. Diese Zerstörung der Grenzschicht bringt den unnormalen Anstieg der Temperatur der Seitenwände und die zunehmende Zerstörung des Injektors und der Kammer durch Abbrennen mit sich.
Die Hochfrequenzinstabilitäten übertragen weiterhin im Inneren der Antriebsanordnung Vibrationen, die in der Lage sind, gewisse Organe zu zerstören.

Stand der Technik

Es wurde bereits vorgeschlagen, die Instabilitäten in den Brennkammern von Rakentenantrieben mit Hilfe von mitschwingenden akustischen Hohlräumen zu reduzieren.
So ist durch die FR-A-2 570 129 eine Vorrichtung zum Dämpfen der Vibrationen im Inneren der Brennkammer von Raketenantrieben mit flüssigen Brennstoffen bekannt, wobei diese Dämpfungsvorrichtung durch eine Mehrzahl von Hohlräumen in Form von Flakons gebildet ist, die am Boden der Brennkammer angeordnet sind, zwischen den Injektoren, sogar im Inneren des Einspritzkopfes, und die mit dem Inneren der Brennkammer durch Kanäle kommunizieren, die zwischen den Austrittsöffnungen der Injektoren münden.
Eine derartige Vorrichtung, die darauf abzielt so nahe wie möglich der Injektoren zu wirken, erlaubt jedoch nicht, wirksam alle Instabilitätsphänomene zu beseitigen, die sich in einer Brennkammer bilden, und impliziert vor allem das Einsetzen einer großen Anzahl von Dämpfungskammern von großem Volumen, von der Art, die als Helmholtz-Resonator wirken, was die Ausführung des Einspritzkopfes komplexer und teurer macht, wobei die Dimensionen von diesem vergrößert werden und eine Anpassung an vorbestehende Brennkammern schwieriger wird, in dem Maße, in dem die Einspritzkopfanordnung erneut zu überarbeiten ist.
Es wurde ebenfalls vorgeschlagen, mitschwingende akustische Hohlräume von relativ großem Volumen, insbesondere vom Typ Helmholtz-Resonator außerhalb des Einspritzkopfes vorzusehen, jedoch so nahe wie möglich zu diesem. Das große Volumen der Hohlräume führt jedoch zu praktischen ausführungsproblemen.
Es ist ebenfalls bekannt, im Inneren der Brennkammer akustische Absorptionsvorrichtungen zu installieren, die durch eine zylindrische Schürze gebildet werden, die mit über die gesamte Schürze verteilten Öffnungen durchsetzt ist, derart, daß eine doppelte Seitenwand um die Brennkammer herum gebildet wird, wobei die Brenngase durch die Öffnungen hinter die Schürze eindringen können, um ein oszillierendes System zu bilden, das in der Lage ist, die Verbrennungsinstabilitäten zu dämpfen.
Derartige Schürzen sind jedoch ziemlich empfindlich und teuer in der Umsetzung, wobei ihre Eigenschaften im wesentlichen auf empirische Weise für jeden Typ von Brennkammer definiert werden müssen, und es ist schwierig, derartige Schürzen derart zu gestalten, daß sie zum Dämpfen von allen identifizierten signifikanten Amplitudenschwingungsfrequenzen in der Lage sind, die während des Betriebes auftreten können.
Schließlich wurde noch vorgeschlagen, mitschwingende akustische Hohlräume vom Resonatortyp mit Viertelwelle zu verwenden, die die Form von Rohren aufweisen. Die lokalisierte Aktion oder Wirkung derartiger Hohlräume erlaubt jedoch nicht, wirksam alle Vibrationen aufgrund von Drehungen der Zonen, die die Druckbäuche bilden, zu entfernen oder zu dämpfen, und die tangentiellen Vibrationsersarten werden nicht korrekt gedämpft.

Aufgaben und kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung zielt darauf ab, eine Dämpfung oder wirksame Eliminierung der Hochfrequenzverbrennungsinstabilitäten in einer Brennkammer zu ermöglichen, insbesondere von einem Raketenantrieb, ohne dabei die Masse oder den Platzbedarf der Brennkammer wesentlich zu erhöhen und ohne substantielle Veränderungen der Herstellungstechnologie der bestehenden Verbrennungskammern zu benötigen.
Die Erfindung zielt weiterhin darauf ab, auf präzise und wirksame Weise gleichzeitig auf mehrere zu dämpfende Vibrationsfrequenzen einzuwirken, wobei eine gewisse Freiheit in der praktischen Umsetzung der Dämpfungseinrichtungen angeboten wird.
Diese Ziele werden dank eines Systems zum Dämpfen der Hochfrequenzverbrennungsinstabilitäten in einer Brennkammer erreicht, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß sie wenigstens einen mitschwingenden akustischen Hohlraum aufweist, der um die Brennkammer herum angeordnet ist, und eine Geometrie und Abmessungen aufweist, derart, daß er gleichzeitig als Viertelwellenresonator und als tangentielle Kopplung funktioniert, wodurch die Dämpfung gleichzeitig der Längsdruckwellen, der radialen Druckwellen, der tangentiellen Druckwellen und von Kombinationen dieser verschiedenen Wellentypen ermöglicht wird.
Auf spezifiziertere Weise, weist der mitschwingende akustische Hohlraum, der als Viertelwellenresonator und als tangentielle Kupplung dient, erfindungsgemäß auf:
a) einen ringförmigen Hauptbereich, dessen Schnitt durch eine axiale Halbebene eine sehr längliche Form mit einer Querabmessung "e" aufweist, die sehr klein ist bezüglich der Längsabmessung "L&sub1;", die sich selbst im wesentlichen parallel zur Symmetrieachse der Brennkammer erstreckt, wobei der mittlere Radius "R" des ringförmigen Hauptbereichs in der Nähe des Radius ist, der gleich den zu dämpfenden Vibrationsbereichen ist, und
b) einen ringförmigen Verbindungsbereich, der von dem ringförmigen Hauptbereich ausgeht, und in der Brennkammer in der Nähe eines Längs- oder Radialdruckbauches mündet, wobei der ringförmige Verbindungsbereich im Schnitt durch eine axiale Halbebene eine Länge "L&sub2;" und eine Querabmessung "h" aufweist, die sehr viel kleiner ist als die Summe der Längsabmessung "L&sub1;" des ringförmigen Hauptbereichs und der Länge "L&sub2;" des ringförmigen Verbindungsbereichs.
In der Praxis können die Querabmessung "e" des ringförmigen Hauptbereichs und die Querabmessung "h" des ringförmigen Verbindungsbereichs des mitschwingenden akustischen Hohlraums zwischen ungefähr einigen zehntel Millimetern und ungefähr zehn Millimetern betragen.
In allen Fällen ist die Querabmessung "e" sehr viel kleiner als die Länge des ringförmigen Hauptbereichs und demzufolge ebenfalls sehr viel kleiner als die Wellenlänge der zu dämpfenden Vibrationen, denen der akustische Hohlraum angepaßt ist.
Die Erfindung ermöglicht Vibrationen oder Schwingungen zu dämpfen, deren Frequenzen zwischen einigen hundert Hertz und etwa zehn Kilohertz betragen.
Das Vorhandensein eines ringförmigen Hauptbereichs oder - abschnitts ermöglicht ein Dämpfen der tangentiellen Formen sicherzustellen, hindert jedoch nicht die Möglichkeit, unterschiedliche Schwingungsfrequenzen zu dämpfen, entweder durch das Vorsehen von mehrfachen Hohlräumen, oder durch das Erzeugen von Abschnitten veränderter Länge im Inneren desselben ringförmigen Hohlraums.
So weist gemäß einer besonderen Ausführungsform der ringförmige Hauptbereich an dem Umfang der Brennkammer Abschnitte von unterschiedlichen Längen entsprechend unterschiedlichen Dämpfungsfrequenzen auf, wobei die Bodenwand, die entgegengesetzt zur Zone ist, in der der ringförmige Verbindungsabschnitt beginnt, mit unterschiedlichen Abständen vom ringförmigen Verbindungsabschnitt angeordnet ist, jedoch mit einem minimalen Abstand, um ein Dämpfen beim tangentiellen Koppeln zu ermöglichen.
In diesem Fall weist die Bodenwand gemäß einer spezifizierteren Ausführungsform, die entgegengesetzt zur Zone angeordnet ist, in der der ringförmige Verbindungsbereich beginnt, eine Ausbildung oder Entwicklung in Leiter- oder Treppenstufen auf.
Gemäß einer anderen spezifischen Ausführungsform, weist die Bodenwand gegenüber der Zone, in der der ringförmige Verbindungsbereich beginnt, eine alternative Entwicklung auf, deren Ansicht sinusförmig oder sägezahnförmig ist.
Das Dämpfungssystem kann gemäß der Erfindung mehrere akustische mitschwingende Hohlräume aufweisen, die unterschiedlichen Schwingungen angepaßt sind, wobei sie mehrere ringförmige koaxiale Hauptabschnitte aufweisen, die in ringförmige Verbindungsbereiche münden, die wenigstens einen gemeinsamen Bereich aufweisen, der in der Brennkammer mündet.
Das Dämpfungssystem kann weiterhin mehrere mitschwingende akustische Hohlräume aufweisen, die unterschiedlichen Schwingungen angepaßt sind, wobei sie ringförmige Verbindungsbereiche aufweisen, die auf unterschiedlichen Niveaus der Brennkammer münden.
Für jeden mitschwingenden akustischen Hohlraum kann der ringförmige Verbindungsbereich in einer Zone beginnen, die entweder im oberen Endabschnitt oder im unteren Endabschnitt des ringförmigen Hauptabschnitts beginnt.
Der ringförmige Verbindungsabschnitt kann selbst in der Brennkammer über einen kreisförmigen Spalt münden, der am gesamten Umfang der Kammer ausgebildet ist, oder durch einen diskontinuierlichen kreisförmigen Spalt münden, der in einer Ebene senkrecht zur Achse der Brennkammer angeordnet ist.
Vorteilhafterweise weist der ringförmige Hauptabschnitt im Schnitt durch eine axiale Halbebene im wesentlichen die Form eines sehr länglichen Rechtecks auf, unabhängig von seiner Konfiguration, so daß es möglich ist, dem akustischen Hohlraum Kühlkanäle zuzuordnen, die an diesem entlanglaufen.
Ein erfindungsgemäßes Dämpfungssystem kann auf besonders einfache und wirksame Weise dadurch erzeugt werden, daß ein ringförmiger akustischer Hohlraum verwendet wird, dessen ringförmiger Hauptbereich hinter dem Kragen der Düse angeordnet ist, und einen Radius "R" aufweist, der im wesentlichen gleich dem Radius "Ro" der Brennkammer ist.
Der ringförmige Verbindungsbereich mündet vorteilhafterweise in der Brennkammer auf der Höhe des oberen Viertels des Bereichs, der den Kragen oder Hals der Düse bildet.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform, die besonders einfach umzusetzen ist, und die den Platzbedarf nicht erhöht, ist der ringförmige Verbindungsbereich aus einem kontinuierlichen Spalt gebildet, der zwischen einem unteren Haupteinsatz und einem oberen zweiten Einsatz ausgebildet ist, der den Kragen oder Hals der Düse definiert, und der ringförmige Hauptbereich ist zwischen der Außenseite des unteren Haupteinsatzes und der Innenseite der Wand angeordnet, die die Brennkammer begrenzen, und auf der der untere Haupteinsatz und der obere Zweiteinsatz angebracht sind.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform, die ebenfalls eine sehr einfache Ausführungsform darstellt, ist der ringförmige Verbindungsbereich durch einen unterbrochenen Spalt gebildet, der am Umfang der Brennkammer in einem einzigen einstückigen Einsatz ausgebildet ist, der den Kragen der Düse definiert, und der ringförmige Hauptbereich ist zwischen der Außenseite des einzigen einstückigen Einsatzes und der Innenseite der Wand angeordnet, die die Brennkammer begrenzt, und auf der der einzige einstückige Einsatz angebracht ist.
Im Rahmen eines Raketenantriebs, dessen Düse durch parallele vertikale oder schraubenförmige Kühlkanäle gekühlt wird, kann das erfindungsgemäße Dämpfungssystem leicht in Form eines zylindrischen Kranzes ausgebildet sein, der um die Düse angebracht ist, um einen mitschwingenden akustischen Hohlraum zu definieren. Der ringförmige Verbindungsbereich des akustischen Hohlraums kann so in der Brennkammer durch eine Reihe von Spalte münden, die in der Seitenwand der Düse zwischen den Kühlkanälen ausgebildet sind.
Im Falle eines Raketenantriebs, dessen Düse ausgehend von geschweißten oder gelöteten Kühlrohren gebildet wird, kann das erfindungsgemäße Dämpfungssystem ebenfalls leicht verwirklicht werden, in Form eines zylindrischen Kranzes, der um die Düse angebracht ist, um einen mitschwingenden akustischen Hohlraum zu definieren. Der ringförmige Verbindungsbereich kann so in der Brennkammer über eine Reihe von Kanälen oder Passagen münden, die durch Einschnürbereiche von Rohren gebildet werden, die die Seitenwand der Düse bilden.
In den beiden vorgenannten Ausführungsformen, kann der zylindrische zusammengesetzte Kranz aus mehreren durch Schweißen zusammengefügten Abschnitten gebildet werden.
Jeder mitschwingende akustische Hohlraum vom Typ Resonator der Viertelwelle ist der Sitz von stationären Wellen und absorbiert etwas von der zu dämpfenden Schwingungsenergie unter der Form einer viskosen Reibung, die zu einem Freisetzen von Wärme führt, die etwas die Temperatur der Wände erhöht, über jene hinaus, die aus der reinen Wärmezufuhr der Brenngase herrühren würde.
Ein Kühlkreislauf kann so nützlich dem mitschwingenden akustischen Hohlraum zugeordnet werden und kann leicht realisiert werden, insbesondere wenn der Hohlraum in Form eines zusammengesetzten zylindrischen Kranzes ausgebildet ist.
Im Falle eines Raketenantriebs, dessen Düse aus zwei durch Flansche zusammengesetzten Bereichen gebildet ist, kann der akustische mitschwingende Hohlraum durch Wände begrenzt werden, die entsprechend jeweils einem jeden der beiden Bereiche zugehören, die die Düse bilden. In diesem Fall wird der mitschwingende akustische Hohlraum mittels Kühlkanälen gekühlt, die entsprechend einem jeden der beiden Bildungsbereiche zu der Düse gehören und sind mit Kühlkanälen der Wand der Düse in Verbindung.
Gemäß einer besonderen möglichen Ausführungsform ist der ringförmige Hauptbereich des akustischen mitschwingenden Hohlraums zwischen einer Verstärkung der Seitenwand der Düse und einer Trennwand ausgebildet, die auf der Seite der Brennkammer angeordnet ist, wobei Einrichtungen zum Kühlen mit Hilfe eines Ergol-Films der Trennwand auf der entgegengesetzten Seite zu dieser vorgesehen sind, die den ringförmigen Hauptbereich begrenzen, und der ringförmige Verbindungsbereich beginnt in einer Zone, die in dem unteren Bereich des ringförmigen Hauptbereichs angeordnet ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von verschiedenen Ausführungsbeispielen, die als nicht einschränkende Beispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen angegeben werden, in denen:
- die Figur 1 eine axiale Halbschnittansicht eines Abschnitts der Düse des Raketenantriebs ist, dessen Hals oder Kragen durch einen Einsatz definiert wird und der mit einem akustischen mitschwingenden Hohlraum gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ausgerüstet ist,
- die Figur 1a eine Teilansicht der Figur 1 ist, die eine Ausführungsvariante des mitschwingenden akustischen Hohlraums zeigt,
- die Figuren 2 und 3 schematische Ansichten im axialen Halbschnitt einer Brennkammer sind, die zwei mögliche Konfigurationen der mitschwingenden akustischen Hohlräume gemäß der Erfindung zeigen, wobei der Hauptbereich des Hohlraums entsprechend unterhalb beziehungsweise oberhalb des Verbindungskanals mit der Brennkammer angeordnet ist,
- die Figuren 2a und 3a schematische Ansichten im axialen Halbschnitt einer Brennkammer sind, die Ausführungsvarianten der akustischen mitschwingenden Hohlräume von Figuren 2 und 3 zeigen, mit entsprechend einem ringförmigen Hauptabschnitt des Hohlraums, der nicht strikt parallel zur Achse der Kammer ist, und einem ringförmigen Verbindungsbereich, der von einer radialen Ebene beabstandet ist, die senkrecht zur Achse der Kammer verläuft,
- die Figuren 4 bis 6 diverse Ausgestaltungen von Dämpfungssystemen gemäß der Erfindung zeigen, mit mehreren akustischen mitschwingenden Hohlräumen, die mit einer Brennkammer eines Raketenantriebs, im axialen Halbschnitt zusammenwirken,
- die Figur 7 eine analoge Ansicht zu jener von Figur 1 ist, entsprechend einer Ausführungsvariante, in der der akustische Hohlraum in der Brennkammer durch einen diskontinuierlichen Spalt mündet,
- die Figur 8 eine axiale Halbschnittansicht einer Düse eines Raketenantriebs ist, die aus zwei Teilen gebildet ist, die durch Flansche zusammengesetzt sind und mit einem gekühlten akustischen Hohlraum versehen ist, der zwischen den beiden die Düse bildenden Bereichen gesetzt ist,
- die Figur 9 eine axiale Halbschnittansicht einer Raketenantriebsdüse ist, die durch Kanäle gekühlt wird, mit einem zusammengesetzten zylindrischen Kranz, der einen erfindungsgemäßen ringförmigen akustischen Hohlraum bildet,
- die Figur 9A ein Detail der Ausführungsform gemäß dem Abschnitt IXA-IXA von Figur 9 zeigt,
- die Figur 10 eine axiale Halbschnittansicht einer Raketenantriebsdüse ist, die ausgehend von geschweißten Kühlrohren gebildet wird, versehen mit einem zusammengesetzten zylindrischen Kranz, der einen ringförmigen akustischen Hohlraum gemäß der Erfindung bildet und mit Kühleinrichtungen versehen ist,
- die Figur 11 eine axiale Halbschnittansicht einer Raketenantriebsdüse zeigt, die mit einem akustischen Hohlraum versehen ist, der zwischen einer Verstärkung der Seitenwand der Düse und einer inneren Trennwand der Brennkammer ausgebildet ist,
- die Figur 12 eine Halbschnittansicht in Perspektive, teilweise weggebrochen, einer Raketenantriebsdüse zeigt, dessen Hals oder Kragen durch einen Einsatz definiert ist, und die mit einem akustischen ringförmigen Hohlraum von abgestufter veränderlicher Höhe versehen ist,
- die Figur 13 eine perspektivische Halbansicht mit weggebrochenem Teil einer Raketenantriebsdüse ist, deren Hals oder Kragen durch einen Einsatz definiert ist, und die mit einem ringförmigen akustischen Hohlraum von veränderbarer Höhe gemäß einem sinusförmigen Ausgestaltungsgesetz versehen ist,
- die Figuren 14 und 15 Diagramme sind, die die Stapelung der relativen Druckveränderungen entsprechend für eine Brennkammer, die mit einem erfindungsgemäßen Dämpfungssystem ausgerüstet ist, beziehungsweise für eine Brennkammer, die ohne ein solches System ist, zeigen, ausgehend von einer Modellausbildung mit Kupplungsschwingungen gemäß einer ersten tangentiellen Ausführungsform und einer ersten Längs-Ausführungsform,
- die Figuren 16 und 17 Diagramme sind, die die Abstufungen der tiefen Druckschwingungen zeigen, entsprechend für eine Brennkammer, die mit einem erfindungsgemäßen Dämpfungssystem versehen ist, beziehungsweise für eine Brennkammer, die ohne ein solches System ist, ausgehend von einer Modellausführung mit Kupplungsschwingungen gemäß einer dritten Längsausführung.

Detaillierte Beschreibung von bestimmten Ausführungsformen

In Figur 1 ist eine Raketenantriebsdüse dargestellt, mit einer äußeren Seitenwand 1, die die Brennkammer 2 begrenzt, die sich nach unten um einen Abschnitt entsprechend zum Kragen oder Hals 4 der Düse verlängert und in dem weiter stromabwärtigen Bereich den Divergierer oder Trichter 3 der Düse bildet.
Ein Haupteinsatz 5, der von einem Drehteil gebildet wird, das metallisch oder aus Verbundmaterialien oder keramischen Materialien sein kann, ist in das Innere der zylindrischen Seitenwand 1 der Düse gebracht, um den Hals oder Kragen 4 der Düse zu bilden, durch den die heißen Gase in Richtung des Austrittskonus oder Divergierers 3 ausgeworfen werden.
Der Haupteinsatz 5 weist an seinem unteren äußeren Bereich einen Zentrierungskranz 55 auf, der auf einer Schulter 35 ruht, die durch die Seitenwand 1 der Brennkammer am oberen Bereich des Zerstreuers 3 ausgebildet ist. Der Zentrierungskranz 55, der in Berührung mit der Seitenwand 1 ist, springt um einen Abstand "e" bezüglich der äußeren zylindrischen Seite des Haupteinsatzes 5 derart vor, daß ein ringförmiger Einsatz 20, der von zwei zylindrischen koaxialen Oberflächen definiert wird, zwischen dem Haupteinsatz 4 und der äußeren Seitenwand 1 der Düse gebildet wird.
Ein Zusatzeinsatz 6, der ebenfalls von einem Drehteil gebildet wird, ist beispielsweise durch Schweißen oder Kleben an das Innere der Seitenwand 1 der Brennkammer 2 gesetzt, um einen konvergierenden Abschnitt zwischen den im wesentlichen zylindrischen Abschnitt der Seitenwand 1 der Brennkammer 2 und dem Kragen 4 der Düse zu definieren, die von dem Haupteinsatz 5 definiert wird. Ein kontinuierlicher ringförmiger Spalt 10, dessen Neigung irgendwie bezüglich der Achse der Düse sein kann, der jedoch in der Brennkammer 2 in der Nähe eines Längsdruckbauches oder radialen Druckbauches mündet, ist zwischen dem Haupteinsatz 5 und dem Zusatzeinsatz 6 ausgebildet. Der ringförmige Spalt 10, der eine kalibrierte Breite h und eine Länge L&sub2; in einer Richtung quer bezüglich der Düse aufweist, beginnt im ringförmigen Hauptbereich 20 des Hohlraums, der hinter dem Haupteinsatz 5 ausgebildet ist, um eine Verbindung zwischen diesem ringförmigen Hauptbereich 20 und der Brennkammer 2 sicherzustellen.
Der ringförmige Verbindungsspalt 10, im Beispiel der Figur 1, beginnt am oberen Ende des ringförmigen Hauptbereichs 20 und mündet in der Brennkammer 2 auf der Höhe des oberen Viertels der Einsatzanordnung 5, 6, die den Kragen 4 der Düse definieren.
Die Verwirklichung eines mitschwingenden akustischen Hohlraums 10, 20, der auf der Höhe des Kragens 4 einer Düse angeordnet ist, zwischen einer äußeren Seitenwand 1 und einem oder mehreren Einsätzen 5, 6, ist besonders einfach und erhöht weder den Platzbedarf noch die Masse der Raketenanordnung.
Der ringförmige Hauptbereich oder -abschnitt 20 des akustischen Hohlraums, dessen Querschnitt durch eine axiale Halbebene, wie in Figur 1 dargestellt, eine sehr längliche Form aufweist, die im wesentlichen rechtwinklig ist, mit einer Querabmessung e, die bezüglich der Längsabmessung L&sub1; sehr klein ist, weist im Fall von Figur 1 einen mittleren Radius R, der leicht geringer ist als der Radius Ro der Seitenwand 1 der Brennkammer 2 auf.
Der mitschwingende akustische Hohlraum 10, 20 von Figur 1 ist somit gut angepaßt an das Dämpfen von Vibrationsausführungen, deren äquivalenter Radius in der Nähe von jenem der Seitenwand 1 der Brennkammer 2 ist.
Die Gesamtlänge L des Profils des Hohlraums 10, 20, die der Summe der Längen L&sub1; und L&sub2; der Mittellinien der Querschnitte durch eine axiale Ebene des ringförmigen Hauptbereichs 20 beziehungsweise des ringförmigen Verbindungsspaltes 10 entspricht, hängt im wesentlichen vom Wert der zu dämpfenden Schwingungsfrequenzen ab.
Die Schwingungsfrequenzen, die den zu dämpfenden Verbrennungsinstabilitäten entsprechen, können zwischen einigen hundert Hertz und etwa zehn Kilohertz betragen.
Die Breite e des ringförmigen Hauptbereichs 20 und die Breite h des Verbindungsspaltes 10 sind in allen Fällen sehr viel kleiner als die Gesamtlänge L und können zwischen ungefähr einigen zehntel Millimeter und etwa zehn Millimeter betragen.
Diese Werte entsprechen jenen, die im Betrieb unter dem Druck von heißen Gasen existieren und können nicht ganz konstant sein.
Gemäß einer wesentlichen Eigenschaft der Erfindung weist der mitschwingende akustische Hohlraum 10, 20 geometrische und Abmessungseigenschaften auf, die einen Viertelwellenresonator bilden, unter Sicherstellen durch die ringförmige Konfiguration einer tangentiellen Kopplung.
Die Figur 1A zeigt eine Ausführungsvariante, in der eine Abstandshülse oder Zwischenhülse 7 gegen die Seitenwand der Brennkammer angeordnet ist, um das Halten eines vorbestimmten Abstands zwischen dem Haupteinsatz 5 und dem Zusatzeinsatz 6 zu garantieren, die gleichzeitig den Kragen 4 der Düse und die geometrischen Eigenschaften des akustischen Hohlraums 10, 20 definieren.
In Figur 1A ist ebenfalls ein kreisförmiger Verbindungsspalt 10 dargestellt, der nicht vom oberen Endbereich des Hauptbereichs 20 des Hohlraums ausgeht, wobei er so zwei mitschwingende Hohlräume von unterschiedlichen Längen erzeugt.
Die Figur 7 zeigt eine Ausführungsform sehr ähnlich zu jener von Figur 1 und 1A, jedoch ist bei dieser ein einzelner Einsatz 5, metallisch oder aus Verbundmaterial, an das Innere der Seitenwand 1 der Brennkammer 2 gebracht, um gleichzeitig den Kragen 4 und den akustischen Hohlraum 10, 20 zu definieren. Der obere Bereich 56 und der untere Bereich 55 des Einsatzes 5 bilden Zentrierungsmittel dieses Einsatzes bezüglich der Seitenwand 1, während der zentrale Bereich des Einsatzes 5, durch seine zylindrische Außenseite von einem Radius, der leicht geringer ist als jener der Seitenwand 1, den Hauptringbereich 20 des akustischen Hohlraums 10, 20 definiert.
Im Fall der Figur 7 ist der kreisförmige Verbindungsspalt 10 zwischen dem akustischen Hohlraum und der Verbrennungskammer diskontinuierlich und durch Abschnitte 13 unterbrochen, die nicht mündend sind.
Die Erfindung berücksichtigt tatsächlich sowohl den Fall von kreisförmigen mündenden Spalten 10, die über den gesamten Umfang der Brennkammer 2 (Figur 1) gebildet sind, als auch ringförmige Verbindungsbereiche 10, die in die Brennkammer 2 nur durch diskontinuierliche Spalten münden, wobei sie lokale Öffnungen definieren, die kreisförmig in einer Ebene verteilt sind, die senkrecht zur Achse der Brennkammer 2 verläuft.
Die Figuren 2 bis 6 und 2a, 3a zeigen unterschiedliche mögliche Fälle der Realisierung von akustischen Hohlräumen 10, 20 gemäß der Erfindung, d.h. von Hohlräumen, die sich wie Viertelwellenresonatoren mit Umfangskupplung verhalten, welche gleichzeitig das Dämpfen von Längsdruckwellen, Radialdruckwellen, Tangentialdruckwellen und Kombinationen von diesen unterschiedlichen Wellentypen ermöglichen, die in der Brennkammer 2 aufgrund von Verbrennungsinstabilitäten erzeugt werden.
In den Ausführungsformen von Figuren 1 und 7 ist der akustische Hohlraum 10, 20 auf der Höhe des Kragens 4 der Düse angeordnet und mündet in die Brennkammer 2 auf der Höhe des oberen Viertels des Einsatzes 5 oder der Einsätze 5, 6, die den Kragen 4 der Düse bilden. Eine derartige Anordnung ist wirkungsvoll, obwohl der Hohlraum 10, 20 vom Einspritzkopf des Raketenantriebs entfernt ist.
Gegenüber einer tangentiellen Kopplung ist es vorzuziehen, einen akustischen Hohlraum vorzusehen, dessen Radius des ringförmigen Hauptbereichs 20 nicht zu unterschiedlich ist von jenem der Seitenwand der Brennkammer 2.
In der Ausbildung von Figur 2 ist ein erfindungsgemäßer akustischer Hohlraum 10, 20 dargestellt, der koaxial zur Brennkammer 2 verläuft, mit einem ringförmigen Verbindungsbereich 10, der in die Brennkammer unmittelbar oberhalb des Kragens 4 mündet, und einem ringförmigen Hauptbereich 20, der bezüglich des ringförmigen Verbindungsbereichs 10 nach unten ausgerichtet ist, der außerhalb der Seitenwand 1 der Kammer 2 angeordnet ist.
Die Figur 3 betrifft eine weitere mögliche Ausführungsform, die zeigt, daß der ringförmige Hauptbereich 20 eines akustischen Hohlraums 10, 20 bezüglich des ringförmigen Verbindungsbereichs 10 nach oben ausgerichtet werden kann, und nicht zwangsweise auf der Höhe des Kragens 4 der Düse angeordnet ist.
Die Figuren 2a und 3a zeigen Ausbildungsvarianten der Figuren 2 beziehungsweise 3. So zeigt die Figur 2a, daß der ringförmige Hauptbereich 20 des Hohlraums eine gewisse Neigung bezüglich der Achse der Brennkammer 2 aufweisen kann und somit nicht durch strikt zylindrische Seitenwände begrenzt werden kann. Die Figur 3a zeigt auf dieselbe Weise, daß der ringförmige Verbindungsbereich 10 ziemlich stark geneigt sein kann, bezüglich einer radialen Ebene, die senkrecht zur Achse der Kammer 2 verläuft. Eine Kombination der Ausführungsformen der Figuren 2a und 3a ist selbstverständlich möglich.
Die Figuren 4 und 6 zeigen, daß es möglich ist, mit derselben Brennkammer 2 gleichzeitig mehrere akustische mitschwingende Hohlräume zu erzeugen, die, gemäß der Erfindung, als Viertelwellenresonatoren und mit tangentieller Kopplung funktionieren.
Die Figur 4 zeigt die Ausführungsform von zwei akustischen mitschwingenden Hohlräumen 11, 21 und 12, 22, die ringförmige Hauptbereiche 21, 22 aufweisen, die konzentrisch und von unterschiedlicher Länge sind, um unterschiedlichen Frequenzen angepaßt zu werden. Die Figur 4 zeigt darüber hinaus, daß unterschiedliche Hohlräume 11, 21 und 12, 22 in der Brennkammer 2 auf demselben Niveau durch einen ringförmigen gemeinsamen Verbindungsbereich 11 münden können.
Die Ausführungsform von Figur 5 ist ähnlich zu jener von Figur 4, sie zeigt jedoch zwei mitschwingende akustische Hohlräume 11, 21 und 12, 22, die bei Mündung in die Brennkammer 2 auf demselben Niveau bezüglich des ringförmigen gemeinsamen Verbindungsbereichs 11 unterschiedlich ausgerichtet sind, wobei der Hohlraum 11, 12 nach unten gerichtet ist, während der Hohlraum 12, 22 nach oben gerichtet ist.
Die Figur 6 zeigt noch eine weitere Ausführungsform mit mehreren mitschwingenden akustischen Hohlräumen. Ein erster mitschwingender Hohlraum 11, 22 weist einen zylindrischen ringförmigen Hauptbereich 21 auf, der hinter der Seitenwand 1 der Brennkammer 2 angeordnet ist, auf der Höhe des Kragens 4 der Düse und mit einem Radius, der kaum größer ist als jener der Seitenwand 1. Ein zweiter mitschwingender Hohlraum 12, 22 weist einen ringförmigen Hauptbereich 22 auf, der konzentrisch ist zum ringförmigen Hauptbereich 21, außerhalb von diesem, und nach unten gerichtet, jedoch von reduzierter Länge, und mit einem ringförmigen Verbindungsbereich 12, der in dem ringförmigen Verbindungsbereich 11 mündet. Ein dritter mitschwingender Hohlraum 10, 20 ist im oberen Bereich der Brennkammer 2 angeordnet, außerhalb der Seitenwand 1 und mündet in die Brennkammer 2 etwas unterhalb der Einspritzzone der Brennstoffe durch einen ringförmigen Verbindungsbereich 10, der unabhängig ist von den ringförmigen Verbindungsbereichen 11, 12 der beiden anderen Hohlräume.
Verschiedene Kombinationen der gemeinsamen Ausführungsformen der Figuren 2 bis 6, 2a, 3a und besondere Ausführungsformen der Figuren 1 und 7 bis 13 sind selbstverständlich möglich.
Wie es unter Bezugnahme auf die Figuren 4 bis 6 angegeben wurde, können mehrere mitschwingende akustische unterschiedliche Hohlräume, die als Viertelwellenresonatoren und mit tangentieller Kupplung funktionieren derselben Brennkammer 2 zugeordnet werden, um unterschiedliche Schwingungsfrequenzen zu dämpfen. Ein selber akustischer Hohlraum 10, 20 kann jedoch angepaßt werden, um unterschiedliche Frequenzen zu dämpfen, wobei er die Kapazität beibehält, tangentielle Formen zu dämpfen. Diese Möglichkeit ist in den Figuren 12 und 13 dargestellt, die einer Ausführungstechnologie entsprechen können, wie sie unter Bezugnahme auf die Figuren 1, 1A und 7 beschrieben ist.
Die Figur 12 zeigt einen Hohlraum 10, 20, dessen ringförmiger Hauptbereich 20 am Umfang der Brennkammer 2 Abschnitte von unterschiedlicher Länge aufweist, die an ihrem Ende entgegengesetzt zum ringförmigen Verbindungsbereich 10 durch eine abgestufte Bodenwand 80 begrenzt sind, die von einer Anordnung von aufeinanderfolgenden Treppenstufen oder Leiterstufen 81 bis 84 gebildet ist. Ein Raum von ausreichend großer Länge bezüglich der Querabmessung e des ringförmigen Hauptbereichs 20 muß natürlich vorbehalten werden zwischen der obersten Stufe 84 und dem ringförmigen Verbindungsbereich 10, der ein kontinuierlicher Spalt sein kann, oder wie in Figur 12 dargestellt, ein diskontinuierlicher Spalt sein kann.
Die Figur 13 zeigt einen Hohlraum 10, 20, der, wie im Fall der Figur 12 einen ringförmigen Hauptbereich 20 aufweist, der am Umfang der Brennkammer 2 Abschnitte von unterschiedlicher Länge aufweist.
Im Falle der Figur 13 weist die Bodenwand 90, die den ringförmigen Hauptbereich 20 auf der Seite entgegengesetzt zum ringförmigen Verbindungsbereich 10 begrenzt, eine sich auf kontinuierliche Weise entwickelnde Form zwischen einem Maximum und einem Minimum auf. In der Figur 13 weist die Bodenwand eine sinusförmige Form auf, sie kann jedoch beispielsweise auch andere Formen aufweisen, wie einen Sägezahn, zum Beispiel. Der ringförmige Hauptbereich 20 bildet das Äquivalent zu aneinandergeordneten vertikalen Viertelwellenhohlräumen von unterschiedlicher Länge, die unterschiedliche Frequenzen dämpfen unter Ermöglichen einer Dämpfung bei tangentieller Kopplung in der ringförmigen Zone, die oberhalb der Bodenwand 90 frei bleibt.
Ein mitschwingender akustischer Hohlraum 10, 20 kann gegebenenfalls Hindernisse, wie Schikanen, Gitter oder faserige Produkte enthalten, die dazu dienen, die Dämpfung der akustischen Wellen zu steigern. Diese Hindernisse dürfen jedoch nicht Unterbrechungen in dem Hohlraum erzeugen. Darüber hinaus müssen die verwendeten faserigen Produkte die Temperatur der heißen Gase aushalten können und können beispielsweise aus Aluminschaum oder keramischen Fasern gebildet sein.
Nachfolgend werden einige weitere besondere Ausführungsformen eines Dämpfungssystems von Hochfrequenzinstabilitäten, gemäß der Erfindung beschrieben.
Wenn man Bezug nimmt auf Figur 8, sieht man eine Raketenantriebsdüse, die aus zwei Abschnitten besteht, wobei der erste Abschnitt 30 mit einer Seitenwand 1 den wesentlichen Teil der Brennkammer 2 bildet, dessen Abschnitt sich wenig entwickelt, und der zweite Abschnitt oder Bereich 40, der den wesentlichen Teil des konvergierenden Bereichs, den Kragen 4 und den divergierenden Bereich 3 der Düse bildet. Ein jeder der beiden Abschnitte 30, 40 der Düse kann mit einem Kühlkreislauf ausgerüstet sein, der aus Kanälen 31 bzw. 41 der Zirkulation eines Kühlmittels gebildet ist. Die beiden Bereiche 30, 40 der Düse sind durch eine Flanschverbindung 34, 44 verbunden, und die Kühlkreisläufe 31, 41 des ersten und zweiten Bereichs 30, 40 münden in Toren 33, 43, die gegebenenfalls untereinander durch Verbindungsöffnungen 53 verbunden sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein akustischer Hohlraum 10, 20 zwischen jedem der beiden Bereiche 30, 40, die die Düse bilden, auf der Höhe ihrer Verbindung beim Zusammensetzen der beiden Teile 30, 40 gebildet. So wird die im wesentlichen zylindrische Seitenwand der Verbrennungskammer 2, die von dem zweiten Abschnitt 30 definiert wird, nach unten durch eine zylindrische Seitenwand 8 verlängert, deren Ende den Torus 33 und den Flansch 34 trägt. Die Seitenwand des zweiten Abschnitts 40, der den Kragen 4 und den Streubereich 3 der Düse definiert, ist selbst an seinem oberen Ende umgeschlagen, um hinter dem Kragen 4 eine zylindrische Seitenwand 9 zu bilden, die gegenüber der zylindrischen Seitenwand 8 angeordnet ist und mit dieser den akustischen Hohlraum 10, 20 bildet, der insbesondere einen ringförmigen Verbindungsbereich 10 aufweisen kann, der in der Brennkammer 2 in einem ringförmigen kalibrierten Raum mündet, der zwischen der Seitenwand 1 des ersten Abschnitts 30 und der Seitenwand 4, 3 des zweiten Abschnitts 40 definiert ist. Der ringförmige Hauptbereich 20 des akustischen Hohlraums wird durch den ringförmigen Raum definiert, der zwischen den beiden zylindrischen Seitenwänden 8, 9 definiert ist. Eine Dichtung 52 stellt die Dichtheit des unteren Bereichs des ringförmigen Hauptbereichs 20 auf der Höhe der Flansche 34, 44 sicher. Die Kühlkanäle 31 der Seitenwand sind durch die Seitenwand 8 durch Kühlkanäle 32 verlängert, die eine Kühlung des akustischen Hohlraums 10, 20 sicherstellen und in dem Kühltorus 33 münden. Auf gleiche Weise sind die Kühlkanäle 41 der Seitenwand, die den Kragen 4 und den Streubereich 3 bilden, durch die Seitenwand 9 mittels Kühlkanälen 42 verlängert, die entlang des Hohlraums 10, 20 verlaufen und in dem Kühltorus 43 münden.
Die Figur 9 zeigt eine Düse, deren Seitenwand durch Kanäle 61 (siehe auch Figur 9A) gekühlt werden, die vertikal oder schraubenförmig verlaufen. Ein akustischer Hohlraum 10, 20, der ein System der Dämpfung von Hochfrequenzinstabilitäten gemäß der Erfindung bildet, ist mit Hilfe eines Kranzes 23 ausgebildet, der ausgehend von zwei zylindrischen konzentrischen Seitenwänden ausgebildet ist, um den Kragen der Düse 4 angeordnet ist, an deren oberen Bereich geschlossen ist bzw. an seinem oberen Bereich durch ringförmige Schweißnähte 24, 25 an der Seitenwand 1 der Brennkammer verschweißt ist, etwas oberhalb des Kragens 4, wobei der Kranz 23 einen Radius aufweisen kann, der sehr nahe von jenem des zylindrischen Abschnitts der Brennkammer 2 ist.
Der ringförmige Verbindungsbereich 10 zwischen dem ringförmigen Hauptbereich 20 und der Brennkammer 2 kann durch eine Anordnung von vertikalen Spalten 14 gebildet sein, die über die gesamte Oberfläche der Kammer 2 verteilt sind, und beispielsweise durch Elektro-Erosion in den Zonen der Seitenwand 1 der Kammer 2 bearbeitet sein, die zwischen den Kühlkanälen 61 angeordnet sind.
Die Tatsache, daß die Spalten mit dem ringförmigen Verbindungsbereich 10 kommunizieren und daß dieser ringförmige Bereich einen kontinuierlichen Hohlraum bildet, ermöglicht das Dämpfen der tangentiellen Ausführungen.
In dieser Ausführungsform könnte der Hohlraum 10, 20, der mit Kühleinrichtungen versehen sein kann oder nicht, einen Radius aufweisen, der größer ist als jener der Brennkammer, und könnte in einem Abschnitt angeordnet sein, der sich nicht in der unmittelbaren Nähe des Kragens befindet, wie in den Ausführungsformen der Figuren 3, 5 oder 6, beispielsweise.
Die Figur 10 betrifft eine Düse, die mit Hilfe von Kühlrohren 71, die untereinander verschweißt oder verlötet sind, gebildet wird. In diesem Fall kann ein akustischer Hohlraum 10, 20 auf vollkommen analoge Weise zur Ausführungsform von Figur 9 ausgebildet sein, mit Hilfe eines Kranzes 23, der ausgehend von zwei konzentrischen zylindrischen Oberflächen gebildet wird, die beispielsweise um den Kragen 4 der Düse angeordnet sind, geschlossen an ihrem unteren Bereich und verschweißt beispielsweise an ihrem oberen Bereich, durch ringförmige Schweißnähte 24, 25 an der Außenseite der Seitenwand 1 der Düse. Der Kranz 23 kann vorzugsweise aus mehreren untereinander durch Schweißen zusammengesetzten Abschnitten gebildet sein, was die Montage der Kühleinrichtungen 27 bis 29 erleichtert, die weiter unten beschrieben werden.
Der ringförmige Verbindungsbereich 10 zwischen dem ringförmigen Hauptbereich 20 und der Brennkammer 2 kann durch eine Anordnung von vertikalen Kanälen 16 gebildet sein, die über den gesamten Umfang der Kammer 2 verteilt sind und durch eingeschränkte Bereiche von Kühlrohren 71 gebildet sind. Der akustische Hohlraum 10, 20 kann mit Kühleinrichtungen versehen sein oder auch nicht. In Figur 10 sind Kühlkanäle 27 dargestellt, die die Kühlung einer jeden der Seitenwände des ringförmigen Hauptbereichs 20 sicherstellen und die mit Zuführ- und Ausbringräumen bzw. -toren von Kühlflüssigkeit 28, 29 verbunden sind. Die Montage des Kranzes 23 von Figur 10 und der Kühleinrichtungen 27 bis 29 kann in einer einzigen Anordnung bewerkstelligt werden, wenn die Düse aus zwei Abschnitten besteht, wie in Figur 8, oder kann ausgehend von mehreren zusammengesetzten Abschnitten bewerkstelligt werden, wobei die einen mit den anderen ohne Zwischenwand verbunden werden.
Die Figur 11 zeigt eine besondere Ausführungsform, in der ein akustischer Hohlraum 10, 20 oberhalb des Kragens 4 einer Düse ausgebildet ist, in einer Verstärkung der Seitenwand 1 der Brennkammer 2. Der ringförmige Hauptbereich 20 des akustischen Hohlraums 10, 20 befindet sich in diesem Fall zwischen der Verstärkung der Seitenwand 1 der Düse und einer inneren Trennwand 122, die durch einen Ergol-Film gekühlt wird, der durch Öffnungen 121 geliefert wird, ausgehend von einem Kühlkreislauf 61 der Seitenwand 1, an der Seite der Trennwand 122, die auf der Seite des Innenraums angeordnet ist. In diesem Fall kann der ringförmige Verbindungsbereich 10 aus einem einfachen intermittierenden oder nicht intermittierenden kreisförmigen Spalt gebildet sein, der an der Basis der Trennwand 122 über dem Kragen 4 ausgebildet ist. In der Ausführungsform von Figur 11 ist das Profil des ringförmigen Hauptbereichs 20 gesehen in einem axialen halbebenen Querschnitt nicht rigoros rechtwinklig, sondern leicht gekrümmt, wobei er sehr länglich bezüglich der Querabmessung e des Hohlraums bleibt.
Wie es bereits angegeben wurde, kann das Anbringen eines akustischen Hohlraums gemäß der Erfindung auf unterschiedlichen Niveaus der Brennkammer und des Bereichs, der die eigentliche Düse bildet, vorgesehen sein. Jedoch sind, wenn der akustische Hohlraum auf der Höhe des Kragens 4 der Düse vorgesehen ist, die Optimierung des akustischen Hohlraums und seine Realisierung erheblich erleichtert, da es sich um eine Zone handelt, wo überschüssiges Material vorhanden ist (in dem Fall eines Kragens, der durch einen einstückigen oder nicht einstückigen Einsatz 5 definiert wird), und wo man auf jeden Fall eine große Anbringungsfreiheit vorsieht, ohne Erhöhen des Platzbedarfs, wobei akustische Hohlräume 10, 20 von Radien erzeugt werden können, die im wesentlichen gleich jenem der Brennkammer 2 sind, die insbesondere wirksam sind, um eine gute Kupplung der tangentiellen Wellen des Hohlraums 10, 20 mit jenen der Brennkammer 2 sicherzustellen.
Die Betriebsweise eines jeden akustischen Hohlraums 10, 20 gemäß einem Viertelwellenresonatortyp äußsert sich durch das Dämpfen der Amplitude der vorhandenen akustischen Arten, die in der Kammer für jede dieser Arten vorliegen, deren Frequenz in der Nähe von einer der Frequenzen des Hohlraums sind. Dieser Effekt ergibt sich aufgrund der Absorption von akustischer Energie durch viskoser und thermischer Dissipation bei Kontakt zwischen den Gasen und den Seitenwänden des Hohlraums und der Öffnungen des ringförmigen Verbindungsbereichs. Die Wirksamkeit des Hohlraums kann so durch eine Anpassung der Geometrie, der Anzahl und der Position der Öffnungen oder des Spaltes des ringförmigen Verbindungsbereichs 10 verbessert werden.
Beispielsweise wird unter Bezugnahme auf die Figuren 14 bis 17 eine vergleichende Studie durch finite Elemente von akustischen Schwingungen beschrieben, die die Art und die Wichtigkeit der Dämpfung zeigen, die mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Dämpfungssystems erzeugt wird.
In einer solchen Studie durch finite akustische Dämpfungselemente wird angenommen, daß die Brennkammer 2 mit einem Gas gefüllt ist, das dieselbe spezifische Masse wie die Verbrennungsgase aufweist. Man berechnet im Inneren der Brennkammer 2 und bis zum Kragen 4 außerhalb der Verbrennung die Eigenschaften der akustischen Resonanzschwellen, d.h. der Wellen, deren Frequenzspektralbereiche eine Amplitude aufweisen, die einen signifikanten Wert erreicht. Insbesondere werden die Arten von Druckwellen eingestellt oder erzeugt, d.h. die Richtungen, die von diesen Wellen genommen werden, und mit Resonanzfrequenzen verbunden. Es existieren tangentiale (kreisförmige), längsförmige, radiale Arten und Kombinationen dieser Arten. Für die unterschiedlichen Resonanzfrequenzen wird ebenfalls die Anzahl der Wellenlängen, die in den drei Richtungen der Brennkammer 2 enthalten sind, aufgenommen. Schließlich werden in relativen Werten die Karten der akustischen inneren Drücke der Brennkammer erzeugt.
Die Figur 14 zeigt die Verteilung der Druckniveaus in relativen Werten in der Brennkammer 2, die mit einem akustischen Hohlraum 10, 20 vom Typ, der als Viertelwellenresonator und als tangentieller Koppler gemäß der Erfindung dient, ausgerüstet ist, für einen vorgegebenen Modus 1T1L, d.h. erster Tangentialmodus, erster Längsmodus.
Die Figur 15 zeigt die Verteilung der Druckniveaus in relativen Werten in derselben Brennkammer 2, die nicht mit einem erfindungsgemäßen akustischen Hohlraum versehen ist, für denselben Modus 1T1L.
Dabei sieht man, daß die Diskrepanz zwischen den Druckniveaus erheblich größer ist im Fall von Figur 15, als im Fall von Figur 14, bei der die Erfindung angewendet wurde, und es wird ersichtlich, daß die relativen Änderungen des Druckniveaus in der Kammer erheblich verringert sind. Der akustische Hohlraum 10, 20 verringert somit auf wesentliche Weise in der Größenordnung von 50 % die Amplitude der Druckschwingungen in der Kammer 2.
In den Figuren 14 und 15 sind die unterschiedlichen Volumendruckbereiche, vom niedrigsten zum größten, durch die Bezugsziffern 101 bis 110 erfaßt. Am Rande dieser Bereiche findet man selbstverständlich isobare Oberflächen, die durch Linien in den Schnitten der Figuren 14 und 15 dargestellt sind.
Die Studie der Veränderung hat darüber hinaus gezeigt, daß der akustische Hohlraum einen wesentlichen Teil der akustischen Kraft absorbiert. Das maximale Druckniveau wird in dem Hohlraum tatsächlich erreicht, was zu einer starken Verteilung der akustischen Kraft durch Viskosität in dem Hohlraum führt. Im Fall von Figur 14 wurde die Länge des Hohlraums 10, 20 in Abhängigkeit von der Wellenlänge des zu dämpfenden Modus bestimmt, derart, daß ein Viertelwellenresonater definiert wurde und die absorbierte Energie in dem Hohlraum 10, 20 für die bedachte Frequenz maximiert wurde.
Die Figuren 16 und 17 zeigen, wie die Figuren 14 und 15, die Verteilung der Druckniveaus in relativen Werten in einer Brennkammer 2 mit bzw. ohne akustischem Hohlraum 10, 20, jedoch im Fall, wo der betrachtete Modus der dritte Längsmodus (3L) ist.
Es wurde dieselbe Reduktion in der Größenordnung von 50 % des relativen Niveaus in der Kammer 2 beobachtet, im Fall der Karte der Drücke von Figur 16, die einer Ausführungsform mit akustischem Hohlraum gemäß der Erfindung entspricht.

Claims

1. Vorrichtung zum Dämpfen der Hochfrequenzverbrennungsinstabilitäten in einer Brennkammer (2), insbesondere eines Raketenantriebs, ausgehend von wenigstens einem mitschwingenden Hohlraum (20), der in Verbindung steht mit der Brennkammer (2),

dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens einen mitschwingenden akustischen Hohlraum (10, 20) aufweist, der um die Brennkammer (2) herum angeordnet ist, und eine Geometrie und Abmessungen aufweist, derart, daß er gleichzeitig als Viertelwellen- Resonator und als tangentielle Kupplung funktioniert, und daß der mitschwingende akustische Hohlraum (10, 20) aufweist:

a) einen ringförmigen Hauptbereich (20), dessen Schnitt durch eine axiale Halbebene eine sehr längliche Form mit einer Querabmessung "e" aufweist, die sehr klein ist bezüglich der Längsabmessung "L&sub1;", die sich selbst im wesentlichen parallel zur Symmetrieachse der Brennkammer erstreckt, wobei der mittlere Radius "R" des ringförmigen Hauptbereichs (20) in der Nähe des Radiuses ist, der gleich den zu dämpfenden Vibrationsbereichen ist, und

b) einen ringförmigen Verbindungsbereich (10), der von dem ringförmigen Hauptbereich (20) ausgeht, und in der Brennkammer (2) in der Nähe eines Längs- oder Radialdruckbauches mündet, wobei der ringförmige Verbindungsbereich (10) im Schnitt durch eine axiale Halbebene eine Länge "L&sub2;", und eine Querabmessung "h" aufweist, die sehr viel kleiner ist, als die Summe der Längsabmessung "L&sub1;" des ringförmigen Hauptbereichs (20) und der Länge "L&sub2;" des ringförmigen Verbindungsbereichs (10).

2. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querabmessung "e" des ringförmigen Hauptbereichs (20) und die Querabmessung "h" des ringförmigen Verbindungsbereichs (10) des mitschwingenden akustischen Hohlraums (10, 20) zwischen ungefähr einigen zehntel Millimetern und ungefähr zehn Millimeter betragen.

3. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Verbindungsbereich (10) von einer Zone herstammt, die in dem oberen Endbereich des ringförmigen Hauptbereichs (20) angeordnet ist.

4. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Verbindungsbereich (10) in einer Zone beginnt, die im unteren Endbereich des ringförmigen Hauptbereichs (20) angeordnet ist.

5. Dämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Verbindungsbereich (10) in der Brennkammer (2) durch einen kreisförmigen Spalt mündet, der am gesamten Umfang der Kammer ausgebildet ist.

6. Dämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Verbindungsbereich (10) in der Brennkammer (2) durch einen unterbrochenen kreisförmigen Spalt mündet, der in einer Ebene senkrecht zur Achse der Brennkammer (2) angeordnet ist.

7. Dämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Hauptbereich (20) im Querschnitt durch eine axiale Halbebene, im wesentlichen die Form eines sehr gestrecktes Rechtecks aufweist.

8. Dämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie Kühlkanäle (32, 42; 27) aufweist, die sich entlang des akustischen Hohlraums (10, 20) erstrecken.

9. Dämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Hauptbereich (20) am Umfang der Brennkammer (2) unterschiedliche Längsabschnitte aufweist, entsprechend unterschiedlichen Dämpfungsfrequenzen, wobei die Bodenwand (80; 90) gegenüber der Zone, in der der ringförmige Bereich der Verbindung (10) beginnt, in unterschiedlichen Abständen von der ringförmigen Verbindungskammer (10) angeordnet ist, jedoch mit einem minimalen Abstand, um eine tangentiale Kupplungsdämpfung zu ermöglichen.

10. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenwand (80) gegenüber der Zone in der der ringförmige Verbindungsbereich (10) beginnt, eine Entwicklung oder Ausbreitung in Form von Leiterstufen (81 bis 84) aufweist.

11. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenwand (90) gegenüber der Zone, in der der ringförmige Verbindungsbereich (10) beginnt, eine alternative Entwicklung aufweist, deren Ansicht sinusförmig (91, 92) oder sägezahnförmig ist.

12. Dämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Hauptbereich (20) Hindernisse in Form von Schikanen, Gittern oder faserigen Produkten enthält, die dazu dienen, die Dämpfung der akustischen Wellen zu erhöhen, ohne eine Unterbrechung in dem Hohlraum zu erzeugen.

13. Dämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere akustische mitschwingende Hohlräume (11, 21; 12, 22) aufweist, die an unterschiedliche Schwingungen angepaßt sind, mit mehreren ringförmigen koaxialen Hauptbereichen (21, 22), die in ringförmigen Verbindungsbereichen (11, 12) münden, die wenigstens einen gemeinsamen Bereich aufweisen, der in der Brennkammer (2) mündet.

14. Dämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere akustische mitschwingende Hohlräume (10, 20; 11, 21; 12, 22) aufweist, die an unterschiedliche Schwingungen angepaßt sind, mit ringförmigen Verbindungsbereichen (10, 11, 12), die bei unterschiedlichen Höhen der Brennkammer (21) münden.

15. Dämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen ringförmigen akustischen Hohlraum (10, 20) aufweist, dessen ringförmiger Hauptbereich (20) hinter dem Kragen (4) der Düse (1, 4, 3) angeordnet ist und einen Radius (R) aufweist, der im wesentlichen gleich dem Radius der Brennkammer (2) ist.

16. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Verbindungsbereich (10) in der Brennkammer (2) auf der Höhe des oberen Viertels des den Kragen (4) der Düse (1, 4, 3) bildenden Bereichs mündet.

17. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 5 und nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Verbindungsbereich (10) durch einen kontinuierlichen Spalt gebildet wird, der zwischen einem unteren Haupteinsatz (5) und einem zweiten oberen Einsatz (6) ausgebildet ist, der den Kragen (4) der Düse (1, 4, 3) definiert, und daß der ringförmige Hauptbereich (20) zwischen der Außenseite des unteren Haupteinsatzes (5) und der Innenseite der Wand (1) angeordnet ist, die die Brennkammer (2) begrenzen, und auf der der untere Haupteinsatz (5) und der obere Zweiteinsatz (6) angebracht sind.

18. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 6 und nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Verbindungsbereich (10) durch einen unterbrochenen Spalt gebildet wird, der am Umfang der Brennkammer (2) in einem einzigen einstückigen Einsatz (4) ausgebildet ist, der den Kragen (4) der Düse (1, 4, 3) definiert, und daß der ringförmige Hauptbereich (20) zwischen der Außenseite des einzigen einstückigen Einsatzes (5) und der Innenseite der Wand (1) angeordnet ist, die die Brennkammer (2) begrenzt, und auf der der einzige einstückige Einsatz (5) angebracht ist.

19. Dämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 6 bis 16, verwendet bei einem Raketenantrieb, dessen Düse (1, 4, 3) durch parallele vertikale oder schraubenförmige Kühlkanäle (61) gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen zylindrischen Kranz aufweist, der um die Düse (1, 4, 3) angebracht ist, um den mitschwingenden akustischen Hohlraum (10, 20) zu definieren, und daß der ringförmige Verbindungsabschnitt (10) in der Brennkammer (2) über eine Reihe von Spalten (14) mündet, die in der Seitenwand der Düse (1, 4, 3) zwischen den Kühlkanälen (61) ausgebildet ist.

20. Dämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 6 bis 16, verwendet bei einem Raketenantrieb, dessen Düse (1, 4, 3) ausgehend von geschweißten Kühlrohren (71) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen zylindrischen Kranz aufweist, der um die Düse (1, 4, 3) angebracht ist, um den mitschwingenden akustischen Hohlraum (10, 20) zu definieren, und daß der ringförmige Verbindungsbereich (10) in der Brennkammer (2) durch eine Reihe von Passagen (16) mündet, die durch Einschnürbereiche von Rohren (71) gebildet werden, die die Seitenwand der Düse (1, 4, 3) bilden.

21. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 19 oder Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische zusammengesetzte Kranz aus mehreren durch Schweißen zusammengefügten Abschnitten gebildet wird.

22. Dämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Kühlkreis (27 bis 29) des zusammengesetzten zylindrischen Kranzes aufweist, der den mitschwingenden akustischen Hohlraum (10, 20) bildet.

23. Dämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Hauptbereich (20) zwischen einer Verstärkung der Seitenwand (1) der Düse und einer Trennwand (122) ausgebildet ist, die auf der Seite der Brennkammer (2) angeordnet ist, daß Einrichtungen (121) vorgesehen sind, um mit Hilfe eines Ergol-Films die Trennwand (122) auf der Seite entgegengesetzt zu jener zu kühlen, die den ringförmigen Hauptbereich (20) begrenzt, und daß der ringförmige Verbindungsbereich (10) in einer Zone beginnt, die in dem unteren Bereich des ringförmigen Hauptbereichs (20) angeordnet ist.

24. Dämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und 15, 16, verwendet bei einem Raketenantrieb, dessen Düse (1, 4, 3) aus zwei durch Flansche verbundenen Bereichen (34, 44) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der mitschwingende akustische Hohlraum (10, 20) durch Seitenwände (8, 9) begrenzt ist, die entsprechend einem jeden der beiden die Düse (1, 4, 3) bildenden Bereiche gehört.

25. Dämpfungsvorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der mitschwingende akustische Hohlraum (10, 20) mittels Kühlkanälen (32, 42) gekühlt wird, die entsprechend einem jeden der beiden die Düse (1, 4, 3) bildenden Bereiche angehören, und mit den Kühlkanälen der Seitenwand der Düse (1, 4, 3) in Verbindung gesetzt werden.