DE69719617T2

DE69719617T2 - Brennstoffeinspritzeinrichtung für ein Staustrahltriebwerk mit hoher Machzahl

Info

Publication number: DE69719617T2
Application number: DE69719617T
Authority: DE
Inventors: Marc Bouchez; Emmanuel Saunier
Original assignee: Aerospatiale Matra
Current assignee: Aerospatiale Matra
Priority date: 1996-06-24
Filing date: 1997-06-11
Publication date: 2003-12-18
Anticipated expiration: 2017-06-12
Also published as: US5899061A; FR2750169A1; JP3912696B2; ES2191815T3; CA2207839A1; CA2207839C; EP0816664B1; DE69719617D1; JPH1061496A; FR2750169B1; EP0816664A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffeinspritzvorrichtung für ein Staustrahltriebwerk, das mit hoher Machzahl, beispielweise von 12 bis 15 Mach, funktionieren soll.
Es ist bekannt, dass Staustrahltriebwerke für den Antrieb von Überschall-Luftfahrzeugen (Flugkörper, gelenkte Raketen, Flugzeuge usw.) besonders vorteilhaft sind, da sie den Betrieb in einem großen Mach-Bereich, zum Beispiel von 2 bis 15, ermöglichen und einen geringen spezifischen Brennstoffverbrauch haben. In Abhängigkeit von der spezifischen Anwendung auf ein Luftfahrzeug und eventuell von dessen Flugphase, kann der verwendete Brennstoff ein flüssiger Kohlenwasserstoff, wie zum Beispiel Kerosin, oder ein Gas, wie zum Beispiel Wasserstoff oder Methan, sein.
Es ist weiterhin bekannt, dass ein Staustrahltriebwerk zum einen mindestens einen Sauerstoffträgereingang umfasst, der meist durch ein Luftrohr oder einen Zuluftstutzen gebildet wird, der einen Sauerstoffträgerstrahl (das heißt einen Luftstrahl) in eine Brennkammer leitet, und zum anderen zumindest eine Einspritzvorrichtung aufweist, die es ermöglicht, den Brennstoff in den genannten Sauerstoffträgerstrahl einzuspritzen, um einen Strom aus einem Gemisch von Brennstoff und Sauerstoffträger zu erhalten, der in der genannten Brennkammer gezündet wird.
In Staustrahltriebwerken, die für den Betrieb bei einer niedrigen Machzahl (zum Beispiel bis Mach 2) vorgesehen sind, kann eine solche Einspritzvorrichtung aus einer Gruppe elementarer Einspritzdüsen bestehen, die an der Innenwand des Staustrahltriebwerks am Umfang des Sauerstoffträgerstrahls angeordnet sind.
Für den Betrieb bei höheren Machzahlen, wenn die Verbrennung im Staustrahltriebwerk in einem Überschall- oder Hyperschallbereich erfolgt, kann die Brennstoffeinspritzung nicht mehr nur an der Innenwand des Staustrahltriebwerks erfolgen. In diesem Fall ist das Eindringen der Brennstoffstrahlen in den Sauerstoffträgerstrahl in der Tat zu gering, um eine gute Vermischung des Sauerstoffträgers mit dem Brennstoff im genannten Strahl zu erzielen, sodass die Verbrennung schlecht oder sogar unmöglich ist. Natürlich ist ein solcher Nachteil umso bedeutender je größer die Querabmessungen des Sauerstoffträgerstrahls ist.
Daher wurden, wie beispielsweise durch die Schrift US-A-3 727 409 beschrieben, um dafür Abhilfe zu schaffen, bereits Einspritzvorrichtungen in Form von Rampen vorgesehen, die mit mehreren, über ihre Länge verteilten elementaren Einspritzdüsen versehen sind, die im genannten Sauerstoffträgerstrahl quer zu diesem angeordnet werden, indem man die Enden der genannten Rampen fest mit einander gegenüberliegenden Wänden des genannten Staustrahltriebwerks verbindet. Eine solche Einspritzvorrichtung wird im allgemeinen als "Einspritzstrebe" bezeichnet und sie wird entweder einzeln oder in Kombination mit einer Wandbrennstoffeinspritzung verwendet.
Dank der Einspritzstreben kann man so ein über den gesamten Querschnitt des Sauerstoffträgerstrahls zufriedenstellendes Sauerstoffträger-Brennstoff-Gemisch erzielen. Allgemeiner ermöglichen die in einem Hyperschall-Staustrahltriebwerk montierten Einspritzstreben folgendes:
- Gewährleistung einer Brennstoffzufuhr im gesamten Sauerstoffträgerstrahl trotz des schwachen Eindringens der Brennstoffstrahlen in einen Hyperschall- Sauerstoffträgerstrahl;
- Erhöhung des Sauerstoffträgeranteils in des Sauerstoffträger-Brennstoff-Gemischs;
- Unterstützung der Zündung des Sauerstoffträger-Brennstoff-Gemischs und der Stabilisierung der Flamme;
- Mitwirkung bei der Komprimierung des Sauerstoffträgerstrahls durch Verlangsamung des vom Staustrahltriebwerk aufgefangenen Sauerstoffträgerflusses.
Jede der derartigen Einspritzstreben, auf die der Sauerstoffträgerstrahl einwirkt, verhält sich also aus aerodynamischer Sicht wie ein an seinen Enden in zwei gegenüberliegenden Wänden des Staustrahltriebwerks eingebauter Flügel. Außerdem müssen die genannte. Einspritzstreben an ihrem Bug, an dem der Sauerstoffträgerstrahl auftrifft, eine Vorderkante mit kleinem Radius zur Begrenzung der Druckverluste aufweisen, die die Antriebsleistung des Staustrahltriebwerks begrenzen würden und sogar zu einer Blockierung des Sauerstoffträgerstrahls führen könnten, der in der Brennkammer nur im Hyperschallbereich bleiben kann, wenn die Sauerstoffträgergeschwindigkeit davor hoch genug ist.
Die Erwärmung des genannten Bugs, die durch den Hyperschall-Sauerstoffträgerstrom hervorgerufen wird, ist jedoch im wesentlichen umgekehrt proportional zur Quadratwurzel des Radius der Vorderkante des genannten Bugs. Demzufolge ist ein Bug mit kleinem Radius sehr hohen Erwärmungen ausgesetzt. Man beachte weiterhin, dass es, da die genannten Einspritzstreben im Inneren des Staustrahltriebwerks angeordnet sind, unmöglich ist, sie zu kühlen, indem man sie der Luft aussetzt, in der das vom genannten Staustrahltriebwerk angetriebene Flugzeug fliegt. Beispielsweise umfasst die Einspritzvorrichtung der Schrift US- A3 727 409 Mittel zur Kühlung durch Einspritzung eines Mediums und Mittel zur Ableitung des Kühlmittels, die zumindest an einem Ende der Längsenden der genannten Einspritzstrebe angeordnet sind. Eine solche Strebe ist also durch ein mit Mach 12 in einer Höhe von 30 km fliegendes Flugzeug sehr hohen Temperaturen in der Größenordnung von 5000 K ausgesetzt. Somit müssen die Einspritzstreben aus Materialien, wie zum Beispiel Keramikwerkstoffen, hergestellt werden, wobei der Radius der genannten Vorderkante 3 bis 5 mm groß ist. Unter Berücksichtigung der gegenwärtigen Herstellungsverfahren von Keramikteilen ist leicht ersichtlich, dass die Fertigung von Einspritzstreben aus Keramik, die hohe Genauigkeitsanforderungen erfüllen muss, gezwungenermaßen langwierig und kostenaufwändig ist.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung dieser Nachteile. Sie betrifft eine Einspritzstrebe für ein Hyperschall-Staustrahltriebwerk, das zugleich eine Vorderkante mit kleinem Radius aufweist und aus anderen Materialien als Keramik ausgeführt werden kann.
Zu diesem Zweck ist die Brennstoffeinspritzstrebe für ein Staustrahltriebwerk, das mit hoher Machzahl funktionieren soll und eine Brennkammer umfasst, in die ein Sauerstoffträgerstrahl eingeleitet wird, erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet,
- dass sie folgendes umfasst:
- einen Körper, in dem die genannte Rampe elementarer Brennstoffeinspritzdüsen, die genannten Kühlungsmittel und die genannten Mittel zur Abführung des genannten Kühlmittels angeordnet sind; und
- ein Bugteil, das zumindest annähernd die Form eines Dieders besitzt und aus einem wärmeleitenden Material hergestellt ist, wobei der Winkel des genannten Dieders höchstens 15º beträgt und der Radius der Vorderkante der genannten Strebe höchstens gleich 2 mm ist;
- dadurch, dass das genannte Bugteil durch die genannten dünnen Seiten dicht an den genannten Körper befestigt ist und
- dadurch, dass in montierter Stellung des genannten Bugteils am genannten Körper in der Hohlfläche des genannten Bugteils eine dichte Kammer gebildet wird, wobei die genannten Kühlmittel mehrere Kühlmitteldruckstrahlen erzeugen, die entlang des genannten Bugs verteilt sind und zumindest im Bereich der genannten Vorderkante auf die konkave Seite des genannten dünnen Bugteils auftreffen,
wobei die genannte Strebe folgendes umfasst:
- einen Bug, auf den der genannte Sauerstoffträgerstrahl auftrifft und der eine Rampe elementarer Brennstoffeinspritzdüsen bildet, die quer im genannten Sauerstoffträgerstrahl angeordnet ist und den genannten Brennstoff im genannten Sauerstoffträgerstrahl verteilt,
- Mittel zur Kühlung durch Kühlmitteleinspritzung, und
- Mittel zur Abführung des genannten Kühlmittels, die mindestens an einem Längsende der genannten Strebe angeordnet sind.
Da der genannte Bug eine dünne Wand ist, deren konkave Innenseite wirksam durch das Auftreffen der Kühlmittelstrahlen gekühlt wird, wird somit die konvexe Außenseite des genannten Bugs ebenfalls wirksam durch Wärmeleitung durch die Dicke der genannten dünnen Wand hindurch gekühlt, sodass die Temperatur, der der genannte Bug ausgesetzt ist, nur in einem Bereich zwischen 1000ºC und 2000ºC (zu vergleichen mit den vorstehend angeführten 5000 K) liegen kann, obwohl der genannte Bug konisch zuläuft (Diederwinkel 15º) und einen kleinen Vorderkantenradius (maximal gleich 2 mm) aufweist. Daraus ergibt sich, dass die Einspritzstrebe gemäß der vorliegenden Erfindung aus einem Stahl (beispielsweise rostfreiem Stahl), einer Metalllegierung (beispielsweise auf Kupferbasis) oder aus jedem anderen Material, das gemäß der vorliegenden Erfindung beständig gegen die tatsächlich durch die gekühlte Strebe erreichte Temperatur ist, hergestellt werden kann.
Um eine solche wirksame Kühlung des Bugs zu erzielen, wurde festgestellt, dass es von Vorteil ist, dass:
- die Dicke der genannten dünnen Wand des Bugs höchstens gleich 2 mm ist;
- das Material, aus dem die genannte dünne Wand besteht, eine Wärmeleitfähigkeit von 70 W/m/K besitzt, und
- es sich bei dem Kühlmittel um ein Niedertemperaturgas, zum Beispiel Wasserstoff, mit einer Temperatur von 100 K bis 300 K handelt.
Natürlich erkennt man aus dem vorstehend Angeführten, dass die Dicke, die Wärmeleitfähigkeit und die Art der genannten dünnen Wand zum einen und die Temperatur, der Druck, die Durchflussmenge und die Art des Kühlmittels zum anderen so viele Kennwerte darstellen, die die Einstellung der Temperatur der genannten dünnen Wand gestatten.
Beispielsweise wird eine Bugwand, deren Dicke 1 mm beträgt, deren Material eine Leitfähigkeit von 70 W/m/K besitzt und die einen Diederwinkel von 12º und einen Vorderkantenradius von 1,5 mm hat, bei einer Machzahl von 12 auf eine Temperatur nahe 1500ºC gebracht wird, wenn als Kühlgas Wasserstoff mit einer Temperatur von 100 K bis 300 K und einem Druck von 10 bis 15 bar bei einer Durchflussmenge von 2 bis 5 g/s für jeden Zentimeter Vorderkantenlänge verwendet wird.
Ausgehend von einer solchen Konfiguration ist es beispielsweise offensichtlich, dass:
- man, wenn man Wasserstoff mit einer anderen Temperatur verwendet, wobei im übrigen alles gleich ist, die Wandtemperatur durch Änderung der Durchflussmenge halten kann;
- wenn der Werkstoff der dünnen Wand gegenüber einer Temperatur von mehr als 1500 ºC, zum Beispiel 2000ºC, beständig ist, dieser Werkstoff eine Wärmeleitfähigkeit unter 70 W/m/K besitzen oder die Kühlung weniger leistungsfähig sein kann;
- usw.
Man beachte im übrigen, dass die erfindungsgemäße Einspritzstrebe nicht auf hohe Machzahlen über 10 beschränkt ist. In der Tat kann das Kühlmittel, wenn sich das Flugzeug in einer Flugphase befindet, in der die Machzahl unter 10 liegt, ein Ergol mit einer Kühlleistung sein, die niedriger als die von Wasserstoff ist, jedoch für die Kühlung des Bugs bei der betrachteten Machzahl ausreicht. Es genügt dann, die Versorgung der Einspritzstrebe mit Kühlmittel so zu gestalten, dass die genannte Strebe in jeder Flugphase des Luftfahrzeugs ein entsprechendes Kühlmittel erhält.
In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht das Kühlmittel aus Brennstoff für das genannte Staustrahltriebwerk. So braucht an Bord des Flugzeugs kein besonderer Behälter für Kühlmittel vorgesehen zu werden, da dieses Kühlmittel direkt an der Brennstoffzufuhr entnommen wird. Weiterhin können die genannten Abführungsmittel nach Auftreffen des Kühlmittels auf die konkave Innenseite des Bugs das Kühlmittel wieder auffangen und es erneut in die Brennkammer des Staustrahltriebwerks einspritzen und so die Antriebsleistung des Staustrahltriebwerks erhöhen.
Das Wiederauffangen des Kühlmittels kann im Inneren oder außerhalb der genannten Einspritzstrebe erfolgen und das wieder aufgefangene Kühlmittel kann entweder direkt oder über elementare Einspritzdüsen der genannten Strebe in die Brennkammer eingespritzt werden. Eventuell kann das genannte Kühlmittel zwischen dem Wiederauffangen und erneutem Einspritzen in die Brennkammer zur Kühlung eines Elements des genannten Staustrahltriebwerks, zum Beispiel der Hülle eines Zuluftstutzens, dienen.
Natürlich müssen für ein richtiges Wiederauffangen des Kühlmittels die Druckunterschiede zwischen dem eingespritzten Brennstoff und dem wieder aufgefangenen Brennstoff, der entspannt ist und einen niedrigeren Druck hat, berücksichtigt werden. Es ist so vorzugehen, dass der Hochdruckbrennstoff in den wieder aufgefangenen Niederdruckbrennstoff strömt. Eventuell kann ein Aufladegebläse im Kreis des wieder aufgefangenen Brennstoffs vorgesehen werden, um dessen Druck zu erhöhen.
Vorzugsweise macht die Durchflussmenge an als Kühlmittel verwendetem Brennstoff weniger als 20% der gesamten in die Brennkammer des Staustrahltriebwerks eingespritzten Brennstoffmenge aus.
Die erfindungsgemäße Einspritzstrebe könnte aus einem einzigen Teil hergestellt werden. Es ist jedoch von Vorteil, sie aus mindestens zwei zusammengebauten Teilen herzustellen, um die Ausführung der genannten dichten Kammer, der Kanäle für die Speisung der elementaren Brennstoffeinspritzdüsen, der Kanäle zur Abführung des Kühlmittels nach dem Auftreffen, usw. einfach zu gestalten.
Im übrigen beachte man, dass der (in Bezug auf die Strömung des Sauerstoffträgerstrahls) hintere Teil der genannten Einspritzstrebe Wärmebelastungen unterliegt, die, obwohl sie hoch sind, niedriger als die sind, denen der genannte Bug ausgesetzt ist.
Der Zusammenbau des genannten Körpers und des genannten Bugteils kann mit jedem für ihre Werkstoffe geeigneten Mittel, zum Beispiel durch Schweißen oder Löten, oder auch mittels Schrauben, Kleber, usw., erfolgen.
Vorzugsweise weist der genannte Körper zumindest auf der Seite des genannten Bugs einen Querschnitt in Keilform auf, dessen Winkel gleich dem Winkel des genannten Bugteils ist, sodass die genannten dünnen Seiten des Bugteils an den Seiten des genannten Keils anliegen und die Kante des genannten Keils an mindestens einem Teil seiner Länge gebrochen ist, um mindestens eine Endfacette zu bilden, in der Düsen angeordnet sind, die Bestandteil der genannten Mittei zur Einspritzung des Kühlmittels sind und die genannten Strahlen des genannten Kühlmittels bilden, die auf die konkave Seite der genannten dünnen Wand auftreffen.
Die genannten Mittel zur Abführung des Kühlmittels können folgendes umfassen:
- mindesten eine Längsnut, die oberflächlich im genannten Körper eingeschnitten ist und von einer Seite des genannten Bugteils verschlossen wird; und
- ein Netz oberflächlicher Quernuten, die die Verbindung zwischen der genannten dichten Kammer und der genannten Längsnut herstellen und ebenfalls durch das genannte Bugteil verschlossen werden.
Ebenso können die genannten Brennstoffeinspritzrampe und die genannten Mittel zur Einspritzung des Kühlmittels längs verlaufende Zuführkanäle und quer verlaufende Einspritzkanäle umfassen, die alle in der genannten Einspritzstrebe angebracht sind.
Um den Brennstoff auf bestmögliche Weise in den Sauerstoffträgerstrahl einzuspritzen, ist es von Vorteil, dass die genannte Brennstoffeinspritzrampe auf der Seite der Strebe gegenüber dem Bug angeordnet. Im übrigen kann die Brennstoffeinspritzrampe zur weiteren Verbesserung der Brennstoffeinspritzung in den Sauerstoffträger und das Brennstoff-Sauerstoffträger- Gemisch Reihen von bestimmten einzelnen elementaren Einspritzdüsen umfassen, wobei die einen Brennstoff in Richtung des Sauerstoffträgerstrahls und die anderen Brennstoff schräg in den genannten Strahl einspritzen.
In diesem Fall kann der Körper der Einspritzstrebe auf der dem genannten Bug gegenüber liegenden Seite eine vorstehende mittlere Sockellängsrippe umfassen, wobei mindestens eine Reihe elementarer Einspritzdüsen in der genannten Sockelrippe angeordnet ist und Brennstoff in Richtung des Brennstoffträgerstrahls einspritzt, wohingegen auf beiden Seiten der genannten Sockelrippe mindestens zwei Reihen elementarer Einspritzdüsen Brennstoff schräg in den genannten Strahl einspritzen.
Im übrigen umfasst der Körper der Einspritzstrebe auf übliche Weise an seinen Enden Köpfe zur Verankerung der genannten Strebe in den gegenüberliegenden Wänden des Staustrahltriebwerks und zur Speisung der genannten Strebe mit Brennstoff und Kühlmittel.
In diesem Fall ist es vorteilhaft, dass das genannte Bugteil mindestens teilweise die genannten Köpfe bedeckt, sodass dieses Teil durch Verankerung in den genannten Wänden des Staustrahltriebwerks gehalten wird. So verbessert man die feste Verbindung von Bugteil und genanntem Körper.
Die Figuren der beigefügten Zeichnung machen gut verständlich, wie die Erfindung ausgeführt werden kann. Auf diesen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen ähnliche Elemente.
Fig. 1 ist eine sehr schematische Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels des Staustrahltriebwerks mit Brennstoffeinspritzstreben, wobei die Hülle des genannten Staustrahltriebwerks als durchsichtig angenommen wird.
Fig. 2 ist eine perspektivische Explosivansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzstrebe.
Fig. 3 ist ein mittlerer Längsschnitt der zusammengebauten Strebe der Fig. 2 entsprechend der Linie III-III dieser Figur.
Die Fig. 4, 5, 6 und 7 sind Querschnitte der genannten Brennstoffeinspritzstrebe, die jeweils den Schnittlinien IV-IV, V-V, VI VI und VII VII der Fig. 3 entsprechen.
Fig. 8 veranschaulicht schematisch ein Beispiel des Wiederauffangens und der erneuten Einspritzung des Kühlmittels.
Das von Fig. 1 gezeigte Staustrahltriebwerk 1 ist für den Antrieb eines (nicht dargestellten) Hyperschall-Luftfahrzeugs bestimmt, das in einem großen Machzahlbereich, beispielsweise von Mach 6 bis zu einer Machzahl von 12 bis 15, fliegen soll.
Das Staustrahltriebwerk 1 umfasst eine Hülle 2, die an einem ihrer Enden mit einem Zuluftstutzen 3 für einen Luftstrahl, der als Sauerstoffträger dienen soll (durch Pfeile F symbolisiert), und an ihrem gegenüberliegenden Ende mit einer Düse 4 versehen ist. Hinter dem Zuluftstutzen 3 bildet die Hülle 2 eine Einspritzkammer 5, in deren Innerem zwei Brennstoffeinspritzstreben 6 quer zum Sauerstoffträgerstrahl F angeordnet sind. Die Brennstoffeinspritzstreben 6 umfassen einen Bug 7, auf den der genannte Sauerstoffträgerstrahl auftrifft, und sind durch ihre Enden 6A und 6B, die an der Innenseite von zwei gegenüberliegenden Wänden 5A und 5B der Einspritzkammer befestigt sind, fest mit der Hülle 2 verbunden. Zwischen der Einspritzkammer 5 und der Düse 4 begrenzt die Hülle 2 eine Brennkammer 8, an deren vorderem Teil (nicht dargestellte) Zündvorrichtungen vorgesehen sind. An ihrem hinteren Teil (das heißt gegenüber der Brennkammer 8) umfassen die genannten Einspritzstreben 6 (auf der Fig. 1 nicht sichtbare, jedoch auf den Fig. 3, 4 und 6 dargestellte) längs verlaufende Einspritzrampen.
So wird der Brennstoff im gesamten Sauerstoffträgerstrahl F an den Einspritzstreben 6 verteilt, und die Verbrennung des Stroms des Sauerstoffträger-Brennstoff-Gemischs erfolgt in der Brennkammer 8, wonach die Verbrennungsgase durch die Düse 4 ausgestoßen werden.
Man beachte, dass man für die niedrigsten Flug-Machzahlen (bis 8 Mach) als Brennstoff Kerosin (eventuell mit Einblasen von Wasserstoff zur Erleichterung des Zündens des Staustrahltriebwerks und der Explosion des Strahls) und dann Wasserstoff für die höheren Machzahlen verwenden kann. Andere Brennstoffe, wie beispielsweise Methan, endothermische Kohlenwasserstoffe, Synthesebrennstoffe können ebenfalls für ein Staustrahltriebwerk dieses Typs verwendet werden.
Im speziellen, in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Hülle des Staustrahltriebwerks insgesamt die Form einer Leitung mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt auf, die im allgemeinen aus vier Wänden gebildet wird, von denen jeweils zwei einander gegenüber liegen (die auf dieser Fig. 1 als durchsichtig angenommen werden). Selbstverständlich ist eine solche Konfiguration in keiner Weise einschränkend.
Wie vorstehend angeführt, ist die Vorderkante des Bugs 7 der Einspritzstreben 6 hohen thermischen Strömen ausgesetzt, wenn der Sauerstoffträgerstrahl einem Hyperschallflug entspricht. Bei Mach 12 wird der Bug 7 auf eine Temperatur von etwa 5000 K gebracht.
Die Fig. 2 bis 7 veranschaulichen eine Ausführungsart für eine erfindungsgemäße Einspritzstrebe 6, die so hohe thermische Belastungen aushalten kann.
Wie diese Figuren zeigen, umfasst die Brennstoffeinspritzstrebe 6 in dieser Ausführungsart einen Körper 10, der zum Beispiel aus Metall oder einem Stück besteht, in dem, wie nachfolgend ersichtlich wird, Brennstoffeinspritzdüsen, Mittel zur Einspritzung von Kühlmittel und Mittel zur Abführung dieses Mediums angeordnet sind. Diese Strebe 6 umfasst weiterhin ein Bugteil 11, das beispielsweise aus Metall oder zumindest aus einem Material besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit bei 70 W/m/K liegt und das die Form eines Dieders besitzt, dessen Winkel A höchstens gleich 15º, beispielsweise 12º, ist. Weiterhin beträgt die Stärke e der Seiten des Bugteils 11 maximal 2 mm, zum Beispiel 1,5 mm, und der Radius r der Kante 11A des Teils 11 beträgt maximal 2 mm. Das Teil 11 soll den Bug 7 der Strebe 6 bilden, wobei seine Kante 11A dann die Vorderkante des genannten Bugs ist.
An seiner größten Länge weist der Körper 10 einen Querschnitt in Form eines Keils auf, dessen Winkel gleich dem Winkel A des Bugteils 11 ist.
Wie die Fig. 3 bis 7 zeigen, liegen die Seiten 12 und 13 des Bugteils 11 also auf den Seiten 14 und 15 des Körpers 10 auf, wenn die beiden Teile 10 und 11 dicht, zum Beispiel durch Schweißen oder mittels Schrauben (auf nicht dargestellte Weise) miteinander verbunden sind.
Die Kante 16 des Keils des Körpers 10 ist im mittleren Teil 10M des genannten Körpers ausgebogen und geschnitten, um eine Endfacette 17 zu bilden. So ist, wenn die Teile 10 und 11 miteinander verbunden sind, in der Höhlung des Bugteils 11 zwischen der Innenfläche der Seiten 12 und 13 und der Facette 17 des Körpers 10 eine dichte Kammer 8 abgegrenzt.
Die Enden 6A und 6B der Strebe 6, die in den beiden gegenüberliegenden Wänden 5A und 5B der Einspritzkammer 5 verankert werden sollen, entsprechen auf der der Kante 16 gegenüberliegenden Seite vergrößerten Teilen 10A und 10B des dreieckigen Mittelteils 10M der Strebe, die ebenfalls von den Seiten 12 und 13 des Bugteils 11 überdeckt werden, sowie parallelepipedförmigen Endköpfen 19A und 19B, die auf den genannten vergrößerten Teilen 10A beziehungsweise 10B aufliegen.
Der Mittelteil 10M des Körpers 10 umfasst auf der der Facette 17 gegenüber liegenden Seite eine vorstehende Sockellängsrippe 20, die die Köpfe 6A und 6B verbindet.
Längs ist der Körper 10 von Kanälen 21, 22 und 23 durchbohrt.
Der Längskanal 21 ist mit mehreren Querkanälen 24 verbunden, die in der Rippe 20 angebracht und entlang des Mittelteils 10M des Körpers 10 verteilt sind (siehe Fig. 3 und 6).
Der Längskanal 22 ist mit mehreren Querkanälen 25 und 26 verbunden, die auf beiden Seiten der Längsrippe 20 münden (siehe Fig. 3 und 4).
Der Längskanal 23 ist mit mehreren Querkanälen 27 verbunden, die in der Facette 17 und somit in der dichten Kammer 18 münden (siehe Fig. 3 und 7).
Im übrigen umfassen die Wände 14 und 15 des Mittelteils 10M des Körpers 10 mehrere oberflächliche Quernuten 28, die die genannte Fläche 17 mit oberflächlichen Quernuten 19 verbinden, die selbst an ihren Enden mit Längskanälen 30 verbunden sind, die am Ende der Köpfe 6A und 6B münden. Die oberflächlichen Nuten 28 und 29 werden durch das Bugteil 11 verschlossen (siehe Fig. 3 und 5).
Es ist leicht verständlich, dass, wenn man Brennstoff in die Kanäle 21 und 22 einspritzt, dieser Brennstoff durch die Querkanäle 24 beziehungsweise 25, die sich beide wie eine elementare Einspritzdüse verhalten, in die Kammer 5 in Richtung der Brennkammer 8 eingespritzt wird. Wenn man ein Kühlmittel in den Längskanal 23 einspritzt, so wird dieses Kühlmittel ebenfalls durch die Querkanäle 27 in die dichte Kammer 18 eingespritzt. Das in die Kammer 18 eingespritzte Kühlmittel wird durch die Längsnuten 28 wieder aufgefangen und von ihnen in die Längsnuten 29 geleitet. Es kann also von den Kanälen 30 abgeführt werden.
Obwohl auf der Fig. 3 die Kanäle 21, 22, 23 und 30 an ihren beiden Enden offen dargestellt sind, kann das eine oder andere genannte Ende verschlossen werden.
Gemäß einer wichtigen Besonderheit der vorliegenden Erfindung hat das Kühlmittel, zum Beispiel Niedertemperaturwasserstoff, einen solchen Druck (zum Beispiel etwa 10 bar), dass die aus den Kanälen 27 austretenden Kühlmittelstrahlen die dichte Kammer 18 durchqueren und auf die Innenfläche der Seiten 12 und 13 des Bugteils 11 mindestens in Nähe der Kante 11A auftreffen. Die Durchflussmenge an Kühlmittel muss natürlich, wie vorstehend gesagt wurde, ausreichen, damit die Temperatur des Bugteils 11 unter den Bedingungen des Flugs mit hoher Machzahl im Bereich zwischen 1000ºC und 2000ºC bleibt. Wenn das Kühlmittel Wasserstoff ist, muss eine solche Durchflussmenge mehrere Gramm pro Sekunde und pro Zentimeter Länge der Vorderkante 11A betragen.
Ein solches Kühlmittel kann für die Speisung der Brennkammer 8 verwendeter Brennstoff sein. In diesem Fall wird das Kühlmittel, mit dem die Einspritzmittel 23, 27 gespeist werden, aus dem Kreis abgezogen, der die Einspritzrampe 21, 22, 23, 24, 25 und 26 speist. Vorzugsweise macht die Durchflussmenge des als Kühlmittel verwendeten Brennstoffs weniger als 20% der Gesamtdurchflussmenge an in die Brennkammer 8 eingespritztem Brennstoff aus.
Es ist natürlich vorteilhaft, dass die Mittel 28, 29, 30, die nach dem Auftreffen des als Kühlmittel verwendeten Brennstoffs auf das Bugteil 11 diesen abführen, den genannten Brennstoff wieder auffangen und ihn erneut in die Brennkammer 8 einspritzen. Fig. 8 veranschaulicht schematisch ein Beispiel eines solchen Wiederauffangens. In diesem Beispiel wird der in der Brennkammer 8 wieder aufgefangene Brennstoff durch die Rampe 21, 22, 23, 24, 25 und 26 erneut in die Brennkammer 8 eingespritzt, nachdem er einen Kühlweg 31 zurückgelegt hat, der es gestattet, einen Teil des Staustrahltriebwerks 1, zum Beispiel die Hülle 32 des Zuluftstutzens 3, zu kühlen.

Claims

1. Brennstoffeinspritzstrebe (6) für ein Staustrahltriebwerk (1), das mit hoher Machzahl funktionieren soll und eine Brennkammer (8) umfasst, in die ein Sauerstoffträgerstrahl (F) eingeleitet werden soll, wobei die genannte Strebe (6) folgendes umfasst:

- ein Bug (7), auf den der genannte Sauerstoffträgerstrahl auftrifft und der eine Rampe elementarer Brennstoffeinspritzdüsen (24, 25, 26) bildet, die quer im genannten Sauerstoffträgerstrahl angeordnet ist und den genannten Brennstoff im genannten Sauerstoffträgerstrahl verteilt,

- Mittel zur Kühlung (23, 27) durch Kühlmitteleinspritzung, und

- Mittel (28, 29, 30) zur Abführung des genannten Kühlmittels, die mindestens an einem Längsende (6A, 6B) der genannten Strebe angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,

- dass sie folgendes umfasst:

- einen Körper (10), in dem die genannte Rampe mit elementaren Brennstoffeinspritzdüsen (24, 25, 26), die genannten Kühlmittel (23, 27) und die genannten Mittel zur Abführung des genannten Kühlmittels (28, 29, 30) angeordnet sind, und

- ein Bugteil (11) in mindestens annähernder Form eines Dieders mit dünnen Seiten (12, 13), das aus einem wärmeleitenden Material hergestellt ist, wobei der Winkel (A) des genannten Dieders höchstens 15º beträgt und der Radius (r) der Vorderkante (11A) des genannten Bugs höchstens gleich 2 mm ist;

- dass das genannte Bugteil (11) mit den genannten dünnen Seiten dicht am genannten Körper befestigt ist, und

- dass in am genannten Körper (10) montierter Stellung des genannten Bugteils (11) in der Hohlfläche des genannten Bugteils zwischen diesem und dem genannten Körper eine dichte Kammer (18) gebildet wird, wobei die genannten Kühlmittel mehrere Kühlmitteldruckstrahlen erzeugen, die entlang des genannten Bugs verteilt sind und im Bereich der genannten Vorderkante (11A) auf die konkave Seite des dünnen Bugteils treffen.

2. Einspritzstrebe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (e) des genannten dünnen Bugteils (11) höchstens gleich 2 mm ist.

3. Einspritzstrebe gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfähigkeit des Materials, aus dem das genannte dünne Bugteil (11) besteht, 70 W/m/K beträgt.

4. Einspritzstrebe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kühlmittel um ein Niedertemperaturgas handelt.

5. Einspritzstrebe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 für ein Flugzeug, das mit Mach 12 fliegen soll und bei dem der Bug der genannten Strebe eine Temperatur von etwa 1500ºC aushalten muss, dadurch gekennzeichnet, dass:

- das dünne Bugteil (11) einen Diederwinkel (A) von 12º und einen Vorderkantenradius (r) von 1,5 mm besitzt,

- das dünne Bugteil eine Dicke (e) von 1 mm besitzt und das Material, aus dem es besteht, eine Leitfähigkeit von 70 W/m/K hat;

- das Kühlmittel Wasserstoff mit einer Temperatur von 100 K bis 300 K und einem Druck von 10 bis 15 bar ist, und

- die Kühlmitteldurchflussmenge 2 bis 5 g/s für jeden Zentimeter der Länge der genannten Vorderkante beträgt.

6. Einspritzstrebe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel durch Brennstoff gebildet wird.

7. Einspritzstrebe gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an als Kühlmittel verwendetem Brennstoff weniger als 20% der gesamten in die Brennkammer (8) des Staustrahltriebwerks eingespritzten Brennstoffmenge ausmacht.

8. Einspritzstrebe gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Abführungsmittel (28, 29, 30) nach dem Auftreffen auf die konkave Seite der dünnen Bugwand (11) das Kühlmittel wieder auffangen und es erneut in die Brennkammer (8) der Staustrahltriebwerks einspritzen.

9. Einspritzstrebe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Körper (10) zumindest auf der Seite des genannten Bugs einen keilförmigen Querschnitt aufweist, dessen Winkel gleich dem des genannten Bugteils (11) ist, so dass die genannten dünnen Seiten (12, 13) des Bugteils an den Seiten (14, 15) des genannten Keils anliegen, und dadurch, dass die Kante (16) des genannten Keils an mindestens einem Teil seiner Länge gebrochen ist, um mindestens eine Endfacette (17) zu bilden, in der Düsen (27) angeordnet sind, die Bestandteil der genannten Kühlmitteleinspritzmittel sind und die genannten Strahlen des genannten Kühlmittels bilden, die auf die konkave Seite der genannten dünnen Wand (11) auftreffen.

10. Einspritzstrebe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Mittel zur Abführung des Kühlmittels folgendes umfassen:

- mindestens eine Längsnut (29), die oberflächlich in den genannten Körper (10) eingeschnitten ist und von einer Seite des genannten Bugteils (11) verschlossen wird, und

- ein Netz oberflächlicher Quernuten (28), die die Verbindung zwischen der genannten dichten Kammer (18) und der genannten Längsnut (29) herstellen und ebenfalls durch das genannte Bugteil verschlossen werden.

11. Einspritzstrebe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Rampe elementarer Brennstoffeinspritzdüsen und die genannten Kühlmittel längs verlaufende Zuführkanäle (21, 22, 23) und quer verlaufende Einspritzkanäle (24 bis 27) umfassen, die alle in dem genannten Körper der Strebe vorgesehen sind.

12. Einspritzstrebe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Rampe elementarer Brennstoffeinspritzdüsen auf der Seite der genannten Strebe gegenüber dem genannten Bug angeordnet ist.

13. Einspritzstrebe gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Rampe elementarer Brennstoffeinspritzdüsen Reihen von getrennten elementaren Einspritzdüsen umfasst, von denen die einen Brennstoff in Richtung des Sauerstoffträgerstrahls einspritzen und die anderen Brennstoff schräg in den genannten Strahl einspritzen.

14. Einspritzstrebe gemäß den Ansprüchen 1 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (10) der genannten Strebe gegenüber dem genannten Bug eine vorstehende mittlere Sockellängsrippe (20) umfasst, dadurch, dass in der genannten Sockelrippe mindestens eine Reihe elementarer Einspritzdüsen (24) angeordnet ist, die Brennstoff in Richtung des Sauerstoffträgerstrahls einspritzen, und dadurch, dass auf beiden Seiten der genannten Sockelrippe mindestens zwei Reihen elementarer Einspritzdüsen (25, 26) angeordnet sind, die Brennstoff schräg in den genannten Strahl einspritzen.

15. Einspritzstrebe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Körper (10) der Einspritzstrebe an seinen Enden Köpfe (6A, 6B) zur Verankerung der Strebe in gegenüberliegenden Wänden (5A, 5B) des genannten Staustrahltriebwerks und zur Speisung der genannten Strebe mit Brennstoff und Kühlmittel sowie zur Abführung des letzteren umfasst, und dadurch, dass das genannte Bugteil (11) die genannten Köpfe mindestens teilweise bedeckt.