DE1019867B

DE1019867B - Entspannungsduese fuer Reaktionsgeraete, insbesondere fuer Raketentriebwerke

Info

Publication number: DE1019867B
Application number: DEB36521D
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Helmut Von Zborowski
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1940-02-02
Filing date: 1940-02-02
Publication date: 1957-11-21

Description

Entspannungsdüse für Reaktionsgeräte, insbesondere für Raketentriebwerke Bei Reaktionsgeräten, insbesondere Raketentriebwerken, würden die aus einer einfachen Bohrung in der Brennkammer ins Freie austretenden Schwaden einen Schub erzeugen, der etwa 601/a des praktisch erzielbaren Schubes betragen, kann. Um die Schubausbeute zu erhöhen, wird- daher nach dem Austrittsquerschnitt aus der Brennkammer eine Entspannungsdüse vorgesehen. Solche Entspannungsdüsen würden bei reibungsfreier Strömung die Schubausbeute bis zu einem Höchstwert erhöhen, der bei vollem Druckausgleich zwischen statischem Druck im Gasstrahl und außen herrschendem Druck gegeben. ist.
Derartige Entspannungsdüsen müssen aber mit einer ausreichenden Kühlung versehen werden. Handelt es sich um Entspannungsdüsen von Raketenmotoren:, deren Kühlung nur durch die an Bord mitgeführten: Kraftstoffe mittelbar oder unmittelbar zu erfolgen hat, dann müssen die gesamten durch die gekühlten Wände eines Raketentriebwerkes wandernden Wärmemengen in. den Kraftstoffen unterbringhar sein. Diese Forderung zwingt nun zu einer einschneidenden Beschränkung der zulässigen Düsenoberfläche.
Um bei derartigen beschränkten Düsenflächen trotzdem ausreichend hohe Erweiterungsverhältnisse zu bekommen, wurde bereits vorgeschlagen, die bisher gebräuchlichen, in Fig.1 dargestellten Lavaldüsen durch Düsen mit starkem Öffnungswinkel zu ersetzen, wie dies die Fig. 2 und 3 zeigen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die bekannten Entspannungsdüsen mit beschränkten Düsenoberflächen hinsichtlich ihres Wirkungskreises zu verbessern, wo: bei jene Düse bzw. Düsenform die günstigste sein wird, bei der mit gleichem zu kühlendem Düsen.-flächenaufwand die durch die Düse gebrachte Erhöhung des Schubes. ein. Maximum wird.
Der durch die Düsen gebrachte Gewinn an Schub setzt sich aber aus zwei Komponenten zusammen: erstens aus der durch ein entsprechendes; üblicherweise beschränktes Öffnungsverhältnis zugelassenen Geschwindigkeitserhöhung im Feuergasstrahl über die im Austrittsquerschnitt aus der Brennkammer sich einstellende Schallgeschwindigkeit hinaus, da sich damit die Schubausbeute erhöht, trotz des gleichzeitig verminderten statischen Druckes im Gasstrahl, und zweitens aus der mehr oder weniger starken. Richtkraft, die die Düse auf den Gasstrahl ausübt, wodurch ein größerer oder kleinerer Anteil des Impulses des austretenden Strahles für die Schubausbildung nutzbar wird.
Bei Düsen mit sehr kleiner Steigung, beispielsweise bei Lavaldüsen nach Fig.l, sind die austretenden Strablfäden nahezu parallel der Düsenachse, wodurch der Gesamtimpuls des austretenden Strahles fast völlig der Schubausbildung zugute kommt. Besteht jedoch die Forderung, daß die Düsenoberfläche ein bestimmtes Maß nicht überschreiten darf, dann ist das Eröffnungsverhältnis der Düsen beschränkt, und diese besitzen dadurch einen geringen Düsenwirkungsgrad.
Übliche Düsen mit großem Eröffnungswinkel, beispielsweise nach Fig. 2 und 3, zeigen ein günstigeres Eröffnungsverhältnis gegenüber Düsen mit geringerem Eröffnungswinkel, wobei die austretenden Teilstrahlen aber bei weitem nicht mehr der Düsenachse parallel gerichtet sind, sondern. sie schließen zum großen Teil mit dieser große Winkel ein. Für die Schubausbeute stehen aber nur diejenigen Anteile der Teilimpulse aus dem Treibstrahl zur Verfügung, die gleich dem Kosinus des. von ihnen mit der Schubachse eingeschlossenen Winkels sind, so daß der Wirkungsgrad solcher Düsen ungünstig ist.
Diese Nachteile werden gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß statt der bisher üblichen Düsen mit starkem Öffnungswinkel der Öffnungswinkel der Düse aus Erzeugenden gebildet wird, welche gegenüber der Düsenachse konkave Krümmung besitzen. Die Erzeugenden können dabei derart konkav gekrümmt sein, daß im ersten Düsenteil ein großes Eröffnungsverhältnis besteht, während die weiteren Düsenteile vorzugsweise strahlrichtend wirken, wie dies die Düse in Fig. 4 im Schnitt zeigt. Ferner ist es möglich, die mittlere Krümmung der Erzeugenden längs der Düsenachse in. Richtung des austretenden Strahles zunächst zu- und dann abnehmen. zu lassen. Um die zu kühlende Fläche der Düse zu verringern, kann die Eröffnung der Düse so gewählt werden, da,ß kein völliger Druckausgleich zwischen statischem Druck im Strahl und Außendruck eintritt. Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Düse zeigt die Fig.5 im Schnitt.
Wenn man das Verhältnis des höchsterzielbaren Schubes bei vollem Druckausgleich zwischen statischem Drück im Strahl und@Außendruck durch den erzielten Schub über der Länge oder der Oberfläche der Düse aufträgt, so ergibt sich ein Kurvenverlauf, aus dem sofort zu erkennen. ist, daß bereits mit kurzen Düsenabschnitten hohe Wirkungsgrade erzielbar sind, während die weiterfolgenden, gleichflächigen Düsenabschnitte anteilig immer weniger zur Schuberhöhung beitragen. Eine solche Düsenb auform kann dazu gewählt werden, um eine Düse aus mehreren Einzelstufen zu einer Stufendüse zusammenzusetzen, um bei stark geändertem Gegendruck oder bei stark veränderlichen Brennkammerdrücken - also erheblich sich ändernden Druckverhältnissen - hohe Wirkungsgrade zu erzielen. Eine solche Stufendüse ist in den Fig. 6 und 7 als zwei- und dreifache Stufendüse dargestellt. Die Änderung des Gegendruckes kann durch Hecksog bei hohen. Geschwindigkeiten des Raketengerätes einerseits und durch die verminderten Drücke in höheren. Luftschichten andererseits gegeben sein, während die vorzugsweise periodisch veränderlichen Brennkainmerdrücke durch ein intermittieren, des Arbeiten des Triebwerkes bedingt sein können. Die Austrittsdüse kann beispielsweise als Dreistufen.-düse so, ausgebildet werden, daß die erste Stufe für einen guten Wirkungsgrad für einen Gegendruck von 1 ata, die zweite für einen, Gegendruck von 1/1o ata und die dritte für 1/100o ata ausgelegt ist.

Claims

PATENTANSPRÜC$E: 1. Entspannungsdüse für Reaktionsgeräte, insbesondere für Raketentriebwerke, dadurch gekennzeichnet, da.ß diese aus Erzeugenden gebildet ist, welche gegenüber der Düsenachse konkave Krümmung besitzen.
2. Entspannungsdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugenden, derart konkav gekrümmt sind, daß im ersten. Düsenteil ein großes Eröffnungsverhältnis besteht, während die weiteren Düsenteile vorzugsweise strahlrichtend wirken. (Fig. -1).
3. Entspannungsdüse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Krümmung der Erzeugenden längs der Düsenachse in Richtung des austretenden Strahles zunächst zu-und dann abnimmt (Fig. d).
Entspannungsdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der zu kühlenden Fläche die Eröffnung der Düse so gewählt ist, daß kein völliger Druckausgleich zwischen statischem Druck im Strahl und Außendruck eintritt.
5. Entspannungsdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese aus mehreren Düsenabschnitten besteht, die zu einer Stufendüse vereinigt sind (Fig. 6 und 7).