DE1197689B - Raketenbrennkammer - Google Patents

Description

• Raketenbrennkammer Die Erfindung bezieht sich auf eine Raketenbrennkammer für flüssige Treibstoffe, bei welcher der Brennkammermantel aus zwei übereinanderliegenden Wandungen besteht, von denen die eine im wesentlichen in axialer Richtung verlaufende, rechteckige Kühlkanäle bildende Rippen besitzt.
• Bei Raketentriebwerken der vorgenannten Art ist es üblich, die Kühlung der Brennkammerwand durch eine der Verbrennungskomponenten vorzunehmen, die vor ihrem Eintritt in den Brennraum die Kühlkanäle durchläuft, die von den Rippen aufgenommene Wärme abführt und dabei selbst aufgeheizt wird. Wenn das Kühlmedium eine leicht siedende Flüssigkeit, z. B. flüssiger Sauerstoff ist, so besteht die Schwierigkeit, den sogenannten Leydenfrostschen Zustand zu vermeiden, bei dem flüssige und gasförrnige Bestandteile im Kühlraum gleichzeitig vorhanden sind. Bei diesem Zustand bildet sich häufig an der Wand der Kühlfläche ein filmartiges Dampfpolster, das die Flüssigkeitsströmung abhebt und denWärmeübergang an dieser Stelle unterbricht. Um eine solche Strömungsstörung zu verhindern, sind verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen und angewendet worden, z. B. Kühlkanäle mit besonders geringem Querschnitt, Erhöhung des Kühlmitteldrucks, auf ihrer Länge unterschiedliche Ausbildung der Kühlkanäle, um eine gleichmäßige, der thermischen Belastung angepaßte Strömung ohne Stagnation zu erreichen und ähnliche Lösungen, die jedoch entweder mit einem hohen technischen Aufwand verbunden sind oder große herstellungstechnische Schwierigkeiten bereiten.
• Ein Problem besonderer Art stellt bei allen Brennkammern mit in Kanälen geführter Kühlflüssigkeit die Kühlung der Düse im Bereich des engsten Querschnittes dar, wenn man davon ausgeht, daß eine optimale Kühlwirkung wesentlich vom Querschnitt der von den Rippen gebildeten Kühlkanäle abhängt. Der günstigste Kanalquerschnitt läßt sich jedoch nur entweder im zylindrischen Teil der Brennkammer oder im engsten Querschnitt der Düse einhalten. Bei optimaler Auslegung der Kühlkanäle im zylindrischen Teil der Brennkammer wird der Querschnitt der Kanäle im Düsenhals infolge der zusammengedrängten Anordnung der Kanäle auf einem kleineren Umfang wesentlich geringer, während im umgekehrten Falle der Kanalquerschnitt im zylindrischen Teil zu groß bzw. die Rippen zu dick werden.
• Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art die optimalen Ab- messungen der in Längsrichtung geführten Kühlkanäle über Brennkammer und Düse hin trotz der sich ändernden Umfangslänge beizubehalten.
• im Eine Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß die Kühlkanäle Verbindungsöffnungen für die Durchströmung in Umfangsrichtung besitzen. lEerdurch ist der Vorteil erreicht, daß bei sich ändernder Umfangslänge einzelne Kühlkanäle nicht mehr weitergeführt zu werden brauchen, wodurch eine Zusammendrängung von Kühlkanälen und eine damit zwangläufig verbundene Querschnittsänderung der einzelnen Kanäle vermieden wird.
• Dieser Vorteil macht sich vor allem dann günstig bemerkbar, wenn, wie nach ein ein weiteren Merkmal der Erfindung, die Verbindungsöffnuncen als in Umfangsrichtung verlaufende Ringkanäle ausgebildet und im Bereich des engsten Querschnitts der Düse angeordnet sind. Bei einer in dieser Weise ausgebildeten Brennkammer mit optimalem und gleichbleibendem-Kanalquerschnitt verlaufen von den Ringkanälen in Richtung zum Brennkammerboden mehr axial gerichtete Kühlkanäle als in Richtung zum Düsenhals.
• Weitere Merkmale der Erfindung und die sich aus ihnen ergebenden Vorteile sind in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine Tellansicht einer Brennkammer im' Schnitt gemäß der Schnittlinie 1-1 von F i g. 2, F i g. 2 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch eine gemäß der Erfindung ausgebildete Brennkammer, F i g. 2 a in einer ähnlichen Darstellung wie F i g. 1 eine Teilansicht gemäß Schnitt 2 a-2 a von F i g. 2, F i g. 3 eine von F i g. 2 a abweichende Ausführungsform von Verbindungsöffnungen zwischen den Kühlkanälen in gleicher Ansicht wie F i g. 2 a, F i g. 4 in teilweiser Darstellung einen Längsschnitt durch eine gemäß der Erfindung ausgebildete Brennkammer mit in Umfangsrichtung verlaufenden, in den Axialkanälen im Bereich des engsten Düsenquer- Schnitts ausgebildeten Querkanälen mit in den Axialkanälen angeordneten;Strömungsleitblechen, F i g. 4 a bis 4 d im Querschnitt gemäß den Schnitt-Unien 4 a bis 4 d von F i g. 5 und in vergrößertem Maßstab die Anordnung und Ausbildung der Strömungsleitbleche im Bereich des engsten Düsenquer-Schnitts, F i g. 5 eine vergrößerte Ansicht der in F i g. 4 im strichpunktierten Kreis dargestellten Brennkammerwandung im Bereich des engsten Düsenquerschnitts, F i g. 6 eine perspektivische Teildarstellung der in F i g. 4 strichpunktierten Zone bzw. der in F i g. 5 gezeigten Ausschnittvergrößerung, F i g. 7 eine Draufsicht auf den in F i g. 6 dargestellten Teil der Brennkammerwandung teilweise im Schnitt.
• Die in den F ig. 1 bis 3'gezeigte Brennkammer setzt sich aus zwei mit Pressung aneinander anliegenden Wandungen 11 und 12 zusammen, wobei in die innere Wandung 12 die Kühlkanäle 14 eingefräst sind. Diese Kühlkanäle haben rechteckigen Querschnitt, dessen nach innen zeigende Ecken abgerundet sind. Die Breite r der Kanäle 14 ist geringer als die Wandstärke t der Stege 13 zwischen den Kanälen und als die Wandstärke s zwischen Kanal und Brennraum. Im Bereich der engsten Stelle der Düse sind gemäß der Erfindung Verbindungsöffnungen 15 zwischen den Kühlkanälen 14 vorhanden, durch welche eine möglichst gleichmäßige Durchströmun , insbesondere an dieser thermisch am höchsten belasteten Stelle der Brenrikammer, gesichert *erden soll. Einzelne Kanäle, für die infolge des geringen Umfangs am Düsenhals kein Platz ist, laufen in die Verbindungskanäle 15 aus, so daß die Kanalbreite der axial verlaufenden Kanäle über die ganze Länge konstant sein kann.
• Die in F i g. 3 in einem Teilschnitt gezeigte Brennkammer ist ähnlich ausgebildet wie diejenige nach F i g. 2 a, jedoch sind die Kühlkanäle 14 durch über, die ganze Länge verlaufende Schlitze 20 jeweils zu Gruppen aus vier Einzelkanälen miteinander verbunden. Die Verbindung zwischen Außenwandung 11 und Innenwandung 12 wird durch Verschweißung der Stege 18 mit der Außenwandung 11 erreicht. Die Rippen 19 sind gegenüber den Stegen 18 nicht mit der Außenwandung 11 in Berührung. Sie haben hier nur den Zweck von Kühlrippen. Sowohl die Breite t der Stege 18 als auch die Wandstärke s der Innenwandung 12 zwischen den Stegen 18 sind jeweils größer als die Breite r der Kühlkanäle 14. Die Verbindung der einzelnen Kanäle 14 durch die Schlitze 20 soll eine möglichst gleichmäßige Durchströmung des gegamten Kanalquerschnitts bewirken. Mit Hilfe von Öffnungen 10 in den Stegen 18, die vorzugsweise in der Nähe des engsten Querschnittes der Düse angeordnet Sind, ist ein volIständiger Ausgleich zwischen den einzelnen Kanälen, z. B. bei ungleichmäßiger Einströmung, möglich. Die Schlitze 20 sind so schmal, daß die Längsströmung in diesen Schlitzen klein ist ini Verhältnis zur Strömung in den Kanälen 14.
• . Die Ausführungsform der Kühlkanäle nach den F i g. 4 bis 7 eignet sich besonders für größere Triebwerke mit hoher Leistung und damit hoher thermischer Beanspruchung. Die innere Wandung 22 ist durch schmale, axial laufende Stege 27 mit der äußeren Wandung 21 vorbundm Für, die innerhalb der axial verlaufenden Kühlkanäle 25 quer zu diesen verlaufenden Kühlkanäle 24 gilt ebenso die Bedingung, daß ihre. Breite r nicht größer ist als die Breite t der Stege 23 und die verbleibende Wandstärke s der inneren Wandung 22. Die Kühlkanäle 24 haben eine Länge, die der Breite der Kühlkanäle 25 entspricht und werden in Umfangsrichtung der Brennkammer durchströmt. Die Stärke dieser Durchströmung wird durch in den Kanälen 25 liegende Leitbleche 28 geregelt. Die Leitbleche 28 sind so geformt, daß in den Kanälen 25 jeweils ein Zulauf- und Ablaufkanal gebildet ist, von denen letzterer mit 26' bezeichnet ist. In gleichem Maße, wie sich die Zulaufkanäle stetig verengen, erweitern sich die Ablaufkanäle 26' entsprechend.
• Die Anordnung und Wirkungsweise der Strömungsleitbleche 28 sind aus den F i g. 6 und 7 besonders deutlich zu entnehmen, in denen durch Längspfeile die Strömungsrichtung in den axial verlaufenden Kühlkanälen 25 und durch Querpfeile die Strömungsrichtung des Kühlmittels in den Querkanälen 24 kenntlich gemacht ist.
• Durch die an ihren stromabliegenden Enden an den Rippen 27 dicht anliegenden Bleche 28 wird der axial fließende Kühlmittelstrorn gezwungen, von den Kanälen 25 unter dem Blech 28 durch die Querkanäle 24 hindurch in die Ablaufkanäle 26' zu fließen. Hierbei hat das Kühlmittel nur kurze Strömungswege zuriickzulegen",2wodurch nur geringe Reibungs- und Druckverluste, bei- gleicher Strömungsgeschwindigkeit entstehen, während jedoch die Kühlgeschwindigkeit höher und die Kühlung intensiver ist als in ausschließlich axial verlaufenden Kanälen. Außerdem lassen sich durch diese Maßnahme die Wände der Brennkammerdüse gewichtsmäßig leichter ausbilden.
• , Die in einzelnen der Rippen 27 angeordneten Öff-, nungen 29, die den Öffnungen 15 von F i g. 2 bzw. 2 a im wesentlichen entsprechen, haben die Aufgabe, als Ausgleichsöffnungen eine möglichst gleichmäßige Durchströmung des Brennkammennantels an dieser thermisch besonders hoch belasteten Stelle sicherzustellen.

Claims (3)

1. Patentanspräche: 1. Raketenbrennkammer für flüssige Treibstoffe, bei welcher der Brennkammermantel aus zwei übereinanderliegenden Wandungen besteht, von denen die eine im wesentlichen in axialer Richtung verlaufende, rechteckige Kühlkanäle bildende Rippen besitzt, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Kühlkanäle (14) Verbindungsöffnungen für die Durchströmung des Brennkammermantels in Umfangsrichtung besitzen.
2. 2. Raketenbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsöffnungen im Bereich des engsten Querschnittes der Düse angeordnet sind, 3. Raketenbrennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsöffnungen als in Umfangsrichtung verlaufende Ringkanäle (15) ausgebildet sind. 4. Raketenbrennkammer nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß von den Ringkanälen (15) in Richtung zum Brennkammerboden hin mehr axial gerichtete Kühlkanäle (14) verlaufen als in Richtung zum Düsenhals. 5. Raketenbrentikammer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsöffnungen als zwischen der Brennkammeraußenwand und den anliegenden Rippen angeordnete und jeweils einige benachbarte Kühlkanäle (14) verbindende Schlitze (20) ausgebildet sind. 6. Raketenbrennkammer nach den Ansprilchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsöffnungen als in den axial verlaufenden Kühlkanälen (25, 26) dicht nebeneinander liegende Querkanäle (24) ausgebildet sind, welche mittels eines bzw. mehrerer in den axialen Kühlkanälen angeordneter Strömungsleitbleche (28) derart abgedeckt sind, daß das Kühlmedium im Bereich der Strömungsleitbleche durch die Querkanäle fließt. 7. Raketenbrennkammer nach den Anspriichen 1 bis 4 -und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der wirksame Querschnitt der axial verlaufenden Kühlkanäle (14 bzw. 25, 26) größer ist als derjenige der Querkanäle (24) bzw. der in Umfangsrichtung verlaufenden Kanäle (15). In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1062 498, 1019 865; »Chemie-Ing.-Technik«, 31. Jahrgang, Nr. 8 (August 1959), S. 542; M.Barr#re, A.Jaumotte, B.F.deVeubecke, J. Vandenkerckhove, »Rocket Propulsion«, Elsevier Publishing Company, Amsterdam-London, 1960, S. 429 bis 433; Gröber-Erk, »Grundgesetze der Wärmeübertragung«,
3. 3.Auflage, Springer-Verlag, Berlin1955, S. 330 bis 331; E. Eckert, »Einführung in den Wärme- und Stoffaustausch«, Springer-Verlag, Berlin 1949, S. 22 bis 28.