DE3023755C2 - Einrichtung zum Einbringen brennstoffreicher Gase in die Brennkammer von Raketen-Staustrahltriebwerken - Google Patents

Description

— zentral im Brennkammerkopf (2) ein frei in die Brennkammer (1) hineinragender, sich zu seinem freien Ende hin erweiternder Verteilerkegel (3) angeordnet ist, an dessen freiem Ende eine ringförmige, radial nach außen vorspringende Dispersionsschanze (6) ausgebildet ist, und

— im Brennkammerkopf (2) um die Wurzel des Verteilerkegels (3) Düsen (4) für die brennstoffreichen Gase derart angeordnet sind, daß jedem Lufteinströmkanal (5) in der ihn enthaltenden Meridianebene (E) der Brennkammer (1) eine Düse (4) zugeordnet ist, und daß die Düsen (4) so gerichtet sind, daß die aus ihnen austretenden Gasströme (CS) den Verteilerkegel (3) jeweils ir< Richtung einer rviantellinie desselben bestreichen, um über die Dispersionsschanze (6) in den freien Raum der B.ennkammer (1) zu gelangen, wo sie jeweils mit der Luft aus dem zugeordneten Lufteinströmkanal (5) zusammentreffen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilerkegel (3) einen zentralen Hohlraum (9) aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dispersionsschanze (6) des Verteilerkegels (3) durch Einkerbungen (7) zum Eingrenzen bzw. gegenseitigen Abgrenzen der einzelnen Gasströme (GS)unterbrochen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Seite eines jeden Gasstromes (CS) je eine Einkerbung (7) in der Dispersionsschanze (6) vorgesehen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten der einzelnen Gasströme (CS) zu ihrer gegenseitigen Abgrenzung auf dem Verteilerkegel (3) Leitschaufeln (8) vorgesehen sind.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Einbringen brennstoffreicher Gase in die Brennkammer von Raketen-Staustrahltriebwerken, der gleichzeitig über mehrere gleichmäßig am Triebwerksumfang verteilte, insbesondere vier Lufteinströmkanäle vorverdichtete Luft schräg von außen nach innen quer zu den brennstoffreichen Gasen zugeführt wird, die ais einzelne Gasströme in die Brennkammer einströmen und sich mit der Luft vermischen, wobei der Luftsauerstoff und das brennstoffreiche Gas insbesondere hypergol miteinander reagieren.

Bei Staustrahlraketentriebwerken wird die bei hohen Fluggeschwindigkeiten aufgefangene Luft im Einlaufdiffusor verzögert und strömt als verdichtete Verbrennungsluft in die Brennkammer ein. In dieser wird der verdichteten Luft mit Hilfe von Brennstoff Energie zugeführt, die in der nachfolgenden Schubdüse in Vortrieb umgewandelt wird Auch bei Rückstoßtriebwerken

ίο wird, wie bei allen Wärmekraftmaschinen ein hoher Wirkungsgrad und insbesondere bei Flugtriebwerken auch eine große spezifische Leistung angestrebt Hoher Wirkungsgrad bedingt einen nahezu vollständigen Ausbrand und große spezifische Leistung bringt eine hohe Brennkammerbelastung mit sich. Das Belastungsvermögen der Brennkammer wirkt sich unmittelbar auf deren Bauvolumen aus, das, um am Baugewicht und an der Baugröße des Fluggerätes zu sparen, möglichst zu reduzieren ist Die Voraussetzung zur Erfüllung der angeführten Forderungen bei solchen Rückstoßtriebwerken ist eine schnelle und gleichzeitig intensive Vermischung der einströmenden Luft mit dem eingebrachten Brennstoff, um einerseits die Ausbrandstrecke zu verkürzen und damit das Bauvolumen zu reduzieren und andererseits den Ausbrand zu verbessern und damit den Wirkungsgrad hoch zu halten. Um genügend Zeit für die Vermischung zwischen dem Brennstoff und dem Luftsauerstoff sowie für den Reaktions- bzw. Ausbrandvorgang zu erhalten und um eine thermische Zerstörung der Brennkammer- bzw. Schubdüsenwand zu vermeiden, ist es erforderlich, innerhalb der Brennkammer eine gewisse »Ruhezone« zu schaffen, in der die Bewegungsgeschwindigkeit des Brennstoff-Luftgemisches stromabwärts unterhalb der Flammenfortschrittsgeschwindigkeit liegt. Mit anderen Worten, es ist notwendig, den heißen Flammenkern frei im Brennkammerinnenraum zu stabilisieren und ihm laufend Sekundärluft zuzuführen, so daß der heiße Reaktionskern '·ήι den Brennkammerwänden nicht unmittelbar in Berührung kommt und die Temperatur der heißen Reaktionsgase auf ein für den Werkstoff der Schubdüse verträgliches Maß gesenkt wird. Zur Stabilisierung des Flammenkerns werden sogenannte Flammenhalter in verschiedenen Ausführungsformen verwendet, die ein Rückströmgebiel hervorrufen.

Wie bereits eingangs erwähnt, sind Raketen-Staustrahltriebwerke mit einem festen Treibsatz zur Erzeugung brennstoffreicher Gase bekannt, wie z. B. die US-PS 29 87 875 offenbart. Gemäß der dort gezeigten Konzeption werden die brennstoffreichen Gase nach Abbrand des Starttreibsatzes über eine zentrale Düse divergierend über einen ringförmigen Flammenhalter in eine gemeinsame Brennkammer eingeblasen. Die Stauluft wird dabei ringförmig koaxial von außen her der innenliegenden, zwar durch den Flammenhalter verwirbelten, jedoch in sich geschlossenen Konusströmung der brennstoffreichen Gase beigemischt. Dies kann zu einer mangelhaften Vermischung und damit zu einem unvollständigen Ausbrand führen. Auch kann unter bestimmten Betriebsbedingungen die Zündfreudigkeit des Gemisches ungenügend sein. Um diese Mängel zu vermeiden, ist gemäß der DE-PS 24 59 00! innerhalb der Brennkammer eine nach hinten offene Hilfskammer vorgesehen, in welche die Einblasdüse für die brennstoffreichen Gase mündet. Dabei verbleibt eine Teilmenge der brennstoffreichen Gase innerhalb der Hilfskammer und wird mit einer Teilmenge der Gcsamlluft als brennstolTreichercs zündwilliges Teilgemisch vcr-

brannt

Außerdem zeigt die US-PS 33 36 753 in den Fig.6 und 7 ein Raketen-Staustrahltriebwerk, bei dem flüssiger Brennstoff mit Sauerstoffunterbilanz über ein Zumeßventil und Einspritzdüsen in eine Vorbrennkammer eingebracht wird, worauf die hierin erzeugten brennstoffreichen Gase über mehrere Einblasdüsen in die nachfolgende Haaptbrennkammer einströmen, der zur vollständigen Reaktion der brennstoffreichen Gase mit Sauerstoff noch Stauluft über Einströmkanäle zugeführt wird. Die Vermischung der brennstoffreichen Gase und der Stauluft erfolgt primär durch schräge Queranströmung und dann in einem durch übliche Flammenhalter erzeugten Rückströmgebiet Besondere Strömungsmittel sind dabei an oder in den Einblasdüsen für die brennstoffreichen Gase zur Beeinflussung ihrer Einblasströme nicht vorgesehen.

Der besondere Nachteil dieser bekannten Konzeption liegt darin, daß durch die gegebenen massiven Einbiasströme der brennstoffreichen Gase, die in die einzelnen Luftströme konzentriert eindringen, auoi im Zusammenwirken mit den nachfolgenden Flammenhaltern in kürzester Zeit und auf engstem Raum keine innige Vermischung beider Komponenten gewährleistet ist, da die Vermischung mehr oder weniger dem Zufall überlassen bleibt

Wie bereits beschrieben, werden bei Raketen-Staustrahltriebwerken als Brennstoff während der Marschphase brennstoff reiche Gase verwendet, die durch Abbrand eines Festtreibstoffes mit Sauerstoffunterbilanz erzeugt werden. Dabei erfolgt der Ausbrand des festen Marschtreibsatzes nicht vollständig, d.h. es fallen zum einen kleinere und größere unverbrannte Feststoffteilchen an, die im Gasstrom mitgerissen werden und zum anderen wird kein homogenes Gas erzeugt vielmehr werden leichtere und schwerere Gasanteile produziert, die mehr oder weniger zündwillig und schneller oder langsamer verbrennen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, auch diesem mangelhaften Umstand Rechnung zu tragen und hierfür eine Einrichtung zu schaffen, die über einen breiten Leistungsbereich ein spontanes Zünden zumindest eines Teils des Brennstoff-Luftgemisches bzw. ein sicheres Durchzünden in der Brennkammer gewährleistet. Ferner soll diese Einrichtung bei guter i-lammenstsbilisierung eine schnelle und intensive Durchmischung der Luft mit den brennstoffreichen Gasen garantieren rowie gleichzeitig eine wirksame thermische Aufbereitung des Gemisches in kürzester Zeit nach sich ziehen.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch, daß zentral im Brennkammerkopf ein frei in die Brennkammer hineinragender, sich zu seinem freien Ende hin erweiternder Verteilerkegel angeordnet ist. an dessen freiem Ende eine ringförmige, radial nach außen vorspringende Dispersionsschanze ausgebildet ist, und daß ferner im Brennkammerkopf um die Wurzel des Verteilerkegels Düsen zum Einblasen der brennstoffreichen Gase derart angeordnet sind, daß jedem Lufteinströmkanal in der ihn enthaltenden Meridianebene der Brennkammer eine Düse zugeordnet ist, und daß diese Düsen so gerichtet sind, daß die aus ihnen austretenden Gasströme den Verteilerkegel jeweils in Richtung einer Mantellinie desselben bestreichen, um über die Dispersionsschanze in den freien Raum der Brennkammer zu gelangen, wo sie jeweils mit der Luft aus dem zugeordneten Lufteinströmkanal zusammentreffen.
Die Erfindung weiter ausgestaltende Merkmale gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Durch den erfindungsgemäßen Verteilerkegel werden die in die Brennkammer einströmenden Gasstrahlen für den nachfolgenden Verbrennungsvorgang mechanisch aufbereitet Dies geschieht insbesondere dadurch, daß die brennstoffreichen Gase durch den zunehmenden Kegelwinkel erstens eine Oberflächenverteilung auf dem Verteilerkegel erfahren und zweitens dadurch, daß mit Hilfe der Dispersionsschanze eine gezielte und für den nachfolgenden Verbrennungsvorgang sinnvolle Separierung der brennstoffreichen Gase vorgenommen wird. Deren gewichtsmäßig verschiedene Bestandteile werden dabei auszentrifugiert, so daß in der Nähe des Verteilerkegels die leichteren, zündwilligeren Bestandteile sich konzentrieren, und zwar teils radial innen und teils radial außen, während die schwereren Bestandteile weiter in den Brennraum hineingeschleudert werden, so daß sie zwischen zwei Flammenmänteln thermisch aufbereitet und dt?m vollständigen Ausbrand zugeführt werden. Durch den Hohlraum im Verteilerkegel wird der Rückströmeffekt erhöht und ein zündwilliger zentraler Bereich geschaffen. Der Verteilerkegel ersetzt die üblichen Flammenhalter und wirkt positiv über deren Funktionsweise hinaus.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung dargestellt Es zeigen

F i g. 1 einen Längsschnitt durch den vorderen Teil einer Brennkammer,

F i g. 2 einen Schnitt, nach der Linie H-II in F i g. 1,

F i g. 3 den vorderen Bereich des Verteilerkegels mit Einkerbungen in der Dispersionsschanze,

Fig.4 eine Stirnansicht des Verteilerkegels nach Fig. 3,

Fi g. 5 einen Verteilerkegef mit Leitschaufeln und F i g. 6 einen Verteilerkegei mit Hohlraum.

Wie aus F i g. 1 hervorgeht, ist im vorderen Bereich der Brennkammer 1 bzw. im Brennkammerkopf Z zentral ein Verteilerkegel 3 vorgesehen, der von brennstoffreichen Gasen G beaufschlagt wird, die über vier Düsen 4 e^:sströmen. Auch die Verbrennungsluft L gelangt über vier Einströmkanäle 5 in die Brennkammer 1. Dabei ist jedem Lufteinströmkanal 5 in der ihn enthaltenden Meridianebene £der Brennkammer 1 je eine Düse 4 zugeordnet.

Durch den Kegelwinkel λ wird bewirkt, daß die aus den Düsen 4 austretenden einzelnen Gasstrahlen sich auf dem Kegelmantel ausbreiten, und einen dünnen Gasfilm bilden, mit anderen Worten, durch den kegelwinkel ac können der Verbreiterungsgrad und die FiImdicke der einzelnen Gasströme GS auf dem Kegelmantel mitbestimmt werden. Außerdem erfahren die Gaspartikd durch Reibung eine Rotationsbewegung. Am hinteren freien Ende weist der Verteilerkegel 3 eine Dispersionsschanze 6 mit einem Dispeisionswirikel $ auf, die bezweckt, daß die einzelnen Gasströme GS dispergierend frei in den Brennraum abströmen. Dabei findet gewichtsmäßig eine Separierung statt, insofern, als durch die ablenkende Wirkung der Dispersionsschanze 6, ferner durch den zentralen Rückströmsog, hervorgerufen insbesondere durch den Vertejlerkegel 3 und schließlich durch die im wesentlichen .ils Querströmung von außen wirksame Lufteinströmung über die Einströmkanäle 5 sich die Gasströme GS, in radialer Richtung betrachtet, h einzelne Strömungszonen aufteilen, nämlich in einen radial äußeren Gasstromanteil GSIa mit leichteren Gasbestandteilen, in einen mittleren Gasstromanteil GSsm mit schwereren Gasanteilen und noch festen Brennstoffpartikelchen und in einen radial

Hierzu 3 Blau Zeichnungen

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5

inneren Gasstromanteil GSIi mit ebenfalls leichteren Gasbestandteilen. Dieses erfindungsgemäße Phänomen

der radialen Mehrfach- bzw. Dreifachschichtung für das )

brennstoffreiche Gas G in Verbindung mit der weiteren 'J

Maßnahme, daß die einzelnen, im vorliegenden Fall vier 5 fti Gasströme GS in Umfangsrichtung betrachtet nicht zu- Ij

sammenhängen, wodurch sich zwischen den einzelnen \

freien Gasströmen GS nach dem Verteilerkegel 3 noch Lücken bzw. gasfreie Zwischenräume Z ergeben, er laubt nicht nur. wie insbesondere die F i g. 2 erkennen läßt, den einzelnen Luftströmen L das Umströmen der einzelnen geschichteten Gasströme GS, es tritt darüber hinaus noch der günstige Umstand ein, daß die leichte- fj

ren. d. h. zündfähigeren Gasbestandteile GSIa und GSIi f

von der Verbrennungslufn L rund um die schwereren 15 ί

Strömungsanteile GSsm über die »freien« Zwischen- f

räume Zerreichbar sind, daß also peripher der Verbren- ij

nungsluft L ein zündwilliger fangbereich angeboten \

wird, innerhalb dem die mittlere Zone mit den schwere- '

ren und zündunwilligeren Gasbestandteilen GSsm ther- 20 .;

misch aufbereitet und dem Ausbrand zugeführt werden kann. Damit wird insgesamt der Ausbrand sowohl gesteigert als auch beschleunigt. Dies führt zu einem höheren Wirkungsgrad sowie zur Erhöhung der spezifischen Brennkammerleistung und damit gleichzeitig zur Einsparung von Baugewicht und Baulänge der Brennkammer.

In den F i g. 3. 4 und 5 sind Maßnahmen gezeigt, welche dazu beitragen, daß, wie bereits beschrieben, zwischen den einzelnen Gasströmen GSgasfreie Zwischen- 30 _f räume Z verbleiben, durch die die Teilluftströme in den j Rückströmsog gezogen werden. Zur Unterstützung dieser Erscheinung sind in der Dispersionsschanze 6 Kerben 7 vorgesehen, auf jeder Seite eines jeden Gasstromes GSje eine.

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F i g. 5, welche die einzelnen Gasströme GS eingrenzen und ihnen eine solche Richtung geben, daß zwischen den einzelnen Gasströmen GS auch noch nach dem Verteilerkegel 3 Durchströmlücken bzw. gasfreie Zwischenräume Zverbleiben.

Wie in F i g. 6 dargestellt, wird die Rückströmung der Gasströme GS und der Luftströme L noch unterstützt durch einen Hohlraum 9. Dieser intensiviert also das durch den Verteilerkegei 3 ohnehin angefachte Rückströmgebiet, was einer weheren Verkürzung der Brennkammerbaulänge und Verkleinerung der Baugröße der Brennkammer entgegenkommt.

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Einbringen brennstoffreicher Gase in die Brennkammer von Raketen-Staustrahltriebwerken, der gleichzeitig über mehrere gleichmäßig am Triebwerksumfang verteilte, insbesondere vier Lufteinströmkanäle vorverdichtete Luft schräg von außen nach.innen quer zu den brennstoffreichen Gasen zugeführt wird, die als einzelne Gasströme in die Brennkammer einströmen und sich mit der Luft vermischen, wobei der Luftsauerstoff und das brennstoffreiche Gas insbesondere hypergol miteinander reagieren, dadurch gekennzeichnet, daß