DE3023755C2 - Einrichtung zum Einbringen brennstoffreicher Gase in die Brennkammer von Raketen-Staustrahltriebwerken - Google Patents
Einrichtung zum Einbringen brennstoffreicher Gase in die Brennkammer von Raketen-StaustrahltriebwerkenInfo
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- F02K7/10—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof characterised by having ram-action compression, i.e. aero-thermo-dynamic-ducts or ram-jet engines
- F02K7/18—Composite ram-jet/rocket engines
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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.
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
55
60
65
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
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.
L»ic glciCtic Tt irKüng ST^cbcn LcitäChHüicin 8 gcrTiäu
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)
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
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3023755A DE3023755C2 (de) | 1980-06-25 | 1980-06-25 | Einrichtung zum Einbringen brennstoffreicher Gase in die Brennkammer von Raketen-Staustrahltriebwerken |
FR8112435A FR2526086A1 (fr) | 1980-06-25 | 1981-06-24 | Dispositif pour l'introduction de gaz riches en combustible dans la chambre de combustion de statoreacteurs a fusee |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
DE3023755A DE3023755C2 (de) | 1980-06-25 | 1980-06-25 | Einrichtung zum Einbringen brennstoffreicher Gase in die Brennkammer von Raketen-Staustrahltriebwerken |
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Publication Number | Publication Date |
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ID=6105424
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE3023755A Expired DE3023755C2 (de) | 1980-06-25 | 1980-06-25 | Einrichtung zum Einbringen brennstoffreicher Gase in die Brennkammer von Raketen-Staustrahltriebwerken |
Country Status (2)
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FR (1) | FR2526086A1 (de) |
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---|---|---|---|---|
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Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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FR2257789A1 (en) * | 1973-07-27 | 1975-08-08 | Onera (Off Nat Aerospatiale) | Propulsive unit for missile - has jet and rocket with coaxial discharges axially displaced from each other |
-
1980
- 1980-06-25 DE DE3023755A patent/DE3023755C2/de not_active Expired
-
1981
- 1981-06-24 FR FR8112435A patent/FR2526086A1/fr active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3023755A1 (de) | 1983-11-03 |
FR2526086B3 (de) | 1984-11-16 |
FR2526086A1 (fr) | 1983-11-04 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8120 | Willingness to grant licences paragraph 23 | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: MESSERSCHMITT-BOELKOW-BLOHM GMBH, 8012 OTTOBRUNN, |
|
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |