DE3432607A1 - Einrichtung zum daempfen von brennkammerschwingungen bei fluessigkeitsraketentriebwerken - Google Patents

Einrichtung zum daempfen von brennkammerschwingungen bei fluessigkeitsraketentriebwerken

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DE3432607A1
DE3432607A1 DE19843432607 DE3432607A DE3432607A1 DE 3432607 A1 DE3432607 A1 DE 3432607A1 DE 19843432607 DE19843432607 DE 19843432607 DE 3432607 A DE3432607 A DE 3432607A DE 3432607 A1 DE3432607 A1 DE 3432607A1
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Description

Patentabteilung
23.08.1984, 0175A
Hn/er
9533
Einrichtung zum Dämpfen von Brennkammerschwinqunqen bei Flüssigkeitsraketentriebwerken
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum
Dämpfen von innerhalb der Brennkammer von Raketentriebwerken, die mit flüssigen Treibstoffen arbeiten, auftretenden Gasschwingungen während des Verbrennungsprozesses, mit Hilfe von im Bereich des Einspritzkopfes angeordneten Dämpfungskammern, die mit dem Brennraum
über Durchtrittskanäle verbunden sind.
Bei der Verbrennung von flüssigem Brennstoff mit Luftsauerstoff oder chemischem Sauerstoff, z. B. von Wasserstoff und Sauerstoff, in Raketenbrennkammern treten je nach konstruktiven und verbrennungstechnischen Bedingungen und physikalischen Zuständen Gasschwingungen mit kleinerer oder größerer Intensität auf, die sich auf die umliegenden Bauteile bzw. auf die Brennkammer mit Schubdüse und den Einspritzkopf übertragen. Diese unerwünschten Gasschwingungen, die aus Verbrennungsunregelmäßigkeiten und Druckspitzen resultieren, bewirken, sofern sie ein bestimmtes Maß nicht überschreiten, spürbare Wirkungsgradeinbußen und damit Leistungsverluste und können bei großer Schwingungsintensität zu Schwingungsbrüchen benachbarter Bauteile führen.
Im Brennkammerbau für Raketentriebwerke ist es bekannt, zur Unterdrückung dieser Gasschwingungen innerhalb der Brennkammer am vorderen Ende derselben, über deren Umfang gleichmäßig verteilt, viele Durchtrittsfenster
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vorzusehen, die in zugeordnete, verhältnismäßig kleine, gleichgroße Dämpfungskammerη im Einspritzkopf münden. Durch diese, lediglich nur im peripheren Bereich des Einspritzkopfes angeordneten Dämpfungskammern werden Schwingungserscheinungen normaler Intensität in ausreichendem Maße gedämpft. Es ist aber anzunehmen, daß das Auftreten starker Schwingungen nur ungenügend unterdrückt wird, insbesondere deswegen, weil die einzelnen Dämpfungskammern zum Teil zu weit von im zentralen Bereich gelegenen Schwingungsquellen entfernt sind.
Hier setzt die Erfindung ein, deren Aufgabe darin besteht, eine der eingangs genannten Art entsprechende Dämpfungseinrichtung zu schaffen, die befähigt ist, vorhandene Schwingungserscheinungen umfassender zu bekämpfen und auch extreme Schwingungen wirksamer zu dämpfen.
Gelöst wird diese Aufgabe im Rahmenm einer Einrichtung
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zur Dämpfung der in der Brennkammer von Raketentriebwerken angefachten Gasschwingungen gemäß der Erfindung dadurch, daß die Dämpfungskammern über die ganze Stirnseite des Einspritzkopfes verteilt innerhalb desselben
vorgesehen sind.
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Durch die Erfindung werden die innerhalb der Brennkammer auftretenden Schwingungen über den gesamten Brennkammerquerschnitt bekämpft und zum Abklingen gebracht.
Bei einer Ausbildung des Einspritzkopfes derart, daß zum Einbringen zweier Treibstoffe im Einspritzkopf viele, parallel im Abstand zueinander verlaufende Einspritzdüsen mit jeweils einem zentralen Zulaufkanal für den einen Treibstoff, insbesondere Sauerstoff, und jeweils einem koaxialen Zulaufringkanal für den anderen
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Treibstoff, insbesondere Wasserstoff, vorgesehen sind und der verbleibende Raum zwischen den Treibstoffdüsen als Treibstoffverteilerraum dient, von dem aus die koaxialen Treibstoffzulaufringkanäle in den Treibstoffdüsen mit dem anderen Treibstoff, insbesondere Wasserstoff, versorgt werden, sind erfindungsgemäß die Dämpfungskammern zwischen den Einspritzdüsen angeordnet innerhalb des Einspritzkopfes vorgesehen.
Im Rahmen einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird vorgeschlagen, die Dämpfungskammern als eigene, flaschenförmige Bauteile auszubilden, die mit ihren Hälsen in der Stirnwand des Einspritzkopfes befestigt sind und sich freistehend zwischen den Einspritzdüsen im Treibstoffverteilerraum für den anderen Treibstoff, insbesondere dem Wasserstoff, erstrecken.
Der besondere Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausführung liegt darin, daß, über den Brennkammerquerschnitt
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betrachtet, je nach gegebenem Schwingungsraster entsprechend angepaßte Dämpfungskammern eingesetzt werden können, in denen sich die örtlich erzeugten Schwingungen totlaufen. Dabei werden die zu Sekundärschwingungen angeregten Dämpfungskammern durch den umgebenden Treib-
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stoff ihrerseits gedämpft, wodurch insgesamt eine hohe Dämpfungsleistung erzielt wird.
Eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung von Dämpfungskammern innerhalb eines Einspritzkopfes, wie vorbeschrieben, besteht darin, daß - von der Brennkammer her betrachtet - die Dämpfungskammern hinter dem im Einspritzkopf vorgesehenen Treibstoffverteilerraum liegen und gegenüber diesem durch eine Schottwand abgetrennt sind und die Verbin-
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dung zwischen dem Brennraum und den einzelnen Dämpfungskammerη über den Treibstoffverteilerraum durchsetzende Verbindungsrohre als Durchtrittskanäle relativ großer LÄnge erfolgt.
Die Vorteile dieser Ausführungsform sind in der Groß>räumigkeit der Dämpfungskammern und damit in deren besonderer Dämpfungsleistung zu sehen und ferner in der verhältnismäßig großen Länge der Verbindungsrohre, wodurch insbesondere hochfrequente Radialschwingungen abgebaut werden.
Eine dritte Ausführungsform der Erfindung besteht bei einem Einspritzkopf der in Rede stehenden Art darin, die Dämpfungskammern unmittelbar hinter der Stirnwand des Einspritzkopfes radial aneinandergrenzend anzuordnen und dabei mittels einer dahinterliegenden Schottwand gegenüber dem Brennstoffverteilerraum abzutrennen, wobei die zwischen der Brennkammer und den Dämpfungs-
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kammern vorgesehenen Durchtrittskanäle in der Stirnwand des Einspritzkopfes vorgesehen sind. Diese Ausführungsform ist insbesondere herstellungstechnisch einfach..
Um Schwingungserscheinungen verschiedener Intensität
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nach Amplitude und Frequenz und im Hinblick auf unregelmäßige Verteilung innerhalb der Brennkammer individuell entgegentreten zu können, wird in Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, die einzelnen Dämpfungskammern in bezug auf Volumen, Durchmesser und Länge den Störparametern angepaßt auszubilden. Diese Maßnahmen haben auch Gültigkeit für die Gestaltung der Durchtrittskanäle.
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Die Zeichnung zeigt drei erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele mit Anordnungen von Dämpfungskammern innerhalb des Einspritzkopfes von Raketenbrennkammern.
Wie aus den drei Figuren hervorgeht, sind im Einspritzkopf viele, zueinander parallel gerichtete Einspritzdüsen 1 vorgesehen, durch deren Zentralrohr 2 jeweils der eine der beiden Treibstoffe, insbesondere Sauerstoff O, der Brennkammer 3 zugeführt wird, während der
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andere Treibstoff, insbesondere Wasserhoff H, jeweils über einen Ringspalt 4 zwischen der Außenfläche des Zentralrohres 2 und einer Überwurfhülse 5 (Fig. 1) sowie jeweils einem Mündungsstück 6 (Fig. 2 und 3) in die Brennkammer 3 eingespritzt wird. Zugeführt wird der Wasserstoff aus einem Verteilerraum 7 über Zulaufbohrungen 8 in den Überwurfhülsen 5. Den vorderen Abschluß des Einspritzkopfes gegenüber der Brennkammer 3 bildet eine Stirnwand 9.
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Wie die Fig. 1 zeigt, sind in dieser Stirnwand 9 flaschenförmige, verhältnismäßig dünnwandige Dämpfungskammern IO mit ihren Hälsen 1Oa eingesetzt und erstrecken sich frei innerhalb des Verteilerraumes 7. In der Brennkammer 3 erzeugte Gasschwingungen pflanzen sich in
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die Dämpfungskammern 10 hinein fort und werden dort nachhaltig unterdrückt. Die Dämpfungskammern 10 stellen ihrerseits schwingungsfähige Gebilde dar. Ihre Eigenschwingungen werden durch die große Masse des umgebenden Wasserstoffes gedämpft.
In Fig. 2 sind gegenseitig abgegrenzte einzelne Dämpfungskammern 20 hinter dem Treibstoffverteilerraum 7, von diesem durch eine Schottwand 11 abgetrennt.
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vorgesehen. Dabei wird der Verteilerraum 7 überbrückt durch Verbindungsrohre 12, die diesen durchsetzen und die Brennkammer 3 mit den Dämpfungskammern 20 verbinden.
Diese Ausführungsform bringt in vorteilhafter Weise großvolumige Dämpfungskammern 20 mit sich und die verhältnismäßig langen Verbindungsrohre 12 als Durchtrittskanäle ergeben eine große Dämpfungsleistung bezüglich radialer Schwingungsvektoren. 10
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind die gegenseitig abgegrenzten einzelnen Dämpfungskammern 30 unmittelbar hinter der Stirnwand 9 vorgesehen und sind gegenüber dem hintenliegenden Verteilerraum 7 für den Wasserstoff H durch eine Schottwand 21 abgetrennt, die, um selbst Schwingungen aufnehmen zu können, verhältnismäßig dünnwandig ausgebildet ist. Die zwischen der Brennkammer und den einzelnen Dämpfungskammern 3O verlaufenden Durchtrittskanäle 22 sind unmittelbar in der
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Stirnwand 9 vorgesehen. Die Schwingungen gelangen bei dieser Ausführung durch die kurzen Durchtrittskanäle in die einzelnen Dämpfungskammern 30 und werden dort unterdrückt.
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In den einzelnen Dämpfungskammern 10 bzw. 20 bzw. 30 sind Spülöffnungen 13 vorgesehen, die zu den Verteilerräumen 7 gerichtet sind, in denen sich der Wasserstoff H befindet, so daß eine Teilmenge Wasserstoff H in die Dämpfungskammerη 10 bzw. 20 bzw. 30 überströmt, wodurch vermieden wird, daß sich hier reaktionsfähige Gemische bilden. Außerdem vermeidet die Einblasung von geringen Mengen Wasserstoff Eisbildung in den Dämpfungskammern.
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Claims (7)

  1. 23.08.1984, 0175A MBB Hn/er
    9533 Patentabteilung
    Einrichtung zum Dämpfen von Brennkammerschwingungen bei Flüssigkeitsraketentriebwerken
    Patentansprüche
    { 1/ Einrichtung zum Dämpfen von innerhalb der Brennkammer von Raketentriebwerken, die mit flüssigen Treibstoffen arbeiten, auftretenden Gasschwingungen während des Verbrennungsprozesses, mit Hilfe von im Bereich des Einspritzkopfes angeordneten Dämpfungskammern, die mit dem Brennraum über Durchtrittskanäle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet , daß die Dämpfungskammern (IO bzw. 20 bzw. 30) über die ganze Stirnseite des Einspritzkopfes verteilt innerhalb desselben vorgesehen sind.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei zum Einbringen zweier Treibstoffe im Einspritzkopf viele, parallel im Abstand zueinander verlaufende Einspritzdüsen mit einem zentralen Zulaufkanal für den einen Treibstoff, insbesondere Sauerstoff, und einem koaxialen Zulaufringkanal für den anderen Treibstoff, insbesondere Wasserstoff, vorgesehen sind und der verbleibende Raum zwischen den Treibstoffdüsen als Treibstoffverteilerraum dient, von dem aus die koaxialen Treibstoffzulaufringkanäle in den Treibstoffdüsen mit dem anderen Treibstoff, insbesondere Wasserstoff, versorgt werden, dadurch gekennzeichnet , daß die
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    Patentabteilung
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    Dämpfungskammerη (10 bzw. 20 bzw. 30) zwischen den Einspritzdüsen (1) angeordnet innerhalb des Einspritzkopfes vorgesehen sind.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Dämpfungskammern (10) als eigene, flaschenförmige Bauteile ausgebildet sind, die mit ihren Hälsen (10a) in der Stirnwand (9) des Einspritzkopfes befestigt sind und sich freistehend zwischen den Einspritzdüsen (1) im Treibstoffverteilerraum (7) für den anderen Treibstoff (H) erstrecken.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch
    gekennzeichnet , daß - von der Brennkam-
    1 5
    mer (3) her betrachtet - die Dämpfungskammern (20) hinter dem im Einspritzkopf vorgesehenen Treibstoffverteilerraum (7) liegen und gegenüber diesem durch eine Schottwand (11) abgetrennt sind und die Verbindung zwischen der Brennkammer (3) und den einzelnen Dämpfungs-
    20
    kammern (20) über den Treibstoffverteilerraum (7) durchsetzende Verbindungsrohre (12) als Durchtrittskanäle relativ großer Länge erfolgt.
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch
    gekennzeichnet , daß die einzelnen Dämpfungskammern (30) unmittelbar hinter der Stirnwand (9) des Einspritzkopfes radial aneinandergrenzend angeordnet und dabei mittels einer dahinterliegenden Schottwand (lla) gegenüber dem Brennstoffverteilerraum (7) abgetrennt sind, wobei die zwischen der Brennkammer (3) und den Dämpfungskammern (30) vorgesehenen Durchtrittskanäle (22) in der Stirnwand (9) des Einspritzkopfes vorgesehen sind.
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  6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß in den Dämpfungskammern (10 bzw. 20 bzw. 30) zum Verteilerraum (7) für den Brennstoff, insbesondere den Wasserstoff (H) hin Spülöffnungen (13) vorgesehen sind.
  7. 7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die einzelnen Dämpfungskammern (10 bzw. 20 bzw. 30) verschiedene Volumina, verschiedene Durchmesser und verschiedene Längen sowie verschiedene Längen der zu ihnen führenden Durchtrittskanäle aufweisen.
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