DE3432607C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Dämpfen von Brenn­ kammerschwingungen in Flüssigkeitsraketentriebwerken, gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruches 1.

Bei der Verbrennung von flüssigem Brennstoff mit Luftsauerstoff oder chemischem Sauerstoff, z.B. von Wasserstoff und Sauerstoff, in Raketen­ brennkammern 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 Verbrennungsun­ regelmäßigkeiten 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 Unter­ drückung dieser Gasschwingungen innerhalb der Brennkammer am vorderen Ende derselben, über deren Umfang gleichmäßig verteilt, viele Durch­ trittsfenster vorzusehen, die in zugeordnete, verhältnismäßig kleine, gleichgroße Dämpfungskammern 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.

Aus der US-PS 41 22 674 sind Gasturbinen-Brennkammern bekannt, welche zur Dämpfung von während des Verbrennungsprozesses auftretenden Gas­ schwingungen mit über die Brennkammer-Stirnwand verteilten, innen­ liegenden Dämpfungskammern versehen sind. Diese Dämpfungskammern sind bezüglich ihrer Geometrie an die zu erwartenden Schwingungsfrequenzen angepaßt.

Die US-PS 34 08 816 zeigt Einspritzdüsen für Raketentriebwerke, bei welchen eine Treibstoffkomponente zentral, die andere koaxial ringförmig zugeführt werden. Bei Einspritzdüsen mit konstanten Strömungsquer­ schnitten kann es infolge von Temperaturänderungen der Treibstoffe zu periodischen Durchsatzschwankungen und somit zu Brennkammerschwingungen kommen. Zur Vermeidung solcher durchsatzbedingten Brennkammer­ schwingungen schlägt die US-PS 34 08 816 vor, den koaxialen Strömungs­ querschnitt der einen Treibstoffkomponente automatisch an die Treib­ stoffdichte anzupassen. Dies wird dadurch erreicht, daß die Druck­ differenz zwischen Treibstoffverteilerraum und Brennkammer den Außen­ mantel der Einspritzdüse gegen Federdruck entsprechend verschiebt und dabei den Strömungsquerschnitt steuert.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, das von Gasturbinenbrenn­ kammern her bekannte Schwingungsdämpfungsprinzip in konstruktiv ein­ facher und wirkungsvoller Weise auf die Brennkammern von Flüssigkeits­ raketentriebwerken zu übertragen.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch 1 sowie in den Nebenan­ sprüchen 2 und 3 gekennzeichneten Merkmale alternativ gelöst.

In Anspruch 1 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 den Wasserstoff, erstrecken.

Der besondere Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausführung liegt darin, daß, über den Brennkammerquerschnitt betrachtet, je nach gegebenem Schwingungsraster entsprechend angepaßte Dämpfungskammern eingesetzt werden können, in denen sich die örtlich erzeugten Schwingungen tot­ laufen. Dabei werden die zu Sekundärschwingungen angeregten Dämpfungs­ kammern durch den umgebenden Treibstoff ihrerseits gedämpft, wodurch insgesamt eine hohe Dämpfungsleistung erzielt wird.

Als zweite Lösung wird in Anspruch 2 vorgeschlagen, daß - von der Brennkammer her betrachtet - die Dämpfungskammern hinter dem im Ein­ spritzkopf vorgesehenen Treibstoffverteilerraum liegen und gegenüber diesem durch eine Schottwand abgetrennt sind und die Verbindung zwischen dem Brennraum und den einzelnen Dämpfungskammern über den Treibstoffver­ teilerraum durchsetzende Verbindungsrohre als Durchtrittskanäle relativ großer Länge erfolgt.

Die Vorteile dieser Ausführungsform sind in der Großräumigkeit der Dämpfungskammern und damit in deren besonderer Dämpfungsleistung zu sehen und ferner in der verhältnismäßig großen Länge der Verbindungs­ rohre, wodurch insbesondere hochfrequente Radialschwingungen abgebaut werden.

Die dritte Lösung nach Anspruch 3 besteht darin, die Dämpfungskammern unmittelbar hinter der Stirnwand des Einspritzkopfes radial aneinander­ grenzend anzuordnen und dabei mittels einer dahinterliegenden Schottwand gegenüber dem Brennstoffverteilerraum abzutrennen, wobei die zwischen der Brennkammer und den Dämpfungskammern vorgesehenen Durchtrittskanäle in der Stirnwand des Einspritzkopfes vorgesehen sind. Diese Ausführungs­ form ist insbesondere herstellungstechnisch einfach.

Die Unteransprüche 4 und 5 enthalten bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.

Um Schwingungserscheinungen verschiedener Intensität nach Amplitude und Frequenz und im Hinblick auf unregelmäßige Verteilung innerhalb der Brennkammer individuell entgegentreten zu können, wird gemäß Anspruch 5 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.

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 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.

Wie die Fig. 1 zeigt, sind in dieser Stirnwand 9 flaschenförmige, verhältnismäßig dünnwandige Dämpfungskammern 10 mit ihren Hälsen 10a eingesetzt und erstrecken sich frei innerhalb des Verteilerraumes 7. In der Brennkammer 3 erzeugte Gasschwingungen pflanzen sich in 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 Schott­ wand 11 abgetrennt, vorgesehen. Dabei wird der Verteilerraum 7 über­ brückt durch Verbindungsrohre 12, die diesen durchsetzen und die Brenn­ kammer 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 Dämpfungs­ leistung bezüglich radialer Schwingungsvektoren.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind die gegenseitig abgegrenzten einzelnen Dämpfungskammern 30 unmittelbar hinter der Stirnwand 9 vorge­ sehen 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 30 verlaufenden Durchtrittskanäle 22 sind unmittelbar in der Stirnwand 9 vorgesehen. Die Schwingungen gelangen bei dieser Ausführung durch die kurzen Durchtrittskanäle 22 in die einzelnen Dämpfungskammern 30 und werden dort unterdrückt.

In den einzelnen Dämpfungskammern 10 bzw. 20 bzw. 30 sind Spülöffnung­ en 13 vorgesehen, die zu den Verteilerräumen 7 gerichtet sind, in denen sich der Wasserstoff H befindet, so daß eine Teilmenge Wasserstoff H in die Dämpfungskammern 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.

Die einzelnen Dämpfungskammern 20 und 30 in den Fig. 2 und 3 sind durch in den gezeigten Schnitten nicht sichtbare Trennwände gegen­ einander abgeschottet.

Claims (5)

1. Einrichtung zum Dämpfen von Brennkammerschwingungen in Flüssig­ keitsraketentriebwerken, bei welchen zum Einbringen zweier Treibstoffe im Einspritzkopf viele, parallel im Abstand zueinander verlaufende Ein­ spritzdüsen mit einem zentralen Zulaufkanal für den einen Treibstoff, insbesondere Sauerstoff, und einem koaxialen Zulaufringkanal für den an­ deren Treibstoff, insbesondere Wasserstoff, vorgesehen sind, und der verbleibende Raum zwischen den Treibstoffdüsen als Treibstoffverteiler­ raum dient, von dem aus die koaxialen Treibstoffzulaufringkanäle in den Treibstoffdüsen mit dem anderen Treibstoff, insbesondere Wasserstoff, versorgt werden, mit Hilfe von über die ganze Stirnseite des Einspritz­ kopfes verteilten, innerhalb desselben zwischen den Einspritzdüsen ange­ ordneten Dämpfungskammern, welche mit dem Brennraum über Durchtrittska­ näle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungskammern (10) als eigene, flaschenförmige Bauteile ausgebildet sind, die mit ih­ ren Hälsen (10a) in der Stirnwand (9) des Einspritzkopfes befestigt sind und sich freistehend zwischen den Einspritzdüsen (1) im Treibstoffver­ teilerraum (7) für den anderen Treibstoff (H) erstrecken.

2. Einrichtung zum Dämpfen von Brennkammerschwingungen in Flüssig­ keitsraketentriebwerken mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des An­ spruches 1, dadurch gekennzeichnet, daß - von der Brennkammer (3) her betrachtet - die Dämpfungskammern (20) hinter dem im Einspritzkopf vor­ gesehenen Treibstoffverteilerraum (7) liegen und gegenüber diesem durch eine Schottwand (11) abgetrennt sind, und die Verbindung zwischen der Brennkammer (3) und den einzelnen Dämpfungskammern (20) über den Treib­ stoffverteilerraum (7) durchsetzende Verbindungsrohre (12) als Durch­ trittskanäle mit relativ großer Länge im Vergleich zu den übrigen Abmes­ sungen der Einrichtung erfolgt.

3. Einrichtung zum Dämpfen von Brennkammerschwingungen in Flüssig­ keitsraketentriebwerken mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des An­ spruches 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Dämpfungskammern (30) unmittelbar hinter der Stirnwand (9) des Einspritzkopfes radial an­ einandergrenzend angeordnet und dabei mittels einer dahinterliegenden Schottwand (11a) gegenüber dem Brennstoffverteilerraum (7) abgetrennt sind, wobei die zwischen der Brennkammer (3) und den Dämpfungskammern (30) vorgesehenen Durchtrittskanäle (22) in der Stirnwand (9) des Ein­ spritzkopfes vorgesehen sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Dämpfungskammern (10; 20; 30) zum Brennstoffverteilerraum (7) für den anderen Treibstoff, insbesondere den Wasserstoff (H), hin Spülöff­ nungen (13) vorgesehen sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Dämpfungskammern (10; 20; 30) verschiedene Durchmesser und verschiedene Längen sowie verschiedene Geometrien der zu ihnen führenden Durchtrittskanäle aufweisen.