DE1019865B

DE1019865B - Kuehleinrichtung fuer Raketenmotoren

Info

Publication number: DE1019865B
Application number: DEB36522D
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Helmut Von Zborowski
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1940-03-09
Filing date: 1940-03-09
Publication date: 1957-11-21

Description

Kühleinrichtung für Raketenmotoren Die Kühlung von Raketenmotoren geschieht heute nach zwei Verfahren. Nach dem einen Verfahren wird das Kühlmittel durch einen Kühlmantel, der Verbrennungsraum und Entspannungsdüse umgibt, hindurchgeleitet, wobei aber der Nachteil vorhanden ist, daß die örtlichen Kühlmittelgeschwindigkeiten nicht erzwungen werden können, sondern daß sich je nach den örtlichen Widerständen (z. B. Dampfblasenbildung) verschiedene Kühlmittelgeschwindigkeiten ausbilden, so daß die zu kühlende Oberfläche an einer Stelle überkühlt, an der anderen aber zu heiß wird, da ja nur diemittlere Geschwindigkeit über die Gesamtoberfläche erzwungen werden kann. Das andere Verfahren sucht diesen \Tachteil dadurch zu beheben, daß das Kühlmittel in einem engen Kanal mit der gewünschten Geschwindigkeit an der zu kühlenden Oberfläche entlang geführt wird, wobei dieser Kanal, um mit der ganzen Oberfläche in Berührung zu kommen, z. B. schraubenförmig um dieselbe herumgeführt wird, wodurch zwangläufig an jeder Stelle der Oberfläche bei geeigneter Wahl des Kanalquerschnittes die gewünschte Kühlmittelgeschwindigkeit erreicht wird. Statt eines Kanals können auch mehrere parallel geschaltete verwendet werden.
Gegenüber dem ersten Verfahren, dessen Kühlleistung und dessen Betriebssicherheit bei hochwertigen Raketenmotoren gänzlich ungenügend ist, bringt das zweite Kühlverfahren erhebliche Fertigungs- und Prüfschwierigkeiten, insbesondere bei sehr hochbelasteten Motoren, wo die Kanalquerschnitte infolge der hohen erforderlichen Kühlmittelgeschwindigkeiten sehr eng werden (Größenordnung 0,4 bis 2 mm) und daher geringe Ungenauigkeiten in der Herstellung schon starke Abweichungen von den gewünschten Werten hervorrufen. Da dieses zweite Verfahren aber allein den einwandfreien Betrieb hochbelasteter Motoren verbürgte, müssen heute diese Schwierigkeiten in Kauf genommen werden.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühleinrichtung eines Raketenmotors, die diese Nachteile vermeidet. Sie erreicht dies dadurch, daß die Kühlkanäle durch Formkörper gebildet werden.
Bei einer Sonderform der Erfindung bestehen Reaktionsraum und Düse aus einem tragenden Außenkörper, der die Außenbegrenzung der Kühlkanäle darstellt, und dem oder den Formkörpern, deren Innenwände dem Feuergas ausgesetzt sind, während ihre Außenwände vom Kühlmittel bespült werden. Diese Formkörper tragen -insbesondere parallel zur Längsachse - Rippen, die die seitlichen Kühlkanalbegrenzungen darstellen und mit ihrer freien Kante an dem Außenkörper anliegen und damit die Abstützung des Formkörpers übernehmen. Die Anzahl der Rippen ist durch die Zahl der gewünschten Kanäle bestimmt. Diese Formkörper lassen sich leicht durch Drehen oder Fräsen herstellen und können mit dem Außenkörper kraftschlüssig durch Gewinderinge, Bolzen oder aber auch durch Einschrumpfen verbunden werden.
Um die einzelnen Kanäle gegeneinander abzudichten, werden die Trennwände der Kanäle zweckmäßig mit einer oder mehreren keilartigen Dichtkanten bzw. Schneiden versehen, die im Gegenmaterial eindringen und so die Dichtung herstellen. Wenn beispielsweise der die Dichtungskanten tragende Kühleinsatz nicht aus härterem, sondern aus dem gleichen Material besteht wie der Außenkörper des Motors, z. B. aus Leichtmetall, so können in dem Gegenkörper in Nuten entsprechend weichere Metalle, beispielsweise durch Gießen, Spritzen oder Löten, eingebracht werden oder aber z. B. Weichkupfer oder Aluminium eingelegt werden, das aber, um eine Kriechströmung zwischen den Kanälen zu verhindern, verlötet sein müßte oder selbst wieder durch beispielsweise Liniendichtungen wirklich dicht in den Körper eingepreßt sein müßte.
Als weitere Vorteile dieser grundsätzlichen Gestaltung von Kühleinsätzen ergeben sich noch der leichte Austauschbau beispielsweise für die Untersuchung gelaufener Motoren, ferner die während des Betriebes praktisch vollkommene Arbeitsmöglichkeit der Formkörper infolge der verschieden starken Wärrnelängungen, während bei der Anfahrzeit des Motors -also bevor er betriebswarm ist - die Dichtkanten mit dem Gegenmaterial eine Art Labyrinthdichtung bilden, die für die Sicherheit des Betriebes voll ausreicht, zumal die Luft bei sich erwärmendem Formkörper sofort verschwindet. Aus den Zeichnungen ist die leichte Anwendbarkeit der erfindungsgemäßen Formkörper bei zylindrischen, konischen und einseitig gekrümmten Bauformen zu ersehen. Um die erfindungsgemäßen Formkörper auch für doppelt gekrümmte Bauformen, beispielsweise für Entspannungsdüsen, verwenden zu können, sind mehrfach - z. B. vierfach - unterteilte Füllstücke vorgesehen, die durch Schrauben oder Schrumpfringe oder andere an sich bekannte Mittel mit dein Formkörper zu einer Montageeinheit verspannt werden können und so einen Bauteil des Motors bilden. Da die Formkörper sich von selbst immer genau zentrieren, brauchen keine diesbezüglichen Einrichtungen vorgesehen zu werden.
In Fig. 1 ist in einem Teilschnitt finit 1 die äußere. tragende Wand eines Raketenmotors bezeichnet, in der ein mit Ansätzen 3 versehener Formkörper 2 über zwei nebeneinanderliegende Dichtkanten 4 so befestigt ist, daß Kühlstoffkanäle 12 gebildet werden. Die Befestigung des Rotationskörpers 2 erfolgt zweckmäßig durch Einschrumpfen.
In Fig. 4 ist ein zylinderförmiger Brennkammerteil 1 gezeichnet, in dem ebenfalls ein zylinderförmiger Formkörper befestigt ist. Fig.5 zeigt den dazugehörigen Schnitt mit zwei nebeneinanderliegenden keilförmigen Dichtkanten 4 entsprechend der Vergrößerung in Fig. 1. Bestehen die Dichtkanten und die Wandung 1 aus dem gleichen Material, so kann, wie dies die Fig. 2 zeigt, in Ausnehmungen 5 der tragenden Wandung 1 beispielsweise durch Gießen oder Spritzen bzw. durch Schleuderguß leicht verformbares Material eingebracht werden, in das sich die Dichtkanten 4 der Ansätze 3, wie dies die Zeichnung zeigt, eindrücken. Anstatt die Nuten 5 durch Gießen oder Spritzen bzw. Schleuderguß auszufüllen, können diese auch durch eingelegte weichere Metallstreifen, beispielsweise Weichkupfer oder Aluminium, ausgefüllt werden, wobei auf eine genaueLiniendichtung geachtet werden muß. Zweckmäßig können auch zur Verhinderung eines Kriechstromes zwischen den Kanälen die eingelegten Metallstreifen 6, wie dies die Fig. 3 zeigt, in den Nuten 5 verlötet werden.
Fig.6 zeigt eine konische Ausbildung des Formkörpers und Fig. 7 den dazugehörigen Querschnitt. Es ist jedoch auch möglich, den Formkörper über entsprechende Gewinderinge od. dgl. in den tragenden Mantel 1 einzulassen, wobei zweckmäßig mit Differenzgewinde verseheneBefestigungsringe Verwendung finden können mit dem Vorteil, daß sich beim Lösen der Befestigungsringe gleichzeitig ein Abheben der Formkörper ergibt.
In Fig. 8 ist ein einseitig gekrümmter Formkörper im Längsschnitt dargestellt, insbesondere für die Austrittsdüse von Raketenmotoren, und zwar mit einer zylindrischen Außenbegrenzung des verwendeten Füllkörpers.
Um die Formkörper 2 auch für doppelt gekrümn@ce Bauformen, beispielsweise für Entspannungsdüsen gemäß Fig.9, verwenden zu können, werden die Brennkammer- und gegebenenfalls die Düsenwände mehrfach, vorzugsweise drei- bis vierfach, so unterteilt, daß durch Verschrauben oder durch Verschweißen die unterteilten Wandteile mit dein oder den Formkörpern eine einzige Einheit bilden. Fig. 9 zeigt im Schnitt einen Formkörper 2 mit dreifach unterteilten Füllkörpern 10, die eine. kegelige Außenbegrenzung besitzen.
Fig. 10 ist ein Schnitt durch Fig. 9 an der Stelle, an der die einzelnen Füllkörper 10, vor allein bei der Fertigung, über besondere Paßstücke 7 od. dgl. verbunden sind, und Fig. 11 ist ein Schnitt durch Fig. 9 in der Ebene, in der die einzelnen Füllkörper 10 über besondere Schrauben 8 fest miteinander verspannt sind. An Stelle von Schraubverbindungen ist es auch möglich, die einzelnen Körper 10 über Schrumpfringe od. dgl. zu verspannen.
Fig. 12 zeigt noch eine Aufsicht für eine abgedichtete Ausführung einer Bohrung durch den Formkörper 2 und Fig. 13 den dazugehörigen Schnitt.lit der gleichen Art der in Fig. 12 dargestellten Abdichtung einer Bohrung kann auch eine saubere Einführungsdichtung der einzelnen Kühlkanäle erzielt werden. Die Dichtringe 11, die hier die Bohrung 9 umschließen, hätten dann einen unendlichen Radius, und das Kühlmittel würde senkrecht oder annähernd senkrecht zur Kühlmittelführung eintreten. Eine der Abdichtungsmöglichkeiten ist in Fig. 14 grundsätzlich gezeigt, und zwar für den Fall, daß das Kühlmittel parallel oder annähernd parallel zu den Kühlmittelführungen eintritt.
Durch die Ausbildung der Kühlkanäle über die Ansätze 3 oder entsprechende Ausnehmungen lassen sich mit wirtschaftlich einfachen Mitteln Kühlkanalquerschnitte in beliebiger Anzahl und in jeder beliebigen Abmessung sauber herstellen. Dies ist insbesondere für Austrittsdüsen wichtig, da die Kühlkanalhöhe wegen der für die Kühlung erforderlichen hohen Kühlstoffgeschwindigkeit nur Teile von min betragen kann, so daß eine genaue Herstellung und eine leichte Kontrolle sehr ins Gewicht fällt. Für einen solchen Fall werden die Dichtkanten 4 zweckmäßig so aus dem Ansatz 3 herausgearbeitet, wie dies die Fig. 11 im Schnitt zeigt.
Die Kühlkanäle können dabei so ausgebildet werden, daß am Eintritt des Kühlmittels eine saubere Trennung der einzelnen Kühlmittelleitungen untereinander durchgeführt wird. Am Ende der Kühlkanäle kann auf eine solche Trennung verzichtet werden, wobei z. B. bei Kühlung mittels der an Bord mitgeführten Kraftstoffe mehrere der Kühlstofführungskanäle zusammengefaßt und einer gemeinsamen Einspritzdüse der Kraftstoffe zugeführt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Für Raketenmotoren bestimmte Kühleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle durch einen Formkörper oder deren mehrere gebildet sind.
2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 für Motoren, bei denen die Brennkammer als Einsatz innerhalb eines tragenden Außenmantels liegt, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Einsatz gleichzeitig als Formkörper zur Bildung der Kühlkanäle ausgebildet ist.
3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper unmittelbar in den Außenmantel eingesetzt ist.
4. Kühleinrichtung nach einem der Voransprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper in den Außenmantel eingeschrumpft ist.
5. Kühleinrichtung nach einem der Voransprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper zur Bildung der Kühlkanäle in seiner Außenfläche mit geraden oder gekrümmten Rippen oder Nuten versehen ist.
6. Kühleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die im Querschnitt zweckmäßig keilförmig gestalteten Rippen gleichzeitig die Dichtkanten gegenüber dem Außengehäuse bilden. 7. Kühleinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Dichtkanten eng nebeneinanderliegen. B. Kühleinrichtung nach einem der Voransprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichem Material des mit den Dichtkanten versehenen Formkörpers und des tragenden Mantels in Nuten oder Ausnehmungen des Mantels, und zwar dort, wo die Dichtkanten anliegen, Streifen aus leicht verformbarem Baustoff, z. B. Weichkupfer, zur Abdichtung eingesetzt sind. 9. Kühleinrichtung nach einem der Voransprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehrfach gekrümmten, insbesondere für Entspannungsdüsen dienenden Formkörpern der die Brennkammer tragende Bauteil mehrfach, vorzugsweise drei- oder vierfach, so unterteilt ist, daß die unterteilten Wandteile durch Verschrauben oder durch Verschweißen mit dem oder den Formkörpern eine Einheit bilden. 10. Kühleinrichtung nach einem der Voransprüche bei Motoren mit einem ungeteilten tragenden Motormantel und in diesem eingesetzten mehrfach gekrümmtenFormkörper, gekennzeichnet durch mehrere, vorzugsweise drei oder vier, mit dem Einsatz durch Verschrauben oder über besondere Schrumpfringe zu einer Einheit verspannten besonderen Füllstücken (Fig. 9 bis 11).