DE10350735B4

DE10350735B4 - Combustion chamber with cooling device and method for producing the combustion chamber

Info

Publication number: DE10350735B4
Application number: DE2003150735
Authority: DE
Inventors: Anton Dipl.-Ing. Fröhlich
Original assignee: EADS Space Transportation GmbH
Current assignee: EADS Space Transportation GmbH
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2003-10-30
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2023-10-31
Also published as: DE10350735A1

Abstract

Brennkammer (1) für ein Raketentriebwerk zum Ausstoß einer heißen Gasströmung, wobei die Brennkammer (1) nebeneinander angeordnete und durch eine jeweilige Stegwand (10) getrennte Kühlkanäle (2) zur Durchströmung mit einem Kühlmedium aufweist, wobei Stegwände (10) mit Durchbrüchen (12) zum Austausch des Kühlmediums zwischen den Kühlkanälen (2) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche (12) mit einem von der Senkrechten abweichenden Neigungswinkel (α, β) relativ zur Stegwandebene verlaufen.combustion chamber (1) for a rocket engine for the ejection of a be called Gas flow, wherein the combustion chamber (1) arranged side by side and by a respective web wall (10) separate cooling channels (2) to flow through a cooling medium having web walls (10) with breakthroughs (12) to replace the cooling medium provided between the cooling channels (2) are, characterized in that the openings (12) with one of the Vertical deviating inclination angle (α, β) relative to the web wall plane.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Brennkammer für ein Raketentriebwerk zum Ausstoß einer heißen Gasströmung, wobei die Brennkammer nebeneinander angeordnete und durch eine jeweilige Stegwand getrennte Kühlkanäle zur Durchströmung mit einem Kühlmedium aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Brennkammer.The The present application relates to a combustion chamber for a rocket engine for the ejection of a be called Gas flow, wherein the combustion chamber arranged side by side and through a respective web wall separate cooling channels for flow with a cooling medium having. The invention further relates to a method for manufacturing such a combustion chamber.

Die an eine Brennkammerwand angrenzenden Kühlkanäle haben üblicherweise das Ziel, die Brennkammerwand gegenüber den heißen Verbrennungsgasen so kühl zu halten, dass eine ausreichende Lebensdauer der Brennkammer erzielt wird. Insbesondere bei Kühlkanälen mit einem hohen Höhen-Breiten-Verhältnis („high aspect ratio") ergibt sich bereits nach kurzen Laufstrecken des Kühlmittels eine gravierende Temperaturschichtung desselben. Dies führt zu einer verminderten Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und der Brennkammerwand und damit zwangsläufig zu einer verminderten Kühlleistung. Um die Kühlleistung zu verbessern, müsste die Höhe des Kühlkanals verringert werden, um das Höhen-Breiten-Verhältnis zu verkleinern und damit die Geschwindigkeit, mit der das Kühlmittel durch die Kühlkanäle strömt, zu erhöhen. Eine Änderung des Höhen-Breiten-Verhältnisses ist jedoch nur bedingt möglich und ändert zudem nichts an der im Kühlkanal entstehenden Temperaturschichtung des Kühlmittels.The Cooling channels adjacent to a combustion chamber wall usually have the goal of the combustion chamber wall across from the hot ones Combustion gases are so cool to keep that sufficient life of the combustion chamber achieved becomes. Especially with cooling channels with a high height-to-width ratio ("high aspect ratio ") results even after short running distances of the coolant a serious Temperature stratification of the same. This leads to a reduced temperature difference between the coolant and the combustion chamber wall and thus inevitably to a reduced Cooling capacity. To the cooling performance would have to improve the height of the cooling channel be reduced by the height-to-width ratio shrink and thus the speed with which the coolant through the cooling channels, increase. A change of the height-to-width ratio is however only conditionally possible and changes Moreover, nothing s.der in the cooling channel resulting temperature stratification of the coolant.

Zur Vermeidung einer Temperaturschichtung des die Kühlkanäle durchströmenden Kühlmittels sind aus dem Stand der Technik verschiedene Lösungen bekannt.to Avoiding a temperature stratification of the cooling channels flowing through the coolant are out of the state the technology different solutions known.

Aus der DE 101 56 124 A1 ist weiterhin ein Raketentriebwerk mit einer Brennkammer und einer Expansionsdüse bekannt, wobei die Brennkammer und/oder die Expansionsdüse Kühlkanäle einer Flüssigkeitskühlung aufweisen.From the DE 101 56 124 A1 Furthermore, a rocket engine with a combustion chamber and an expansion nozzle is known, wherein the combustion chamber and / or the expansion nozzle cooling channels have a liquid cooling.

Zur Verringerung einer Temperaturschichtung (Stratifizierung) in dem Kühlmedium ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Kühlkanäle zumindest abschnittsweise eine mäanderförmige Geometrie aufweist. Durch eine Krümmung des Kühlkanals werden durch die daraus resultierende Strömungsumlenkung, abhängig vom lokalen Krümmungsradius, Zentrifugalkräfte und Corioliskräfte induziert, die sich in der Ausbildung eines im Strömungsquerschnitt liegenden Wirbelpaares bemerkbar machen. Dieses Wirbelpaar sorgt für einen konvektiven Strömungsaustausch innerhalb des Querschnitts, wodurch die Stratifizierung verringert wird. Die Herstellung mäanderförmiger Kühlkanäle erfordert jedoch zusätzlichen Aufwand und erhöht die Kosten.to Reduction of temperature stratification (stratification) in the cooling medium it is provided that at least some of the cooling channels at least in sections a meandering geometry having. By a curvature of the cooling channel by the resulting flow deflection, depending on local radius of curvature, centrifugal and Coriolis forces induced, resulting in the formation of a flow cross-section make the pair of vertebrae noticeable. This vortex pair provides for one convective flow exchange within the cross-section, which reduces stratification becomes. The production of meandering cooling channels requires however additional Effort and increases the costs.

Schließlich ist es aus der WO 02/055864 A1 bekannt, die Kühlkanäle mit einer das Kühlmedium führenden Fläche zu versehen. Die Führungsfläche erzwingt, dass das Kühlmittel beim Durchfließen des Kühlkanals in eine Rotation versetzt wird, so dass eine Stratifikation vermieden wird. Zur Ausbildung der Führungsfläche ist vorgesehen, eine Metallfolie in die gewünschte Form der Führungsfläche zu bringen und dieses Zwischenprodukt als Kühlkanäle auszubilden und an eine Brennkammerwand anzubringen. Die Führungsfläche wird dabei durch herausragende Rippen, die in einem Winkel zur Achse des Kühlkanals stehen, gebildet. Statt der Rippen wird auch vorgeschlagen, die Oberfläche mit Kerben oder Nuten zu versehen. Auch diese erstrecken sich in einem Winkel zur Achse des Kühlkanals, um die gewünschte Rotation des Kühlmediums zu erzwingen.Finally is it is known from WO 02/055864 A1, the cooling channels with a cooling medium leading area to provide. The guidance surface enforces that the coolant when flowing through of the cooling channel is rotated so as to avoid stratification becomes. To form the guide surface is provided to bring a metal foil in the desired shape of the guide surface and form this intermediate as cooling channels and to attach to a combustion chamber wall. The guide surface is characterized by outstanding Ridges, which are at an angle to the axis of the cooling channel formed. Instead of ribs is also suggested to use the surface To provide notches or grooves. These too extend in one Angle to the axis of the cooling channel, to the desired Rotation of the cooling medium to force.

Um einen verbesserten Wärmeübergang von der Brennkammer in das Kühlmedium einer Kühleinrichtung zu bekommen, wird somit durch konstruktive Maßnahmen versucht, eine Temperaturschichtung im Bereich der Brennkammerwand und in der Kühleinrichtung zu vermeiden. Die aus dem Stand der Technik vorgeschlagenen Maßnahmen sind jedoch hinsichtlich ihrer Handhabbarkeit und der Herstellung nachteilig.Around an improved heat transfer of the combustion chamber in the cooling medium a cooling device to get, is thus tried by constructive measures, a temperature stratification in the area of the combustion chamber wall and in the cooling device to avoid. However, the measures proposed in the prior art are as regards their handling and production disadvantageous.

Die US 3,154,914 betrifft eine Konstruktion für einen Raketenantrieb. Die US 3,154,914 beschreibt die Kühlung einer Verbrennungskammer mittels Fluids, welche an den Wänden der Verbrennungskammer zirkuliert werden. Die beschriebene Raketenverbrennungskammer besteht aus einer Schale von zwei übereinanderliegenden Wänden. Die innere Wand ist mit Rippen ausgestattet, die sich radial nach außen erstrecken und räumlich getrennt sind, um dadurch Kühlkanäle festzulegen. Die innere Wand hat eine Dicke von weniger als 2 mm und die Kühlkanäle besitzen eine Breite von weniger als 2 mm. Die Höhe der Kanäle gemessen von der inneren Wand zu der Spitze der angrenzenden Rippe ist größer als die Breite des Kühlkanals und die Breite der Kühlkanäle ist im wesentlichen gleich der Dicke der inneren Wand gemessen von der Innenseite der inneren Wand zu den Kühlkanälen.The US 3,154,914 relates to a construction for a rocket engine. The US 3,154,914 describes the cooling of a combustion chamber by means of fluids which are circulated on the walls of the combustion chamber. The described rocket combustion chamber consists of a shell of two superimposed walls. The inner wall is provided with ribs which extend radially outwards and are spatially separated to thereby define cooling channels. The inner wall has a thickness of less than 2 mm and the cooling channels have a width of less than 2 mm. The height of the channels measured from the inner wall to the tip of the adjacent rib is greater than the width of the cooling channel and the width of the cooling channels is substantially equal to the thickness of the inner wall measured from the inside of the inner wall to the cooling channels.

Die EP 0 530 721 betrifft eine Vorrichtung zum Steigern des Wärmeübergangs zwischen einer Wand und einem Wärmeträgerfluid. Der in EP 0 530 721 beschriebene Wärmeübertrager ist mit einer dem Wärmeübergang unterworfenen Wand ausgestattet, an der ein Wärmeträgerfluid entlangströmt und auf der in die Strömung des Wärmeträgerfluids hineinragende Längswirbelerzeuger angeordnet sind, deren Wirbel an der Wand wirksam sind, wobei die Wand zum Aufreißen der Grenzschichtströmung des Wärmeträgerfluids mit einer entsprechenden Oberflächenrauhigkeit versehen ist.The EP 0 530 721 relates to a device for increasing the heat transfer between a wall and a heat transfer fluid. The in EP 0 530 721 described heat exchanger is equipped with a wall subjected to heat transfer, along which a heat transfer fluid flows and are arranged on the projecting into the flow of the heat transfer fluid longitudinal vortex generators whose vortices are effective on the wall, wherein the wall for tearing the boundary layer flow of the heat transfer fluid with a corresponding Surface roughness is provided.

Die US 5,138,832 betrifft einen solar-thermischen Antriebsmotor. Dieser Antriebsmotor besteht aus einem spitzbogenförmigen Hohlraum zur Sammlung von Sonnenlicht mit inneren und äußeren Wänden und mit einem dazwischenliegendem Medium zum Wärmeaustausch, welches ein Antriebsfluid weiterleiten und erhitzen kann. Die höchsten Temperaturen herschen dabei tief innerhalb des Hohlraums. Ferner umfasst der Antriebsmotor eine Düse, welche am Wärmeaustauschmedium angebracht ist und mit diesem kommuniziert. Durch die Düse fließt das erhitzte Antriebsfluid, um dadurch Druck zu erzeugen.The US 5,138,832 relates to a solar-thermal drive motor. This drive motor consists of an arcuate cavity for collecting sunlight with inner and outer walls and with an intermediate medium for heat exchange, which can forward a drive fluid and heat. The highest temperatures prevail deep within the cavity. Further, the drive motor includes a nozzle attached to and communicating with the heat exchange medium. The heated drive fluid flows through the nozzle, thereby generating pressure.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkammer für ein Raketentriebwerk sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, das auf einfache Weise einen erhöhten Wärmeübergang in einer Kühleinrichtung ermöglicht.It is therefore an object of the present invention, a combustion chamber for a rocket engine as well to provide a method of making it that is simple Way an elevated Heat transfer in a cooling device allows.

Diese Aufgabe wird mit einer Brennkammer mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweils abhängigen Ansprüchen.These Task is with a combustion chamber with the features of claim 1 and with a method having the features of claim 12 solved. Advantageous embodiments will be apparent from the respective dependent claims.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, eine Brennkammer für ein Raketentriebwerk zum Ausstoß einer heißen Gasströmung, wobei die Brennkammer nebeneinander angeordnete und durch eine jeweilige Stegwand getrennte Kühlkanäle zur Durchströmung mit einem Kühlmedium aufweist, Stegwände mit Durchbrüchen zum Austausch des Kühlmediums zwischen den Kühlkanälen vorgesehen sind und die Durchbrüche mit einem von der Senkrechten abweichenden Neigungswinkel relativ zur Stegwandebene verlaufen.According to the invention, it is provided a combustion chamber for a rocket engine for the ejection of a be called Gas flow, wherein the combustion chamber arranged side by side and through a respective web wall separate cooling channels for flow with a cooling medium has, web walls with breakthroughs to replace the cooling medium between provided the cooling channels are and the breakthroughs relative to a vertical deviating inclination angle run to the bridge wall level.

Das Vorsehen von Durchbrüchen in einer zweckmäßigen Anordnung ermöglicht einen teilweisen Austausch des Kühlmediums, welches in benachbarten Kühlkanälen strömt. Die Vermischung des Kühlmediums sorgt dafür, dass die Temperaturschichtung innerhalb eines Kühlkanals bzw. der miteinander verbundenen Kühlkanäle verringert werden kann. Erreicht wird dies insbesondere dadurch, dass durch das Vorsehen von Durchbrüchen die Turbulenz in den Kühlkanälen erhöht wird. Durch das erfindungsgemäße Vorgehen kann damit der Wärmeübergang von der Brennkammerwand in das Kühlmedium gezielt an hoch belastenden Stellen der Brennkammer verbessert werden, wodurch sich die Lebensdauer der Brennkammer verlängern lässt.The Provide breakthroughs in a convenient arrangement allows a partial replacement of the cooling medium, which flows in adjacent cooling channels. The Mixing of the cooling medium makes sure that the temperature stratification within a cooling channel or with each other reduced cooling channels can be. This is achieved in particular by the fact that the provision of breakthroughs the turbulence in the cooling channels is increased. By the procedure according to the invention can thus the heat transfer from the combustion chamber wall into the cooling medium specifically be improved at high stress points of the combustion chamber, whereby the life of the combustion chamber can be extended.

Die erfindungsgemäßen Durchbrüche lassen sich insbesondere bei Kühlkanälen einsetzen, deren Höhe größer als deren Breite ist. Das Verhältnis von Höhe zu Breite eines Kühlkanals wird auch als „high aspect ratio" bezeichnet.The Breakthroughs according to the invention can be achieved especially when using cooling channels, their height greater than whose width is. The relationship of height to width of a cooling channel is also called "high aspect ratio ".

Der Durchbruch in einem Winkel verläuft relativ zu der Längsachse eines Kühlkanals, wodurch eine Verbindung zwischen dem einer Heißgaswand zugewandten Bereich eines Kühlkanals und dem einer Außenwand zugewandten Bereichs eines anderen Kühlkanals geschaffen ist. Der Begriff der „Längsachse" eines Kühlkanals ist im Rahmen dieser Erfindung so zu verstehen, dass diese der Strömungsrichtung des Kühlmediums bei glatten Kühlkanälen entspricht. Die Begriffe Heißgaswand und Außenwand im Zusammenhang mit einer Brennkammer sind den Fachleuten geläufig und bedürfen keiner weiteren Erläuterung. Durch das Vorsehen der Durchbrüche in einen Winkel relativ zu der Längsachse eines Kühlkanals ist es möglich, einen Austausch des Kühlmittels von der „innen" liegenden Heißgaswand in Richtung der Außenwand der Brennkammer zu ermöglichen. Hierdurch wird eine Vermischung von relativ warmen mit relativ kühlem Kühlmittel erzwungen, wodurch die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und der Heißgaswand erhöht werden kann, wodurch sich die Kühlleistung verbessert.Of the Breakthrough at an angle relative to the longitudinal axis a cooling channel, whereby a connection between the region facing a hot gas wall a cooling channel and that of an exterior wall facing region of another cooling channel is created. Of the Concept of the "longitudinal axis" of a cooling channel is to be understood within the scope of this invention as meaning that of the flow direction of the cooling medium corresponds to smooth cooling channels. The terms hot gas wall and outer wall in the context of a combustion chamber are familiar to those skilled in the art and need no further explanation. By providing the breakthroughs at an angle relative to the longitudinal axis a cooling channel Is it possible, an exchange of the coolant from the "inside" hot gas wall in the direction of the outer wall to allow the combustion chamber. This will cause a mixture of relatively warm with relatively cool coolant forced, causing the temperature difference between the coolant and the hot gas wall elevated can be, thereby reducing the cooling capacity improved.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung verlaufen die Durchbrüche in einer Normalebene zur Längsrichtung der Kühlkanäle und mit einem ersten Neigungswinkel zur Stegwandebene. Dies bedeutet, die Durchbrüche verlaufen in einem Winkel von der Heißgaswand in Richtung der Außenwand, wobei die Durchbrüche in der Draufsicht im rechten Winkel zu einer Stegwand des Kühlkanals verlaufen.In an expedient embodiment the breakthroughs go in a normal plane to the longitudinal direction the cooling channels and with a first angle of inclination to the web wall plane. This means the breakthroughs extend at an angle from the hot gas wall in the direction of the outer wall, the breakthroughs in plan view at right angles to a web wall of the cooling channel run.

Es ist dabei besonders bevorzugt, dass die Durchbrüche mit einem zweiten Neigungswinkel bezüglich der Längsrichtung der Kühlkanäle verlaufen. Bei dieser Variante können die Durchbrüche in einem Winkel, der z.B. kleiner als 90° ist, und mit der Längs- bzw. Strömungsachse des Kühlmediums gebildet ist, ausgebildet sein. Auf diese Weise lässt sich der Austausch des Kühlmediums zwischen der Heißgaswand und der Außenwand auf besonders einfache Weise erzielen, da die Durchbrüche nur geringfügig gegenüber der eigentlichen Strömungsrichtung in den Kühlkanälen abweichen. Dadurch wird ein Austausch des Kühlmediums zwischen benachbarten Kühlkanälen begünstigt. Bevorzugt betragen die Neigungswinkel 45° oder weniger.It is particularly preferred that the openings with a second angle of inclination in terms of the longitudinal direction the cooling channels run. at this variant can the breakthroughs at an angle, e.g. is less than 90 °, and with the longitudinal or flow axis of the cooling medium is formed, be formed. That way you can the replacement of the cooling medium between the hot gas wall and the outer wall achieve in a particularly simple manner, since the breakthroughs only slightly above the actual flow direction deviate in the cooling channels. This will replace the cooling medium favored between adjacent cooling channels. Preferably, the inclination angles are 45 ° or less.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Durchbrüche jeweils als fluchtende Bohrung sich über mehrere benachbarte Stegwände erstrecken. Das Vorsehen der Durchbrüche in Form von Bohrungen ermöglicht eine besonders einfache Herstellung der erfindungsgemäßen Brennkammer.Especially It is advantageous if the openings in each case as aligned Bore over several adjacent web walls extend. The provision of the holes in the form of holes allows a Particularly simple production of the combustion chamber according to the invention.

Zweckmäßiger Weise weisen die Stegwände entlang der Längsrichtung der Kühlkanäle Bereiche mit unterschiedlicher Dichte der Anzahl von Durchbrüchen auf. Durch eine Variation der Dichte der Anzahl von Durchbrüchen – also der Anzahl an Durchbrüchen pro Längenabschnitt – kann die Störwirkung der Durchbrüche lokal variiert werden und so der lokale Wärmeübergang für jeden Bereich der Brennkammerwand an die jeweiligen Gegebenheiten und Erfordernisse angepasst werden. Es wird also bevorzugt vorgesehen, dass die Kühlkanäle Abschnitte mit einer unterschiedlichen Dichte der Anzahl von Durchbrüchen aufweisen. Insbesondere kann dabei eine Brennkammer betrachtet werden, die an einem ersten Ende einen Einspritzkopf aufweist und an einem dem ersten Ende gegenüberliegende Ende einen Brennkammerhals als Auslassöffnung für die Gasströmung besitzt.Conveniently, the web walls along the longitudinal direction of the cooling channels areas with different density of the number of breakthroughs. By varying the density of the number of apertures - ie the number of apertures per length section - the interference effect of the apertures can be varied locally and so the local heat transfer for each area of the combustion chamber wall can be adapted to the particular circumstances and requirements. It is therefore preferably provided that the cooling channels have sections with a different density of the number of openings. In particular, a combustion chamber may be considered, which has an injection head at a first end and at a first end opposite the first end has a combustion chamber neck as an outlet opening for the gas flow.

Bei solchen Brennkammern treten im Bereich des Brennkammerhalses besonders hohe Werte für den Wärmefluss auf. Um die Wandtemperaturen abzusenken, ist vorgesehen, dass die Brennkammer an einem ersten Ende einen Einspritzkopf und an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden Ende einen Brennkammerhals als Auslassöffnung für die Gasströmung aufweist und im Bereich des Brennkammerhalses eine höhere Dichte der Anzahl der Durchbrüche in den Stegwänden vorgesehen ist. Damit kann eine Stratifizierung des Kühlmittels bereits vor Erreichen des Düsenhalses vermieden werden. Andererseits weist eine vorstehend beschriebene Brennkammer im Bereich des Einspritzkopfes einen relativ geringen Wärmefluss auf, da die Gasströmung in diesem Fall eine geringere Geschwindigkeit und Temperatur besitzt als weiter stromabwärts. Wird nun in diesem Bereich der Brennkammerwand eine geringere Dichte der Anzahl der Durchbrüche vorgesehen, so kann der Wärmeübergang angepasst werden, so dass die lokale Wandtemperatur an dieser Stelle an die lokalen Temperaturen in weiter stromabwärts gelegenen Bereichen der Brennkammerwand angeglichen werden kann. Man erzielt damit eine gleichmäßige Wandtemperatur über die gesamte Länge der Brennkammer. Die Erhöhung der Dichte der Anzahl der Durchbrüche in einzelnen Bereichen der Brennkammerwand, das heißt in jeweiligen Kühlkanälen, kann damit gleich oder unterschiedlich sein.at such combustion chambers occur in the region of the combustion chamber neck particularly high values for the heat flow on. To lower the wall temperatures, it is envisaged that the Combustion chamber at a first end an injection head and at one the first end opposite end a combustion chamber neck as an outlet opening for the gas flow and in the region of the combustion chamber neck, a higher density of the number of openings in the web walls is provided. This can be a stratification of the coolant even before reaching the nozzle neck be avoided. On the other hand, has a combustion chamber described above in the region of the injection head a relatively low heat flow on, since the gas flow in this case has a lower speed and temperature as further downstream. Will now in this area of the combustion chamber wall a lower density the number of breakthroughs provided, so the heat transfer be adjusted so that the local wall temperature at this point to the local temperatures in more downstream areas of the Combustion chamber wall can be adjusted. It achieves a uniform wall temperature over the whole length the combustion chamber. The increase the density of the number of breakthroughs in individual areas of the Combustion chamber wall, that is in respective cooling channels, can be the same or different.

Eine besonders gute Durchmischung des Kühlmediums benachbarter Kühlkanäle ergibt sich dann, wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die Durchbrüche so in die Stegwände eingebracht sind, dass die Öffnungen jeweiliger Durchbrüche in den einem Kühlkanal zugeordneten gegenüberliegenden Oberflächen der Stegwände in Längsrichtung des Kühlkanals versetzt angeordnet sind. Dem gegenüber ist auch eine Variante denkbar, bei der innerhalb ein- und derselben Stegwand Durchbrüche angeordnet sind, die in winklig, vorzugsweise rechtwinklig, zueinander liegenden Raumebenen verlaufen. Bei dieser Variante sind die nicht parallel angeordneten Durchbrüche derart angeordnet, dass Kreuzungen innerhalb der Stegwände vermieden werden.A gives particularly good mixing of the cooling medium of adjacent cooling channels then, if according to one further advantageous embodiment, the openings introduced into the web walls are that the openings respective breakthroughs in the one cooling channel associated opposite surfaces the web walls longitudinal of the cooling channel are arranged offset. Opposite is also a variant conceivable in which arranged within one and the same web wall openings are in angled, preferably perpendicular, to each other Spatial planes run. In this variant, they are not arranged in parallel breakthroughs arranged such that intersections are avoided within the web walls.

Aus Stabilitätsgründen, das heißt um eine Schwächung jeweiliger Stegwände durch das Einbringen der Durchbrüche zu vermeiden, wird es bevorzugt, wenn der maximale Durchmesser der Durchbrüche kleiner oder gleich der Breite der Kühlkanäle ist.Out Stability reasons, the is called a weakening respective web walls by introducing the breakthroughs to avoid, it is preferred if the maximum diameter of the apertures smaller or equal to the width of the cooling channels.

Neben dem Vorsehen einer hinsichtlich ihrer thermischen Eigenschaften wesentlich verbesserten Brennkammer schlägt die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen einer Brennkammer für ein Raketentriebwerk mit nebeneinander angeordneten und durch eine jeweilige Stegwand getrennten Kühlkanälen, welches die folgenden Schritte umfasst: Einbringen von Durchbrüchen in ein Brennkammerhalbzeug, so dass die Durchbrüche mit einem Neigungswinkel relativ zu einer Stegwandebene verlaufen und anschließendes Ausbilden der Kühlkanäle. Dabei können die Kühlkanäle so ausgebildet werden, dass die Stegwände entlang einer Längsachse in etwa eine gleiche Distanz zu dieser aufweisen.Next the provision of a thermal properties significantly improved combustion chamber, the invention also proposes a method for producing a combustion chamber for a rocket engine with arranged side by side and separated by a respective web wall Cooling channels, which the following steps include: introducing breakthroughs into a combustion chamber semi-finished, so that the apertures with a tilt angle run relative to a web wall level and then forming the cooling channels. The can Cooling channels so formed be that the web walls along a longitudinal axis have approximately the same distance to this.

Anhand der nachfolgenden Figuren werden die Erfindung, deren Vorteile und weitere Zweckmäßigkeiten näher erläutert. Es zeigen:Based the following figures, the invention, the advantages and further expediencies explained in more detail. It demonstrate:

1 eine Brennkammer für ein Raketentriebwerk im Querschnitt, 1 a combustion chamber for a rocket engine in cross section,

2 einen Schnitt durch einen Teilbereich einer Brennkammer, aus der die Anordnung der Durchbrüche relativ zu den Kühlkanälen ersichtlich wird, 2 a section through a portion of a combustion chamber, from which the arrangement of the apertures is seen relative to the cooling channels,

3 einen Schnitt durch einen Teilbereich einer Brennkammer in der Draufsicht, aus der in einem ersten Beispiel die Anordnung der Vertiefungen relativ zu den Kühlkanälen ersichtlich wird, 3 a section through a portion of a combustion chamber in plan view, from which in a first example, the arrangement of the recesses relative to the cooling channels is visible,

4 einen Schnitt durch einen Teilbereich einer Brennkammer in einer Draufsicht, aus der in einem zweiten Beispiel die Anordnung der Durchbrüche relativ zu den Kühlkanälen ersichtlich wird, 4 a section through a portion of a combustion chamber in a plan view, from which in a second example, the arrangement of the apertures is seen relative to the cooling channels,

5 einen Schnitt durch einen Teilbereich einer Brennkammer in der Draufsicht, aus der in einem dritten Beispiel die Anordnung der Durchbrüche relativ zu den Kühlkanälen ersichtlich wird, 5 a section through a portion of a combustion chamber in plan view, from which in a third example, the arrangement of the apertures is seen relative to the cooling channels,

6 einen Schnitt durch einen Teilbereich einer Brennkammer in der Draufsicht, aus der in einem vierten Beispiel die Anordnung der Vertiefungen relativ zu den Kühlkanälen ersichtlich wird, und 6 a section through a portion of a combustion chamber in plan view, from which in a fourth example, the arrangement of the recesses relative to the cooling channels is apparent, and

7 einen Längsschnitt durch einen Teilbereich eines Kühlkanals, aus dem der Verlauf der Durchbrüche relativ zu dem Kühlkanal ersichtlich wird. 7 a longitudinal section through a portion of a cooling channel, from which the course of the apertures is seen relative to the cooling channel.

1 zeigt eine Brennkammer 1 in einer Querschnittsdarstellung. Eine Brennkammerwand 3 ist mit einer Kühleinrichtung in Form von axial nebeneinander verlaufenden Kühlkanälen 2 versehen, die jeweils einen rechteckigen Querschnitt mit großem Höhen-Breiten-Verhältnis, der sogenannten „high aspect ratio", aufweisen. Die Brennkammerwand 3 weist eine innere Schicht 4 und eine äußere Schicht 5 auf. Die Kühlkanäle 2 werden von der Außenseite her, z.B. durch Fräsen, in die Brennkammerwand 3 eingebracht. Die äußere Schicht 5 der Brennkammerwand wird in einem nachfolgenden Verarbeitungsschritt, nach dem Ausgießen der Kühlkanäle 2 mit einem Wachs, durch eine Galvanik-Schicht gebildet. Anschließend wird das Wachs wieder entfernt. Die Breite eines Kühlkanals beträgt beispielsweise zwischen 0,7 und 1,3 mm. 1 shows a combustion chamber 1 in a cross-sectional view. A combustion chamber wall 3 is with a cooling device in the form of axially adjacent cooling channels 2 each having a rectangular cross-section with a high height-width ratio, the so-called "high aspect ratio." The combustion chamber wall 3 has an inner layer 4 and an outer layer 5 on. The cooling channels 2 be from the outside, for example by milling, in the combustion chamber wall 3 brought in. The outer layer 5 the combustion chamber wall is in a subsequent processing step, after pouring out the cooling channels 2 with a wax, formed by a galvanic layer. Then the wax is removed again. The width of a cooling channel is for example between 0.7 and 1.3 mm.

Zur Vermeidung einer Temperaturschichtung des in die Kühlkanäle eingebrachten Kühlmediums sind erfindungsgemäß Durchbrüche in den Stegwänden der Kühlkanäle vorgesehen. Wie aus der Querschnittsdarstellung der 2 besser zu ersehen ist, die in einem ersten Ausführungsbeispiel einen Schnitt durch einen Teilbereich durch eine Brennkammer zeigt, sind die mit dem Bezugszeichen 12 versehenen Durchbrüche in einem Winkel +β bzw. –β gegenüber einem jeweiligen Kanalboden 11 angeordnet. Jeder der Durchbrüche 12 bildet in einer jeweiligen Stegwand 10 eine Öffnung 14 in deren Oberfläche 13 aus, wie besser aus der 7 hervorgeht. Die Durchbrüche 12 erlauben es dem in jeweiligen Kühlkanälen 2, senkrecht zur Zeichenebene, fließenden Kühlmedium sich zwischen benachbarten Kühlkanälen auszutauschen. Aufgrund der (in der Figur) schräg von unten, dass heißt der Heißgas- bzw. Innenwand 4 der Brennkammer, nach oben (in Richtung der Außenwand 3) verlaufenden Durchbrüche kann sich das im Bereich der Heißgaswand stärker erwärmte Kühlmedium mit dem etwas kühleren Kühlmedium an der Außenwand vermischen. Hierdurch wird die Temperatur des Kühlmediums an der Heißgaswand gegenüber einer Anordnung aus dem Stand der Technik verringert, wodurch die zwischen Kühlmedium und Heißgaswand 4 bestehende Temperatur-Differenz erhöht wird. Aufgrund statischer Druckunterschiede in konkav bzw. konvex gekrümmten Bereichen der Brennkammer findet ein zusätzliche Vermischung von kaltem und warmen Kühlmedium statt, d.h. kaltes Kühlmedium strömt von außen in Richtung der Heißgas- bzw. Innenwand und umgekehrt. Damit erhöht sich die Effizienz der Kühlleistung.In order to avoid a temperature stratification of the cooling medium introduced into the cooling channels, apertures are provided in the web walls of the cooling channels according to the invention. As seen from the cross section of the 2 is better to see that shows a section through a partial area through a combustion chamber in a first embodiment, which are denoted by the reference numeral 12 provided openings at an angle + β and -β with respect to a respective channel bottom 11 arranged. Each of the breakthroughs 12 forms in a respective web wall 10 an opening 14 in their surface 13 how better off the 7 evident. The breakthroughs 12 allow it in each cooling channels 2 , perpendicular to the plane, flowing cooling medium to exchange between adjacent cooling channels. Due to the (in the figure) obliquely from below, that is, the hot gas or inner wall 4 the combustion chamber, upwards (toward the outer wall 3 ) extending breakthroughs, the more heated in the hot gas wall cooling medium can mix with the slightly cooler cooling medium on the outer wall. As a result, the temperature of the cooling medium is reduced at the hot gas wall over a prior art arrangement, whereby the between the cooling medium and the hot gas wall 4 existing temperature difference is increased. Due to static pressure differences in concave or convex curved areas of the combustion chamber, an additional mixing of cold and warm cooling medium takes place, ie cold cooling medium flows from the outside in the direction of the hot gas or inner wall and vice versa. This increases the efficiency of the cooling capacity.

In der zeichnerischen Darstellung der 2 erstreckt sich von jedem der Kühlkanäle 2 ein Durchbruch nach links und rechts. Eine derartige Anordnung könnte stattdessen auch nur bei jedem dritten, vierten oder allgemein n-ten Kühlkanal vorgesehen sein. Des Weiteren ist es nicht notwendig, dass die Winkel +β bzw. –β gleich sind. Aus fertigungstechnischer Hinsicht ist eine Anordnung mit gleichen Winkeln +β und –β jedoch zu bevorzugen. Der bevorzugte Winkeln +β bzw. –β beträgt 45°. Ein größerer Winkel würde möglicherweise dazu führen, dass die Stegwände hinsichtlich ihrer Stabilität zu stark geschwächt würden. Aus diesem Grund sollten die Durchmesser d (siehe 3) der bevorzugt als Bohrungen ausgeführten Durchbrüche auch nicht größer als die Kanalbreite b sein.In the graphic representation of 2 extends from each of the cooling channels 2 a breakthrough to the left and right. Instead, such an arrangement could also be provided only at every third, fourth or generally n-th cooling channel. Furthermore, it is not necessary that the angles + β and -β are equal. From a manufacturing point of view, however, an arrangement with equal angles + β and -β is to be preferred. The preferred angle + β or -β is 45 °. A larger angle could possibly cause the web walls to be weakened too much in terms of their stability. For this reason, the diameters d (see 3 ) which are preferably designed as bores breakthroughs not be greater than the channel width b.

Die 3 bis 6 zeigen jeweils Schnittdarstellungen durch einen Teilbereich einer Brennkammer anderer Ausführungsbeispiele in der Draufsicht, aus der die Anordnung der Durchbrüche relativ zu den Kühlkanälen ersichtlich wird.The 3 to 6 each show sectional views through a portion of a combustion chamber of other embodiments in plan view, from which the arrangement of the apertures is seen relative to the cooling channels.

Den Ausführungsbeispielen der 3 bis 5 ist gemeinsam, dass die Durchbrüche 12 in einem weiteren Winkel α gegenüber der Flächennormalen einer jeweiligen Längsachse 7 der Kühlkanäle 2 angeordnet sind. In Verbindung mit dem Winkel +β bzw. –β lassen sich in den Kühlkanälen damit besonders starke Turbulenzen erzeugen, wodurch die Temperaturschichtung zuverlässig verringere oder gar beseitigt werden kann.The embodiments of the 3 to 5 is common that the breakthroughs 12 at a further angle α relative to the surface normal of a respective longitudinal axis 7 the cooling channels 2 are arranged. In conjunction with the angle + β or -β can thus generate particularly strong turbulence in the cooling channels, whereby the temperature stratification can be reliably reduced or even eliminated.

Im Gegensatz dazu zeigt 6 ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Winkel α 0° beträgt. Zwar ist auch bei einer derartigen Anordnung ein Austausch des Kühlmediums zwischen den verschiedenen Kühlkanälen, und insbesondere zwischen der Heißgaswand 3 und der Außenwand 3 möglich. Zum Austausch kann jedoch nicht der statische Druck des die Kühlkanäle durchströmenden Kühlmediums in effizienter Weise ausgenutzt werden. Nichtsdestotrotz ist auch eine derartige Anordnung zur Beseitigung einer Stratifizierung geeignet.In contrast, shows 6 an embodiment in which the angle α is 0 °. Although in such an arrangement, an exchange of the cooling medium between the various cooling channels, and in particular between the hot gas wall 3 and the outer wall 3 possible. For replacement, however, the static pressure of the cooling channels flowing through the cooling medium can not be utilized in an efficient manner. Nevertheless, such an arrangement is also suitable for eliminating stratification.

Für das Ausführungsbeispiel der 3 ist charakterisierend, dass die nahe den jeweiligen Kanalböden (vergleiche Bezugszeichen 11 in 2) beginnende Durchbrüche bezüglich der Strömungsrichtung des Kühlmediums versetzt angeordnet sind. Durch diese Anordnung der Durchbrüche können Kreuzungen jeweiliger Durchbrüche in den Stegwänden vermieden werden, wodurch diese in ihrer Stabilität nicht wesentlich beeinträchtigt werden. Bezüglich eines jeweiligen Kühlkanals 2 sind die Durchbrüche 12 symmetrisch angeordnet. Dies bedeutet, die einem Kühlkanal 2 zugeordneten Kanalwände, deren Oberflächen 13 durch die Durchbrüche 12 verursachte Öffnungen 14 aufweisen, liegen sich gegenüber.For the embodiment of 3 is characterizing that the near the respective channel bottoms (see reference numerals 11 in 2 ) Starting openings are arranged offset with respect to the flow direction of the cooling medium. By this arrangement of the apertures intersections of respective breakthroughs can be avoided in the web walls, whereby they are not significantly affected in their stability. Regarding a respective cooling channel 2 are the breakthroughs 12 arranged symmetrically. This means the one cooling channel 2 associated channel walls whose surfaces 13 through the breakthroughs 12 caused openings 14 are facing each other.

Eine entsprechende Anordnung ist in 4 gewählt. Die symmetrisch verlaufenden Durchbrechungspaare weisen in Längsrichtung, dass heißt in Richtung der Längsachse 7 einen Abstand a zueinander auf. Der Abstand a kann den lokalen Anforderungen an die Stärke des Wärmeeintrages in die Brennkammerwand angepasst werden. Das heißt, über den Abstand a kann die lokale Dichte der Zahl der Durchbrüche eingestellt werden. Die Dichte kann je nach Bedarf verringert oder erhöht werden, zwischen Bereichen ohne Durchbrüche und Bereichen mit mehreren Durchbrüchen pro Zentimeter. Wie eingangs bereits ausgeführt, kann es sich als günstig erweisen, im Bereich nahe des Einspritzkopfes sowie im Bereich des Brennkammerhalses lokal eine höhere Dichte der Durchbrüche vorzusehen oder speziell ausschließlich in diesen Abschnitten vorzusehen und ansonsten die Kühlkanäle glatt auszugestalten. Der Einfachheit halber wurden für dieses Ausführungsbeispiel lediglich die von einem Kühlkanal ausgehenden Durchbrüche 12 eingezeichnet.A corresponding arrangement is in 4 selected. The symmetrically running aperture pairs point in the longitudinal direction, ie in the direction of the longitudinal axis 7 a distance a to each other. The distance a can be adapted to the local requirements for the strength of the heat input into the combustion chamber wall. That is, over the distance a, the local density of the number of breakthroughs can be set. Density can be reduced or increased as needed between areas without breakthroughs and areas with multiple breaches per centimeter. As already stated, it may prove advantageous to locally provide a higher density of openings in the region near the injection head and in the region of the combustion neck, or to provide it exclusively exclusively in these sections and otherwise to design the cooling passages smooth. For the sake of simplicity, only the outgoing from a cooling channel breakthroughs were for this embodiment 12 located.

Dies gilt auch für das Ausführungsbeispiel der 5, in denen die bezüglich eines Kühlkanals 2 zu betrachtenden Durchbrüche 12 um einen Abstand g bezüglich einer jeweiligen Längsachse 7 versetzt angeordnet sind. Bevorzugt beträgt der Versetzungsabstand g die Hälfte des Abstandes a zwischen parallel verlaufenden Durchbrüchen. Der Einfachheit halber wurden in diesem Ausführungsbeispiel lediglich die von einem Kühlkanal 2 ausgehenden Durchbrüche 12 eingezeichnet.This also applies to the embodiment of 5 in which the respect to a cooling channel 2 to be considered breakthroughs 12 by a distance g with respect to a respective longitudinal axis 7 are arranged offset. Preferably, the offset distance g is half the distance a between parallel breakthroughs. For simplicity, in this embodiment, only those of a cooling channel 2 outgoing breakthroughs 12 located.

Die in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Querverbindung von benachbarten Kühlkanälen führt zu einer Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen der Heißgaswand und dem Kühlmittel.The in the present invention proposed cross-linking of adjacent cooling channels leads to a Improvement of the heat transfer between the hot gas wall and the coolant.

11: Brennkammercombustion chamber
22: Kühlkanalcooling channel
33: Wandwall
44: innere Schichtinner layer
55: zweite/äußere Schichtsecond / outer layer
77: Längsachselongitudinal axis
99: Strömungsrichtungflow direction
1010: Stegwandweb wall
1111: Bodenground
1212: Durchbruchbreakthrough
1313: Oberflächesurface
1414: Öffnungopening
bb: Breite des Kühlkanalswidth of the cooling channel
hH: Höhe des KühlkanalsHeight of the cooling channel
dd: Durchmesser der Bohrungdiameter the bore
aa: Abstand zweier Bohrungendistance two holes
a1, a2a1, a2: Abstand zweier Bohrungendistance two holes
g G: Versetzungsabstandoffset distance
αα: Winkelangle
ββ: Winkelangle

Claims

Combustion chamber ( 1 ) for a rocket engine for discharging a hot gas flow, the combustion chamber ( 1 ) arranged side by side and by a respective web wall ( 10 ) separate cooling channels ( 2 ) to flow through with a cooling medium, wherein web walls ( 10 ) with breakthroughs ( 12 ) for exchanging the cooling medium between the cooling channels ( 2 ) are provided, characterized in that the breakthroughs ( 12 ) extend with a deviating from the vertical angle of inclination (α, β) relative to the web wall plane.

Combustion chamber according to claim 1, characterized in that the openings ( 12 ) in a normal plane to the longitudinal direction of the cooling channels ( 2 ) and with a first inclination angle (β) to the web wall plane.

Combustion chamber according to claim 1 or claim 2, characterized in that the apertures with a second inclination angle (α) with respect to the longitudinal direction of the cooling channels ( 2 ).

Combustion chamber according to one of claims 1 to 3, characterized that the inclination angles (α, β) are 45 ° or less be.

Combustion chamber according to one of the preceding claims, characterized in that the openings ( 12 ) each as an aligned bore over several adjacent web walls ( 10 ).

Combustion chamber according to one of the preceding claims, characterized in that the web walls ( 10 ) along the longitudinal direction of the cooling channels ( 2 ) Areas with different density of the number of breakthroughs ( 12 ) exhibit.

Combustion chamber according to one of the preceding claims, characterized in that the combustion chamber at a first end of an injection head and at a first end opposite the first end a combustion chamber neck as an outlet opening for the gas flow and in the region of the combustion neck a higher density of the number of openings ( 12 ) in the web walls ( 10 ) is provided.

Combustion chamber according to one of the preceding claims, characterized in that the openings ( 12 ) so in the web walls ( 10 ) are introduced, that the openings ( 14 ) of respective breakthroughs ( 12 ) in the one cooling channel ( 2 ) associated opposite surfaces ( 13 ) of the web walls ( 10 ) in the longitudinal direction of the cooling channel ( 2 ) are arranged offset.

Combustion chamber according to one of claims 1 to 8, characterized in that within one and the same web wall ( 10 ) Breakthroughs are arranged, which extend in angled, preferably at right angles to each other lying spatial planes.

Combustion chamber according to claim 9, characterized in that the non-parallel openings ( 12 ) are arranged such that intersections within the web walls ( 10 ) be avoided.

Combustion chamber according to one of the preceding claims, characterized in that the maximum diameter of the apertures ( 12 ) smaller than or equal to the width of the cooling channels ( 29 ).

Method for producing a combustion chamber for a rocket engine with juxtaposed and through a respective web wall ( 10 ) separate cooling channels ( 2 ), which comprises the following steps: introduction of breakthroughs ( 12 ) in a semi-finished combustion chamber, so that the breakthroughs ( 12 ) with an angle of inclination (α, β) relative to a web wall plane and subsequent formation of the cooling channels ( 2 ).

Method according to claim 12, wherein the cooling channels ( 2 ) are formed so that the web walls ( 10 ) along a longitudinal axis approximately equidistant from it.