DE1278182B

DE1278182B - Ausbildung und Halterung des Hitzeschildes bei Fluessigkeitsraketentriebwerken in Hauptstrombauart

Info

Publication number: DE1278182B
Application number: DEB89775A
Authority: DE
Inventors: Manfred Schutz
Original assignee: Boelkow GmbH
Current assignee: Boelkow GmbH
Priority date: 1966-11-11
Filing date: 1966-11-11
Publication date: 1968-09-19
Also published as: GB1190216A; US3468128A

Description

Ausbildung und Halterung des Hitzeschildes bei Flüssigkeitsraketentriebwerken in Hauptstrombauart Die Erfindung bezieht sich auf eine Ausbildung und Halterung des Hitzeschildes bei Flüssigkeitsraketentriebwerken in Hauptstrombauart mit einer Vorbrennkammer zur Erzeugung von Treibgasen verhältnismäßig niedriger Temperatur, die vor ihrem Eintritt in eine der Vorbrennkammer nachgeschaltete Hauptbrennkaminer mindestens eine zum Antrieb von Hilfsaggregaten dienende Axialturbine beaufschlagen, deren unbeschaufelter Bereich gegen den heißen Innenraum der Hauptbrennkammer durch einen von durchströmendem Treibstoff gekühlten Hitzeschild abgeschirmt ist.
Bei nach dem Hauptstromprinzip arbeitenden Raketentriebwerken wird, um die Temperatur der Treibgase noch in einer für die Turbine zulässigen Höhe zu halten, nur ein Teil der Gesamtmenge der einen Treibstoffkomponente, z. B. des Brennstoffs, in der Vorbrennkammer verbrannt. Der andere, größere Anteil der Gesamtmenge des Brennstoffs wird in die Hauptbrennkammer nach dem Turbinenaustritt eingespritzt. Durch die im radial äußeren Bereich in den zylindrischen Innenraum der Hauptbrennk2mrner eintretende, kreisringförmige Turbinenabgasströmung, die zudem meist mit einem Drall behaftet ist, wird im Zentrum der Hauptbrennkammer ein Unterdruckgebiet hervorgerufen, das eine Rückströmung der heißen Brenngase verursacht, welche die Rückseite des wärmeempfindlichen Turbinenlaufrades anströmt und über dje Grenze seiner Warmfestigkeit aufheizt. Um das Turbinenlaufrad vor Wärmeschäden zu bewahren, ist es z. B. nach der deutschen Auslegeschrift 1088 291 bekannt, das Turbinenlaufrad mit einem Hitzeschild zu versehen, das in einem lichten Abstand an der Rückseite desselben befestigt ist, wobei der freie Ringraum zwischen der Innenseite des Hitzeschildes und der Rückseite des Turbinenlaufrades zur Kühlung des letzteren in radialer Richtung nach außen von Brennstoff durchströmt wird. Mit dem Turbinenlaufrad rotierende Hitzeschilde bringen den Nachteil mit sich, daß sie die Zentrifugalkräfte des Turbinenlaufrades in an sich unnötiger Weise vermehren, und außerdem besteht die Gefahr, daß der in radialer Richtung nach außen aus dem Ringspalt austretende Brennstoff mindestens zum Teil an die Innenseite der Wand der Hauptbrennkammer gelangen kann, so daß hier durch örtliche Aufheizungen Wärmeschäden auftreten können.
Ferner ist es nach der deutschen Auslegeschrift 1070 882 bei katalytisch betriebenen Hauptstromtriebwerken bekannt, hinter dem Turbinenlaufrad einen feststehenden, ungekühlten, haubenförinigen Hitzeschild vorzusehen, der hier lediglich eingezeichnet ist, während über die Art seiner konstruktiven Fixierung nichts ausgesagt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen feststehenden Hitzeschild zu schaffen und gleichzeitig dessen Halterung so auszuführen, daß für ihn und seine Anordnung eine ausreichende Betriebssicherheit gewährleistet ist.
Zur Lösung der Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, den in an sich bekannter Weise feststehend angeordneten haubenförmigen Hitzeschild zumindest zum Teil doppelwandig auszuführen und hauptsächlich aus zwei zur Durchführung des Treibstoffes Hohlräume bzw. Zwischenräume einschließenden Bauteilen zu bilden, und zwar aus einem äußeren Hitzeschirm und einem inneren Tragteil, der zur Befestigung des Hitzeschirmes dient und seinerseits von mehreren, in der Wand der Brennkammer bzw. im Brennkammerkopf gehaltenen, radial gerichteten Treibstoffzulaufleitungen getragen wird, die den Hitzeschirm mit Spiel durchdringen.
In Ausgestaltung der Erfindung weist der Tragteil ein zentrales, nabenförmiges Einlaufgehäuse auf, dessen turbinenseitiges Ende mit Bohrungen zum Anschließen bzw. Einsetzen der Treibstoffzulaufleitungen versehen ist.
Im radial äußeren Bereich des Raumes zwischen dem Hitzeschirm und dem Tragteil sind gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung im Hitzeschirm Einspritzbohrungen für den den Hitzeschild durchströmenden Treibstoff vorgesehen, wodurch eine möglichst große, dem Innenraum der Hauptbrennkammer zugewandte Fläche des Hitzeschildes flüssigkeitsgekühlt wird. Um auch die Aufhängung als solche für den Hitzeschild unempfindlich gegen Wärmeausdehnungen zu halten, wird ferner vorgeschlagen, die Treibstoffzulaufleitungen im Gehäuse der Hauptbrennkammer in radialer Richtung frei ausdehnbar zu halten. Zu diesem Zweck sind zur Halterung der Treibstoffzulaufleitungen im Brennkammerkopf Gewindemuffen eingesehraubt, zwischen deren nach außen zeigender Stirnfläche und Überwurfmuttern Dichtringe eingesetzt sind.
Durch die französische Patentschrift 1085458 ist es zwar bei Gasturbinentriebwerken bekannt, den Brennstoff über im Querschnitt stromlinienförmige Einspritzringe mit vielen Bohrungen unter Beimischung von Zerstäuberluft in eine Nachbrennkammer einzubringen und diese Einspritzringe mit Hilfe von Tragrohren zur Zuführung des Brennstoffs und der Zerstäuberluft anzuordnen; jedoch sind hierbei die Tragrohre einerseits sowohl mit der Brennkammerwand als auch andererseits mit den Einspritzringen in nachteiliger Weise starr verbunden.
Durch die Erfindung wird nicht nur eine gute innere Kühlung des Hitzeschildes erreicht, sondern es wird gleichzeitig die vorgeschlagene Halterung des Hitzeschildes und durch die freie Beweglichkeit des äußeren Bereiches des Hitzeschirmes gegenüber den starren Treibstoffzulaufleitungen eine gegenüber thermischen Betriebsbelastungen unempfindliche Gesamtanordnung für den Hitzesrhild erzielt.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch das hintere Ende der Vorbrennkammer mit Turbine und durch das vordere Ende der Hauptbrennkammer eines Raketenhauptstromtriebwerks und F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie II-11 der F i g. 1.
Wie aus F i g. 1 hervorgeht, ist hinter einer Vorbrennkammer 1 des Raketenhauptstromtriebwerks eine auf einer Welle 2 fliegend angeordnete Turbine 3 zum Antrieb von Hilfsaggregaten, wie Treibstoffpumpen, Reglern, elektrischen Generatoren und Druckmittelerzeugern, vorgesehen, deren Schaufeln 3a von den in der Vorbrennkammer 1 erzeugten Treibgasen G beaufschlagt werden.
Die Flauptbrennkammer 4 besteht im wesentlichen aus Brenrikaminergehäuse 4 a und Brennkammerkopf 4 b. Den Schutz der Turbine 3 gegenüber dem mit sehr heißen Treibgasen ausgefüllten Innenraum der Hauptbrennkammer 4 erfolgt durch einen parabolisch geformten Hitzeschild, der gebildet wird aus einem Hitzeschirm 5 a und einem Tragteil 5 b, der zur Befestigung des Hitzeschirrnes 5a dient. Beide Bauteile, der Hitzeschirrn 5 a und der Tragteil 5 b, schließen einen Zwischenraum 7 ein, in dem Leitbleche 8 sternförmig angeordnet sind. Der Tragteil 5b weist ein zentrales Treibstoffeinlaufgehäuse auf, an dem mehrere über den Umfang verteilte, mit Spiel durch den Hitzeschirin 5 a geführte Treibstoffzulaufleitungen 9 angeschlossen und befestigt (eingeschweißt) sind, die den Tragteil 5 b zusammen mit dem Hitzeschirm 5a radspeichenartig tragen und zentrieren. Durch die Zulaufleitungen 9 wird nur eine Teilmenge Ta der in die Hauptbrentikammer 4 insgesamt einzuspritzenden Treibstoffmenge zugeführt, und zwar über das Einlaufgehäuse des Tragteiles 5 b und den Zwischenraum 7 unter Kühlung des Hitzeschildes 5 a, 5 b. Eingespritzt wird die Teilmenge Ta durch am radial äußeren Ende des Zwischenraumes 7 befindliche Einspritzbohrungen 10 schräg von innen her in die Turbinenabgasströmung Ga.
Die andere Treibstoffteilmenge Tb, die der Hauptbrennkammer zugeführt wird, gelangt durch Zulaufleitungen 11 in einen Ringraum 12, der einerseits gebildet wird von einem in den Brennkammerkopf 4 b eingesetzten, im Querschnitt U-förmigen Ring 13, dessen profiloffene Seite radial nach außen zeigt, und der andererseits geschlossen wird vom Brennkammerkopf 4 b. Im Ring 13 sind Einspritzbohrungen 14 für die Treibstoffteihnenge T b vorgesehen, die von außen her in die Abgasströmung Ga eingespritzt wird. Die Einspritzbohrungen 10 und die Einspritzbohrungen 14 sind schräg gegeneinander gerichtet und liegen in bezug auf die Brennkammerlängsachse auf gleicher oder annähernd gleicher Höhe.
Die Befestigung der Zulaufleitungen 9 am Brennkammerkopf 4 b erfolgt über in diesem eingesehraubte Gewindemuffen 15, zwischen deren nach außen zeigender Stirnfläche und überwurfmuttern 16 Dichtringe 17 eingesetzt sind. Die Anordnung der Zulaufteitungen 9 gegenüber dem Brennkammerkopf 4 b erfolgt also derart, daß sich diese unter Wärmeeinwirkungen radial frei ausdehnen können.

Claims

Patentansprüche: 1. Ausbildung und Halterung des Hitzeschildes bei Flüssigkeitsraketentriebwerken in Hauptstrombauart mit einer Vorbrennkammer zur Erzeugung von Treibgasen verhältnismäßig niedriger Temperatur, die vor ihrem Eintritt in eine der Vorbrennkammer nachgeschaltete Hauptbrennkammer mindestens eine zum Antrieb von Hilfsaggregaten dienende Axialturbine beaufschlagen, deren unbeschaufelter Bereich gegen den heißen Innenraum der Hauptbrennkammer durch einen von durchströmendem Treibstoff gekühlten Hitzeschild abgeschirmt ist, d a d u r c h gekennzeichnet, daß der in an sich bekannter Weise feststehend angeordnete, haubenförmige Hitzeschild (5a, 5b) zumindestens zum Teil doppelwandig ausgeführt ist und hauptsächlich aus zwei zur Durchführung des Treibstoffes (Ta) Hohlräume bzw. Zwischenräume (7) einschließenden Bauteilen besteht, und zwar aus einem äußeren Hitzeschirm (5a) und einem inneren Tragteil (5b), der zur Befestigung des Hitzeschirmes (5a) dient und seinerseits von mehreren, in der Wand der Brennkammer (4) bzw. im Brennkammerkopf (4 b) gehaltenen, radial gerichteten Treibstoffzulaufleitungen (9) getragen wird, die den Hitzschirrn (5a) mit Spiel durchdringen.
2. Ausbildung und Halterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragteil (5b) ein zentrales, nabenförmiges Einlaufgehäuse aufweist, dessen turbinenseitiges Ende mit Bohrungen zum Anschließen bzw.
Einsetzen der Treibstoffzulaufleitungen (9) versehen ist. 3. Ausbildung und Halterung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im radial äußeren Bereich des Zwischenraumes (7) im Hitzeschirm (5a) Einspritzbohrungen (10) für den den Hitzschild (5a, 5b) durchströmenden Treibstoff (Ta) vorgesehen sind.
4. Ausbildung und Halterung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibstoffzulaufleitungen (9) im Gehäuse der Hauptbrennkammer (4) in radialer Richtung frei ausdehnbar gehalten sind. 5. Ausbildung und Halterung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Halterung der Treibstoffzulaufleitungen (9) im Brennkammerkopf (4b) Gewindemuffen (15) eingeschraubt sind, zwischen deren nach außen zeigender Stirnfläche und überwurfmuttern (16) Dichtringe (17) eingesetzt sind.
In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1164 753, 1088 291, 1070 882; französische Patentschrift Nr. 1085 458; USA.-Patentschrift Nr. 2 510 571.