DE3248199A1

DE3248199A1 - Kraftstoffeinspritzer fuer ein mit mantelstromkuehlung arbeitendes raketentriebwerk

Info

Publication number: DE3248199A1
Application number: DE19823248199
Authority: DE
Inventors: Gary Wayne 76657 McGregor Tex. Johnson
Original assignee: Hercules LLC
Current assignee: Hercules LLC
Priority date: 1981-12-28
Filing date: 1982-12-27
Publication date: 1983-07-07
Also published as: FR2519083A1; US4416112A; FR2519083B1

Description

Kraftstoffeinspritzer für ein mit Mantelstromkühlung arbeitendes Raketentriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf ein mit Mantelstromkühlung arbeitendes Raketentriebwerk und die Verteilung eines kompressiblen fluidischen Kraftstoffs, der aus dem Gasgenerator des Triebwerks stammt. Die Erfindung bezieht sich speziell auf einen Kraftstoffeinspritzer, der in stark unterschiedlichen Mengen strömenden Kraftstoff auf im Abstand angeordnete Auslaßkanäle verteilt, die in einen Sekundärbrenner des Raketentriebwerks münden. Die Erfindung bezieht sich spezieller noch auf einen solchen Kraftstoffeinspritzer, der in das richtige Verhältnis gebrachte, axiale und radiale Kraftstoffströmungskanäle aufweist, um vorgewählte Anteile der variablen Strömungsmenge glatt und regelmäßig dem Sekundärbrenner zuzuführen.

Ein Einspritzer, der mit fester Strömungsgeschwindigkeit arbeitet, verteilt den kompressiblen fluidischen Kraftstoff auf eine Vielzahl von im Abstand zueinander angeordneten Ausströmungskanälen, wobei der Kraftstoff mit konstanter Geschwindigkeit zwischen dem Gasgenerator und dem Sekundärbrenner des mit Mantelstromkühlung arbeitenden Raketentriebwerks fließt. Ein solcher Einspritzer mit fester Strömung kann so gestaltet sein, daß seine Auslaßkanäle insgesamt eine kleinere wirksame Querschnittsfläche aufweisen als der Querschnitt des stromaufwärts gelegenen axialen Strömungskanals. Als Folge davon teilt sich die Strömung unter diesen Kanälen etwa in Übereinstimmung mit ihren relativen Querschnittsflächen auf.

Einspritzer mit variabler Strömungsrate verwenden eine stromaufwärts gelegene Drosseleinrichtung zur Beeinflussung der

Strömungsrate (-menge). Die Auslaßkanäle solcher Einspritzer müssen eine wirksame Gesamtströmungsflache haben, die jene der Drosseleinrichtung in deren maximaler Öffnungsstellung entspricht oder sie übersteigt. Es könnte nämlich sonst die Drosselwirkung bei entsprechenden Minimum-Strömungsraten leiden.

Wenn zusätzlich die interne Kraftstoffströmung in solchen variablen Einspritzern sich bis in den Überschallbereich beschleunigen kann, dann kann sich ein Verlust an Drosselvermögen zusammen mit einer gestörten Kraftstoffverteilung als Folge von örtlichen Schockphänomenen und scharf verminderten Auslaßkanalkoeffizienten ergeben.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein Kraftstoffeinspritzer angegeben, der einen glatten und regelmäßigen Auslaß von kompressiblem fluidischem Kraftstoff mit stark variierenden Strömungsraten zwischen dem Gasgenerator und dem Sekundärbrenner eines mit Mantelstromkühlung arbeitenden Raketentriebwerks ermöglicht, ohne daß ein Verlust an Drosselvermögen einer stromaufwärts angeordneten Drosseleinrichtung hingenommen werden muß.

In Übereinstimmung mit dieser Erfindung hat der Kraftstoffeinspritzer weiterhin eine solche Gestalt, daß er mit üblicher spanabhebender Bearbeitung hergestellt werden kann.

Die oben genannten Forderungen werden durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Kraftstoffeinspritzer 10;

Fig. 2 einen Schnitt durch den Einspritzer nach Fig. 1 längs der Linie 2-2;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch Einspritzer 10 und Ventilanordnung 14 in montiertem Zustand;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Mantelstromraketentriebwerks, und

Fig. 5 eine grafische Darstellung von Daten für die Gestaltung des Einspritzers 10.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen den Einspritzer 10 nach der vorliegenden Erfindung und seinen Einsatz bei einem Mantelstrom-Raketentriebwerk.

Der Kraftstoffeinspritzer 10 nach den Fig. 1 bis 3 enthält einen Flansch 12 für die Montage an einer Ventilvorrichtung 14. Die Ventilvorrichtung 14 ist vom Kolbentyp und beeinflußt die Strömung des in den Einspritzer 10 fließenden kompressiblen fluidischen Kraftstoffs.

Der Flansch 12 des Einspritzers 10, kreisförmige Eintritts-, Mitten- und Auslaßabschnitte 16, 18 und 20 sind integral miteinander ausgebildet und bilden zusammen den Einspritzer 10. Eine nach hinten verlaufende schräge Flanke 22 trennt den Eintrittsabschnitt 16 vom Mittenabschnitt 18. Eine weitere schräg nach hinten verlaufende Flanke 24 trennt den Mittenabschnitt 18 vom Auslaßabschnitt 20.

Der Eintrittsabschnitt 16 enthält eine Eintrittsöffnung 26. Der Auslaßabschnitt 20 enthält eine Auslaßöffnung 28. Ein

axialer Kraftstoff-Strömungskanal 30 erstreckt sich zwischen der Eintrittsöffnung 26 und der Austrittsöffnung 28.

Ungefähr die Hälfte des in den Einspritzer 10 eintretenden kompressiblen fluidischen Kraftstoffs verläßt ihn durch die Auslaßöffnung 28. Die andere Hälfte verläßt den Einspritzer 10 durch vordere und hintere Paare von Auslaßkanälen 32 und 34 bzw. 36 und 38. Die hälftige Aufteilung ist spezifisch für eine spezielle Mantelstromrakete und eine dafür gewünschte Kraftstoffverteilung. (Andere Verteilungen kann man unter Verwendung der von dieser Erfindung angegebenen Prizipien wählen. Kraftstoffeinspritzer, die diese anderen Verteilungen aufweisen, weisen Stufen und Kanäle auf, die in Anzahl und Abmessungen anders sind, um die gewünschte Strömungsverteilung zu erzielen und die Glätte und Regelmäßigkeit der Strömung aufrechtzuerhalten.)

Die vorderen Auslaßkanäle 32 und 34 sind um den Eintrittsabschnitt 18 etwa diametral einander gegenüberliegend angeordnet und erstrecken sich durch dessen Innenwand vor der die nachfolgende Stufe abtrennenden Flanke 22. Die Auslaßkanäle 32 und 34 verlaufen gegenüber dem Strömungskanal 30 unter einem schrägen Winkel, so daß sich eine in Richtung der Auslaßöffnung 28 verlaufende Komponente ergibt. Die Mittenachsen der vorderen Auslaßkanäle 32 und 34 schneiden sich unter einem Winkel A von ungefähr 120° in einer Ebene, die den axialen Strömungskanal 30 in Längsrichtung schneidet.

Der Durchmesser des Auslaßkanals 32 ist ebensogroß wie jener des Auslaßkanals 34 und ist größer als jeder der Durchmesser der hinteren Auslaßkanäle 36 und 38. Deren Durchmesser sind einander gleich.

* β * f> «.ft β

-7-

Die hinteren Auslaßkanäle 36 und 38 sind zueinander im Abstand um den Mittenabschnitt 18 angeordnet und erstrecken sich durch deren Wand vor der Flanke 24, die die nachfolgende Stufe von dem Mittenabschnitt trennt. Die Mittenachsen der Auslaßkanäle 36 und 38 schneiden sich unter einem Winkel B von etwa 90° in der Ebene von 2-2 nach Fig. 2.

Der Flansch 12 weist, wie die Ansicht in Fig. 2 zeigt, mehrere Bohrungen 40 auf, die der Befestigung des Einspritzers 10 an dem Ventil 14 dienen. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, passen die Bohrungen 40 zu entsprechenden Bohrungen 42 im Flansch 44 einer Kolbenventilvorrichtung 14, wobei Schraubbolzen 46 der Befestigung der Teile aneinander dienen, (Zwei der acht Bohrungen im Flansch 44 sind in Fig. 3 dargestellt.) Eine Rille 48 erstreckt sich ringförmig im inneren Teil des Flansches 44 und nimmt einen O-Ring auf. Die Bolzen 46 erstrecken sich auch in einen Flansch 45, der von einem Dom 47 des Sekundärbrenners 58 getragen wird, um den Einspritzer 10 und die Ventilvorrichtung 14 an dem Raketentriebwerk zu befestigen.

Wenn der Kraftstoffeinspritzer 10 und die Ventilvorrichtung aneinander befestigt sind, wie es Fig. 3 zeigt, dann stoßen ein zylindrischer Kraftstoff-Strömungskanal 50 der Ventilvorrichtung 14 und der erwähnte Strömungskanal 30 des Einspritzers 10 zueinander passend aneinander. Die Bewegung eines Kolbens in den zylindrischen Strömungskanal 50 hinein bzw. aus diesem heraus bewirkt eine Zumessung des fluidischen Kraftstoffs in den Einspritzer 10 und demzufolge in den Sekundärbrenner 58 des Raketentriebwerks (siehe Fig. 4). Die hinteren Auslaßkanäle 36 und 38 führen Kraftstoff auf die beiden Seiten einer Zündvorrichtung 49 (Fig. 3).

Fig. 4 zeigt schematisch im Schnitt eine Mantelstromrakete 54 mit Nase 55. Die Rakete 54 weist ein Gasgeneratormodul 56 und einen Sekundärbrenner 58 auf, die über die Kolbenventilvor-

» « wv ta·

-8-

richtung 14 und den Kraftstoffeinspritzer 10 miteinander in Verbindung stehen. Das Gasgeneratormodul 56 enthält einen festen, körnigen Brennstoff 60, der abbrennt und einen kompressiblen fluidischen Kraftstoff liefert, der seinerseits im Sekundärbrenner 58 mit Luft verbrannt wird, die über einen Einlaß 61 zugeführt wird. Die Verbrennungsgase verlassen die Rakete durch die Düse 64 am Sekundärbrenner 58 und treiben die Rakete 54 vorwärts.

Zur Herstellung des Kraftstoffeinspritzers 10 werden drei Bohrer unterschiedlicher Größe eingesetzt, um den axialen KraftstoffStrömungskanal 30 zu bohren. Die dickeren Bohrer haben an ihren vorderen Enden Abschrägungen, wodurch die schrägen Flanken 2 2 und 24 im Strömungskanal des Einspritzers 10 beim Bohren erzeugt werden.

Die drei Bohrer werden zur Herstellung des Einspritzers 10 wie nachfolgend beschrieben eingesetzt. Der erste Bohrer ist jener mit dem kleinsten Durchmesser. Er wird durch ein tubusförmiges Bauteil geeigneter Größe gebohrt. Dieser kleinste Bohrer weist einen Durchmesser auf, der jenem der Auslaßöffnung 28 entspricht. Der zweite Bohrer, jener mit dem zweitgrößten Durchmesser, wird nur zum Teil in das tubusförmige Bauteil gebohrt. Er weist einen Durchmesser auf, der jenem des Mittenabschnitts 18 entspricht. Der dritte, größte Bohrer wird dann zum Bohren des Einlaßabschnitts 16 verwendet. Er hat einen Durchmesser, der dem Innendurchmesser dieses Abschnitts entspricht. Es werden dann die vorderen und hinteren Auslaßkanäle 32 und 34 bzw. 36 und 38 mit anderen Bohrern gebohrt.

Der Kraftstoffeinspritzer nach der Erfindung verteilt den Kraftstoff» der von einer Ventilvorrichtung 14 mit einer Rate von ungefähr 150 g/sec. bis 600 g/sec. und Temperaturen zwischen

"3Γ··Ι ι. .»,..„„ „ „ « » . «

etwa 540° C und 1200° C zufließt.

Es versteht sich, daß die speziellen Abmessungen des Strömungskanals 30, der Stufen im Kanal und der Auslaßöffnungen in geeigneter Weise gewählt werden müssen, um anderen Temperaturen und Strömungsraten als auch Verpackungsvorschriften gerecht zu werden. Es sei auch betont, daß mehr oder weniger Kanäle an etwas unterschiedlichen Stellen als in den Fig. 1 bis 3 dargestellt Ergebnisse in Übereinstimmung mit dieser Erfindung erbringen. Es sei weiterhin betont, daß der Einspritzer 10 und die Ventilvorrichtung 14 auch an unterschiedlicher Stelle innerhalb des Raketentriebwerks angeordnet sein können.

Ausführungsbeispiel

Ein Einspritzer 10 ist unter Verwendung nachfolgender analytischer Überlegungen konstruiert worden. Die beschriebene Technik kann auch zur Erzielung anderer Ergebnisse angewendet werden. .

A ist der maximale Strömungsquerschnitt einer Steuerungsvorrichtung, wie beispielsweise das Ventil 14 in Fig. 3.

A ist die Summe der Strömungsquerschnitte der Auslaßkanäle eines Einspritzers, beispielsweise der Auslaßkanäle 32, 34, 36, 38 und 28 des Einspritzers 10 nach den Fig. 1 bis 3.

A. ist der Strömungsquerschnitt des Einspritzers vor der Luftöffnung.

A_ ist der Strömungsquerschnitt des Einspritzers nach der Luftöffnung.

ist der Strömungsquerschnitt eines axialen Strömungskanals, wie beispielsweise des Kanals 30 des Einspritzers 10, wobei angenommen wird, daß er die geometrische Querschnittsfläche

multipliziert mit einem geeignet gewählten Auslaßkoeffizienten ist.

X ist die Distanz, die ein Kolben oder ein anderes geeignetes Ventilglied, wie beispielsweise der Kolben 52, sich von einem festen Punkt zurückzieht.

X ist die Distanz, die sich der Kolben zurückzieht, bevor die Steuervorrichtung nicht drosselt.

Mg ist die Machzahl der Massenströmung im Einspritzer.

T ist das spezifische Wärmeverhältnis des betreffenden kompressiblen Fluides.

W- ist die Strömungsmenge vor der Luftöffnung.

W₂ ist die Strömungsmenge nach der Luftöffnung.

W, ist die Luftmenge, d.h. W.-W-.

AA ist Ag-Ap.

C_n ist ein Auslaßkoeffizient.

AC_n ist eine Auslaßkoeffizientenveränderung, die die Ventilsteuervorrichtung entdrosselt und sei mit 0,1 χ C_n angenommen.

Unter Bezugnahme auf die obigen Definitionen ist A ^ A bei X=X angenommen, damit die Strömungssteuervorrichtung als Drossel arbeiten kann, wenn die Strömung durch sie hindurch bei einem Minimum ist. Damit die Strömung im axialen Strömungskanal im Unterschallbereich bleibt, ist A < A_ß.

-11-

Es wird isentropische Strömung angenommen und

y+i

gemäß bekannter Analysis.

Die Massenverteilung wird als eine unabhängige Variable in der geometrischen Gestaltung des Einspritzers angenommen. Die Massenverteilung ist auf Werte festgelegt, die die Kraftstoffverteilung, die durch Mischung und Verbrennungsforderungen im Sekundärbrenner befriedigt.

Fig. 5 zeigt eine grafische Darstellung (Kurve X) von A /A_c gegenüber M_ß gemäß Gleichung I durch Errechnung von A /A„ unter Verwendung des geeigneten T , worin A gleich ist mit:

wird bestimmt durch bekannte Ventilkonstruktionsdaten.

Der Schnitt X¹ dieser A /A_c~Funktion mit der A/A ■ in Fig. 5 gibt die untere Grenze der Machzahl M„. an.

1-Linie

Ein "Zuschlag" zu der M_D-Machzahl wird gemacht, um zu verhindern,

daß lokale Störungen und transonische Bereiche zu groß, zu schnell und zu stark werden. Auf diese Weise kann man Unsicherheiten und Veränderungen im Kanal C_D zulassen, ohne daß eine Verschlechterung der Drosselwirkung provoziert wird. Wenn die Querschnittsveränderung von der supsonischen zur sonischen Strömung durch Λ A repräsentiert wird, dann wird das Querschnittsverhältnis (und damit die Machzahl) durch die C_D-Unsicherheit begrenzt:

* w · * to *

"-"12-

χ + -ζ- ~ ι + g-c in worin A_B - A_p = ^A_p.

Die Gleichung III kann in anderer Form ausgedrückt werden, als eine Funktion der Machzahl NL unter Verwendung der Gleichung I, womit sich ergibt,

~ ~ ItL _

2 - -J£ = 2 - M -JjLt¹J 2(JT-I) ]

A In Fig. 5 ist mit der Kurve Y der Ausdruck 2 - -τ*- über ML

R aufgetragen.

Der Schnittpunkt Y der Kurve Y mit der 1 + 4 ^cj/^cd ⁼ konstant Linie, die von der linken Seite der Gleichung IV angegeben wird, bildet die obere Grenze der Machzahl M_n, wie es Fig. 5 zeigt.

11 Die Machzahlen M zwischen den Schnittpunkten X und Y sind somit die Konstruktionsgrenzen; ein Wert im Zwischenbereich wird ausgewählt und bestimmt dann A .

Der nächste Schritt dient dann der Bestimmung der spezifischen Kanalquerschnitte und der Geometrie der Stufen, die notwendig ist, um die Machzahl der Konstruktion konstant zu halten. Es ist bekannt, daß

dM ^{M1 T} "ST¹¹ ' dA ^M (1 - M²) "S

J T-I. 2 +2(1 + ?1Q (1 + "T^ ) dw

/i »*2\ W

Für eine Konstruktion der konstanter Machzahl vereinfacht sich diese Gleichung zu:

dA = (1 + riT) 22 _VI

worin.dM gleich Null ist. Diese Gleichung VI wird dadurch zu:

VII .

Die Anwendung der Gleichung VII über jede Durchmesserveränderung des axialen Strömungskanals ergibt die speziellen Kanalquerschnitte und Stufendurchmesser. Die sonischen Querschnitte an jedem Kanalort sind subsonische Eintrittsquerschnitte multipliziert mit A /Ag (Gleichung I). Die Gesamtheit der einzeln berechneten Querschnitte wird gegenüber dem Konstruktionswert geprüft, der aus der Konstruktions-Machzahl und dem A -Wert berechnet wurde. (Eine Skalierung kann kleine Differenzen korrigieren, wenn solche vorhanden sind.)

Die sich ergebenden Konstruktionsdaten werden dazu verwendet, um die Bohrergrößen und die Geometrie zu errechnen mit Hilfe von empirischen Auslaßkoeffizienten für die Auslaßkanäle. Der Axialwinkel der Auslaßkanäle, beispielsweise der Kanäle 32 und 34 in den Fig. 1 bis 3, kompensiert teilweise die starke Schockübertragung und die kurze Distanz zwischen dem Kolben und diesen Kanälen, wenn der Kolben nahezu geschlossen ist, was zu großen zugänglichen Querschnittsverhältnissen hinter der Ventilöffnung für eine mögliche Oberschallausdehnung führt.

Die Analysis für den Einspritzer 10 führt zu folgenden Werten:

ORIGINAL INSPECTED

·«··· W «tow « » « · w« Mwww

-14-

StrÖmungsquerschnitt

Kanal 30 bis 16 Kanal 30 bis 18 Kanal 30 bis 20 Auslaßkanal 32 Auslaßkanal 34 Auslaßkanal 36 Auslaßkanal 38

worin die Auslaßkoeffizienten CL. wie dargestellt angenommen sind, eine Massenmachzahl M_ß von 0,6 verwendet wurde und die gewählte Massenströmung sich gleichmäßig auf die seitlichen Auslaßöffnungen und die hintere Auslaßöffnung aufteilen, d.h. SO % strömt durch den hinteren Kanal 28, der Rest durch die Kanäle 32 bis 38. Auch ist die Strömung so gewählt, daß sie sich gleichmäßig auf die vorderen und hinteren Auslaßkanäle 32 und 34 bzw. 36 und 38 aufteilt, d.h. jeder dieser einzelnen Kanäle führt 12 1/2 % der Strömungsmenge.

^CD	Durchmesser (mm)
1,0	17,8
0,9	15,26
0,9	10,56
0,6	8,74
0,6	8,74
0,7	7,52
0,7	7,52

Kö/Hi

Leerseite

Claims

Ansprüche

Kraftstoffeinspritzer für ein mit Mantelstromkühlung arbeitendes Raketentriebwerk mit einem langgestreckten, tubusförmigen Bauteil, das einen Kraftstoffströmungskanal umschließt, der sich hinter einer Quelle für kompressiblen, fluidischen Kraftstoff zu einem Sekundärbrenner zur Verbrennung des Kraftstoffs erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Querschnittsfläche des tubusförmigen Bauteils nach hinten in Stufen mit schrägen Flanken (22) abnimmt, einen zylindrischen Eintritts-, einen Mitten- und einen Auslaßabschnitt (16, 18 bzw. 20) bildend, daß letzterer eine Auslaßöffnung (2 8) aufweist, und daß das tubusförmige Bauteil Gruppen radial angeordneter Kraftstoffauslaßkanäle (32, 34, 36, 38) aufweist, die sich ebenfalls in den Sekundärbrenner (58) erstrecken, bestehend aus einer vorderen Kanalgruppe (32, 34) in der Wand des Eintrittsabschnitts (16) benachbart der ersten Stufe und einer zweiten Kanalgruppe (36, 38) in der Wand des Mittenabschnitts (18) benachbart der zweiten Stufe.

MÜNCHEN: TELEFON (Ο89) 225585 KABELiPROPINDUS-TELEX: 524244

BERLIN: TELEFON (030) .8 31 2088 KABELiPROPINDUS-TELEXi 1 84Ο57
2. Einspritzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden vorderen Strömungskanäle (32, 34) sich schräg zum Axialkanal (30) durch die Wand des Eintrittsäbschnitts (16) erstrecken.
3. Einspritzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden hinteren Strömungskanäle (36, 38) sich senkrecht zum Axialkanal (30) durch die Wand des Mittenabschnitts (18) erstrecken.
4. Einspritzer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittenachsen der hinteren Kanäle (36, 38) sich längs einer Mittenlängsachse des Kraftstoffströmungskanals unter einem Winkel von 90° schneiden.
5. Einspritzer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strömungskanal des vorderen Kanalpaares (32, 34) eine Querschnittsfläche aufweist, die größer ist als die eines Strömungskanals des hinteren Kanalpaares (36, 38).
6. Einspritzer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (28) einen Querschnitt hat, der größer ist als der Querschnitt jeder der anderen Strömungskänäle (32, 34, 36, 38).
7. Einspritzer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das tubusförmige Bauteil einen Flansch (12) mit Einrichtungen (40) zur Montage an einer Strömungssteuervorrichtung (14) aufweist.
8. Einspritzer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittsabschnitt (16) eine axiale Länge aufweist, die größer ist als jene des Mittenabschnitts (18).