DE716175C

DE716175C - Raketenmotor

Info

Publication number: DE716175C
Application number: DES117536D
Authority: DE
Original assignee: EUGEN SAENGER DR ING
Current assignee: EUGEN SAENGER DR ING
Priority date: 1935-02-09
Filing date: 1935-03-15
Publication date: 1942-01-14
Also published as: GB459924A; FR792596A

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Raketenmotor, bei dem die im Verbrennungsraum zur chemischen Reaktion gelangenden Stoffe gänzlich an Bord des Fahrzeuges mitgeführt werden, mit ununterbrochener Verbrennung und Kühlung der Verbrennungsraumwandungen. • Bei derartigen Motoren ist es zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades erwünscht, die Betriebsstoffe so lange in der Verbrennungskammer zu halten, bis eine möglichst völlige Durchmischung und Verbrennung eingetreten ist. Die Aufenthaltsdauer der Betriebsstoffe in der Kammer hängt vom Verhältnis des nutzbaren Kammerinhalts zur engsten Querig schnittsfläche der Ausströmöffnung der Feuergase ab. Es wurde gefunden, daß zur Erzielung eines günstigen Wirkungsgrades dieses Verhältnis, das als Quotient eines Volumens und einer Fläche die Dimension einer Länge hat, zwischen 50 und 5000 cm liegen muß, d. h. es muß auf 1 qcm des kleinsten Querschnitts der Ausströmöffnung je 50 bis 5000 ecm Verbrennungsraum entfallen, wobei sich die Querschnittsfläche der Aus-Strömöffnung auch aus mehreren Öffnungen des einen Verbrennungsraumes zusammensetzen kann.

An sich hängt die erforderliche Aufenthaltsdauer der Betriebsstoffe in der Verbrennungskammer vom Zündverzug und dem .Grad der Vorwärmung der Betriebsstoffe beim Eintritt in die Verbrennungskammer ab. Die angegebene untere Grenze für das Verhältnis zwischen nutzbarem Kammervolumen und kleinstem Ausströmquerschnitt gilt für den günstigsten Zündverzug. Zur Erzielung eines möglichst hohen inneren Wirkungsgrades wird man mit dem genannten Verhältnis möglichst hoch hinaufgehen, doch hat sich gezeigt, daß man praktisch über die angegebene obere Grenze nicht hinausgehen darf, weil sonst der Wärmedurchgang durch die Feuerraumwände so groß wird, daß er sich selbst mit der weiterhin beschriebenen Kühlung nicht mehr beherrschen läßt.

Die praktische Folge der Einhaltung eines bestimmten Verhältnisses zwischen nutzbarem Verbrennungsraum und engstem Austrittsquerschnitt liegt darin, daß man zur Erhöhung der Leistung nicht einfach die Ofenabmessungen im gleichen Verhältnis vergrößern darf, vielmehr erhält ein Motor großer Leistung unter sonst gleichen Verhältnissen kleinere Kammerabmessungen im Verhältnis zum kleinsten Ausströmquerschnitt als ein Motor kleiner Leistung.

Bei einem Raketenmotor, bei dem der nutzbare Inhalt des Verbrennungsraumes und der engste Austrittsquerschnitt der Feuergase gemäß den vorstehenden Regeln gewählt wird,

entsteht in der Verbrennungskammer eine erhebliche Temperatur, insbesondere dann, wenn dem Brennstoff zur Verbrennung nicht Luft, sondern Sauerstoff zugeführt wird, wie es bei dem Raketenmotor gemäß der Erfindung' vorzugsweise der Fall ist. Die angegebene Bemessungsregel für die Verbrennungskammer und den Austrittsquerschnitt läßt sich daher nur bei Anwendung besonderer Maßnahmen

to für die Kühlung der Feuerraumwände durchführen, weil andernfalls die Feuerraumwände durch die hohe Hitze zerstört würden. Deshalb sind erfindungsgemäß bei einem Raketenmotor mit ununterbrochener Verbrennung, insbesondere einem solchen, bei dem das Verhältnis zwischen dem nutzbaren Verbrennungsraum und dem engsten Querschnitt., der Ausströmöffnung der Feuergase zwischen 50 und 5000 cm liegt, zur Führung des Kühlmittels Kanäle ohne sprunghafte Ouerschnittsänderungen vorgesehen, die-die Wand der Verbrennungskammer und der Austrittsdüse praktisch lückenlos bedecken und dadurch an jeder Stelle der feuerberührten Wand eine bestimmte Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels zwangsläufig aufrechterhalten. Hierdurch ist erreicht, daß jede Stelle der Feuerraumwand so gekühlt wird, daß man den Raketenmotor mit ununterbrochener Verbrennung betreiben und bei ihm insbesondere das genannte Verhältnis für den nutzbaren \^rerbrennungsraum und den engsten Ausströmquerschnitt einhalten kann.

Bei den bekannten Raketenmotoren ist zwar auch schon eine Kühlung der Feuerraumwände vorgesehen. Diese erfolgt aber nicht in einer Weise, bei der eine zwangsläufige Führung des Kühlmittels an jeder Stelle der feuerberührten Wand mit einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit gewährleistet ist. Vielmehr besteht bei den bekannten Raketenmotoren wegen der nicht zwangsläufigen Führung des Kühlmittels die Möglichkeit, daß einzelne Teile der Feuerraumwand nur eine geringe Kühlung erhalten, um so mehr als der tatsächliche Weg des Kühlmittels stark vom Zufall abhängt, weil eben für eine zwangsläufige Führung desselben längs aller Teile der Feuerraumwand keine Vorkehrungen getroffen sind. Diese Raketenmotoren würden sich daher nicht mit ununterbrochener Verbrennung und erst recht nicht bei Anwendung der beschriebenen Dimensionierung betreiben lassen, weil die im Verbrennungsraum entwickelte Wärme zu einer Zerstörung der Kammerwände führen würde.

Es ist ferner bekannt, bei Strahltriebwerken, bei denen im Gegensatz zu dem erfindungsgemäßen Raketenmotor zur Bildung des Treibmittels Luft aus der L^Tmgebung entnommen wird, also nicht sämtliche zur Reaktion gelangenden Stoffe gänzlich an Bord des Fahrzeuges mitgeführt werden, entweder die Wandung der Verbrennungskammer durch glicht aneinandergelegte, miteinander imtiijittelbar oder unter Verwendung von Einfögstücken zu einer glatten Innenfläche verschweißte, vom Kühlmittel durchflossen? Rohre zu bilden oder einen feuerfest ausgekleideten Feuerraum mit einer seine Wanddung teilweise überdeckenden Verdampferund Überhitzungsspirale zur Vorwärmung des Brennstoffs vorzusehen. Bsi derartigen Strahltriebwerken treten im Feuerraum Temperaturen von höchstens 2500- absolut auf, die sich mit den gebräuchlichen Werkstoffen noch ohne Schwierigkeit beherrschen lassen. Bei einem Motor gemäß der Erfindung treten dagegen Temperaturen von etwa 6000^r absolut auf, weil man zur Erreichung eines möglichst hohen Schubes eine möglichst große Auspuffgeschwindigkeit der \"erbrennungsgase anstreben muß, die sich nur bei hohen Feuergastemperaturen erreichen läßt. Diese Temperaturen sind so hoch, daß ihnen kein Auskleidungsstoff widerstehen kann, und diese Schwierigkeit überwindet die Erfindung * dadurch, daß die zur Führung des Kühlmittels dienenden und keine sprunghaften Ouerschnittsänderungen aufweisenden Kanäle die Wand der Verbrennungskammer und der Austrittsdüse lückenlos und nicht wie die Vorwärmungsspirale bei den bekannten Strahltriebwerken nur teilweise bedecken. Die Erfindung betrifft also ausschließlich einen Raketenmotor. Sie bezieht sich dagegen nicht auf Strahltriebwerke, Gasturbinen oder ähnliche Vorrichtungen mit Verbrennungskammern, weil bei derartigen Apparaten die neue Ausbildung der feuerberührten Wände nicht notwendig ist.

In der Zeichnung sind einige Ausführungsformen eines Raketenmotors gemäß der Erfindung bespielsweise dargestellt.

Abb. ι ist eine schaubildliche Zeichnung, in der die zwangsläufige Führung des Kühlmittels nur beispielsweise angedeutet ist. Das Verhältnis zwischen der Verbrennungskammer V und dem engsten_ Ausströmquerschnitt/' ist entsprechend den oben dargelegten Regeln gewählt, liegt also zwischen 50 und 5000 cm. Es mag noch darauf verwiesen werden, daß zur zeichnerischen Darstellung dieser Bemessungsregel die Angabe des Maßstabes, in dem die Zeichnung gehalten ist, erforderlich wäre. Als Kühlmittel dienen hier die Betriebsstoffe, d. h. Brennstoff und Sauerstoff selbst, die in der Nähe des Vorderrandes der Austrittsdüse in den Kühlmantel eingeleitet werden und längs der Feuerraumwände 12« zu den am. rückwärtigen Scheitel der Verbrennungskammer angeordneten Eintritts-

öffnungen strömen und daher vorgewärmt in die Verbrennungskammer gelangen. Die zwangsläufige Führung des Kühlmittels oder der Betriebsstoffe erfolgt durch Kanäle ohne S sprunghafte Querschnittsänderungen, die die. Wand der Verbrennungskammer und der Austrittsdüse praktisch lückenlos bedecken und für die einige Ausführungsformen in den Abb. 2 bis 6 dargestellt sind.

ίο Abb. 2 zeigt im Querschnitt die Feuerraumwand und die in ihr vorgesehenen Kühlkanäle. Diese sind so nahe beieinander angeordnet, daß sie praktisch die Feuerraumwand lückenlos überdecken. Die Abbildung zeigt mehrere Querschnittsformen für die Kanäle.

Bei der Ausführungsform nach Abb. 3 sind die Kühlkanäle dadurch gebildet, daß die Feuerraumwand an ihrer Außenfläche mit Rillen versehen ist, die durch Einschneiden oder beim Gießen der Kammer erzeugt und nachträglich abgedeckt werden, beispielsweise durch Aufschrumpfen öder Auf-•schweißen eines Mantels oder durch Aufschweißen oder Auflöten von Abdeckungen für die einzelnen Rillen oder durch Abschließen der Rillen mittels einer Gießmasse. Die Abb. 3 deutet diese Ausführungsformen beispielsweise an.

Bei der Ausführungsform nach Abb. 4 sind auf die Feuerraumwand Rohre aufgewickelt, welche die Kühlkanäle bilden. Zweckmäßig wird durch einen Füllstoff, der in Abb. 4 am linken Ende angedeutet ist, eine gut wärmeleitende Verbindung zwischen der Feuerraumwand und den Rohren hergestellt.

Bei der Ausführungsform nach Abb. 5 besteht die Feuerraumwandung überhaupt nur aus den Kühlrohren^die durch einen Füllstoff

miteinander verbunden sind. Bei der Ausführungsform nach Abb. 6, bei der gleichfalls die Feuerraumwand aus den durch einen Füllstoff verbundenen Kühlrohren aufgebaut ist, ^c ist der Querschnitt der Rohre so gewählt, daß sie bei der Aneinanderfügung ohne weiteres eine glatte Innenwandung für die' Verbrennungskammer ergeben.

Abb. 7 zeigt in wesentlich vergrößertem Maßstab die Ausbildung einer Wandungsstelle, an der ein Anschlußrohr, z. B. ein Einspritzrohr, durch die Wandung geführt wird. Die Kühlrohre werden an einer solchen Stelle ein klein wenig gebogen, so daß man einen Zwischenraum erhält, durch den das Anschlußrohr durchgeführt werden kann. Die Ausbiegung der Kühlrohre ist aber so geringfügig, daß keine unzureichend gekühlten Baustoffanhäufungen entstehen.

Eine wesentliche Verbesserung der Kühlwirkung kann dadurch erreicht werden, daß das Kühlmittel unter Überdruck gesetzt wird, so daß eine Erhöhung des Siedepunktes, der Wärmeübergangszahl oder der Dichte eintritt. Gegebenenfalls kann man das Kühlmittel auch nur in einem Strang der Kühlkanäle unter Überdruck setzen. Dies Unterdrucksetzen des- Kühlmittels empfiehlt sich insbesondere dann, wenn die Betriebsstoffe selbst als Kühlmittel dienen, weil man für die Betriebsstoffe ohnehin einen bestimmten Einspritzdruck benötigt.

Zweckmäßig wird zur Verminderung der Wärmeabgabe von den Feuergasen durch Strahlung die Innenwand der Verbrennungskammer strahlungsreflektierend ausgeführt. ^7S Ferner kann man Stellen der Feuerraumwand, die in hohem Maße der Abnutzung, z. B. wegen hoher Feuergasgeschwindigkeit, ausgesetzt sind, mit abnutzungsfesten Überzügen versehen.

Claims

Patentansprüche:

1. Raketenmotor, bei dem die im Verbrennungsraum zur chemischen Reaktion gelangenden Stoffe gänzlich an Bord des Fahrzeuges mitgeführt werden, mit ununterbrochener Verbrennung und Kühlung der Verbrennungsraumwandungen, insbesondere von der Art, bei der das Verhältnis zwischen dem nutzbaren Verbrennungsraum und dem engsten Querschnitt der Ausströmöffnung der Feuergase zwischen 50 und 5000 cm liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des Verbrennungsraums aus einem die Wärme gut leitenden Material besteben und zur Führung des Kühlmittels Kanäle ohne sprunghafte Querschnittsänderungen vorgesehen sind, die die Wand der Verbrennungskammer und der xA.ustrittsdüse ^lotl praktisch lückenlos bedecken, derart, daß an jeder Stelle der feuerberührten Wand eine bestimmte Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels zwangsläufig aufrechterhalten wird. ¹⁰S

2. Raketenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelkanäle als abgedeckte Rillen in der Feuerwand ausgebildet sind.

3. Raketenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelkanäle als auf die Feuerwand aufgewickelte Rohre ausgebildet sind.

4. Raketenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feuerwand "5 durch Aneinanderreihung der die Kühlmittelkanäle bildenden Rohre, gegebenenfalls unter Verwendung eines Füllstoffes, gebildet ist.

5. Raketenmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Feuerwand bildenden Rohre solchen Querschnitt

haben, daß durch'ihre Aneinanderreihung ohne weiteres eine glatte Wandoberfläche an der Feuerseite entsteht (Abb. 6).

6. Raketenmotor nach Anspruch ι, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel zwecks Erhöhung des Siedepunktes, der Wärmeübergangszahl oder der Dichte unter Überdruck gesetzt ist.

J. Raketenmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel to nur in einem Strang der Kühlkanäle unter überdruck gesetzt ist.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen