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  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    Beschrieben wird eine Einrichtung zum Dämpfen von Schwingungen einer Brennkammer (1), wobei mindestens ein Resonator (5, 5a, 5b) schwingungstechnisch mit der Brennkammer (1) verbunden ist. Der Resonator (5, 5a, 5b) ist dabei mit einer Vorkammer (7, 17) schwingungstechnisch verbunden und die Vorkammer (7) über mindestens einen Durchtrittskanal (8, 18) mit der Brennkammer (1) schwingungstechnisch verbunden.
    公开号:DE102004018725A1
    申请号:DE102004018725
    申请日:2004-04-17
    公开日:2005-11-10
    发明作者:Chris Udo Dipl.-Ing. Maeding
    申请人:EADS Space Transportation GmbH；
    IPC主号:F02K1-82
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Dämpfen vonSchwingungen einer Brennkammer, wobei mindestens ein Resonator schwingungstechnischmit der Brennkammer verbunden ist.
    [0002] SolcheEinrichtungen sind grundsätzlichaus dem Stand der Technik bekannt. Sowohl DE 34 32 607 A1 als auch US 5,353,598 A beschreibenEinrichtungen zum Dämpfenvon Schwingungen einer Brennkammer, wobei mindestens ein Resonatorbzw. eine Dämpfungskammerunmittelbar oder über Durchtrittskanäle mit derBrennkammer eines Raketentriebwerkes verbunden ist.
    [0003] Nachteiligan den Einrichtungen nach US 5,353,598A ist jedoch, dass die Resonatoren direkt mit der Brennkammerdes Raketentriebwerkes verbunden sind. Damit kann es zu einer Überhitzungder Resonatoren aufgrund von eintretenden heißen Verbrennungsgasen aus demBrennkammerraum kommen. Die Folge ist, dass die Resonatoren ihreResonanzwirkung verlieren und entsprechend nicht mehr zur Dämpfung vonSchwingungen der Brennkammer beitragen können.
    [0004] Beider DE 34 32 607 A1 sindDämpfungskammernim Bereich des Einspritzkopfes in einem Treibstoffverteilerraumangeordnet und überDurchtrittskanälemit der Brennkammer schwingungstechnisch verbunden. Durch die Anordnungim Treibstoffverteilerraum, der beispielsweise zur Verteilung von Wasserstoffdient, wird zwar eine Aktivkühlungder Dämpfungskammerngewährleistet.Hierzu sind aber relativ aufwändigekonstruktive Maßnahmennotwendig. Es kann trotzdem nicht ausgeschlossen werden, dass heiße Brennkammer-Verbrennungsgase über dieDurchtrittskanäleunmittelbar in die Dämpfungskammerneindringen und zu einer Beeinträchtigung odergar Zerstörungder Dämpfungskammernführen.
    [0005] Aufgabeder vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung einer verbessertenMöglichkeit zumDämpfenvon Schwingungen einer Brennkammer mit Hilfe von Resonatoren.
    [0006] Gegenstandder Erfindung ist eine Einrichtung zum Dämpfen von Schwingungen einerBrennkammer, wobei mindestens ein Resonator schwingungstechnischmit der Brennkammer verbunden ist. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen,dass der mindestens eine Resonator mit einer Vorkammer schwingungstechnischverbunden ist und die Vorkammer übermindestens einen Durchtrittskanal mit der Brennkammer schwingungstechnischverbunden ist. Damit wird erreicht, dass der oder die Resonatoren,die zur Dämpfungder Schwingungen verwendet werden, nicht mehr unmittelbar mit derBrennkammer, bzw. mit dem Innenraum der Brennkammer, in Verbindungstehen. Vielmehr besteht nur eine mittelbare Verbindung über diezwischengeschaltete Vorkammer. Damit können die Resonatoren in Bereichenangeordnet werden, die einer geringeren Temperaturbelastung bzw.geringeren Temperaturänderungenunterworfen sind. Trotzdem könnendie Schwingungen der Brennkammer über den Durchtrittskanal unddie Vorkammer bis zu den Resonatoren gelangen und damit die Schwingungender Brennkammer effektiv gedämpftwerden.
    [0007] Eineerste Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Brennkammeran einen Einspritzkopf mit mindestens einem Einspritzelement angrenzt,der zum Einleiten einer Treibstoffströmung in die Brennkammer ausgebildetist, und die Vorkammer strömungstechnischvor dem mindestens einen Einspritzelement angeordnet ist. Es kanndabei ein einziger Treibstoffstrom vorgesehen sein, der der Brennkammerzugeführtwird. Es könnenauch zwei oder mehrere Treibstoffströme vorgesehen sein, die durchdie Einspritzelemente der Brennkammer zugeführt werden und ggf. bereitsin oder unmittelbar nach den Einspritzelementen vermischt werden.Die Vorkammer ist bei dieser Alternative in einem Bereich angeordnet,den mindestens einer der Treibstoffströme passiert, bevor er das oderdie Einspritzelemente durchströmt.Damit liegen also die Einspritzelemente zwischen der Brennkammerbzw. dem Innenraum der Brennkammer und der Vorkammer.
    [0008] Alternativdazu kann aber auch vorgesehen werden, dass die Brennkammer an einenEinspritzkopf mit mindestens einem Einspritzelement angrenzt, derzum Einleiten einer Treibstoffströmung in die Brennkammer ausgebildetist, und die Vorkammer strömungstechnischim Bereich des mindestens einen Einspritzelements angeordnet ist.Damit liegt die Vorkammer in einem Bereich, den mindestens einerder Treibstoffströmepassiert, währender das oder die Einspritzelemente durchströmt. Damit sind also die Einspritzelementeund die Vorkammer strömungstechnischnebeneinander vor der Brennkammer bzw. dem Innenraum der Brennkammerangeordnet.
    [0009] Inbeiden Fällenkann mindestens einer der Treibstoffströme dazu dienen, durch eineAktivkühlungder Resonatoren die Temperatur der Resonatoren weitgehend konstantzu halten. Hierfürkann insbesondere die Vorkammer strömungstechnisch mit einer Treibstoffströmung inVerbindung stehen, bevor diese den Innenraum der Brennkammer erreicht.Die Treibstoffströmungwird dabei nicht lediglich um einen Resonator herumgeleitet wiebeispielsweise im Fall der DE34 32 607 A1 , sondern sie erreicht den Innenraum des Resonators,so dass das Resonanzvolumen des Resonators selbst weitgehend konstant aufder Temperatur der Treibstoffströmunggehalten werden kann. Idealerweise steht der Resonator wie auchdie Vorkammer mit einer gasförmigenTreibstoffströmungin Verbindung, da dann überdie Treibstoffströmungeine besonders gute schwingungstechnische Verbindung zwischen Resonatorund Brennkammer gewährleistetwerden kann.
    [0010] Bevorzugtwird vorgesehen, dass der Durchtrittskanal als Teil eines Einspritzelementsausgebildet ist. Es könnengrundsätzlichaber auch separate Durchtrittskanäle vorgesehen sein, die eineschwingungstechnische Verbindung zwischen dem Innenraum der Brennkammerund der Vorkammer garantieren.
    [0011] DieResonatoren könnenbeispielsweise als Helmholtz-Resonatoren oder als λ/4-Resonatoren ausgebildetsein. Solche Resonatoren sind grundsätzlich aus dem Stand der Technikhinreichend bekannt.
    [0012] Einspezielles Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 bis 4 amBeispiel eines Raketentriebwerkes erläutert. Es zeigen:
    [0013] 1:Raketentriebwerk mit Helmholtz-Resonator vor dem Einspritzkopf
    [0014] 2:Raketentriebwerk mit λ/4-Resonatorenin einer Einspritzkopf-Deckplatte
    [0015] 3:Raketentriebwerk mit zweireihigen λ/4-Resonatoren vor dem Einspritzkopf
    [0016] 4:Raketentriebwerk mit λ/4-Resonatorenim Einspritzkopf
    [0017] Beider Verbrennung von Treibstoffen in Raketenbrennkammern kommt eshäufigwährenddes Betriebes zur Ausbildung von unterschiedlichen hochfrequentenSchwingungen. Aufgrund der hohen thermischen und mechanischen Belastungführen derartigeSchwingungen zu Schädenoder sogar zur Zerstörungder Raketentriebwerkes, wenn diese nicht rechtzeitig gedämpft werden.
    [0018] EineMethode zur Dämpfungsolcher Schwingungen ist die aus dem eingangs zitierten Stand derTechnik bekannte Verwendung von akustischen Resonatoren. Hierbeiunterschiedet man zwischen Helmoltz – Resonatoren und λ/4-Resonatoren. BeideResonatoren-Typen bestehen aus kleinen Volumen, welche bei den Einrichtungennach dem Stand der Technik direkt mit der Kammer verbunden sind.In diesen Resonatoren findet eine Dissipation der Schwingungsenergiestatt, wenn die angeregte Frequenz der Kammer mit der Eigenfrequenzdes Resonators übereinstimmt.Resonatoren sind schmalbandige Absorber und müssen aus diesem Grunde aufdie zu dämpfendeFrequenz abgestimmt werden. Helmoltz-Resonatoren dienen der Dämpfung ineinem weiteren Frequenzbereich im Vergleich zu den λ/4-Resonatoren,welche auf eine diskrete Frequenz abgestimmt werden müssen. Inbeiden Fällenliegt neben der Abhängigkeitvon den geometrischen Abmessungen eine starke Abhängigkeitvon der Schallgeschwindigkeit und somit von der Temperatur vor.Somit besteht die Gefahr einer Verschiebung der Dämpfungsfrequenzdurch die Aufheizung des Gases in den Resonatoren. Außerdem istdie genaue Abstimmung besonders der effektiveren λ/4-Resonatorenaufwendiger, da die Temperaturverhältnisse in den Resonatorennur experimentell bestimmt werden können und somit eine Neuabstimmungin den meisten Fällenerforderlich ist. Außerdemsind derartige Systeme mit zusätzlichemkonstruktivem Aufwand verbunden, aufgrund der ohnehin vorhandenenKühlproblematikder Brennkammer in diesem Bereich. Axial von der Brennkammer nach oben,d.h. entgegen der Strömungsrichtung,angeordnete Resonatoren im Bereich des Einspritzkopfes bilden unerwünschte Rückströmzonen indiesem Bereich, wodurch ein zusätzlicherWärmeflussin Richtung des Einspritzkopfes entsteht, was die Stabilität des Einspritzkopfesbeeinflussen kann.
    [0019] Dievorliegende Erfindung bietet eine Resonatorenanordnung welche vonden heißenVerbrennungsgasen und damit der Temperatur in der Brennkammer unabhängig ist.Gleichzeitig wird eine negative Beeinflussung der Anordnung derEinspritzelemente und der Brennkammerkühlung vermieden. Die Erfindungist insbesondere bei Hauptstrom-Triebwerken sowie anderen Triebwerkenmit gasförmigerEinspritzung einer von zwei oder mehreren Treibstoffkomponentenanwendbar. Bei Hauptstrom-Treibwerken werden gasförmige Abgaseeiner Treibstoffturbine wieder einem Treibstoffstrom (Hauptstrom)zugeführtund zusammen mit dem Treibstoffstrom in die Brennkammer geleitet.Eine weitere Anwendungsmöglichkeitstellen Expander-Cycle-Triebwerke dar, in denen der Antrieb derTreibstoffturbine mit einem gasförmigenTreibstoff wie Wasserstoff erfolgt. Zuvor wird der Treibstoff inflüssigerForm durch Kühlkanäle des Raketentriebwerkesgeleitet und aufgrund der Wärmeaufnahmein gasförmigenZustand überführt. Beibeiden Arten von Triebwerken liegen also gasförmige Treibstoffströme vor,die überEinspritzelemente in den Innenraum einer Brennkammer geleitet und dortverbrannt werden.
    [0020] 1 bis 3 zeigenBeispiele eines Hauptstrom-Raketentriebwerkes. Das Triebwerk weistjeweils eine Brennkammer 1 auf, die stromaufwärts durcheine Einspritzplatte 2 eines Einspritzkopfes 3 begrenztwird. In diesem Einspritzkopf 3 sind Einspritzelemente 4 angeordnet,die dazu dienen, eine oder mehrere Treibstoffströmungen in den Innenraum 9 derBrennkammer 1 zu leiten. Der Einspritzkopf 3 wirdstromaufwärtsdurch eine Deckplatte 6 begrenzt. Die Einspritzelemente 4 sindentweder rohrförmigausgebildet, sie könnenaber auch durch eine Kombination von Rohren und einer oder mehrerenkoaxialen Hülsengebildet werden. Die Einspritzelemente 4 bzw. die Rohreoder Hülsensind mit der Einspritzplatte 2 und/oder der Deckplatte 6 verbunden.Der Hauptstrom eines gasförmigenTreibstoffes sowie Turbinenabgase (Gas) gelangen in eine Vorkammer 7 vordem Einspritzkopf und werden dann durch die Einspritzelemente 4 inden Innenraum 9 der Brennkammer 1 geleitet.
    [0021] 4 zeigtdagegen ein Expander-Cycle-Triebwerk, bei dem ein gasförmiger Treibstoffstromwie Wasserstoff (gH2) in eine Vorkammer 17 geleitet wirdund von dort überringförmigeSpalte 8 zwischen einem Rohr 28 und einer Hülse eineskoaxialen Einspritzelements 4 in den Innenraum 9 der Brennkammergelangt. Übereine weitere Kammer 27 und das Rohr 28 gelangtein weiterer, beispielsweise flüssigerTreibstoffstrom wie flüssigerSauerstoff in den Innenraum 9 der Brennkammer 1.
    [0022] HochfrequenteSchwingungen, die in der Brennkammer 1 bei der Verbrennungdes oder der Treibstoffe entstehen, pflanzen sich über Treibstoff-Gasströme, diedurch die Einspritzelemente 4 strömen, stromaufwärts bisin eine Vorkammer 7, 17 fort. Daher kann eineDämpfungder Schwingungen der Brennkammer 1 gemäß der Erfindung auch dadurcherfolgen, dass Resonatoren 5, 5a, 5b imBereich der Vorkammern 7, 17 angeordnet werden,so dass sie strömungstechnischmit der Vorkammer 7, 17 kommunizieren.
    [0023] 1 zeigteine Anordnung eines Helmholtz-Resonators 5 in der Wandder Vorkammer 7. Dabei kann der Helmholtz-Resonator 5 alsringförmig umlaufende Kammerin der Wand der Vorkammer 7 ausgebildet sein, die über einenringförmigenDurchtrittsspalt mit der Vorkammer 7 verbunden ist, wiein 1 dargestellt.
    [0024] 2 zeigteine alternative Ausführungsform,wobei λ/4-Resonatoren 5 inForm von einseitig offenen Zylindern in der Deckplatte 6 desEinspritzkopfes 3 angeordnet sind. Wie in 2 dargestellt, können mehrere λ/4-Resonatoren 5 gleichförmig verteiltangeordnet sein. Im Fall der 2 sind die λ/4-Resonatoren 5 ringförmig umdie Mittelachse der Deckplatte 6 angeordnet.
    [0025] In 3 isteine Anordnung von λ/4-Resonatoren 5a, 5b inder Wand der Vorkammer 7 vorgesehen. Die λ/4-Resonatoren 5a, 5b sinddabei als Bohrungen in der Wand der Vorkammer 7 ausgebildet. Auchdiese λ/4-Resonatoren 5a, 5b können gleichförmig verteiltangeordnet sein. Im Fall der 3 sind die λ/4-Resonatoren 5a, 5b inzwei übereinanderliegenden Ringen in der Wand der Vorkammer 7 angeordnet.
    [0026] Eskönnenim Fall der 2 und 3 alle λ/4-Resonatoren 5, 5a, 5b grundsätzlich identisch ausgebildetsein, um genau eine definierte Schwingungsfrequenz zu dämpfen. Bevorzugtkönnenaber die λ/4-Resonatoren 5, 5a, 5b unterschiedlichausgebildet sein, so dass jeweils eine Gruppe von λ/4-Resonatoren 5, 5a, 5b aneine bestimmte Schwingungsfrequenz angepasst wird. Im Fall der 3 sinddie unteren λ/4-Resonatoren 5a alskürzereBohrungen ausgebildet und damit an höhere Schwingungsfrequenzenangepasst als die oberen λ/4-Resonatoren 5b,die als längereBohrungen ausgebildet sind.
    [0027] Beider Verwendung einer derartigen Resonatoren-Anordnung erfolgt dieAbstimmung auf die jeweilig zu dämpfendeFrequenz, d.h. f(Kammer) = f(Resonator).Die Bestimmung der geometrischen Abmessungen hat unter Berücksichtigungder jeweiligen Temperaturverhältnissedes Gases im Bereich der Resonatoren zu erfolgen, da dieses einendirekten Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit und somit auch aufdie Frequenz hat.
    [0028] Gleichesgilt grundsätzlichfür dasAusführungsbeispielnach 4. Hier sind λ/4-Resonatoren 5 alsBohrungen in der Wand des Einspritzkopfes 3 in dem Bereicheiner Vorkammer 7 vorgesehen, welche die Einspritzelemente 4 umschließt. Auchhier könnenalso die λ/4-Resonatoren 5 gleichförmig verteilt, beispielsweiseringförmig,in der Wand des Einspritzkopfes 3 angeordnet sein und eskönnenauch hier mehrere Gruppen von λ/4-Resonatoren 5 mitunterschiedlicher Anpassung an unterschiedliche Schwingungsfrequenzenvorliegen. Wie bereits beschrieben tritt gasförmiger Treibstoff wie gH2 indie Vorkammer 7 ein und wird über Ringspalte 8 inden Innenraum 9 der Brennkammer 1 eingeleitet.Dieser Strömungswegdes gasförmigenTreibstoffes stellt eine schwingungstechnische Verbindung zwischendem Innenraum 9 der Brennkammer 1 und der Vorkammer 7 dar,analog zu den obigen Ausführungenzu den 1 bis 3. Damit gelangen diese Schwingungenbis zu den λ/4-Resonatoren 5 inder Wand der Vorkammer 7 und können dort durch die Resonatorwirkungder λ/4-Resonatoren 5 effektivgedämpft werden.
    [0029] Derwesentliche Vorteil der Erfindung besteht in der weitgehend konstantenTemperatur des Gases in den Resonatoren 5, 5a, 5b während dergesamten Dauer des Betriebes des Triebwerkes. Weiterhin ergibt sicheine Vereinfachung der Konstruktion in dem Hochtemperaturbereichder Brennkammer 1, da im Bereich der Wand der Brennkammer 1 sowie inder Einspritzplatte außerder üblichenKühlungkeine weiteren Anordnungen wie Resonatoren mehr vorgesehen werdenmüssen.Außerdemermöglicht dieBauweise nach der vorliegenden Erfindung die Unterbringung einerwesentlich höherenAnzahl von Resonatorebeispielsweisen, da die einzelnen Ausführungsbeispielenach den 1 bis 3 auch kombiniertwerden können,so dass Helmholtz-Resonatoren 5 und/oder λ/4-Resonatoren 5a, 5b inder Wand der Vorkammer 7 und/oder λ/4-Resonatoren 5 in der Deckplatte 6 vorgesehenwerden können.
    权利要求:
    Claims (5)
    [1] Einrichtung zum Dämpfen von Schwingungen einerBrennkammer (1), wobei mindestens ein Resonator (5, 5a, 5b)schwingungstechnisch mit der Brennkammer (1) verbundenist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Resonator(5, 5a, 5b) mit einer Vorkammer (7, 17)schwingungstechnisch verbunden ist und die Vorkammer (7) über mindestenseinen Durchtrittskanal (8, 18) mit der Brennkammer(1) schwingungstechnisch verbunden ist.
    [2] Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Brennkammer (1) an einen Einspritzkopf (3)mit mindestens einem Einspritzelement (4) angrenzt, derzum Einleiten einer Treibstoffströmung in die Brennkammer (1)ausgebildet ist, und die Vorkammer (7, 17) strömungstechnischvor dem mindestens einen Einspritzelement (4) angeordnetist.
    [3] Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Brennkammer (1) an einen Einspritzkopf (3)mit mindestens einem Einspritzelement (4) angrenzt, derzum Einleiten einer Treibstoffströmung in die Brennkammer (1)ausgebildet ist, und die Vorkammer (7, 17) strömungstechnischim Bereich des mindestens einen Einspritzelements (4) angeordnetist.
    [4] Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,dass die Vorkammer (7, 17) strömungstechnisch mit einer Treibstoffströmung inVerbindung steht.
    [5] Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,dass der Durchtrittskanal (8, 18) als Teil einesEinspritzelements (4) ausgebildet ist.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
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    2015-11-13| R020| Patent grant now final|
    2018-01-30| R081| Change of applicant/patentee|Owner name: ARIANEGROUP GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: ASTRIUM GMBH, 81667 MUENCHEN, DE |
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    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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