Supersonic film cooling in generic rocket nozzles

  • Supersonische Filmkühlung in generischen Raketendüsen

Ludescher, Sandra Christine; Olivier, Herbert (Thesis advisor); Gülhan, Ali (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Raketentriebwerke müssen hohen thermischen Belastungen standhalten. Um einen sicheren Betrieb des Motors zu gewährleisten, müssen diese Belastungen des Aufbaus durch Kühlung minimiert werden. Die Masse und die Kosten des Kühlsystems sind jedoch kritische Konstruktionsparameter, da sie das Gesamtkosten-Nutzen-Verhältnis des Motors beeinflussen. Auch die Wiederverwendbarkeit des Motors und des Kühlsystems wird immer wichtiger. Eine mögliche Kühltechnik mit geringer Zusatzmasse und hoher Wiederverwendbarkeit ist die Filmkühlung. Sie basiert auf einem Kühlfilm, der parallel zur Wand fließt und dort eine Schutzschicht zwischen Heißgas und Struktur aufbaut Diese Technik wird bereits bei einigen Raketentriebwerken für die thermisch weniger beanspruchten Bauteile angewandt. In Kombination mit anderen Kühlmethoden wird es auch in Regionen mit hoher thermischer Belastung eingesetzt. Diese Technik birgt jedoch bis jetzt viele Unsicherheiten in Bezug auf ihren Wirkungsgrad, was ihre Anwendung im Motor einschränkt.Ziel dieser Arbeit ist es, diese Unsicherheiten durch ein besseres Verständnis des Filmkühlverhaltens unter raketentriebwerksähnlichen Bedingungen zu verringern. Daher wird die supersonische, tangentiale Filmkühlung im Expansionsteil einer konischen Düse untersucht und die wichtigsten Einflussgrößen auf das Filmkühlverhalten ermittelt und erklärt. Unterstützt durch numerische Simulationen wird die Ähnlichkeit der experimentellen Heißgasbedingungen mit denjenigen in einem realen Raketentriebwerk gezeigt. Für eine theoretische Untersuchung der gewonnenen Daten werden die Kühleffizienzen jedes Experiments bestimmt. Dafür wird ein Modell zur Berechnung der Wärmeübergangskoeffizienten des lokalen Heißgas-Kühlgas-Gemisches entwickelt. Zusätzlich wird der Einfluss verschiedener Kennzahlen auf die Kühleffizienz untersucht und Korrelationen für die experimentell gewonnenen Daten entwickelt. Auf dieser Grundlage wird ein einfaches Modell für eine grobe Auslegung einer supersonischen Filmkühlungsanwendung in einer Düse vorgeschlagen und verwendet, um eine erste Näherung für die Massenströme des Kühlgases in einem realen Triebwerk zu erhalten. Ferner werden Filmkühlexperimente in einer Dual-Bell Düse durchgeführt. Der hier interessierende Parameter ist der Einfluss der Konturknickgeometrie auf die Filmkühlungseffizienz in der Düsenerweiterung, wenn die Düse im Höhenmodus arbeitet. Diese Ergebnisse können bei zukünftigen Konstruktionsprozessen dieser Düsenart hilfreich sein.

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