Heat Transfer Processes for Hydrogen and Methane in Cooling Channels of Regeneratively Cooled Thrust Chambers of Cryogenic Rocket Engines

Abstract

Die enormen Temperaturen und Wärmeströme in einer Raketenbrennkammer machen eine aktive Kühlung der Brennkammerstruktur unabdingbar. Die Regenerativkühlung, bei der der Treibstoff vor der Verbrennung durch die Struktur geleitet wird, ist eine sehr effiziente und weitverbreitete Methode der Kühlung. Kühlkanäle mit einem hohen Aspektverhältnis (Höhe zu Breite Verhältnis) können zu einer besseren Kühlung bei gleichzeitig geringerem Druckverlust führen. Die thermische Schichtung, die bei dieser Art von Kühlkanälen auftreten kann, wirkt dem positiven Effekt entgegen und limitiert das Aspektverhältnis. In der vorliegenden Arbeit werden experimentelle Untersuchungen zur regenerativen Kühlung mit Wasserstoff und Methan bei für Raketenbrennkammern repräsentativen Bedingungen vorgestellt und ausgewertet. Das verwendete Brennkammersegment ist in Umfangsrichtung in vier Quadranten unterteilt, wobei in jeden Quadrant Kühlkanäle mit einem anderen Aspektverhältnis eingebracht worden sind. Für die Auswertung der experimentellen Daten wurde eine inverse Methode verwendet, die es ermöglicht, anhand der gemessenen Strukturtemperaturen den lokalen Wärmestrom und Wärmeübergangskoeffizienten zu bestimmen. Die thermische Schichtung aufgrund von mangelnder Durchmischung in Kühlkanälen mit hohem Aspektverhältnis tritt sowohl bei Wasserstoff als auch bei Methan auf. Für Wasserstoff ist die Ausprägung allerdings deutlich größer. Der Einfluss auf die Heißgaswandtemperatur ist allerdings für beide Kühlmedien vergleichsweise gering. Bei Methan kann es aufgrund der Nähe zum kritischen Punkt zur Trennung einer heißen gasartigen Schicht an der Wand und der kalten flüssigartigen Kernströmung kommen. Dieser heat transfer deterioration (HTD) genannte Effekt führt zu einem lokalen Abfall des Wärmeübergangs und einem drastischen Anstieg der Heißgaswandtemperatur. Die wesentlichen Einflussfaktoren auf diesen Effekt sind der Druck bzw. die Nähe zum kritischen Punkt, das Verhältnis von Wärmestromdichte und Massenstrom pro Fläche qw/G sowie das Aspektverhältnis. Basierend auf den Experimenten wurden numerische Simulationen durchgeführt, die die Ergebnisse stützen und erweitern. Die Auswertung dieser Simulationen zeigt eine weitestgehend gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. In der Nähe des kritischen Punktes und insbesondere wenn es zu HTD kommt, zeigen die Simulationen eine systematische Abweichung und ein deutliches Überschätzen der Heißgaswandtemperatur.