DE102008020198A1 - Nozzle extension for rocket engine, has nozzle cover provided with two shell elements made of ceramic fiber reinforced composite material, where shell elements are fixed relative to each other - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Düsenerweiterung für ein Triebwerk, insbesondere für ein Raketentriebwerk, mit einem Düsenmantel, der einen Strömungsquerschnitt begrenzt, welcher sich von einem Düsenerweiterungseingang hin zu einem Düsenerweiterungsausgang erweitert, wobei der Düsenerweiterungseingang mit einem Brennkammerausgang einer Brennkammer eines Triebwerkes verbindbar ist.The The present invention relates to a nozzle extension for an engine, especially for a rocket engine, with a nozzle shell having a flow cross-section bounded by a nozzle extension input extended to a nozzle extension output, wherein the nozzle extension input with a combustion chamber outlet a combustion chamber of an engine is connectable.
Aus
der
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Düsenerweiterung für ein Triebwerk zu schaffen, welches leicht, stabil und thermisch hoch belastbar ist.Of the The present invention is based on the object, a nozzle extension to create an engine that is lightweight, stable and is thermally highly resilient.
Diese Aufgabe wird bei einer Düsenerweiterung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Düsenmantel mindestens zwei aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff hergestellte, relativ zueinander fixierte Schalenelemente aufweist.These Task is at a nozzle extension of the aforementioned Art solved by the fact that the nozzle casing at least two made of a ceramic fiber composite, relative Having each other fixed shell elements.
Der mehrschalige Aufbau der Düsenerweiterung ermöglicht es, eine mechanisch stabile Düsenerweiterung bereitzustellen, welche sich durch eine hohe Biege- und Torsionssteifigkeit auszeichnet. Hierdurch kann die Düsenerweiterung hohen Seitenlasten standhalten, welche insbesondere durch unsymmetrische Ablösungen einer Düsenströmung im Bereich einer Düseninnenwand entstehen.Of the multi-shell construction of the nozzle extension allows to provide a mechanically stable nozzle extension, which is characterized by a high bending and torsional rigidity. hereby can the nozzle extension withstand high side loads, which in particular by unsymmetrical detachment of a Nozzle flow in the area of a nozzle inner wall arise.
Die erfindungsgemäße Düsenerweiterung ermöglicht die Verwendung dünnwandiger Schalenelemente, welche nur ein niedriges Gewicht aufweisen und somit dazu beitragen, den Gesamtwirkungsgrad eines Triebwerkes zu erhöhen.The inventive nozzle extension allows the use of thin-walled shell elements, which only have a low weight and thus contribute to the overall efficiency of a Engine to increase.
Die erfindungsgemäße Düsenerweiterung ist thermisch hoch belastbar, sodass sie in einem im Vergleich zu herkömmlichen Düsenerweiterungen höheren Temperaturfenster betrieben werden kann. Hierdurch sinken die Anforderungen an eine gegebenenfalls vorgesehene Kühlung der Düsenerweiterung, sodass auch hierdurch eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrades des Triebwerkes erreicht wird.The inventive nozzle extension is thermal highly resilient, so they are in one compared to conventional ones Nozzle extensions operated at higher temperature windows can be. This reduces the requirements for an if necessary provided cooling of the nozzle extension, so This also increases the overall efficiency of the engine is reached.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einem Schalenelement ein Bauteil verstanden, welches sich von dem Düsenerweiterungseingang oder hierzu benachbart bis hin zu dem Düsenerweiterungsausgang oder hierzu benachbart erstreckt und insbesondere ein umfangseitig geschlossenes Profil aufweist. Der Düsenmantel kann in Doppelschalen-, Dreifachschalen- oder Mehrfachschalenbauweise ausgeführt sein.in the Frame of the present invention is under a shell element a component understood from the nozzle extension input or adjacent to it to the nozzle extension output or adjacent thereto extends and in particular a peripherally has closed profile. The nozzle jacket can in Double shell, triple shell or multiple shell construction executed be.
Vorzugsweise sind mindestens zwei, vorzugsweise sämtliche Schalenelemente des Düsenmantels aus mindestens einem keramischen Faserverbundwerkstoff (CMC-Werkstoff, ”Ceramic Matrix Composite”) hergestellt. Auch eine Hybridbauweise unter Verwendung unterschiedlicher keramischer Faserverbundwerkstoffe für ein Schalenelement und/oder für unterschiedliche Schalenelemente ist möglich.Preferably are at least two, preferably all shell elements the nozzle shell of at least one ceramic fiber composite material (CMC material, "Ceramic Matrix Composite") produced. Also a hybrid construction using different ceramic Fiber composites for a shell element and / or for different shell elements is possible.
Vorzugsweise umfasst die Düsenerweiterung ein erstes Schalenelement, welches einen Düsenerweiterungsinnenraum begrenzt. Dies ermöglicht die Bereitstellung eines thermisch hoch stabilen Schalenelements in einem Düsenmantelabschnitt, welcher der höchsten thermischen Belastung ausgesetzt ist.Preferably the nozzle extension comprises a first shell element, which limits a nozzle extension interior. This enables the provision of a thermally highly stable shell element in a nozzle shell section, which is the highest is exposed to thermal stress.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zumindest ein Abschnitt des ersten Schalenelements fluiddurchlässig. Dies ermöglicht es, ein Kühlfluid in Richtung auf den Düsenerweiterungsinnenraum durch das erste Schalenelement hindurchzuführen. Dieses Kühlfluid bildet an der Begrenzung des Düsenerweiterungsinnenraums einen Grenzschichtfilm aus, welcher die Düsenerweiterung durchströmende Heißgase von dem Schalenelement abschirmt und den konvektiven Wärmeübergang von dem Düsenerweiterungsinnenraum in den Düsenmantel verringert. Bei Verwendung eines flüssigen Kühlfluids wird ein zusätzlicher Kühleffekt dadurch erzielt, dass das Kühlfluid verdampft und dabei latente Wärme aufnimmt. Diese Art der Kühlung wird auch als Effusions- oder Transpirationskühlung bezeichnet, wobei als Effusionskühlung üblicherweise eine Schwitzkühlung ohne Phasenübergang und als Transpirationskühlung eine Schwitzkühlung mit Phasenübergang bezeichnet wird.To An advantageous embodiment of the invention is at least a portion of the first shell member fluid permeable. This allows a cooling fluid in the direction to pass on the nozzle extension interior through the first shell element. This cooling fluid forms at the boundary of the nozzle extension interior a boundary layer film, which flows through the nozzle extension Hot gases from the shell element shields and the convective Heat transfer from the nozzle extension interior reduced in the nozzle casing. When using a liquid cooling fluid an additional cooling effect is achieved by that the cooling fluid evaporates while latent heat receives. This type of cooling is also called effusion or Transpirationskühlung referred to, as effusion cooling usually a sweat cooling without phase transition and as Transpiration cooling a sweat with Phase transition is called.
Vorteilhaft ist es ferner, wenn zumindest ein Abschnitt des ersten Schalenelements porös ist. Dies ermöglicht es, ein besonders leichtgewichtiges Schalenelement herzustellen, welches mechanisch stabil ist. Die Porosität des ersten Schalenelements ermöglicht es darüber hinaus, in einfacher Weise ein fluiddurchlässiges (”permeables”) erstes Schalenelement bereitzustellen, welches eine Effusions- oder Transpirationskühlung des ersten Schalenelements ermöglicht.Advantageous it is further, if at least a portion of the first shell element is porous. This allows a particularly lightweight To produce shell element, which is mechanically stable. The Porosity of the first shell element allows beyond that, in a simple way a fluid-permeable To provide ("permeable") first shell element, which is an effusion or transpiration cooling of the first shell element allows.
In vorteilhafter Weise umfasst die Düsenerweiterung ein zweites Schalenelement, welches die Düsenerweiterung nach außen begrenzt. Dies ermöglicht die Bereitstellung eines Schalenelements, welches auch bei einem dünnwandigen Aufbau ein hohes Flächenträgheitsmoment bereitstellt.Advantageously, the nozzle extension comprises a second shell element, which limits the nozzle extension to the outside. This allows the provision of a shell element, which also in a thin-walled construction a provides high area moment of inertia.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung weist der Düsenmantel mindestens ein drittes Schalenelement auf, welches zwischen einem ersten Schalenelement und einem zweiten Schalenelement angeordnet ist. Ein solches drittes Schalenelement ermöglicht es, den Düsenmantel weiter zu versteifen und/oder zwischen den einzelnen Schalenelementen angeordnete Hohlräume voneinan der zu trennen. Diese Hohlräume können beispielsweise zur Durchströmung mit einem Kühlfluid genutzt werden.To an embodiment of the invention, the nozzle casing at least a third shell element, which between a arranged first shell element and a second shell element is. Such a third shell element makes it possible further stiffen the nozzle casing and / or between the individual shell elements arranged cavities voneinan the to separate. These cavities, for example used for flow with a cooling fluid become.
Vorzugsweise ist zumindest ein Abschnitt des dritten Schalenelements fluiddurchlässig und/oder porös, um eine Durchströmung des dritten Schalenelements mit einem Kühlfluid zu ermöglichen.Preferably At least a portion of the third shell element is fluid-permeable and / or porous to a flow through the third shell element to allow with a cooling fluid.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das dritte Schalenelement mindestens zwei Schalenelementabschnitte umfasst, welche in einer Richtung vom Düsenerweiterungseingang auf den Düsenerweiterungsausgang gesehen einander folgend angeordnet sind. Diese Schalenelementabschnitte können hinsichtlich ihrer Fluiddurchlässigkeit und/oder Porosität unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, so dass ein Druckprofil und/oder ein Volumenstrom einer Kühlfluidströmung beeinflusst werden kann.Especially it is preferred if the third shell element at least two Shell member sections which, in a direction from the nozzle extension entrance following each other on the nozzle extension exit are arranged. These shell element sections can different in terms of their fluid permeability and / or porosity Have properties such that a pressure profile and / or a flow rate a cooling fluid flow can be influenced.
Vorzugsweise ist mindestens ein Schalenelement zumindest abschnittsweise mit einer Fluidsperrschicht versehen. Eine solche Fluidsperrschicht verhindert in ihrem wirksamen Bereich den Eintritt eines Kühlfluids in ein Schalenelement oder den Austritt eines Kühlfluids aus einem Schalenelement.Preferably is at least one shell element at least partially with a fluid barrier layer provided. Such a fluid barrier prevents in their effective range the entry of a cooling fluid in a shell element or the exit of a cooling fluid from a shell element.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Fluidsperrschicht mindestens eine Fluiddurchtrittsöffnung aufweist. Dies ermöglicht im Bereich der Fluiddurchtrittsöffnung den Eintritt eines Kühlfluids in ein Schalenelement oder den Austritt eines Kühlfluids aus einem Schalenelement. Vorzugsweise sind mehrere Fluiddurchtrittsöffnungen vorgesehen, welche über die Fluidsperrschicht verteilt sind und somit einen lokal angepassten Eintritt eines Kühlfluids in ein Schalenelement hinein oder Austritt eines Kühlfluids aus einem Schalenelement heraus ermöglichen.Especially it is preferred if the fluid barrier layer has at least one fluid passage opening. This allows in the region of the fluid passage opening the entry of a cooling fluid into a shell element or the exit of a cooling fluid from a shell element. Preferably, a plurality of fluid passage openings are provided, which are distributed over the fluid barrier layer and thus a locally adapted entry of a cooling fluid in a Bowl element in or outlet of a cooling fluid from a Enable shell element out.
Grundsätzlich ist es möglich, dass die mindestens zwei Schalenelemente und gegebenenfalls mindestens ein drittes Schalenelement aus demselben Werkstoff oder aus verschiedenen Werkstoffen hergestellt sind. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn das für den keramischen Faserverbundwerkstoff verwendete Fasermaterial Kohlenstofffasern enthält. Es ist jedoch auch vorteilhaft, Fasermaterial aus SiC, SiBNC, SiCN und/oder Oxidkeramik zu verwenden.in principle It is possible that the at least two shell elements and optionally at least a third shell element of the same Material or made of different materials. in this connection it is particularly advantageous if that for the ceramic Fiber composite used fiber material contains carbon fibers. However, it is also advantageous fiber material of SiC, SiBNC, SiCN and / or oxide ceramics.
Als Matrixmaterial wird in vorteilhafter Weise Kohlenstoff verwendet, welcher zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit siliciert werden kann. Es können auch oxidkeramische Matrixmaterialien verwendet werden.When Matrix material is advantageously used carbon, which for increasing the oxidation resistance can be silicided. It can also oxide ceramic matrix materials be used.
In vorteilhafter Weise ist der Faserverbundwerkstoff ein C/C-Werkstoff, ein C/SiC-Werkstoff oder ein C/C-SiC-Werkstoff.In Advantageously, the fiber composite material is a C / C material, a C / SiC material or a C / C-SiC material.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eines der Schalenelemente einstückig. Hierdurch kann ein Düsenmantel mit einem besonders einfachen Aufbau geschaffen werden.To An advantageous embodiment of the invention is at least one of the shell elements in one piece. This can be a Nozzle jacket can be created with a particularly simple structure.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass mindestens eines der Schalenelemente einschichtig ist. Auch hierdurch kann ein Düsenmantel mit einem einfachen Aufbau geschaffen werden.A sees further advantageous embodiment of the invention in that at least one of the shell elements is single-layered. This also allows a nozzle shell with a simple Construction are created.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eines der Schalenelemente mehrschichtig ist. Ein mehrschichtiger Aufbau eines Schalenelements ermöglicht es, ein formstabiles Sandwich-Bauteil bereitzustellen.To a further advantageous embodiment of the invention it is provided that at least one of the shell elements is multi-layered. A multi-layered construction of a shell element allows it to provide a dimensionally stable sandwich component.
Vorteilhaft ist es ferner, wenn mindestens zwei Schalenelemente miteinander einstückig sind. Eine solche Düsenerweiterung lässt sich in besonders einfacher Weise herstellen.Advantageous it is also, if at least two shell elements together are integral. Such a nozzle extension can be produced in a particularly simple manner.
Besonders bevorzugt ist es, wenn mindestens zwei Schalenelemente zueinander beabstandet sind. Der Abstand der Schalenelemente bewirkt eine Erhöhung des Flächenträgheitsmoments des mehrschaligen Düsenmantels. Ferner kann durch die mindestens zwei Schalenelemente ein Hohlraum begrenzt wer den, welcher beispielsweise zur Durchströmung mittels eines Kühlfluids genutzt werden kann.Especially it is preferred if at least two shell elements to each other are spaced. The distance of the shell elements causes an increase the area moment of inertia of the multi-skin Nozzle jacket. Furthermore, by the at least two shell elements a cavity limits the who, for example, to the flow can be used by means of a cooling fluid.
Besonders bevorzugt ist es, wenn sich der Abstand der mindestens zwei Schalenelemente ausgehend von dem Düsenerweiterungseingang in Richtung auf den Düsenerweiterungsausgang verkleinert. Im Bereich des Düsenerweiterungseingangs oder hierzu benachbart kann ein besonders hohes Flächenträgheitsmoment bereitgestellt werden. Im Bereich des Düsenerweiterungsausgangs oder hierzu benachbart kann ein Düsenmantel mit einer geringen Mantelstärke bereitgestellt werden. Die Verkleinerung des Abstandes zwischen den Schalenelementen ist außerdem sehr vorteilhaft, wenn der zwischen zwei Schalenelementen gebildete Hohlraum zur Durchströmung mit einem Kühlfluid genutzt wird. In diesem Fall kann ein Druckgefälle erzeugt werden, welches den Transport eines Kühlfluids in Richtung auf den Düsenerweiterungsausgang unterstützt.It is particularly preferred if the distance between the at least two shell elements, starting from the nozzle extension input, decreases in the direction of the nozzle extension exit. In the region of the nozzle extension input or adjacent thereto, a particularly high area moment of inertia can be provided. In the region of the nozzle extension output or adjacent thereto, a nozzle shell with a low shell thickness can be provided. The reduction of the distance between the shell elements is also very advantageous if the cavity formed between two shell elements is used to flow through with a cooling fluid. In this case, a pressure gradient can be generated, which is the transport of a cooling fluid in the direction supported on the nozzle extension output.
Vorzugsweise umfasst die Düsenerweiterung mindestens eine Stützeinrichtung, mittels welcher mindestens zwei Schalenelemente relativ zueinander fixierbar und/oder beabstandbar sind. Hierdurch kann ein besonders stabiler Düsenmantel bereitgestellt werden. Die Stützeinrichtung kann insbesondere in Form mindestens einer Stützrippe, welche die Schalenelemente in radialer Richtung relativ zueinander abstützt, ausgebildet sein. Eine solche Stützrippe kann auch als ”Stringer” bezeichnet werden und kann auch als Begrenzungselement für einen Kühlkanal verwendet werden. Die Stützeinrichtung kann ”in situ” gemeinsam mit den mindestens zwei Schalenelementen hergestellt werden. Die Stützeinrichtung kann auch separat hergestellt und mit mindestens einem Schalenelement verklebt oder thermisch gefügt werden, beispielsweise durch Laserfügung.Preferably the nozzle extension comprises at least one support device, by means of which at least two shell elements relative to each other can be fixed and / or spaced. This can be a special stable nozzle shell are provided. The support device can in particular in the form of at least one support rib, which the shell elements in the radial direction relative to each other supports, be trained. Such a support rib can also be called a "stringer" and Can also be used as a limiting element for a cooling channel be used. The support means can "in situ "together with the at least two shell elements getting produced. The support device can also be separated made and glued with at least one shell element or thermally be joined, for example by laser insertion.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind mindestens zwei Schalenelemente mittels Verbindungsfasern miteinander verbunden. Auf diese Weise kann ein besonders leichter und stabiler Verbund aus mindestens zwei Schalenelementen geschaffen werden, insbesondere wenn diese Schalenelemente zueinander beabstandet sind. Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind mindestens zwei Schalenelemente mittels Verbindungsfasern miteinander vernäht. Dies ermöglicht es, die als Verbindungselemente wirkenden Verbindungsfasern in einfacher Weise mit den Faserstrukturen der Schalenelemente zu verbinden.To a particularly advantageous embodiment of the invention At least two shell elements are interconnected by means of connecting fibers. In this way, a particularly lightweight and stable composite be created from at least two shell elements, in particular when these shell elements are spaced from each other. After a particularly advantageous embodiment of the invention at least two shell elements by means of connecting fibers with each other sutured. This allows it as the connecting elements acting connecting fibers in a simple manner with the fiber structures to connect the shell elements.
Vorzugsweise handelt es sich zumindest bei einem Teil der Verbindungsfasern um Kohlefasern. Diese weisen eine sehr hohe Zugfestigkeit auf. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn zwei zueinander beabstandete Schalenelemente Begrenzungen für ein mit Druck (beispielsweise in Höhe von 80 bar) beaufschlagtes Kühlfluid bilden. Die von einem Kühlfluid auf die Schalenelemente ausgeübten Druckkräfte können dann durch entsprechende Zugspannungen der Verbindungsfasern kompensiert werden.Preferably is at least a part of the connecting fibers around Carbon fibers. These have a very high tensile strength. This is particularly advantageous if two spaced apart shell elements Limitations for one with pressure (for example in height of 80 bar) to form charged cooling fluid. The one by one Cooling fluid to the shell elements exerted pressure forces can then compensated by appropriate tensile stresses of the connecting fibers become.
Vorzugsweise umfasst die Düsenerweiterung mindestens einen Kühlfluidraum zur Durchströmung mit einem Kühlfluid. Dies ermöglicht eine aktive Kühlung der Düsenerweiterung, welche es erlaubt, die Düsenerweiterung bei höheren Temperaturen betreiben zu können, als dies bei lediglich strahlungsgekühlten Düsenerweiterungen der Fall ist. Der Kühlfluidraum kann eine Mehrzahl von Kühlfluidkanälen umfassen, welche einen geraden oder einen gekrümmten oder spiralförmigen Verlauf aufweisen.Preferably the nozzle extension comprises at least one cooling fluid space to flow through with a cooling fluid. this makes possible an active cooling of the nozzle extension, which it allows the nozzle extension at higher temperatures to be able to operate, as with only radiation-cooled Nozzle extensions is the case. The cooling fluid space may include a plurality of cooling fluid channels, which a straight or a curved or spiral Have history.
Vorzugsweise ist der Kühlfluidraum zwischen mindestens zwei Schalenelementen angeordnet. Hierdurch kann ein durch Beabstandung von zwei Schalenelementen entstehender Hohlraum optimal genutzt werden.Preferably is the cooling fluid space between at least two shell elements arranged. As a result, by a spacing of two shell elements resulting cavity can be used optimally.
Vorzugsweise umfasst die Düsenerweiterung eine Zuführeinrichtung für die Zuführung des Kühlfluids in den Kühlfluidraum. Eine solche Zuführeinrichtung umfasst insbesondere einen Kühlfluidverteiler, welcher es ermöglicht, aus einer oder mehreren Kühlfluidleitungen zugeführtes Kühlfluid in einen ringförmigen Kühlfluidraum einzuspeisen.Preferably the nozzle extension comprises a feeder for the supply of the cooling fluid in the Cooling fluid space. Such a feeder comprises in particular a cooling fluid distributor, which makes it possible supplied from one or more cooling fluid conduits Cooling fluid in an annular cooling fluid space feed.
Vorzugsweise ist die Zuführeinrichtung an oder benachbart zu dem Düsenerweiterungseingang angeordnet. Dies ermöglicht es, die Düsenerweiterung in einem thermisch besonders beanspruchten Bereich zu kühlen.Preferably the feeder is located at or adjacent to the nozzle extension entrance. This allows the nozzle extension in one To cool thermally stressed area.
Vorzugsweise umfasst die Düsenerweiterung eine Abführeinrichtung für die Abführung des Kühlfluids aus dem Kühlfluidraum. Dies ermöglicht einen kontrollierten Austritt des Kühlfluids aus dem Düsenmantel heraus.Preferably the nozzle extension comprises a discharge device for the discharge of the cooling fluid the cooling fluid space. This allows a controlled Exit of the cooling fluid out of the nozzle shell.
Vorzugsweise ist die Abführeinrichtung an oder benachbart zu dem Düsenerweiterungsausgang angeordnet. Dies ermöglicht eine zumindest annähernd vollständige Kühlung des Düsenmantels und hat außerdem den Vorteil, dass das Kühlfluid im Bereich des Düsenerweiterungsausgangs aus dem Düsenmantel ausströmen kann und somit den Impuls der Düsenerweiterung verstärkt. Hierdurch ist es möglich, eine kinetische Energie des Kühlfluids zu nutzen, sodass der Gesamtwirkungsgrad eines Triebwerks erhöht werden kann.Preferably the discharge device is at or adjacent to the nozzle extension exit arranged. This allows one at least approximately complete cooling of the nozzle shell and also has the advantage that the cooling fluid in the range the nozzle extension output from the nozzle shell can flow out and thus the pulse of the nozzle extension strengthened. This makes it possible to create a kinetic Energy of the cooling fluid to use, so that the overall efficiency an engine can be increased.
Vorzugsweise umfasst die Düsenerweiterung mindestens eine Dichtungseinrichtung zur Abdichtung des Kühlfluidraums nach außen, insbesondere nach radial außen. Auf diese Weise kann ein unerwünschter Austritt des Kühlfluids aus dem Kühlfluidraum nach radial außen verhindert werden.Preferably the nozzle extension comprises at least one sealing device for sealing the cooling fluid space to the outside, in particular radially outward. This way you can unwanted escape of the cooling fluid from the Cooling fluid space can be prevented radially outward.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein Schalenelement als Dichtungseinrichtung wirksam. Ein solches Schalenelement ist aus einem fluidundurchlässigen Werkstoff hergestellt.To An embodiment of the invention is at least one Shell element effective as a sealing device. Such a shell element is made of a fluid-impermeable material.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eine Dichtungseinrichtung von einem Schalenelement separat bereitgestellt. Dies ermöglicht es, ein bezogen auf einen Kühlfluidraum radial außen angeordnetes Schalenelement aus einem fluiddurchlässigen Werkstoff herzustellen. Die separat bereitgestellte Dichtungseinrichtung kann beispielsweise in Form einer metallischen oder keramischen Zusatzschicht gebildet sein, welche eine Diffusionsbarriere bildet, die einen Austritt von Fluid, also Flüssigkeit und/oder Gas, nach radial außen verhindert. Eine solche Zusatzschicht kann beispiels weise in einem Gasfluss-Sputterverfahren oder in einem Kaltgas-Sputterverfahren aufgetragen sein. Ferner ist ein galvanischer Auftrag oder auch eine Plasmabeschichtung, insbesondere eines Pyrokohlenstoffs, möglich.According to a further embodiment of the invention, at least one sealing device is provided separately from a shell element. This makes it possible to produce a shell element made of a fluid-permeable material arranged radially on the outside relative to a cooling fluid space. The separately provided sealing device can be formed for example in the form of a metallic or ceramic additional layer, which forms a diffusion barrier, the outlet of fluid, ie liquid and / or gas, radially outward prevented. Such an additional layer may, for example, be applied in a gas flow sputtering process or in a cold gas sputtering process. Furthermore, a galvanic application or even a plasma coating, in particular a pyrocarbon, is possible.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine Dichtungseinrichtung in Form einer gasförmigen Sperrschicht bereitgestellt. Eine solche Sperrschicht weist eine besonders gute Dichtwirkung auf.To An embodiment of the invention is the at least a sealing device in the form of a gaseous barrier layer provided. Such a barrier layer has a particularly good Sealing effect on.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Kühlfluid um einen Treibstoff, insbesondere um einen Brennstoff. Hierbei handelt es sich beispielsweise um flüssigen oder gasförmigen Wasserstoff, Methan oder Kerosin. Die Verwendung eines Treibstoffs als Kühlfluid hat den Vorteil, dass kein separater Kühlfluidspeicher zur Bevorratung eines Kühlfluids bereitgestellt werden muss.To An embodiment of the invention is the cooling fluid to a fuel, in particular a Fuel. These are, for example, liquid or gaseous hydrogen, methane or kerosene. The Use of a fuel as a cooling fluid has the advantage that no separate cooling fluid storage for storing a Cooling fluid must be provided.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Kühlfluid um ein Turbinenabgas. Durch die sehr hohe Temperaturbeständigkeit der erfindungsgemäßen Düsenerweiterung, welche aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff hergestellt ist, kann ein Kühlfluid verwendet werden, welches während des Durchlaufs durch eine Turbine bereits erwärmt wurde. Bei dem Turbinenabgas kann es sich beispielsweise um Heißdampf handeln, welcher von einem Gasgenerator erzeugt wird.To a particularly advantageous embodiment of the invention the cooling fluid is a turbine exhaust gas. Due to the very high temperature resistance of the nozzle extension according to the invention, which is made of a ceramic fiber composite material, a cooling fluid can be used which during of the pass through a turbine has already been heated. The turbine exhaust gas may be, for example, superheated steam act, which is generated by a gas generator.
Vorzugsweise ist das Turbinenabgas einer Treibstoffförderanlage entnommen. In solchen Förderanlagen werden Turbinen verwendet, um Pumpen anzutreiben, welche einer Brennkammer des Triebwerks Brennstoff und/oder Oxidator unter einem hohen Druck zuführen.Preferably the turbine exhaust gas is taken from a fuel delivery system. In such conveyors turbines are used to To drive pumps which fuel a combustion chamber of the engine and / or oxidizer under a high pressure.
Vorzugsweise umfasst die Düsenerweiterung mindestens eine Verbindungseinrichtung zur Verbindung der Düsenerweiterung mit einer Brennkammervorrichtung. Dies ermöglicht es, die Düsenerweiterung und die Brennkammervorrichtung als separate Baugruppen herzustellen und anschließend miteinander zu verbinden.Preferably the nozzle extension comprises at least one connecting device for connecting the nozzle extension with a combustion chamber device. This allows the nozzle extension and the Manufacture combustion chamber device as separate assemblies and then connect with each other.
Für eine stabile Verbindung zwischen der Düsenerweiterung und der Brennkammervorrichtung ist es vorteilhaft, wenn die Verbindungseinrichtung einen ersten Verbindungsabschnitt umfasst, welcher mit mindestens einem Schalenelement zusammenwirkt, insbesondere mit einem Schalenelement, welches die Düsenerweiterung nach außen begrenzt. Auf diese Weise kann die Verbindungseinrichtung in einem thermisch niedrig belasteten Bereich der Düsenerweiterung angeordnet werden.For a stable connection between the nozzle extension and the combustion chamber device, it is advantageous if the connecting device a first connecting portion, which with at least a shell element cooperates, in particular with a shell element, which limits the nozzle extension to the outside. On This way, the connecting device can be in a thermally low loaded area of the nozzle extension can be arranged.
Ferner ist es bevorzugt, wenn die Brennkammervorrichtung eine Außenwand umfasst und wenn die Verbindungseinrichtung einen zweiten Verbindungsabschnitt umfasst, welcher mit der Außenwand zusammenwirkt. Hierdurch erfolgt die Verbindung zwischen der Brennkammervorrichtung und der Verbindungseinrichtung in einem thermisch niedrig belasteten Bereich der Brennkammervorrichtung.Further it is preferred if the combustion chamber device has an outer wall and when the connecting device has a second connecting section includes, which cooperates with the outer wall. hereby the connection between the combustion chamber device and the Connecting device in a thermally low loaded area the combustion chamber device.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Düsenerweiterung für ein Triebwerk, insbesondere für ein Raketentriebwerk.The The invention further relates to a method for producing a nozzle extension for an engine, especially for a rocket engine.
Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Düsenerweiterung anzugeben, welche leicht, stabil und thermisch hoch belastbar ist.Of the The invention is based on the further object of a method for To provide a nozzle extension, which is easy, stable and thermally highly resilient.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens zwei Schalenelemente eines Düsenmantels aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff hergestellt werden.These The object is achieved according to the invention that at least two shell elements of a nozzle shell be made of a ceramic fiber composite material.
Besondere Ausgestaltungen und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind zum Teil bereits vorstehend im Zusammenhang mit den besonderen Ausgestaltungen und den Vorteilen der erfindungsgemäßen Düsenerweiterung erläutert worden und werden hiermit in Bezug genommen.Special Embodiments and advantages of the invention Some of the procedures have already been mentioned above the particular embodiments and the advantages of the invention Nozzle extension has been explained and is hereby incorporated by reference referenced.
In vorteilhafter Weise werden zur Herstellung einer Düsenerweiterung eine erste Faserstruktur für ein erstes Schalenelement und eine zweite Faserstruktur für ein zweites Schalenelement zueinander beabstandet angeordnet. Hierfür eigenen sich trockene Faserstrukturen, beispielsweise Gewebelaminate und/oder -wicklungen, gewickelte oder geflochtene Rovings oder eine Kombination hieraus. Eine Anordnung der Faserstrukturen kann auch mittels eines Resin-Transfer-Molding Verfahrens, mittels Nasswickelns oder mit Hilfe sogenannter ”Prepregs” unter Verwendung eines Autoklaven erfolgen.In Advantageously, to produce a nozzle extension a first fiber structure for a first shell element and a second fiber structure for a second shell member spaced apart. For this own dry fiber structures, such as fabric laminates and / or windings, wrapped or braided rovings or a combination thereof. An arrangement of the fiber structures can also by means of a Resin transfer molding process, by wet winding or with Help of so-called "prepregs" using an autoclave.
Die zueinander beabstandeten Schalenelemente können mittels einer Mehrzahl von Verbindungsfasern miteinander verbunden werden. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Faserstrukturen der Schalenelemente Krafteinleitungsbereiche zur Befestigung der Verbindungsfasern aufweisen, beispielsweise Schlaufen.The spaced apart shell elements can by means of a plurality of connecting fibers are connected to each other. It is advantageous if the fiber structures of the shell elements Have force introduction areas for attachment of the connecting fibers, for example, loops.
Ein besonders zuverlässiger Verbund zwischen den Schalenelementen ergibt sich, wenn diese mittels einer Mehrzahl von Verbindungsfasern miteinander vernäht werden. Hierbei ist es besonders günstig, wenn die Verbindungsfasern mit den Faserstrukturen der Schalenelemente vernäht werden.One particularly reliable bond between the shell elements results when these by means of a plurality of connecting fibers sewn together. Here it is particularly favorable when the connecting fibers with the fiber structures of the shell elements sewn.
Besonders bevorzugt ist es, wenn ein Zwischenelement zwischen den Faserstrukturen der mindestens zwei Schalenelemente angeordnet wird. Mit einem solchen Zwischenelement kann ein Abstand zwischen zwei Schalenelementen definiert und die Geometrie eines Kühlfluidraums vorgegeben werden.It is particularly preferred if an intermediate element between the fiber structures of the at least two shell elements is arranged. With such an intermediate element, a distance between two shell elements can be defined and the geometry of a cooling fluid space can be specified.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Zwischenelement um einen Schaumstoffkörper. Ein solcher Körper ist formstabil, ermöglicht jedoch die einfache Hindurchführung von Verbindungsfasern zur Verbindung von zueinander beabstandeten Faserstrukturen.Preferably it is the intermediate element is a foam body. Such a body is dimensionally stable, allows but the simple passage of connecting fibers for connecting spaced-apart fiber structures.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Zwischenelement durch Wärmeeintrag entfernt wird, insbesondere verbrannt wird. Hierdurch kann in einfacher Weise ein Hohlraum zwischen zwei Schalenelementen erzeugt werden.A sees further advantageous embodiment of the invention that the intermediate element removed by heat input is, in particular, burned. This can be done in a simple way a cavity is created between two shell elements.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn im Rahmen der Herstellung der Düsenerweiterung zur Herstellung eines C/C-Werkstoffs aus einem kohlenstoffhaltigen Gas Kohlenstoff auf den Faserstrukturen abgeschieden wird. Dies ermöglicht die Herstellung einer kohlenstoffhaltigen Matrix, welche die Faserstrukturen umgibt. Die Abscheidung des Kohlenstoffs erfolgt insbesondere auf einem Temperaturniveau, welches so hoch ist, dass im Rahmen der Abscheidung des Kohlenstoffs auf den Faserstrukturen auch das Zwischenelement verbrannt werden kann.Further it is advantageous if, in the context of the production of the nozzle extension for producing a C / C material from a carbonaceous material Gas carbon is deposited on the fiber structures. This allows the preparation of a carbonaceous matrix, which surrounds the fiber structures. The deposition of carbon takes place in particular at a temperature level which is so high is that in the context of the deposition of carbon on the fiber structures also the intermediate element can be burned.
Ein weiteres vorteilhaftes Verfahren sieht vor, dass zur Herstellung eines C/C-Werkstoffs die Faserstrukturen mit einem Polymer versetzt werden und das Polymer pyrolysiert wird. Dies ermöglicht die Herstellung einer kohlenstoffhaltigen Matrix, welche die Faserstrukturen umgibt.One Another advantageous method provides that for the production of a C / C material added to the fiber structures with a polymer and the polymer is pyrolyzed. this makes possible the preparation of a carbonaceous matrix containing the fiber structures surrounds.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zumindest eine einem Düsenerweiterungsinnenraum zugewandte Oberfläche eines Schalenelements siliciert wird. Auf diese Weise kann die Temperatur- und Oxidationsbeständigkeit des Düsenmantels im thermisch am höchsten belasteten Abschnitt des Düsenmantels erhöht werden.A sees further advantageous embodiment of the invention in that at least one nozzle extension interior facing surface of a shell element is siliconized. In this way, the temperature and oxidation resistance of the nozzle shell in the thermally highest loaded Be increased portion of the nozzle shell.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der C/C-Werkstoff zur Herstellung eines C/C-SiC-Werkstoffs mit Silicium infiltriert. Dies ermöglicht die Herstellung einer hochfesten Matrix, welche zumindest Anteile von Siliciumcarbid enthält.To a further advantageous embodiment of the invention becomes the C / C material for the production of a C / C-SiC material infiltrated with silicon. This allows the production a high-strength matrix containing at least portions of silicon carbide contains.
Vorzugsweise wird ein bezogen auf einen Kühlfluidraum der Düsenerweiterung außen und/oder innen angeordnetes Schalenelement mit einer gasdichten Beschichtung versehen. Dies ermöglicht eine einfache Abdichtung des Kühlraums nach außen und/oder innen. Bei einer Abdichtung nach außen und nach innen kann eine reine Konvektivkühlung realisiert werden.Preferably is based on a cooling fluid space of the nozzle extension outside and / or inside arranged shell element with a provided gas-tight coating. This allows a simple sealing of the cold room to the outside and / or Inside. With a seal to the outside and inward can a pure convective cooling can be realized.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Kühlung einer Düsenerweiterung für ein Triebwerk, insbesondere für ein Raketentriebwerk, mittels eines Kühlfluids.The The invention further relates to a method for cooling a Nozzle extension for an engine, in particular for a rocket engine, by means of a cooling fluid.
Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Kühlung einer Düsenerweiterung für ein Triebwerk anzugeben, welches die Verwendung einer leichten, stabilen und thermisch hoch belastbaren Düsenerweiterung ermöglicht.Of the The invention is based on the further object of a method for Cooling a nozzle extension for a Engine, which the use of a light, stable and thermally highly resilient nozzle extension allows.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Kühlung einer Düsenerweiterung für ein Triebwerk erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als Kühlfluid ein Turbinenabgas verwendet wird.These Task is in a method for cooling a nozzle extension for an engine according to the invention thereby solved that uses a turbine exhaust gas as the cooling fluid becomes.
Besondere Ausgestaltungen und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kühlung einer Düsenerweiterung für ein Triebwerk sind zum Teil bereits vorstehend im Zusammenhang mit den besonderen Ausgestaltungen und den Vorteilen der erfindungsgemäßen Düsenerweiterung erläutert worden, welche hiermit in Bezug genommen werden.Special Embodiments and advantages of the invention Method for cooling a nozzle extension for an engine are already partly related in the above with the particular features and advantages of the invention Nozzle extension has been explained, which hereby be referred to.
Besonders bevorzugt ist es, wenn zur Effusions- oder Transpirationskühlung der Düsenerweiterung zumindest ein Teilstrom des Turbinenabgases in Richtung auf einen Düsenerweiterungsinnenraum durch mindestens ein fluiddurchlässiges Schalenelement eines Düsenmantels hindurchgeführt wird. Dies ermöglicht eine besonders effiziente und gleichmäßige Kühlung des Düsenmantels.Especially it is preferred if for effusion or transpiration cooling the nozzle extension at least a partial flow of the turbine exhaust gas towards a nozzle extension interior at least one fluid-permeable shell element of a Nozzle jacket is passed. this makes possible a particularly efficient and even cooling of the nozzle jacket.
Ferner ist es bevorzugt, wenn zur Konvektiv-Kühlung der Düsenerweiterung zumindest ein Teilstrom des Turbinenabgases in Richtung auf einen Düsenerweiterungsausgang an mindestens einem Schalenelement entlang geführt wird. Auch hierdurch wird eine effiziente Kühlung der Düsenerweiterung ermöglicht.Further it is preferred if for convective cooling of the nozzle extension at least a partial flow of the turbine exhaust gas in the direction of a nozzle extension output is guided along at least one shell element along. This also allows efficient cooling of the nozzle extension.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer eingangs erläuterten Düsenerweiterung zur Durchführung eines vorstehend beschriebenen Verfahrens zur Kühlung einer Düsenerweiterung für ein Triebwerk, insbesondere für ein Raketentriebwerk.The The invention further relates to the use of an initially explained Nozzle extension for carrying out an above described method for cooling a nozzle extension for an engine, especially for a rocket engine.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele.Further Features and advantages of the invention are the subject of the following Description and the drawings of preferred embodiments.
In den Zeichnungen zeigen:In show the drawings:
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.Same or functionally equivalent elements are in all figures denoted by the same reference numerals.
Eine
Ausführungsform einer mit
Die
Düsenerweiterung
Von
dem Düsenerweiterungseingang
Der
Düsenmantel
Ein
erstes Schalenelement
Das
zweite Schalenelement
Die
Schalenelemente
Der
Kühlfluidraum
Die
Schalenelemente
Die
Düsenerweiterung
Das
zweite Schalenelement
Die
Brennkammervorrichtung
Die
Brennkammer
Im
Bereich des Brennkammerausgangs
Die
Außenwand
Die
Düsenerweiterung
Die
Düsenerweiterung
Die
Schalenelemente
Um
einen Austritt des Kühlfluids aus dem Kühlfluidraum
Der
Düsenmantel
Zusätzlich
oder alternativ hierzu wird der Düsenmantel
Bei
dem in
Die
Düsenerweiterung
Der
Außenmantel
Zur
Verbindung der Düsenerweiterung
Die
Verbindungseinrichtung
Das
Verbindungselement
Der
erste Verbindungsabschnitt
Eine
formschlüssige Verbindung zwischen der Außenwand
Der
Materialabschnitt
Die
Verbindungseinrichtung
Zur
Abdichtung des zweiten Schalenelements relativ zu der Außenwand
Um
die Spannkräfte
Ein
besonders bevorzugtes Herstellungsverfahren zur Herstellung eines
Düsenmantels
Anschließend
kann ein Zwischenelement
Anschließend
wird eine zweite Faserstruktur
Die
Faserstrukturen
In
einem Folgeschritt wird ein Matrixmaterial hergestellt, welches
die Faserstrukturen
Zur
Erhöhung der Temperaturfestigkeit insbesondere des ersten
Schalenelements
In
einem weiteren Herstellungsschritt kann das zweite Schalenelement
Im
Anschluss an die vorstehend unter Bezugnahme auf die
In
Die
Treibstoffförderanlage
Die
Treibstoffförderanlage
Die
Treibstoffförderanlage
Die
Treibstoffförderanlage umfasst außerdem einen
Gasgenerator
Zur
Förderung des Brennstoffs
Das
in
Das
in
Alternativ
oder ergänzend zu der vorstehend beschriebenen Möglichkeit,
die Düsenerweiterung
Im
Folgenden werden unter Bezugnahme auf die
Der
Düsenmantel
Alternativ
hierzu kann auch lediglich das zweite Schalenelement als Sandwich-Bauteil
ausgeführt sein oder es können das erste Schalenelement
Die
in den
Beispielsweise
erstreckt sich das dritte Schalenelement
Bei
einer in
Zur
Erzeugung eines besonders steifen Düsenmantels
Bei
Nutzung des Kühlfluidraums
Eine
in
Die
Aussparungen
Die
Aussparungen
Für
eine lokal unterschiedliche Kühlung eines Schalenelements
kann auch eine in
Die
Fluidsperrschicht
Die
Fluidsperrschicht
Eine
weitere Möglichkeit, einen Fluiddurchtritt entlang der
Ausdehnung eines Schalenelements zu steuern, besteht darin, das
Schalenelement aus einem Werkstoff herzustellen, dessen Porosität
sich von einem Düsenerweiterungseingang
Eine
in
Die
Düsenerweiterung
Die
Stützeinrichtung
Die
Stützeinrichtung
Die
Stützeinrichtung
Die
Stützelementabschnitte
Die
Stützelementabschnitte
Eine
in der
Die
Stützelementabschnitte
Die
Stützelementabschnitte
Eine
in
Eine
in
Das
zweite Schalenelement
Die
Schalenelementabschnitte
Die
in
Die
in den
Bei
der in
Die
in der
Bei
einer in
Bei
einer in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8181 | Inventor (new situation) |
Inventor name: HALD, HERMANN, DR., 71287 WEISSACH, DE Inventor name: GREUL, DIRK, 74219 MOECKMUEHL, DE Inventor name: BEYER, STEFFEN, 81669 MUENCHEN, DE Inventor name: ORTELT, MARKUS, 74078 HEILBRONN, DE Inventor name: STARCK, RALF, 74259 WIDDERN, DE Inventor name: HEIDENREICH, BERNHARD, 71679 ASPERG, DE |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: DTS PATENT- UND RECHTSANWAELTE SCHNEKENBUEHL U, DE Representative=s name: HOEGER, STELLRECHT & PARTNER PATENTANWAELTE MB, DE |
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