DE102008020198B4 - Nozzle extension for an engine and method for producing and cooling a nozzle extension - Google Patents
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Abstract
Düsenerweiterung (10) für ein Triebwerk (74), mit einem Düsenmantel (18), der einen Strömungsquerschnitt (24) begrenzt, welcher sich von einem Düsenerweiterungseingang (14) hin zu einem Düsenerweiterungsausgang (16) erweitert, wobei der Düsenerweiterungseingang (14) mit einem Brennkammerausgang (54) einer Brennkammer (44) eines Triebwerks (74) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenmantel (18) mindestens zwei aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff hergestellte, relativ zueinander fixierte Schalenelemente (26, 28, 142) aufweist, wobei mindestens zwei Schalenelemente (26, 28, 142) miteinander einstückig und zueinander beabstandet sind, wobei sich der Abstand der mindestens zwei Schalenelemente (26, 28, 142) ausgehend von dem Düsenerweiterungseingang (14) in Richtung auf den Düsenerweiterungsausgang (16) verkleinert.A nozzle extension (10) for an engine (74) having a nozzle shell (18) defining a flow cross-section (24) which extends from a nozzle extension port (14) to a nozzle extension port (16), wherein the nozzle extension port (14) a combustion chamber outlet (54) of a combustion chamber (44) of an engine (74) is connectable, characterized in that the nozzle shell (18) at least two made of a ceramic fiber composite, relatively fixed shell elements (26, 28, 142), wherein at least two shell elements (26, 28, 142) are integral with each other and spaced apart, wherein the distance of the at least two shell elements (26, 28, 142), starting from the nozzle extension input (14) in the direction of the nozzle extension output (16) decreases.
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 present invention relates to a nozzle extension for an engine, in particular for a rocket engine, having a nozzle shell defining a flow cross-section which extends from a nozzle extension port to a nozzle extension port, the nozzle extension port being connectable to a combustor port of a combustor of an engine.
Aus der
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Düsenerweiterung für ein Triebwerk zu schaffen, welches leicht, stabil und thermisch hoch belastbar ist.The present invention is based on the object to provide a nozzle extension for an engine, which is lightweight, stable and thermally highly resilient.
Diese Aufgabe wird bei einer Düsenerweiterung der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.This object is achieved in a nozzle extension of the type mentioned by the characterizing features of
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.The multi-shell design of the nozzle extension makes it possible to provide a mechanically stable nozzle extension, which is characterized by a high bending and torsional rigidity. As a result, the nozzle extension can withstand high side loads, which arise in particular through asymmetrical detachment of a nozzle flow in the region of a nozzle inner wall.
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 nozzle extension according to the invention allows the use of thin-walled shell elements, which have only a low weight and thus contribute to increase the overall efficiency of an engine.
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 nozzle extension according to the invention can be subjected to high thermal loads, so that it can be operated in a higher temperature window than conventional nozzle extensions. As a result, the requirements for an optionally provided cooling of the nozzle extension decrease, so that thereby an increase in the overall efficiency of the engine is achieved.
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 context of the present invention, a shell element is understood to mean a component which extends from the nozzle extension input or adjacent thereto as far as the nozzle extension output or adjacent thereto and, in particular, has a profile closed on the circumference. The nozzle shell can be designed in double-shell, triple-shell or multiple shell construction.
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, at least two, preferably all shell elements of the nozzle shell are made of at least one ceramic fiber composite material (CMC material, "Ceramic Matrix Composite"). A hybrid construction using different ceramic fiber composites for a shell element and / or for different shell elements is also 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 member defining a nozzle extension interior. This makes it possible to provide a thermally highly stable shell element in a nozzle shell section, which is exposed to the highest thermal load.
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 Kühfluids 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. According to an advantageous embodiment of the invention, at least a portion of the first shell element is fluid-permeable. This makes it possible to pass a cooling fluid toward the nozzle extension interior through the first shell member. This cooling fluid forms a boundary layer film at the boundary of the nozzle extension interior, which shields hot gases flowing through the nozzle extension from the shell element and reduces the convective heat transfer from the nozzle extension interior into the nozzle shell. When using a liquid cooling fluid, an additional cooling effect is achieved by evaporating the cooling fluid and thereby absorbing latent heat. This type of cooling is also referred to as effusion or transpiration cooling, wherein effusion cooling is usually a sweat cooling without phase transition, and transpiration cooling is a sweat cooling with phase transition.
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.It is also advantageous if at least a portion of the first shell element is porous. This makes it possible to produce a particularly lightweight shell element which is mechanically stable. The porosity of the first shell member moreover makes it possible to easily provide a fluid-permeable first shell member which allows effusion or transpiration cooling of the first shell member.
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 makes it possible to provide a shell element which provides a high area moment of inertia even with a thin-walled construction.
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 voneinander zu trennen. Diese Hohlräume können beispielsweise zur Durchströmung mit einem Kühlfluid genutzt werden.According to one embodiment of the invention, the nozzle casing has at least one third shell element, which is arranged between a first shell element and a second shell element. Such a third shell element makes it possible to further stiffen the nozzle jacket and / or to separate cavities arranged between the individual shell elements. These cavities can be used for example to flow through with a cooling fluid.
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 member is fluid permeable and / or porous to allow flow of the third shell member 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.It is particularly preferred if the third shell element comprises at least two shell element sections, which are arranged following one another in a direction from the nozzle extension entrance to the nozzle extension exit. These shell element sections may have different properties with regard to their fluid permeability and / or porosity, so that a pressure profile and / or a volume flow of 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, at least one shell element is at least partially provided with a fluid barrier layer. Such a fluid barrier layer prevents in its effective area the entry of a cooling fluid into 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.It is particularly 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 allow a locally adapted entry of a cooling fluid into a shell element or exit of a cooling fluid from a 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 one third shell element are made of the same material or of different materials. It is particularly advantageous if the fiber material used for the ceramic fiber composite material contains carbon fibers. However, it is also advantageous to use fiber material made 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.The matrix material used is advantageously carbon, which can be silicided to increase the oxidation resistance. It is also possible to use oxide ceramic matrix materials.
In vorteilhafter Weise ist der Faserverbundwerkstoff ein C/C-Werkstoff, ein C/SiC-Werkstoff oder ein C/C-SiC-Werkstoff.Advantageously, the fiber composite material is a C / C material, a C / SiC material or a C / C-SiC material.
Erfindungsgemäß ist mindestens eines der Schalenelemente einstückig. Hierdurch kann ein Düsenmantel mit einem besonders einfachen Aufbau geschaffen werden.According to the invention, at least one of the shell elements is in one piece. In this way, a nozzle shell 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 further advantageous embodiment of the invention provides that at least one of the shell elements is single-layered. Also, this can create a nozzle shell with a simple structure.
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.According to a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that at least one of the shell elements is multi-layered is. A multilayer construction of a shell element makes it possible to provide a dimensionally stable sandwich component.
Mindestens zwei Schalenelemente sind miteinander einstückig. Eine solche Düsenerweiterung lässt sich in besonders einfacher Weise herstellen.At least two shell elements are integral with each other. Such a nozzle extension can be produced in a particularly simple manner.
Mindestens zwei Schalenelemente sind zueinander beabstandet. Der Abstand der Schalenelemente bewirkt eine Erhöhung des Flächenträgheitsmoments des mehrschaligen Düsenmantels. Ferner kann durch die mindestens zwei Schalenelemente ein Hohlraum begrenzt werden, welcher beispielsweise zur Durchströmung mittels eines Kühfluids genutzt werden kann.At least two shell elements are spaced from each other. The distance of the shell elements causes an increase in the area moment of inertia of the multi-shell nozzle shell. Furthermore, by the at least two shell elements, a cavity can be limited, which can be used, for example, to flow through a cooling fluid.
Der Abstand der mindestens zwei Schalenelemente verkleinert sich ausgehend von dem Düsenerweiterungseingang in Richtung auf den Düsenerweiterungsausgang. 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.The distance of the at least two shell elements decreases, starting from the nozzle extension input in the direction of the nozzle extension output. 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 supports the transport of a cooling fluid in the direction of 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 can be fixed relative to one another and / or spaced apart. In this way, a particularly stable nozzle jacket can be provided. The support means may be in particular in the form of at least one support rib, which supports the shell elements in the radial direction relative to each other, be formed. Such a support rib may also be referred to as a "stringer" and may also be used as a delimiting element for a cooling channel. The support means can be made "in situ" together with the at least two shell elements. The support device can also be manufactured separately and adhesively bonded or thermally joined to at least one shell element, 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.According 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 of at least two shell elements can be created, especially when these shell elements are spaced from each other. According to a particularly advantageous embodiment of the invention, at least two shell elements are sewn together by means of connecting fibers. This makes it possible to connect the connection fibers acting as connecting elements in a simple manner with the fiber structures of 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, at least a part of the connecting fibers are carbon fibers. These have a very high tensile strength. This is particularly advantageous if two mutually spaced shell elements form boundaries for a pressurized (for example in the amount of 80 bar) cooling fluid. The pressure forces exerted by a cooling fluid on the shell elements can then be compensated by corresponding tensile stresses of the connecting fibers.
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 for flowing through with a cooling fluid. This allows active cooling of the nozzle extension, which makes it possible to operate the nozzle extension at higher temperatures than is the case with only radiation-cooled nozzle extensions. The cooling fluid space may include a plurality of cooling fluid channels having a straight or a curved or spiral shape.
Vorzugsweise ist der Kühlfluidraum zwischen mindestens zwei Schalenelementen angeordnet. Hierdurch kann ein durch Beabstandung von zwei Schalenelementen entstehender Hohlraum optimal genutzt werden.Preferably, the cooling fluid space is arranged between at least two shell elements. In this way, a resulting by spacing of two shell elements 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 supply device for the supply of the cooling fluid into the cooling fluid space. Such a feed device in particular comprises a cooling fluid distributor, which makes it possible to feed cooling fluid supplied from one or more cooling fluid lines into an annular cooling fluid space.
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 makes it possible to cool the nozzle extension in a 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 from 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 arranged on or adjacent to the nozzle extension exit. This allows at least approximately complete cooling of the nozzle shell and also has the advantage that the cooling fluid in the region of the nozzle extension output can flow out of the nozzle jacket and thus amplifies the pulse of the nozzle extension. This makes it possible to use a kinetic energy of the cooling fluid, so that the overall efficiency of 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. In this way, an undesired exit 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.According to one embodiment of the invention, at least one shell element is 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 beispielsweise 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, which prevents leakage of fluid, ie liquid and / or gas, radially outward. Such an additional layer can be applied, for example, 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.According to one embodiment of the invention, the at least one sealing device is provided in the form of a gaseous barrier layer. Such a barrier layer has a particularly good sealing effect.
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.According to one embodiment of the invention, the cooling fluid is a fuel, in particular a fuel. These are, for example, liquid or gaseous hydrogen, methane or kerosene. The use of a fuel as cooling fluid has the advantage that no separate cooling fluid reservoir has to be provided for storing a cooling fluid.
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.According 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 has already been heated during the passage through a turbine. The turbine exhaust gas may be, for example, superheated steam, 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 drive pumps which supply fuel and / or oxidizer under high pressure to a combustor of the engine.
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 makes it possible to manufacture the nozzle extension and the combustion chamber device as separate assemblies and then to connect them together.
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 comprises a first connecting portion, which cooperates with at least one shell element, in particular with a shell element, which limits the nozzle extension to the outside. In this way, the connecting device can be arranged in a thermally low-loaded region of the nozzle extension.
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.Furthermore, it is preferred if the combustion chamber device comprises an outer wall and if the connecting device comprises a second connecting portion which cooperates with the outer wall. As a result, the connection between the combustion chamber device and the connecting device takes place in a region of the combustion chamber device subjected to a low thermal load.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Düsenerweiterung für ein Triebwerk, insbesondere für ein Raketentriebwerk.The invention further relates to a method for producing a nozzle extension for an engine, in particular 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.The invention is based on the further object to provide a method for producing a nozzle extension, which is lightweight, stable and thermally highly resilient.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 40 gelöst.This object is achieved by a method according to
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.Particular refinements and advantages of the method according to the invention have in part already been explained above in connection with the particular refinements and the advantages of the nozzle extension according to the invention and are hereby incorporated by reference.
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. Advantageously, a first fiber structure for a first shell element and a second fiber structure for a second shell element are arranged spaced from each other to produce a nozzle extension. For this dry fiber structures are suitable, for example fabric laminates and / or windings, wound or braided rovings or a combination thereof. An arrangement of the fiber structures can also be effected by means of a resin transfer molding process, by wet winding or by means 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 be interconnected by means of a plurality of connecting fibers. In this case, it is advantageous if the fiber structures of the shell elements have force introduction areas for fastening 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.A particularly reliable bond between the shell elements results when they are sewn together by means of a plurality of connecting fibers. It is particularly advantageous if the connecting fibers are sewn to the fiber structures of the shell elements.
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 is arranged between the fiber structures of the at least two shell elements. 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, the intermediate element is a foam body. Such a body is dimensionally stable, but allows the easy 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 further advantageous embodiment of the invention provides that the intermediate element is removed by heat input, in particular is burned. As a result, a cavity between two shell elements can be generated in a simple manner.
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.Furthermore, it is advantageous if carbon is deposited on the fiber structures during production of the nozzle extension for producing a C / C material from a carbon-containing gas. This allows the production of a carbonaceous matrix surrounding the fiber structures. The deposition of the carbon takes place in particular at a temperature level which is so high that, as part of the deposition of the carbon on the fiber structures, the intermediate element can also be burnt.
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.Another advantageous method provides that the fiber structures are mixed with a polymer to produce a C / C material and the polymer is pyrolyzed. This allows the production of a carbonaceous matrix surrounding the fiber structures.
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 further advantageous embodiment of the invention provides that at least one surface of a shell element facing a nozzle extension interior is siliconized. In this way, the temperature and oxidation resistance of the nozzle shell can be increased in the thermally highest loaded 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.According to a further advantageous embodiment of the invention, the C / C material is infiltrated with silicon to produce a C / C-SiC material. This makes it possible to produce a high-strength matrix which contains at least portions of silicon carbide.
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, a shell element arranged on the outside and / or inside in relation to a cooling fluid space of the nozzle extension is provided with a gas-tight coating. This allows a simple sealing of the cooling space to the outside and / or inside. With a seal to the outside and inwards a pure convective cooling can be realized.
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.It is particularly preferred if, for the effusion or transpiration cooling of the nozzle extension, at least one partial stream of the turbine exhaust gas is led in the direction of a nozzle extension interior through at least one fluid-permeable shell element of a nozzle shell. This allows a particularly efficient and uniform cooling of the nozzle shell.
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.Furthermore, it is preferred if, for the convective cooling of the nozzle extension, at least one partial flow of the turbine exhaust gas is guided along at least one shell element in the direction of a nozzle extension exit. This also allows efficient cooling of the nozzle extension.
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 the drawings show:
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.Identical or functionally equivalent elements are denoted by the same reference numerals in all figures.
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
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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 |
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