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Die Erfindung betrifft einen Düsenkörper mit mindestens einem helixförmigen Kühlkanal, ein Triebwerk mit solch einem Düsenkörper und Verfahren zum Herstellen desselben. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Düsenkörper mit mindestens einem in oder an einem rotationssymmetrischen Grundkörper angeordneten Kühlkanal, der eine Helixbahn mit konstantem, endlichem Radius und konstanter Steigung beschreibt, sowie ein Triebwerk mit solch einem Düsenkörper und Verfahren zum Herstellen desselben.
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Herkömmliche Triebwerke umfassen einen Düsenkörper, in dem Kühlkanäle angeordnet sind, die den von heißen Verbrennungsgasen beeinflussten Düsenkörper kühlen. Die Kühlkanäle sind dabei entweder parallel zu einer Symmetrieachse des Düsenkörpers und entlang der Kontur des Düsenkörpers angeordnet oder um den Düsenkörper herumgewickelt angeordnet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Düsenkörper mit verbessertem Aufbau, ein Triebwerk und ein Verfahren zum Herstellen eines Düsenkörpers bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Düsenkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Triebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie zwei Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 9 und 11 gelöst.
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Gemäß einem Aspekt zum besseren Verständnis der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Düsenkörper einen rotationssymmetrischen Grundkörper, der dazu eingerichtet ist, von einem Fluid durchströmt zu werden. Das Fluid kann durch einen Innenraum des Grundkörpers strömen. Beispielsweise kann es sich bei dem Fluid um ein Gas oder eine Flüssigkeit handeln, die in dem Düsenkörper beschleunigt oder abgebremst oder umgelenkt wird. Auch kann es sich bei dem Fluid um ein Verbrennungsgas handeln.
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In oder an dem rotationssymmetrischen Grundkörper ist mindestens ein Kühlkanal angeordnet. Der Kühlkanal kann dabei vollständig innerhalb eines Materials des Grundkörpers verlaufen. Mit anderen Worten bildet das Material des Grundkörpers die Begrenzung des den Kühlkanal bildenden Hohlraums. Alternativ oder zusätzlich kann der Kühlkanal auch aus einem rohrförmigen Körper hergestellt sein, der an oder in dem Material des Grundkörpers angeordnet und/oder integriert ist.
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Der Kühlkanal beschreibt zumindest abschnittsweise eine Helixbahn mit konstantem Radius und konstanter Steigung, wobei der Radius der Helixbahn endlich ist. Mit anderen Worten ist der Radius der Helixbahn kleiner als unendlich und somit keine Gerade. Durch diesen bestimmten Verlauf des Kühlkanals, und insbesondere aufgrund des konstanten Radius, ist es möglich ein bestimmtes Werkzeug in den Kühlkanal einzuführen. Zum Beispiel kann ein Reinigungswerkzeug oder Inspektionswerkzeug, welches eine korrespondierende Form (Helix) aufweist, leicht in den Kühlkanal eingeführt werden.
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Es ist vor der Inbetriebnahme des Düsenkörpers oft notwendig, den Kühlkanal zu inspizieren und/oder zu reinigen. Insbesondere bei Düsenkörpern, die bei wiederverwendbaren Triebwerken eingesetzt werden, ist eine Reinigung und/oder Inspektion der Kühlkanäle notwendig. Bei herkömmlichen Kühlkanälen ist eine Reinigung und/oder Inspektion gar nicht möglich oder nur sehr zeitaufwendig durchführbar. Bei um die Rotationsachse der Düse gewickelt verlaufenden Kühlkanälen, kann es leicht zu Beschädigungen kommen, wenn ein Reinigungswerkzeug oder Inspektionswerkzeug in den Kühlkanal eingeführt wird. Selbst wenn die Kühlkanäle entlang der Kontur des Düsenkörpers und parallel zur Rotationsachse der Düse angeordnet sind, ist eine Beschädigung nicht ausgeschlossen.
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Wird hingegen der Kühlkanal mit einer Helixbahn mit konstantem Radius und konstanter Steigung vorgesehen, kann das Werkzeug entsprechend geformt sein und lässt sich nicht nur leicht in den Kühlkanal einführen, sondern auch deutlich einfacher darin bewegen, wodurch Beschädigungen vermieden werden. Aufgrund der besonderen Helixbahn des Kühlkanals können vereinfachte und leicht einzuführende Werkzeuge verwendet werden, die eine Reinigung und/oder Inspektion beschleunigen und sicherer durchführbar machen, da die Werkzeuge mit nur einem Freiheitsgrad bewegt werden können und dabei nicht verbogen werden müssen.
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Anstatt eines Werkzeugs lassen sich auch vorgeformte Gegenstände in den Kühlkanal einführen. Zum Beispiel kann ein Kühlkanalverschluss zumindest abschnittsweise in den Kühlkanal eingeführt werden, um diesen fluiddicht zu verschließen. Beispielsweise kann der Kühlkanalverschluss mittels Formschluss in dem Kühlkanal befestigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann/können auch (ein) Drallkörper (oder andere(r) Umlenker) in den Kühlkanal eingeführt und darin angeordnet werden, um eine Strömung innerhalb des Kühlkanals zu beeinflussen. Der/die Drallkörper kann/können mit dem gleichen Radius und/oder Steigung wie der Kühlkanal gefertigt sein, wodurch er/sie sich leicht in den Kühlkanal einführen lassen. Hierbei kann es ausreichend sein, wenn der Kühlkanal nur abschnittsweise eine Helixbahn mit konstantem Radius und konstanter Steigung beschreibt beispielsweise kann eine solche Helixform in einem Anfangs- und/oder Endbereich des Kühlkanals vorliegen, sodass der Kühlkanalverschluss und/oder Drallkörper in den Kühlkanal eingebracht werden kann.
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Die Form des Düsenkörpers kann durch die Form des mindestens einen Kühlkanals bestimmt werden. So kann der Düsenkörper einer Form entsprechen, die durch Rotation des mindestens einen Kühlkanals um eine Rotationsachse herum entsteht. Je nach Radius und Steigung der Helixbahn des Kühlkanals und Abstand zur Rotationsachse können nahezu beliebig viele Formen für den Düsenkörper erzeugt werden. Insbesondere Kühlkanäle mit einer Helixbahn, die eine große Steigung aufweist, und die Helix somit eine große Ganghöhe aufweist, eignen sich zur Bildung eines Rotationskörpers für einen Düsenkörper.
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Zudem kann eine Vielzahl von gleich geformten Kühlkanälen in dem Düsenkörper angeordnet sein. Dies ermöglicht, alle Kühlkanäle mit dem gleichen Reinigungswerkzeug oder Inspektionswerkzeug zu behandeln oder mit den gleichen Bauteilen (z.B. Verschluss und/oder Drallkörper) zu versehen.
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In einer Implementierungsvariante kann eine Drehachse der Helixbahn windschief zu einer Rotationssymmetrieachse des Grundkörpers angeordnet sein. Die Drehachse der Helixbahn entspricht einer Zylinderachse eines Kreiszylinders, den die Helixbahn umgibt. Dadurch ist es möglich, eine Düsenkörper bereitzustellen, der einen Innenraum mit unterschiedlich großen Radien aufweist. Beispielsweise können eine Vielzahl von gleichgeformten Kühlkanälen um die Rotationssymmetrieachse des Grundkörpers herum angeordnet sein, wobei aufgrund der windschiefen Anordnung der Drehachse zur Rotationssymmetrieachse der Grundkörper und somit der Düsenkörper einen Rotationskörper bildet. Da der Rotationskörper durch gebogene Formen (hier die Kühlkanäle) gebildet ist, ergeben sich unterschiedliche Durchmesser des Grundkörpers um die Rotationssymmetrieachse des Grundkörpers. Diese Form ist insbesondere bei Düsen, beispielsweise Venturi-Düse und/oder Triebwerksdüse, vorteilhaft. Ferner lassen sich mit dieser Form auch eine Brennkammer mit Düse gestalten, sodass der mindestens eine Kühlkanal auch die Brennkammer kühlen kann, ohne von der Helixform abzuweichen.
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In einer Implementierungsvariante können die Kühlkanäle eine Helixbahn mit einer Steigung gleich Null aufweisen. So kann auch ein Kreisbogensegment um die Rotationsachse herum gedreht werden, um die Form des Düsenkörpers zu bestimmen, wobei eine durch den Mittelpunkt des Kreisbogensegments verlaufende und zum Radius des Kreisbogensegments senkrecht stehende Achse windschief zur Rotationsachse angeordnet ist.
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In einer speziellen Form kann die Drehachse der Helixbahn (bzw. zum Radius des Kreisbogensegments senkrecht stehende Achse) auch die Rotationssymmetrieachse des Grundkörpers schneiden. Mit anderen Worten bildet die Drehachse der Helixbahn einen Winkel größer 0° und kleiner 90° mit der Rotationssymmetrieachse in deren Schnittpunkt. Bevorzugt bildet die Drehachse der Helixbahn einen Winkel zwischen 0° und 75° mit der Rotationssymmetrieachse.
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Nur beispielhaft kann die Helixbahn über die gesamte Erstreckung des Düsenkörpers weniger als eine vollständige Windung/Umdrehung (360°) aufweisen. Unter Erstreckung des Düsenkörpers ist hier der Abschnitt der Helixbahn zu verstehen, der bei Rotation um die Rotationsachse des Grundkörpers den Grundkörper und somit den Düsenkörper bildet. Mit anderen Worten ist der Abschnitt der Helixbahn gemeint, der von zwei Ebenen, die jeweils senkrecht zur Rotationssymmetrieachse des Grundkörpers stehen und gegenüberliegende Enden des Grundkörpers definieren, begrenzt wird. Beispielsweise kann die Helixbahn über die Erstreckung des Düsenkörpers eine teilweise Windung/Umdrehung durchführen, deren Drehwinkel lediglich zwischen 30° und 270°, vorzugsweise zwischen 60° und 180°, liegt. Somit beträgt die Ganghöhe der Helix des Kühlkanal ein Vielfaches der Erstreckung des Düsenkörpers. Zwar ist die Ganghöhe der Helix abhängig von einem gegebenenfalls vorhandenen Winkel zwischen Drehachse der Helixbahn und Rotationssymmetrieachse des Grundkörpers. Jedoch wird für die meisten Düsenkörper nur ein Teilbereich der Helixbahn (also keine vollständige Ganghöhe) oder nur ein Kreisbogensegment zum Bestimmen des Rotationskörpers, der den Grundkörper bildet, benötigt.
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In einer weiteren Implementierungsvariante kann der Grundkörper mehrteilig ausgebildet sein und einen Zwischenraum zwischen zwei benachbart angeordneten Kühlkanälen verschließen. Beispielsweise kann eine Vielzahl von Kühlkanälen um die Rotationssymmetrieachse des Grundkörpers herum angeordnet sein. Die der Rotationssymmetrieachse zugewandte Seite jedes Kühlkanals oder der entsprechende Abschnitt jedes Kühlkanals kann dabei eine Innenseite des Grundkörpers bilden. Die Zwischenräume zwischen zwei benachbart angeordneten Kühlkanälen können dann ausgefüllt werden, um den Rotationskörper des Grundkörpers zu vervollständigen. Hierfür können dünne Bleche eingesetzt werden, die bündig mit der der Rotationssymmetrieachse zugewandten Seite zweier benachbarter Kühlkanäle angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine durchgängige Innenschale verwendet werden, die die Innenseite des Grundkörpers bildet. Die Kühlkanäle können hierbei in eine entsprechend geformte Aufnahme an einer Außenseite der Innenschale eingesetzt (eingefädelt) werden. Die Innenseite der Innenschale kann dabei glatt ausgestaltet sein, um Verwirbelungen in dem durchströmenden Fluid zu verringern oder zu vermeiden.
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Aufgrund der Helixbahn und/oder der windschiefen Anordnung der Drehachse der Helixbahn zur Rotationssymmetrieachse des Grundkörpers variiert der Abstand (in Umfangsrichtung des Grundkörpers betrachtet) zwischen zwei benachbart angeordneten Kühlkanälen über den Verlauf entlang der Kontur des Grundkörpers. Ein mehrteilig ausgebildeter Grundkörper kann daher Abschnitte unterschiedlicher Formen aufweisen, einschließlich (gekrümmt) dreieckiger Formen zum Verschließen der Öffnungen zwischen zwei benachbarten Kühlkanälen.
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In einer Implementierungsvariante können sich zwei benachbarte Kühlkanäle an mindestens einer Stelle berühren. Dabei können die Kühlkanäle so ausgestaltet sein, dass sie auf ihrer der Rotationssymmetrieachse des Grundkörpers zugewandten Seite eine durchgängige Fläche aufweisen. In Rotationsrichtung beschreibt diese Fläche einen durchgehenden Kreis.
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Alternativ oder zusätzlich können zumindest manche der Kühlkanäle aus Rohren mit kreisförmigem oder elliptischem Querschnitt hergestellt werden, sodass an der Stelle, an der sich die Kühlkanäle berühren, in einer Schnittebene, die senkrecht zur Rotationssymmetrieachse des Grundkörpers steht, keine rotationssymmetrische Oberfläche des Grundkörpers entsteht, sondern eine nach außen gezackt ausgebildete Form. Die zwischen zwei benachbarten Rohren entstehenden (dreiecksförmigen) Nischen können optional durch den Grundkörper ausgefüllt werden, sodass dieser zur Rotationssymmetrieachse rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
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In einer weiteren Implementierungsvariante können zwei Kühlkanäle in einem ersten Abschnitt des Grundkörpers in Umfangsrichtung des Grundkörpers nebeneinander angeordnet sein und in einem zweiten Abschnitt des Grundkörpers in Radialrichtung des Grundkörpers nebeneinander angeordnet sein. Aufgrund der Helixbahn und/oder der windschiefen Anordnung der Drehachse der Helixbahn zur Rotationssymmetrieachse des Grundkörpers liegen die Kühlkanäle dort näher beieinander, wo die Kühlkanäle einen geringeren Abstand zur Rotationssymmetrieachse des Grundkörpers haben. Die Dichte von Kühlkanälen in dem Düsenkörper wird von der Stelle des Grundkörpers mit dem geringsten Durchmesser bestimmt, da sich dort zwei benachbarte Kühlkanäle berühren können. Durch zwei oder mehrere verschiedene Kühlkanalformen, die in Umfangsrichtung des Grundkörpers immer abwechselnd angeordnet sind, kann die Dichte von Kühlkanälen in dem Düsenkörper erhöht werden. Durch entsprechende Wahl eines kleineren Radius und/oder Steigung der Helixbahn für jeden zweiten (oder weiteren) Kühlkanal, kann das Berühren der benachbarten Kühlkanäle vermieden werden, und die beiden Kühlkanäle sind in dem zweiten Abschnitt des Grundkörpers in Radialrichtung nebeneinander angeordnet. Mit anderen Worten liegen die beiden Kühlkanäle mit Blickrichtung in Radialrichtung übereinander, sodass sich eine größere Stärke des Grundkörpers in diesem zweiten Abschnitt ergibt, aber auch eine höhere Kühlkanaldichte in dem Düsenkörper, wodurch eine bessere Kühlung erzielt werden kann.
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In noch einer weiteren Implementierungsvariante kann der mindestens eine Kühlkanal eine Öffnung aufweisen. Die Öffnung kann beispielsweise an einem Ende des Kühlkanals vorgesehen sein und sich (in etwa) in einer Schnittebene des Kanals befinden. Durch solch eine Öffnung lässt sich ein Werkzeug in das Innere des Kühlkanals schieben. Weist das Werkzeug den gleichen Radius und gleiche Steigung wie der Kühlkanal auf, kann das Werkzeug im Vergleich zu herkömmlichen Kühlkanälen und herkömmlichen Werkzeugen mit deutlich reduzierter Reibung, und somit deutlich einfacher, in dem Inneren des Kühlkanals bewegt werden. Die Öffnung kann verschließbar sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt zum besseren Verständnis der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Triebwerk einen Düsenkörper gemäß dem ersten Aspekt oder einer seiner Implementierungsvarianten, und eine Brennkammer, die mit dem Inneren des Düsenkörpers fluidisch verbunden ist. Dabei kann die Brennkammer an den Düsenkörper angeschlossen sein. Alternativ kann die Brennkammer auch durch einen Abschnitt des Düsenkörpers gebildet werden, wobei der Düsenkörper, insbesondere der Rotationskörper, an einer Seite verschlossen wird.
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In einer Implementierungsvariante kann eine Treibstoffkomponente zum Betrieb des Triebwerks durch den mindestens einen Kühlkanal zu der Brennkammer geführt werden. Hierfür kann das Triebwerk einen Kühlkanalanschluss aufweisen, an dem die Treibstoffkomponente eingeleitet wird. Ferner kann die Treibstoffkomponente über den Kühlkanalanschluss auf eine Vielzahl von Kühlkanälen verteilt werden. Nach Durchströmen des mindestens einen Kühlkanals wird die Treibstoffkomponente in einem weiteren Kühlkanalanschluss in die Brennkammer geführt. Hierbei kann jeder Kühlkanal einzeln fluidisch mit dem Inneren der Brennkammer verbunden sein oder mehrere oder alle Kühlkanäle sind über einen Sammelanschluss miteinander verbunden, der wiederum mit dem Inneren der Brennkammer fluidisch verbunden ist.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt zum besseren Verständnis der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Düsenkörpers gemäß dem ersten Aspekt oder einer seiner Implementierungsvarianten ein Bereitstellen eines rotationssymmetrischen Grundkörpers und ein Herstellen mindestens eines Kühlkanals, der in oder an dem rotationssymmetrischen Grundkörper angeordnet ist und eine Helixbahn mit konstantem Radius und konstanter Steigung beschreibt, wobei der Radius der Helixbahn endlich ist.
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Dabei kann das Herstellen des mindestens einen Kühlkanals ein Erodieren des Kühlkanals durch ein Material des Grundkörpers, ein Schichtdruckverfahren, oder ein Bereitstellen einer Innenschale und/oder Außenschale und Eindrehen mindestens eines Kühlkanalrohrs auf die Innenschale und/oder innerhalb der Außenschale umfassen. Das Erodieren des Kühlkanals kann mithilfe einer elektrischen Sonde erfolgen, die an ihrer Spitze Material des Grundkörpers auflöst und/oder verdampft, sodass bei einem Vorschieben der elektrischen Sonde ein Kühlkanal in dem Material des Körpers erzeugt wird. Beim Schichtdruckverfahren (auch additive Fertigung oder 3D-Druck genannt) werden nacheinander Schichten, vorzugsweise in einer Schnittebene senkrecht zur Rotationssymmetrieachse des Grundkörpers, erzeugt. Jede weitere Schicht ist dabei auf einer vorherigen Schicht angeordnet und mit dieser verbunden oder verschmolzen. Dadurch kann ein Grundkörper mit darin angeordneten Kühlkanälen (Hohlräumen) hergestellt werden. Das Eindrehen mindestens eines Kühlkanalrohrs entspricht einem Anlegen des Kühlkanalrohrs an eine Außenseite einer Innenschale und/oder an eine Innenseite einer Außenschale. Dadurch lässt sich die Innenkontur und Außenkontur des Grundkörpers durch die Innenschale bzw. Außenschale leichter durchgängig herstellen.
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In einer Implementierungsvariante kann die bereitgestellte Innenschale und/oder Außenschale mindestens eine Aufnahme zum Halten eines Kühlkanalrohrs umfassen. Das Kühlkanalrohr kann hierbei beispielsweise während des Eindrehens durch die Aufnahme geführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann nach dem Eindrehen des mindestens einen Kühlkanalrohrs das mindestens eine Kühlkanalrohr in der mindestens einen Aufnahme angeordnet und daran befestigt sein.
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Gemäß einem anderen Aspekt zum besseren Verständnis der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Düsenkörpers gemäß dem ersten Aspekt oder einer seiner Implementierungsvarianten ein Bereitstellen einer Vielzahl von Kühlkanalrohren, wobei jedes der Vielzahl von Kühlkanalrohren eine Helixbahn mit konstantem Radius und konstanter Steigung beschreibt, wobei der Radius der Helixbahn endlich ist.
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Ferner umfasst das Verfahren ein Anordnen der Vielzahl von Kühlkanalrohren um eine Rotationssymmetrieachse, wobei eine Drehachse der Helixbahn windschief zu der Rotationssymmetrieachse angeordnet sein kann oder diese schneiden kann, und ein Herstellen eines Grundkörpers des Düsenkörpers durch Verschließen von Zwischenräumen zwischen zwei benachbarten der Vielzahl von Kühlkanalrohren. Dabei können die Kühlkanalrohre jeden beliebigen Querschnitt aufweisen. Das Verschließen der Zwischenräume umfasst dabei auch das Erzeugen einer rotationssymmetrischen Innenseite des Grundkörpers, wobei eventuell vorhandene Zwischenräume und Nischen zwischen benachbarten Kühlkanalrohren aufgefüllt werden.
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In einer Implementierungsvariante kann das Verschließen von Zwischenräumen ein Anbringen mindestens einer Innenschale und/oder mindestens einer Außenschale an der Vielzahl von Kühlkanalrohren umfassen. Die Innenschale und/oder Außenschale kann dabei einteilig ausgebildet sein, wobei sie eine in Rotationsrichtung durchgängige Innenseite bzw. in Rotationsrichtung durchgängige Außenseite aufweist.
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In einer weiteren Implementierungsvariante kann die mindestens eine Innenschale und/oder mindestens eine Außenschale an einer der Vielzahl von Kühlkanalrohren zugewandten Seite eine Kontur zum zumindest teilweisen Aufnehmen der Vielzahl von Kühlkanalrohren umfassen. Die Kontur kann dabei ein Kühlkanalrohr zumindest teilweise umschließen. Dies ermöglicht nicht nur eine gute Wärmeübertragung, sondern auch eine Fixierung des Kühlkanalrohrs an der Innenschale bzw. Außenschale.
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Die oben beschriebenen Ausgestaltungen und Varianten können selbstverständlich kombiniert werden, ohne dass dies explizit beschrieben ist. Jede der beschriebenen Ausgestaltungsvarianten ist somit optional zu jeder Ausgestaltung und Variante oder bereits Kombinationen davon zu sehen. Die vorliegende Offenbarung ist somit nicht auf die einzelnen Ausgestaltungen und Implementierungsvarianten in der beschriebenen Reihenfolge oder einer bestimmten Kombination der Aspekte und Implementierungsvarianten beschränkt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Grundkörpers für einen Düsenkörper schematisch zeigt;
- 2 schematische Ansichten (auch perspektivisch) eines Kühlkanals und eines Werkzeugs zeigt;
- 3 eine perspektivische Ansicht eines rotationssymmetrischen Grundkörpers und einer beispielhaften Helixbahn schematisch zeigt;
- 4 eine Seitenansicht des Grundkörpers aus 3 als Düsenkörper und Teil eines Triebwerks schematisch zeigt;
- 5 eine weitere Seitenansicht des Grundkörpers aus 3 schematisch zeigt;
- 6 eine schematische Aufsicht des Grundkörpers aus 3 mit einer Blickrichtung entlang der Drehachse der Helix zeigt;
- 7 bis 16 schematische Ansichten von verschiedenen Grundkörpern zeigen; und
- 17 Ablaufdiagramme beispielhafter Verfahren zum Herstellen eines Düsenkörpers zeigt.
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1 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Grundkörpers 100, beispielsweise für einen Düsenkörper 10. Der Grundkörper 100 ist rotationssymmetrisch gebildet und dazu eingerichtet, von einem Fluid durchströmt zu werden. Dieses Fluid kann insbesondere auf der Innenseite der Form des Grundkörpers 100 strömen. Ein solcher Düsenkörper 10 kann für ein Triebwerk, eine Venturi-Düse, eine Luft- oder Wasserstrahldüse und Ähnliches verwendet werden.
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Die rotationssymmetrische Form des Grundkörpers 100 entspricht einem Rotationskörper, der durch Rotation einer Helixbahn um eine Rotationsachse 101 des Grundkörpers 100 gebildet wird. Die Helixbahn (welche in 1 auf der rechten Seite über den Grundkörper 100 hinaus dargestellt ist) bestimmt die Form mindestens eines Kühlkanals 110, der in oder an dem Grundkörper 100 angeordnet ist. Die Helixbahn des Kühlkanals 110 weist einen konstanten Radius und eine konstante Steigung auf. Der Radius der Helixbahn ist dabei endlich gewählt, sodass die Helixbahn eine Krümmung aufweist.
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In 1 sind zwei Kühlkanäle 110 nebeneinander dargestellt. Die Helixbahn jedes Kühlkanals 110 weist eine Drehachse 111 auf, wobei in 1 lediglich eine Drehachse 111 eines Kühlkanals 110 zur klareren Darstellung in der Zeichnung gezeigt ist. Die Drehachse 111 ist windschief zur Rotationssymmetrieachse 101 des Grundkörpers 100 angeordnet. Dabei kann die Drehachse 111 der Helixbahn die Rotationssymmetrieachse 101 auch schneiden. Wie in 1 leicht zu erkennen ist, lässt sich durch Wahl des Radius und der Steigung der Helixbahn sowie die Ausrichtung der Drehachse 111 der Helixbahn relativ zu der Rotationssymmetrieachse 101 nahezu jede beliebige Form des Grundkörpers 100 (jeder beliebig geformte Rotationskörper) erzeugen.
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Ein Kühlkanal 110 kann einen benachbarten Kühlkanal 110 an mindestens einer Stelle berühren. Dies kann beispielsweise dort erfolgen, wo der Grundkörper 100 den geringsten Durchmesser hat, also die Kühlkanäle 110 den geringsten Abstand zur Rotationssymmetrieachse 101 haben. Aufgrund einer gleichen Helixbahn bei jedem der Kühlkanäle 110 liegen benachbarte Kühlkanäle 110 unterschiedlich nahe beieinander, je nachdem wie weit der Kühlkanal von der Rotationssymmetrieachse 101 des Grundkörpers 100 entfernt ist. Beispielsweise können in einem ersten Abschnitt 106 des Grundkörpers 100 zwei benachbarte Kühlkanäle 110 in Umfangsrichtung des Grundkörpers 100 betrachtet nebeneinander und beabstandet voneinander angeordnet sein. In diesem beabstandeten Abschnitt 106 kann ein Zwischenraum 113 zwischen den beiden Kühlkanälen 110 durch Material des Grundkörpers 100 verschlossen sein. In einem zweiten Bereich 107 des Grundkörpers 100 können die zwei Kühlkanäle 110 in Umfangsrichtung des Grundkörpers 100 betrachtet direkt nebeneinander angeordnet sein, sich also berühren.
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2 zeigt schematische Ansichten eines Kühlkanals 110 und eines Werkzeugs 201. Insbesondere sind eine Seitenansicht, eine Aufsicht sowie eine perspektivische Darstellung in 2 gezeigt. Der Kühlkanal 110, der eine Helixbahn mit konstantem Radius und konstanter Steigung um die Drehachse 111 beschreibt, ermöglicht es, ein Werkzeug 201, welches (auf die Drehachse 111 bezogen) einen gleichen Radius und gleiche Steigung aufweist, leicht in den Kühlkanal 110 einzuführen und darin zu bewegen. Das Werkzeug 201 kann leicht in den Kühlkanal 110 hineingedreht werden und entsprechend auch wieder herausgedreht werden.
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3 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines rotationssymmetrischen Grundkörpers 100 und einer beispielhaften Helixbahn für einen Kühlkanal 110. Die 4 bis 6 zeigen ferner schematisch eine Seitenansicht des Grundkörpers 100 mit schematisch dargestellter Brennkammer 2 eines Triebwerks 1, eine weitere Seitenansicht des Grundkörpers 100 bzw. eine Aufsicht des Grundkörpers 100 mit einer Blickrichtung entlang der Drehachse der Helixbahn des Kühlkanals 110. Die in den 3 bis 6 wiedergegebenen Zahlenwerte sind lediglich beispielhaft für den speziellen in diesen Figuren dargestellten Grundkörper 100 (Rotationskörper).
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Die Drehachse 111 der Helixbahn des Kühlkanals 110 ist, wie dargestellt, windschief zur Rotationssymmetrieachse 101 des Grundkörpers 100. Hierfür ist in 3 eine Parallelachse 102 dargestellt, die parallel zur Rotationssymmetrieachse 101 verläuft und die Drehachse 111 der Helixbahn schneidet. Der in 3 dargestellte Winkel zwischen der Drehachse 111 und der Parallelachse 102 von 5,76° ist lediglich beispielhaft für die in den 3 bis 6 dargestellte spezifische Form des Grundkörpers 100 gewählt. Selbstverständlich kann jeder beliebige Winkel, einschließlich α = 0° zwischen der Drehachse 111 und der Parallelachse 102 (und somit relativ zu der Rotationssymmetrieachse 101) gewählt werden.
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Ferner ist zu erkennen, dass für den in 3 gezeigten Düsenkörper 10 lediglich ein Ausschnitt einer Helixbahn 110 notwendig ist. Wie den 3 und 6 zu entnehmen ist, verläuft der Ausschnitt aus der Helixbahn 110 über ca. 180° in Rotationsrichtung um die Drehachse 111. Es genügt also in etwa eine halbe Umdrehung und somit auch nur die halbe Ganghöhe der Helix. Dieser Ausschnitt der Helixbahn 110 wird um die Rotationsachse 101 gedreht und beschreibt damit den Rotationskörper, der den Grundkörper 100 des Düsenkörpers 10 bildet. Ein Konturverlauf 103 des Grundkörpers 100 (eine Schnittlinie des Grundkörpers 100 mit einer durch die Rotationssymmetrieachse 101 bestimmten Ebene) ist parabel- oder hyperbelförmig. Dieser Konturverlauf 103 bestimmt den Fluidverlauf in dem Düsenkörper 10 und kann durch Variation des Winkels zwischen Drehachse 111 und Parallelachse 102, durch Variation des Radius der Helixbahn und durch Variation der Steigung der Helixbahn gewählt und bestimmt werden.
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In 4, einer Seitenansicht des Grundkörpers 100 aus 3, ist ferner schematisch eine Brennkammer 2 dargestellt, an die der Düsenkörper 10 anschließt. Der durch die Helixbahn gebildete Kühlkanal 110 kann an einem der Brennkammer 2 abgewandten Ende des Düsenkörpers 10 eine Öffnung 112 aufweisen. Durch diese Öffnung 112 kann eine Treibstoffkomponente in den Kühlkanal 110 eingeleitet werden (siehe Pfeil in 4), den Kühlkanal 110 durchströmen und dabei den Düsenkörper 10 kühlen und sich erwärmen, und an einer weiteren der Brennkammer 2 zugewandten Seite des Düsenkörpers 10 angeordneten weiteren Öffnung 114 austreten (siehe weiteren Pfeil in 4). Beispielsweise kann die weitere Öffnung 114 in die Brennkammer 2 münden. Alternativ kann auch die Brennkammer 2 durch die Rotation der Helixbahn 110 gebildet sein, wodurch sie nicht die in 4 dargestellte eckige Form hätte. Dabei könnte die weitere Öffnung 114 an dem in 4 links dargestellten Ende der Brennkammer 2 (abgewandt von dem Grundkörper 100) liegen und beispielsweise in die Brennkammer 2 münden. Verbrannter Treibstoff kann von der Brennkammer 2 über den Düsenkörper 10 zur Schuberzeugung aus der Düse ausgestoßen werden.
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Durch Variieren der in Bezug auf die 3 bis 6 beschriebenen Parameter (insbesondere Radius und Steigung der Helixbahn 110, Abstand und Ausrichtung der Drehachse 111 zur Rotationssymmetrieachse 101, der für die Rotation verwendete Ausschnitt aus der Helixbahn 110 etc.) können unterschiedliche Grundkörper 100 durch Rotation der entsprechenden Helixbahn 110 um die Rotationssymmetrieachse 101 gebildet werden. Die 7 bis 16 zeigen schematisch verschiedene Ausgestaltungsvarianten der Helixbahn 110 und des daraus resultierenden Grundkörpers 100 oder Düsenkörpers 10 jeweils in einer Schnittansicht und einer perspektivischen Ansicht. In den 11 bis 16 ist nur ein Konturverlauf 103 der Form des jeweiligen Grundkörpers 100 dargestellt.
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So zeigt 7 einen Grundkörper 100, der an beiden Enden (in Fluidströmungsrichtung betrachtet) starke Erweiterungen aufweist. Hierfür ist nur ein kleiner Ausschnitt in Umdrehungsrichtung der Helixbahn 110 verwendet worden und die Drehachse 111 der Helixbahn 110 weist einen großen Winkel zur Rotationssymmetrieachse 101 oder einer Parallelachse 102 (in 7 nicht dargestellt) auf.
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Ebenfalls einen großen Winkel zwischen Drehachse 111 und Rotationssymmetrieachse 101 weist die Helixbahn 110 für den Grundkörper 100 aus 8 auf. Hier ist zudem ein bestimmter Ausschnitt aus der Helixbahn 110 gewählt worden, sodass nach einer kurzen Verjüngung eine langgezogene Aufweitung des Querschnitts des Grundkörpers 100 entsteht (in 8 von links nach rechts betrachtet).
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Wie auch bei 7 zeigt der Grundkörper 100 in 9 an beiden Enden starke Erweiterungen. Dies ist ebenfalls durch eine geringere Steigung der Helixbahn 110 und einen großen Winkel zwischen Drehachse 111 der Helixbahn 110 und Rotationssymmetrieachse 101 möglich.
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Die Variante des Grundkörpers 100 aus 10 ist der aus 8 recht ähnlich, wobei sich der Grundkörper 100 zu beiden Enden hin verjüngt und einen Kragen bildet.
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11 zeigt eine Variante des Grundkörpers 100, der eine glockenförmige Gestalt aufweist. Die Helixbahn 110 verläuft hier nahezu einmal vollständig um die Drehachse 111 herum und weist eine sehr große Steigung bei relativ geringem Radius auf.
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Eine kugelförmige Gestalt hat der Grundkörper 100 in 12, wobei der Winkel zwischen Drehachse 111 der Helixbahn 110 und Rotationssymmetrieachse 101 kleiner ausfällt als beispielsweise bei den Grundkörpern 100 aus den 9 bis 11.
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Die 13 und 14 verdeutlichen, wie anhand des Radius der Helixbahn 110 zwei Düsenkörper 100 geschaffen werden können, die trotz stark unterschiedlicher Radien (kleiner Radius in 13 und großer Radius in 14) relativ ähnliche Formen aufweisen. Selbstverständlich ist der Konturverlauf 103 bei dem Düsenkörper 100 in 14 stärker gebogen ausgeprägt als bei den diesen Körper 100 in 13.
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In 15 ist durch eine relativ geringe Steigung der Helixbahn 110 ein Grundkörper 100 erzeugt worden, der einen deutlich ausgeprägten, länglichen (nahezu linearen) Abschnitt aufweist.
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16 zeigt schließlich, wie eine deutlich ausgeprägte Venturi-Düse 100 gebildet werden kann. Zur Verdeutlichung des Verlaufs der Helixbahn 110 sind in 16 zwei Helixbahnen 110 eingezeichnet. Der Konturverlauf 103 verdeutlicht, dass die Düse 100 eine sehr enge Passage aufweist und anschließend auf den jeweiligen Seiten neben der engen Passage unterschiedlich stark ausgeprägte Erweiterungen des Grundkörpers 100 hat.
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17 zeigt Ablaufdiagramme beispielhafter Verfahren zum Herstellen eines Düsenkörpers 10. Zum einen kann gemäß einem ersten Verfahren in einem Schritt S1 ein rotationssymmetrischer Grundkörper 100 bereitgestellt werden. Der rotationssymmetrische Grundkörper 100 kann beispielsweise in Form eines metallenen oder keramischen Rotationskörpers bereitgestellt werden. Anschließend wird in einem Schritt S2 mindestens ein Kühlkanal 110 hergestellt. Der Kühlkanal 110 ist in oder an dem Grundkörper 100 angeordnet und weist eine Helixbahn mit konstantem, endlichem Radius und konstanter Steigung auf.
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Das Herstellen des mindestens einen Kühlkanals 110 in Schritt S2 kann beispielsweise mittels Erodierens des Kühlkanals durch das Material des Grundkörpers 100 erfolgen. Ebenso ist ein 3D-Druckverfahren möglich, bei dem der Grundkörper 110 schichtweise aufgebaut wird und Hohlräume für die Kühlkanäle 110 freigelassen werden. Auch kann eine Innenschale und/oder Außenschale mit der Form des Grundkörpers 100 bereitgestellt werden, wobei mindestens ein Kühlkanalrohr 110 auf die Innenschale und/oder innerhalb der Außenschale aufgebracht wird, beispielsweise eingedreht wird. Optional kann die Innenschale und/oder Außenschale mindestens eine Aufnahme (nicht dargestellt) zum Halten eines Kühlkanalrohrs 110 umfassen. Das Kühlkanalrohr 110 kann dabei in die Aufnahme eingefädelt und weiter eingedreht werden.
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In einem alternativen Herstellverfahren für einen Düsenkörper wird in einem ersten Schritt S11 eine Vielzahl von Kühlkanalrohren 110 bereitgestellt. Jedes Kühlkanalrohr 110 beschreibt eine Helixbahn mit konstantem, endlichem Radius und konstanter Steigung. In einem anschließenden Schritt S12 wird die Vielzahl von Kühlkanalrohren 110 um eine Rotationssymmetrieachse 101 angeordnet, wobei eine Drehachse 111 der Helixbahn windschief zu der Rotationssymmetrieachse 101 angeordnet werden kann. Danach kann ein Grundkörper 100 des Düsenkörpers 10 durch Verschließen von Zwischenräumen zwischen zwei benachbarten der Vielzahl von Kühlkanalrohren 110 hergestellt werden. Bei diesem Verschließen kann der Düsenkörper 10 innenseitig und/oder außenseitig eine durchgängige bündige Oberfläche erhalten. Wird der Düsenkörper 10 beispielsweise noch von außen mit anderen Materialien beschichtet, reicht ein innenseitiges Verschließen der Zwischenräume, während die Kühlkanalrohre 110 außenseitig weiterhin zumindest teilweise sichtbar und erhalten bleiben. Die Zwischenräume können auch durch Anbringen mindestens einer Innenschale und/oder mindestens einer Außenschale an der Vielzahl von Kühlkanalrohren 110 verschlossen werden. Hierbei kann die Innenschale und/oder die Außenschale an einer der Vielzahl von Kühlkanalrohren 110 zugewandten Seite eine Kontur zum zumindest teilweisen Aufnehmen der Vielzahl von Kühlkanalrohren 110 umfassen.
