DE1273907B

DE1273907B - Thermisch hochbeanspruchte Bauteile, wie Raketenbrennkammern, mit Schwitzkuehlung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE1273907B
Application number: DE1966B0089598
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Carl-Helmut Dederra; Dipl-Ing Just Soehlemann
Original assignee: Boelkow GmbH
Current assignee: Boelkow GmbH
Priority date: 1966-10-27
Filing date: 1966-10-27
Publication date: 1968-07-25

Description

Thermisch hochbeanspruchte Bauteile, wie Raketenbrennkammern, mit Schwitzkühlung und Verfahren zu deren Herstellung 1 Die Erfindung bezieht sich auf thermisch ganz oder teilweise hochbeanspruchte Bauteile, wie Raketenbrennkammern oder Nasen von Hochgeschwindigkeitsflugkörpern oder Hitzeschilde von Raumkapseln, bestehend aus einer durchlässigen, durch Schwitzkühlung geschützten Schicht an der thermisch hochbelasteten Stelle und einer von dieser Schicht durch Kühlkanäle oder mit Kühlmittel gefüllte Zwischenräume getrennten, jedoch mit ihr durch Stege verbundenen undurchlässigen Schicht.
Es ist bekannt, Raketenbrennkammern und Nasen von Hochgeschwindigkeitsflugkörpern zur Vermeidung unzulässiger Wandtemperaturen mit Schwitzkühlung zu versehen, wobei sich die Schwitzkühlung über die gesamte Innen- bzw. Außenfläche oder nur über die thermisch besonders hoch beanspruchten Zonen erstrecken kann (USA.-Patentschrift 3103 885 und Fachbuch: Raketenantriebe, S. 503 ff., 1961, Elsevier-Verlag, Amsterdamm/London von M.Barrere u. a.).
Es ist ferner bekannt, Behälter, Wärmetauscher, Reaktions- und Raketenbrennkammern in ihrer Ganzheit bzw. aus einem Stück für die Wärme-, Kälte-, Verfahrens- und Raketentechnik auf galvanoplastischem Wege mit dichten Wänden herzustellen. Dabei wird zunächst eine innere dichte Grundschicht galvanisch auf einen der Innenform entsprechenden Kern mit elektrisch leitender Oberfläche aufgetragen. Danach werden Streifen oder Profile mit dem gewünschten Kanalquerschnitt aus niedrig schmelzendem Material und mit elektrisch leitender Oberfläche aufgelegt. Anschließend wird die dichte Außenhaut galvanisch aufgetragen, und dann werden die Streifen oder Profile ausgeschmolzen (deutsche Patentschrift 611581 und Fachbuch: Liquid Rockets and Propellants, 1960, Bd. 2, S. 563 ff ., Academic Press Verlag New York/London, herausgegeben von L. E. B o 11 i n g e r u. a.). Weiter ist es bekannt, statt des Kerns mit aufgalvanisierter Grundschicht und aufgelegten Streifen oder Profilen ein entsprechend geformtes Guß- oder Schmiedeteil zu verwenden, in das die Kühlkanäle eingefräst oder eingegossen sind und auf das die Außenhaut galvanoplastisch dicht aufgetragen wird.
Bei all diesen Verfahren war es erforderlich, zur Anwendung der Schwitzkühlung eine Vielzahl kleiner und kleinster Löcher zu bohren, was herstellungstechnisch einen großen Aufwand bedeutet. Außerdem ist zwar die Verwendung von Sintermetall als durchlässige Schicht grundsätzlich bekannt (J. Krud c h i k, Die Gasturbine, S. 250, 2. Auflage, Springer-Verlag), scheitert aber einerseits bei größeren Brennkammern an Herstellungsschwierigkeiten, da beim Pressen der Sinterrohlinge Drücke von mehreren Mp/cm2 erforderlich sind, andererseits bei Hochleistungsbrennkammern mit den ihnen eigenen hohen Drücken von bis zu etwa 400 atü im Kühlkreislauf und bis. zu etwa 200 atü in der Brennkammer an den für den vorliegenden Fall ungenügenden Festigkeitseigenschaften des Sinterwerkstoffes, sowie an der Schwierigkeit, ihn mit den aus Gründen der Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit aus ungesintertem Werkstoff bestehenden Stegen der Kühlkanäle genügend fest zu verbinden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der obenerwähnten Nachteile eine durchlässige, für hochbeanspruchte Bauteile mit Schwitzkühlung geeignete Schicht und ein Verfahren zu deren Herstellung vorzuschlagen.
Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß die der thermischen Beanspruchung ausgesetzte durchlässige Schicht galvanoplastisch hergestellt ist.
Um hohen Festigkeitsansprüchen und der Forderung nach einer sicheren Verbindung zwischen der durchlässigen Schicht und der undurchlässigen Schicht sowie den diese Schichten verbindenden Stegen zu genügen, werden in Weiterverfolgung der Erfindung die durchlässige und die undurchlässige Schicht sowie die Stege galvanoplastisch mit unterschiedlicher Struktur hergestellt.
Zur Erzeugung der die Schwitzkühlung bewirkenden Schicht wird der Galvanisierprozeß so gesteuert, daß das Metall porös, d. h. mit schwammartiger Struktur gebildet wird. Durch Steuerung der Stromdichte kann die Abscheidungsgeschwindigkeit so verändert werden, daß in beliebiger Reihenfolee dichte und poröse (undurchlässige und durchlässige) Schichten gebildet werden, die fest aneinanderhaften, da sie fortlaufend im gleichen Prozeß »gewaschen« sind und kontinuierlich ineinander übergehen.
Die Vorteile der Erfindung bestehen vor allem darin, daß es möglich ist, thermisch hochbelastete Bauteile, auch solche sehr verwickelter Gestalt und beliebiger Größe, durch einen einzigen Prozeß mit durchlässigen und undurchlässigen Schichten in beliebiger Reihenfolge und mit Zwischenräumen für das Kühlmittel herzustellen, wobei sich die Porosität der durchlässigen Schicht je nach der thermischen Belastung in weiten Grenzen durch Steuerung des Herstellungsprozesses einstellen läßt. Dabei erreicht die durchlässige Schicht eine der undurchlässigen Schicht vergleichbare, relativ hohe Festigkeit.
In Ausführung der Erfindung erfolgt bei thermisch innenbelasteten Hohlkörpern, wie Raketenbrennkammern, die Herstellung dadurch, daß zuerst auf einen dem Innenraum der späteren Raketenbrennkammer in- seiner geometrischen Form entsprechenden Kern mit elektrisch leitender Oberfläche ganz oder zonenweise eine durchlässige Schicht galvanoplastisch aufgetragen wird. Anschließend werden die Kühlkanäle oder Zwischenräume, wie an sich bekannt, in Form von ausschmelzbarem Material beliebigen Querschnitts aufgelegt. Dann wird eine undurchlässige Schicht aufgalvanisiert und nachher -wie an sich ebenfalls bekannt - das die Kühlkanäle und Zwischenräume bildende Material ausgeschmolzen.
Die Herstellung thermisch außenbelasteter Bauteile, wie Nasen von Hochgeschwindigkeitsflugkörpern, erfolgt sinngemäß, indem bei der Herstellungsreihenfolge die durchlässige und die undurchlässige Schicht miteinander vertauscht werden, was das vorgeschlagene erfindungsgemäße Verfahren ohne weiteres gestattet.
Eine weitere Ausführungsmöglichkeit im Rahmen der Erfindung liegt darin, daß in einem einzigen Arbeitsgang fortlaufend nacheinander auf einem Kern mit elektrisch leitender Oberfläche eine durchlässige und eine undurchlässige Schicht galvanoplastisch aufgetragen werden, dann aus der undurchlässigen Schicht längsverlaufende, bis zur durchlässigen Schicht reichende Kühlkanäle oder Zwischenräume herausgearbeitet und diese anschließend mit einem nachträglich ausschmelzbaren Material ausgefüllt werden, worauf zur Abdeckung der Kühlkanäle oder Zwischenräume eine undurchlässige Schicht unlösbar galvanoplastisch auf die Stege der undurchlässigen Schicht aufgebracht und dann das die Kühlkanäle oder Zwischenräume ausfüllende Material in an sich bekannter Weise ausgeschmolzen wird. Durch die hierbei gegebene übergangslose Verbindung zwischen der durchlässigen und der undurchlässigen Schicht wird eine besonders hohe Trennfestigkeit erzielt.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauteils, nämlich eine Raketenbrennkammer mit anschließender Expansionsdüse, ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt F i g.1 einen Längsschnitt durch die Raketenbrennkammer mit Expansionsdüse und F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der F i g. 1.
Die Innenwand 1 der Raketenbrennkammer 2 und der Expansionsdüse 3 besteht im thermisch am höchsten -beanspruchten Bereich aus. einer Schicht 1-a durchlässigen Materials. Der übrige Teil 1 b der Innenwand 1 sowie eine äußere Schicht 4 sind galvanoplastisch undurchlässig hergestellt und bilden zusammen mit Stegen 5 in Längsrichtung verlaufende Kühlkanäle 6, die alle von einem Ringkanal 7 mit Kühlflüssigkeit gespeist werden. Der in den Kühlkanälen 6 herrschende überdruck bewirkt ein Durchtreten (Schwitzen) von Kühlflüssigkeit durch die durchlässige (poröse) Schicht la und damit das Zustandekommen der erwünschten Schwitzkühlung.
Als Werkstoff für nach diesem Verfahren hergestellte Teile können alle galvanoplastisch verarbeitbaren Metalle Verwendung finden. Da bei der Beurteilung der Werkstoffe deren Wärmeleitfähigkeit von großer Wichtigkeit ist, wird vorzugsweise Kupfer verwendet.

Claims

Patentansprüche: 1. Thermisch ganz oder teilweise hoch beanspruchte Bauteile, wie Raketenbrennkammern oder Nasen von Hochgeschwindigkeitsflugkörpern oder Hitzeschilde von Raumkapseln, mit einer durchlässigen, durch Schwitzkühlung geschützten Schicht an der thermisch hochbelasteten Stelle und einer von dieser Schicht durch Kühlkanäle oder mit Kühlmittel gefüllte Zwischenräume getrennten, jedoch mit ihr durch Stege verbundenen undurchlässigen Schicht, d a -durch gekennzeichnet, daß die durchlässige Schicht (1 a) galvanoplastisch porös hergestellt ist.
2. Thermisch hochbeanspruchte Bauteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durchlässige Schicht (la) und die undurchlässige Schicht (1 b) sowie die Stege (5) galvanoplastisch mit unterschiedlicher Struktur hergestellt sind.
3. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen nach Anspruch 2, die als thermisch innenbelastete Hohlkörper, z. B. als Raketenbrennkammern, ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst auf einen Kern mit elektrisch leitender Oberfläche ganz oder zonenweise eine durchlässige Schicht (1 a) galvanoplastisch aufgetragen wird, dann auf diese Schicht die Kühlkanäle (6) oder Zwischenräume in an sich bekannter Weise in Form von ausschmelzbarem Material aufgelegt werden, und daß anschließend eine undurchlässige Schicht (4) unlösbar galvanoplastisch auf die durchlässige Schicht (1 a) aufgebracht wird, worauf das die Kühlkanäle (6) oder Zwischenräume ausfüllende Material in an sich bekannter Weise ausgeschmolzen wird.
4. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen nach Anspruch 2, die als thermisch außenbelastete Hohlkörper oder Wände, z. B. als Nasen von Hochgeschwindigkeitsflugkörpem oder Hitzeschilde von Raumkapseln, ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst auf einen Kern mit elektrisch leitender Oberfläche eine undurchlässige Schicht galvanoplastisch aufgetragen wird, dann auf diese Schicht die Kühlkanäle oder Zwischenräume in an sich bekannter Weise in Form von ausschmelzbarem Material aufgelegt werden, und daß anschließend eine durchlässige Schicht unlösbar galvanoplastisch auf die undurchlässige Schicht aufgebracht wird, worauf das die Kühlkanäle und Zwischenräume ausfüllende Material in an sich bekannter Weise ausgeschmolzen wird.
5. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen nach Anspruch 2, die als thermisch innenbelastete Hohlkörper, z. B. als Raketenbrennkammern, ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet daß in einem einzigen Arbeitsgang fortlaufend nacheinander auf einem Kern mit elektrisch leitender Oberfläche eine durchlässige Schicht (1 a) und eine undurchlässige Schicht galvano- i plastisch aufgetragen werden, dann aus der undurchlässigen Schicht längsverlaufende, bis zur durchlässigen Schicht reichende Kühlkanäle (6) oder Zwischenräume herausgearbeitet und diese anschließend mit einem nachträglich ausschmelzbaren Material ausgefüllt werden, worauf zur Abdeckung der Kühlkanäle (6) oder Zwischenräume eine undurchlässige Schicht (4) unlösbar galvanoplastisch auf die Stege (5) der undurchlässigen Schicht aufgebracht und dann das die Kühlkanäle (6) oder Zwischenräume ausfüllende Material in an sich bekannter Weise ausgeschmolzen wird.
6. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen nach Anspruch 2, die als thermisch außenbelastete Hohlkörper oder Wände, z. B. Nasen von Hochgeschwindigkeitsflugkörpern oder Hitzeschilde von Raumkapseln, ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst auf einen Kern mit elektrisch leitender Oberfläche eine undurchlässige Schicht galvanoplastisch aufgetragen wird, in der anschließend Kühlkanäle oder Zwischenräume herausgearbeitet werden, die anschließend mit einem nachträglich ausschmelzbaren Material ausgefüllt werden, worauf zur Abdeckung der Kühlkanäle oder Zwischenräume eine durchlässige Schicht galvanoplastisch unlösbar auf die Stege der undurchlässigen Schicht aufgebracht und dann das die Kühlkanäle (6) oder Zwischenräume ausfüllende Material in an sich bekannter Weise ausgeschmolzen wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 611581; USA.-Patentschrift Nr. 3103 885; J. K r u s ch i k, »Die Gasturbine«, 2. Auflage, Springer-Verlag, Wien 1960, S. 250; M. B a r r e r e u. a., »Raketenantriebe«, Elsevier-Verlag, Amsterdam/London, 1961, S. 503/7; L. E. B o 11 i n g e r u. a., »Liquid Rockets and Propellants«, z. Band, Academic Press Verlag New Yorck/London 1960, S. 563.