DE1576597A1

DE1576597A1 - Aufschrumpf-Einspritz-Vorrichtung

Info

Publication number: DE1576597A1
Application number: DE19671576597
Authority: DE
Inventors: Macmunn James Lamont
Original assignee: North American Rockwell Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1966-10-04
Filing date: 1967-10-02
Publication date: 1970-06-04
Also published as: US3508712A; GB1168002A

Description

1578597

Dr.-Ing. HANS ZVSCUKZ

Dipi.-Ing. Hi^U AGULAR [2. Okt. 1967

S Müh 27iP;S2

S München

North American Rockwell Corporation 2jQ0 East Imperial Highway
Segundo, California, USA

Aufschrumpf - Iiinspritz - Vorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffeinspritzvorrichtung und insbesondere auf ihr an. e;"--;.igartigen Aufbau und eine Technik des Zusammenbaus der Einspritzvorrichtung aus zwei" Teilen.

Die verschiedenen Arten von Brennstoff- und Oxydierstoff-Einspritzvorrichtungen, wie sie zur Zeit insbesondere in der Raketenantriebstechnik: verwendet werden, werden wegen der Kosten und der au ihrem Zusammenbau notwendigen Zeit ständig teure?.· = Der Zusammenbau ist kompliziert infoige der zahlreichen Bestandteile, die miteinander nach genauesten Abmessungen miteinander verbunden werden müssen, vorrichtungen der üblichen Art werden durch S.i

schweissen oder Zusammenlöten ihrer Bestandteile zusammengebaut oder mit Hilfe von sehr teuren Verbindungselementen hoher Widerstandskraft. Wenn die Anzahl der erforderlichen Verbindungselemente oder Schweißverbindungen größer wird, ergibt sich eine entsprechende Vergrößerung des Risikos.» daß eine oder mehrere dieser Verbindungen defekt werden. Die Zeit, die durch die notwendige Qualitätskontrolle und Überprüfung verbraucht wird, ist übermässig hoch. Wenn Verbindungselemente verwendet werden, dann ergeben sich stets Möglichkeiten von Leckstellen. Druckstöße, die in Einspritzvorrichtungen z\< nicht vorhersehbaren Zeiten auftreten, wirken dahin, die Verbindungsstellen zum Platzen zu bringen, die irr'oh Sehv/eissen oder Löten hergestellt wurden. Als !Tr-"3bn:Ls kann ein Einspritz Vorrichtungsring oder ein :.; cerer Bestandteil "abgesprengt" werden, was verheerende Polgen mit sich bringt. Diese Bestandteile, die möglicherweise "abgesprengt" v/erden können, sind v/egen Bearbeitungsschwierigkeiten üblicherweise auf der Rückseite (entgegengesetzt der Einspritzvorrichtungsoberfläche) angeordnet, so daß zerstörende Wirkungen ausserhalb der Brennkammer verursacht v/erden. In einem solchen Falle kann das Fahrzeug selbst oder die Vorrichtung, die die Einspritsvorrichtung enthält, schwer beschädigt :,äer gar zerstört werden. Zusätzlich ist dt- Z.-^-tfj-Λ irreparabel, wenn einmal Bestandteile von übliche w JUn-spri ta vorrichtungen "abgesprengt" oder iii .'.;id rer Ar·-* und l/eise zerstört werden.

00982S/0255 bad

Die vorstehenden Nachteile von üblichen Einspritzvorrichtungen werden durch die vorliegende Erfindung vermieden, die benutzt werden kann, um eine Einspritzvorrichtung, die aus nur zwei Bestandteilen besteht, schnell und billig zusammenzubauen. Ueder Schweiß- noch Löttechniken oder Verbindungselemente irgendwelcher Art werden bei*:; Zusammenbau der Einspritzvorrichtung verwendet, so dai? auf diese Art und Weise sowohl die Kosten als auch die Hisiken von Defekten auf ein Minimum verringert werden.

Kur ^ beschrieben, umfaßt die vorliegende Erfindung eine einzigartige Einspritzvorrichtung mit nur zwei ."_.es tar.d teilen, die durch eine Auf schrumpf technik miteinander verbundin werden. Die οeiden Bestandteile sind eiu Hauptlic-rper, der aus einem Stück m;·. t einem kreisi".."rml^n oder Verdickungs-Verteilerteil ausgebildet ist, der sicu daraus erstreckt und ein iting. '..-enn die beiden Bestandteile sich auf liaumtemperatür „der der gleichen ■.C^.iperatur befinden, ist der innere Durchmesser des Ringes kleiner als dar Aussendurchmesser des Verdickungsteii.es. Vor dem Zusammenbau der Be&andteile wird der Hing erhitzt, bis sein Innendurchmesser sich ausdehnt, um mit seinem Innendurchmesser größer zu sein als der /.ussendurciii.iossfcr des Verdickungsttiles, zu welchem Zeitpunkt der Hing auf den Verdickungstcil aufgesetzt Viird. Danach viird der Ring durch Abkünlen aufgeschrumpft, ./as bewirkt, daß die beiden Bestandteile eng miteinander

verbunden werden.
BADORIQiNAL 009823/02BS

Um überiiiässiges Gewicht auszuschalten und dennoch die notv;endige Abdichtoberfläche zwischen d?n beiden Bestandteilen zu schaffen, wird ein kreisförmiger Ausschnitt im Hauptkörper vorgesehen, um ein Ende des Hinges aufzunehmen.

Ein Ziel der Erfindung ist, eine Linspritzverrichtung und eine Technik zum Zusammenbau einer aus zv/ei Bestandteilen besäenden Einspritzvorrichtung zu schaffen, bei der keine Schweißsteile oder Verbindungselemente notwendig sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden ins einzelne gehenden Beschreibung eines in der beigefügten schematisehen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels.

Fig. 1 ist eine Querschnittseitenansicht der Einspritzvorrichtung, wobei der Hauptkörper und der Verteilerring vollständig miteinander verbunden sind,

Fig. 2 ist eine vergrößerte QuerSchnittsansicht desjenigen Teiles des Hauptkörpers, der durch die Linie in Fig. 1 eingekreist ist.

Eine Ausführungsform einer Brennstoff-Einspritzvorrichtung, die nach der vorliegenden Erfindung zusammengebaut ist, ist in Fig. 1 gezeigt. Eine Einspritzvorrichtung 10 ist dargestellt, die benutzt werden kann, um Brennstoff in eine nur teilweise gezeigte Schubkammer Ip einzuführen. Die Einspritzvorrichtung 10 kann mit jeder

009823/0255 -

, geeigneten Art einer Verbrennungsmaschine verwendet werden, wie etwa bei einem Dieselmotor oder einem Raketenmotor

od. dgl.. ' Ί

Zu Zwecken der klareren Darstellung wird der Zusammenbau und der Aufbau der Einspritzvorrichtung 10 bei der Verwendung in einem ( nicht gezeigtan ) Raketenmotor erläutert. Ein kreisförmiger Scheibenkörper 12 weist eine herausragende kreisförmige Verdickung 3.4 auf, die, wenn die Einspritzvorrichtung 10 in Betrieb ist, nach vorne herausragt um leicht in die nicht gezeigte Verbrennungskammer des Raketenmotors hineinzuragen. Eine Oberfläche der Verdickung 14 stellt einen Teil der Einspritzvorrichtungsvorderfläche 16 dar, die mit einer ringförmigen schrägen Nut 17 ausgebildet ist. Ein Seitenwandteil 19 der Verdickung 14 hat eine ringförmige Nut 18, deren Funktion nachstehend beschrieben ist. In der Mitte des Scheibenkörpers 12 befindet sich ein Einlaß 20 durch den Treibstoff, wie etwa ein Oxydierstoff eingeführt wird. Eine Vielzahl von öffnungen 22 sind in der Bodenwand ausgebildet, die den Einlaß 20 bilden. Zwischen den Öffnungen 22 und der schrägen Nut 17- befindet sich eine Serie auseinanderlaufender Bohrlöcher, wie etwa 24 und 26, durch die Oxydierstoff zur Verbrennungskammer geführt wird.

In eng abdichtendem Verhältnis auf der Verdickung 14 befin*b sich ein Verteilerring 40 mit einer inneren Viand 42 und einer äußeren Wand 44. Auf der inneren V/and 42 befindet sich ß^pg ^ajpgefaste ringförmigste Nut 46,

die der ringförmigen Nut 18 gegenüberliegt. Die beiden Nuten zusammen bilden eine Verteilerkammer 47, Der Scheibenkörper 12 ist mit einem Brennst of feinlaß ;>0 versehen, der in Verbindung mi; der Kammer 47 steht. Zwischen der Kammer 47 und der schrägen Nut 17 befindet sich eine Serie von konvergierenden Bohrlöchern wie etwa 25 und 27. In einer gleichen Art und Weise befindet sich zwischen der Kammer 47 und der äußeren Wand 44 des Verteilerrings 40 eine "Serie divergierender Bohrlöcher wie etwa 48 und 49· Brennstoff, der durch den Brennstoffeinlaß J>0 zugeführt wird, wird durch die Bohrlöcher 25* 27, 48 und 49 in die Verbrennungskammer ausgestoßen.

Die Einspritzvorrichtung 10 ist so gebaut, daß sie für ein System aus zwei Brennstoffen verwendet werden kann, obwohl nach der Erfindung auch Einspritzvorrichtungen hergestellt werden können, die so gebaut sind, daß sie für Systeme geeignet sind,die mit nur einem Treibstoff arbeiten. Die Serie der Löcher, die durch die gebohrten Löcher 48 und 49 dargestellt werden, sind Grenzschicht-Kühlmittelöffnungen durch die Brennstoff zu Kühlzwecken auf die innere Oberfläche der Verbrennungskammer gesprüht wird. Dieses Kühlen könnte auch ohne irgendwelche Löcher in den Verteilerring 40 durch verschiedene andere Kühlsysteme erreicht werden, wie beispielsweise eine der zahlreichen wohlbekannten Regenerierungskühlanordnungen. Die Strö ie

009823AO255
- 6 -

von Treibstoff, die aus den benachbarten Bohrlöchern und 27 austreten, die zusammen eine Doppeldüse darstellen, treffen aufeinander auf und werden so zerstäubt und gemischt. Zusammen mit gleichartigen auftreffenden Treimittelströmen wird ein sich daraus ergebender, vorher bestimmter Sprühfächer entwickelt, der in die Verbrennungskammer eingeführt wird.

In Fig. 2 ist gezeigt, daß der Scheibenlaser einen ringförmigen Ausschnitt 50 hat, um ein Ende des Verteilerringes 40 aufzunehmen, wie das in Fig. 1 gezeigt ist. Die Seitenwand 19 weist eine äußere Abdichtoberfläche 52 und eine innere Abdichtoberfläche 34 auf. Wenn der ringförmige Ausschnitt 50 nicht vorhanden wäre, müßte die Verdickung 14 um die notwendige vorher bestimmte Abdichtoberfläche zur Verfügung zu stellen, weiter in die Verbrennungskammer hineinragen mit dem ungünstigen Ergebnis, daß zusätzlicher Raum eingenommen wird und eine Gewichtszunähme unvermeidlich ware. Der ringförmige Ausschnitt ^lj0 kann von genügender Tiefe sein, so daß die Verdickung«14 anstatt aus der Vorderfläche der Einspritzvorrichtung herauszuragen, mit ihr in einer Ebene liegen könnte.

Im Scheibenkörper 12 und von der Verdickung 14 versetzt befindet sich ein Führungsstift 55, der benutzt wird, um die Einspritzvorrichtung 10 richtig gegenüber der Verbrennungskammer einzustellen. Die öffnung

_ΒΑηΛη 009823/02S5

BADORlQiNAL - 7 -

wird verwendet, um den Druck in der Verbrennungskammer festzustellen. Die Aussenperipherie des Scheibenkörpers 12, die einen Flansch 52 darstellt, kann durch jedes beliebige geeignete Mittel befestigt werden, wie etwa Anschweissen oder Anschrauben an der Verbrennungskammer.

Bevor der Verteilerring 40 und der Scheibenkörper 12 als eine Einheit miteinander verbunden werden, um die Einspritzvorrichtung 10 zu bilden, wird jeder Teil durch Bearbeiten einzeln hergestellt. Das Bohren der verschiedenen Treibstoffeinfuhrlöcher kann verschoben werden, bis nachdem der Verteilerring 40 und der Scheibenkörper 12 zusammgebaut sind. Die Bestandteile können aus rostfreiem Stahl (521 Cres), Aluminiumlegierung (606I T-6) oder irgend einem anderen genormten Metall hergestellt werden, das sich zur Herstellung von Einspritzvorrichtungen eignet. Wenn rostfreier Stahl 321 Cres zur Herstellung des Verteilerringes 40 und auch des Scheibenkörpers 12 verwendet wird und wenn die Einspritzvorrichtung 10 verwendet werden soll, um einen Schub von 45 kg zu erzeugen, ist der Durchmesser der Verdickung ungefähr 25 mm. Die Schubeinheit könnte zur Verhaltenssteuerung oder zum Manövrieren eines Raumfahrzeuges verwendet werden. Bei Raumtemperatur und vor dem Zusammenbau ist der Aussendurchmesser der Verdickung 14 grosser als der Innendurchmesser des Ringes 40, und zwar um einen Wert in der Grössenordnung von 0,0508 bis 0,1016 mm. Der Ring 40

009821/^255

wird dann auf eine Temperatur zwischen 482° C und 537° C erhitzt, innerhalb welchem Temperaturbereiches der Innendurchmesser des Ringes 40 genügend erweitert wird, um grosser zu sein als der Aussendurchmesser der Verdickung Vorzugsweise erfolgt das Erhitzen durch ein Induktionserhitzungsverfahren, bei dem eine elektrische Spule um den Ring gewickelt und wieder entfernt wird, wenn die gewünschte Temperatur erreicht ist.

Der Ring 40 wird dann genau auf die Verdickung 14 aufgesetzt und es ergibt sich ein Passitz in der Grössenordnung von 0,0508 bis 0,1016 mm, wobei der Hauptkörper 12 auf Raumtemperatur gehalten wird, oder mindestens auf einer Temperatur, die wesentlich kühler ist als die des Ringes 40, Wenn die Bestandteile in dem gewünschten Zusammenbauverhältnis gehalten werden, wird der Ring 40 vorzugsweise durch Kühlen mit einem geeigneten Gas, wie etwa Luft, aufgeschrumpft. Ein enger Schrumpfsitz wird dann zwischen der Verdickung 14 und dem Verteilerring 40 erreicht. Zu diesem Zeitpunkt ist die Einspritzvorrichtung 10 selbst abgedichtet und alle möglichen Leckstellen sind blockiert.

Die Abdichtoberfläche, die von den Oberflächen 32 und 34 der Seitenwand I9 und der inneren Wand 42 des Ringes 40 gebildet wird, wird scharf zusammengeklemmt in einer Art und Weise, die genügt, um den voraussehbaren Drücken Wider·

0098 2f/ö2$5

stand zu leisten. Unter diesen Bedingungen werden die Ab-

dichtoberflächen mit 10,5^6 kg/cm Druck zusammengehalten und der normale Druck des einzuspritzenden Mediums beläuft sich auf 21,092 kg/om².

Obwohl der Abdichtdruck für die Einspritzvorrichtung 10 mit einem hohen Sicherheitsfaktor gewählt ist, ist es sehr wohl bekannt, dass unerwartet hohe Druckstösse in Einspritzvorrichtungen und ähnlichen Teilen auftreten können. Die von einem Druckstoss erzeugte Kraft genügt häufig, um einen Stöpsel oder einen anderen Bestandteil, wie etwa einen Ring, gleich dem Verteilerring 40 "abzusprengen". Bei üblichen Einspritzvorrichtungen, und wenn ein Ring abgesprengt wird, ergibt sich daraus eine permanente Zerstörung der mit hoher Kraft zusammengehaltenen Verbindungselemente oder ein permanentes Aufplatzen einer gelöteten oder geschweissten Verbindung. Wenn dies geschieht, fliesst Treibstoff durch die sich ergebenden Leckstellen und bewirkt mindestens eine sehr starke Brennstoffunstabilität und mit grosser Wahrscheinlichkeit noch verheerenderen Polgen. Wenn einmal eine Leckstelle entwickelt ist, kann sie nicht mehr geschlossen und die möglicherweise gefährliche Situation kann daher nicht mehr repariert werden,

Qernäss der Erfindung 1st die Einspritzvorrichtung 10 unter gewissen Umständen selbstkorrigierend, d.h. in der Lage,

009821

mögliche Gefahren, die sich aus sich entwickelnden Leckstellen ergeben, auszuschalten. Wenn beispielsweise ein grosser Druckstoss einen Teil des Verteilerringes 40 von der Wrdickung 14 trennt, fliesst Brennstoff durch die sich ergebenden Öffnungen und bewirkt eine Verbrennungsunstabilität. So lang jedoch die elastische Grenze des Materials, aus dem der Verteilerring 40 hergestellt ist, nicht überschritten wird, nimmt der Ring 40 keine permanente Verformung an. Nachdem der Druckstoss vorbei ist, zieht sich der Verteilerring 40 infolge der Elastizität des Materials in seine ursprüngliche Stellung zusammen und sitzt danach wieder eng auf der Verdickung 14. So wird der ursprüngliche Abdichtdruck wieder hergestellt und das normale Fliessen aus der Einspritzvorrichtung 10 geht weiter. Es ist daher darauf hinzuweisen, dass Leckstellen₅ die durch übermässige Druckstösse entwickelt werden, nur ein zeitweiliges, unregelmässiges Fliessen hervorrufen, so lange der Sprengdruck oder der Druck der Elastizitätsgrenze nicht erreicht wird..

Ein weiteres, vorteilhaftes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass die Einspritzvorrichtung 10 mit inneren Verteilungseinrichtungen versehen ist, d.h. die Verteilungsflächen liegen der Verbrennungskammer gegenüber, so dass wenn der Druckstoss der Einspritzvorrichtung 10 tiberschritten wird, der gesamte Schaden auf die Verbrennungskammer

beschränkt bleibt. Die Durchleckdurchgänge würden alle auf der Einspritzvorrichtungsoberflache¹16 der Einspritzvorrichtung 10 ausgebildet, so dass die ungesteuerte und zufällige Treibstoffabgabe in die Verbrennungskammer hinein erfolgt. Wenn daher ein Versagen überhaupt eintritt, dann ist dies wenigstens darauf beschränkt, die Verbrennung zu stören oder die Verbrennungskammer zu zerstören. Im Gegensatz dazu haben infolge der schwierigen Bearbeitungsprobleme die meisten üblichen Einspritzvorrichtungen ihre Verteilungseinrichtungen aussen, d.h. sie sind auf der Rückseite der Einspritzvorrichtung mit den Verteilungseinrichtungen versehen (der Seite, die der Verbrennungskammer nicht gegenüber liegt), so dass der Treibstoff in das Raumfahrzeug od. dgl. selbst eindringen kann und dort einen teureren Schaden oder vielleicht vollständige Zerstörung hervorruft. Infolge der Tatsache, dass die Einspritzvorrichtung 10 mit inneren Verteilungen versehen ist, sind keine möglichen Leckstellen vorhanden, die zu Stellen ausserhalb der Verbrennungskammer führen.

Die üblichen Einspritzvorrichtungen benötigen viel Zeit zu Inspektionszwecken und zur Überprüfung der Qualität. Die Einspritzvorrichtung 10 kann schnell und genau zunächst durch Abmessungsüberprüfung kontrolliert werden, um sicherzustellen, dass der richtige Raumunterschied zwischen der Verdickung 14 und dem Verteilerring 40 vorhanden ist, und

- 12 009823/025S

zweitens durch einen genormten hydrostatischen Test, um sicherzustellen, dass der Ring ^O in angemessener Art und Weise abgedichtet ist und dieser Ring 40 die Konstruktionsdrücke aushält. So wird zur Inspektion und Abnahme viel Zeit gespart, da die Einspritzvorrichtung 10 keine Verbindungsteile oder geschweisste oder gelötete Verbindungen aufweist.

Die vorstehenden besonderen Ausführungsformen und Beschreibungen der Erfindung sollen nur dazu dienen, sie zu illustrieren und nicht etwa, sie zu beschränken, wobei Umfang und Geist der Erfindung in den folgenden Ansprüchen zum Ausdruck gebracht sind.

009823/0255

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Mediumeinspritzvorrichtung mit einem Hauptkörper mit einem mit Verteilungseinrichtungen versehenen kreisförmigen Teil und einem Ring, dessen innerer Durchmesser, wenn der Ring und der Hauptkörper getrennt und bei gleicher Temperatur sind, kleiner ist als der Aussendurchmesser des kreisförmigen Teiles, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring erhitzt wird, bis er sich so ausgedehnt hat, dass sein Innendurchmesser grosser wird als der Aussendurchmesser des kreisförmigen Teiles, wonach der Ring auf den kreisförmigen Teil aufgesetzt wird und der Ring geschrumpft wird, um zu bewirken, dass er und der kreisförmige Teil eng abdichtend miteinander verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen durch eine Ihduktionserhitzungstechnik durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schrumpfen dadurch erreicht wird, dass der Ring durch Gas gekühlt wird.

4. Mediumeinspritzvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, das3 sie einen Scheibenkörper (12) aufweist, der einen

- 14 009823 /025 S

kreisförmig ausgebildeten Teil (14) aufweist, der als Verdickung herausragt, wobei der Scheibenkörper eine Vielzahl von öffnungen hat und die kreisförmige Verdickung eine ringförmige Nut (18) aufweist, wobei ein Verteilerring (40) auf die kreisförmige Verdickung in engem Abdichtverhältnis aufgeschrumpft ist und eine Verteilerkammer (47) vorgesehen ist, die einen Mediumdurchlass zwischen dem Ring und der ringförmigen Nut der kreisförmigen Verdickung bildet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheibenkörper (12) in der Nähe des kreisförmigen Abschnittes mit einem Teil versehen ist, der einen ringförmigen Ausschnitt (50) aufweist, in den ein Ende des Ringes eingeführt wird.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 oder 5* dadurch gekennzeichnet, dass die kreisförmige Verdickung auf der Seite des Hauptkörpers ausgebildet ist, die der Richtung gegenüberliegt, in der das Medium abgegeben werden soll.

7. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerring (40) mit auseinanderlaufenden Bohrlöchern(48) versehen ist, um Medium auf die Innenwand einer Verbrennungskammer zu Kühlsswecken zu leiten.

- 15 009823/0255

8. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Serie konvergierender Öffnungen (27) sich zwischen der ringförmigen Nut (18) und einer Oberfläche der kreisförmigen Verdickung erstreckt und eine Serie auseinanderlaufender Öffnungen (26) sich durch den kreisförmigen Teil erstrecken und neben den zusammenlaufenden Öffnungen enden, so dass Mediumströme, die durch die entsprechenden Öffnungen austreten, aufeinanderprallen.

- 16 009823/0255