DE1751180A1

DE1751180A1 - Ausbildung und Anordnung eines Zulaufringes oder Ablaufsammelringes fuer Schubduesen oder Brennkammern von Raketentriebwerken,insbesondere Fluessigkeitsraketentriebwerken

Info

Publication number: DE1751180A1
Application number: DE19681751180
Authority: DE
Inventors: Carl-Helmut Dipl-Ing Dederra; Leonhard Kaiser; Guenther Dr-Ing Schmidt; Armin Dipl-Ing Theiss
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1968-04-18
Filing date: 1968-04-18
Publication date: 1971-04-29
Also published as: US3890781A; US3729793A; FR2006438A1; GB1256129A

Description

Ausbildung und Anordnung eines Zulaufringes oder Ablaufsammelringes für Schubdüsen oder Brennkammern von Raketentriebwerken, insbesondere Flüssigkeitsraketentriebwerken

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ausbildung und An-. Ordnung des Zulaufringes oder AblaufsammelrInges für Schubdüsen und/oder Brennkammern von Raketentriebwerken, insbesondere Flüssigkeitsraketentriebwerken, zum Zuführen oder Sammeln einer zwischen der Innen- und Außenwand der aus

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einem verhältnismäßig weichen Werkstoff, wie Kupfer, hergestellten Schubdüse und/oder Brennkammer in einzelnen, durch Längsstege voneinander getrennten Kiihlkanäleri strömenden Treibstoffkomponente, deren Zustrom zu oder Abfluß von den Kühlkanälen über Öffnungen bzw. Bohrungen in der Schubdüsen- bzw. Brennkammeraußenwand erfolgt.

Bei Flüssigkeitsraketentriebwerken ist es, wie die USA-Patentschrift 2 968 918 zeigt, bekannt, den Zulaufring und den AbIaufsammeiring für eine der beiden Treibstoffkomponenten mit etwas mehr als halbkreisförmigem Querschnitt in radialer Richtung nach innen hin offen auszubilden und ihre Ringflansche an der Schubdüsen- bzw. Brennkammeraußenwand durch Schweißen zu befestigen. Die Verbindung zwischen dem Innenraum des Zulaufringes bzw. AblaufsammelrInges zu bzw. von den einzelnen, in der Schubdüsen- bzw.. Brennkammerwand verlaufenden Kühlkanälen erfolgt durch Bohrungen in der Schubdüsenaußenwand bzw. Brennkammeraußen-" wand.

Brennkammern und Schubdüsen von Flüssigkeitsraketentriebwerken sind neben hohen Druckbelastunge.i großen thermischen Beanspruchungen unterworfen. Zur Bewältigung der anfallenden großen Wärmemengen werden die Brennkammern und Schubdüsen vielfach aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt, da diese Werkstoffe eine hohe Wärmeleitfähigkeit

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aufweisen, wodurch die Wärmeabfuhr durch das Kühlmittel gesteigert wird. Auf der anderen Seite hat Kupfer insbesondere bei den auftretenden hohen Betriebstemperaturen eine verhältnismäßig geringe mechanische Festigkeit. Ein weiteres Problem bei der Konstruktion einer Brennkammer und Schubdüse liegt darin, daß bei Flüssigkeitsraketentriebwerken mit hoher spezifischer Leistung · nicht nur mit absolut hohen Drücken der Treibstoffkomponenten gearbeitet werden muß, sondern auch in ver- schiedeaen Bereichen der Brennkammer und Schubdüse große Druckdifferenzen vorherrschen. So besteht zwischen dem Druck der durch den Zulaufring geförderten Treibstoff komponente und dem geringen Druck der im Innenraum der Schubdüse strömenden Treibgase eine maximale Druckdifferenz, die im Bereich des Schubdüsenendes auf die Schubdüsenwand einwirkt und in dieser Einbeulungen verursachen kann. Eine Deformation an der fraglichen Stelle der Schubdüsenwand führt jedoch zum Aufreißen der Schweißverbindungen zwischen den Ringflanschen des Zulaufringes und I der Schubdüsenwand. Grundsätzlich die gleichen Probleme treten im Bereich des Ablaufsammelringes auf. Auch hier herrscht eine Druckdifferenz zwischen dem Brennkammerdruck und der abströmenden Treibstoffkomponente vor, deren Druck zumindest um den relativen Einspritzdruck den Brennkammerdruck übersteigt. Bei einem Treibstoff-

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system mit Rücklaufdüsen kommt zum vorgenannten Druck noch der erforderliche Druck zur Förderung der Düsenrücklaufmenge hinzu. Eine Reduzierung der jeweils auf die Brennkammer- und Schubdüsenwand lastenden Kräfte durch Verkleinerung der Querschnitte des Zulaufringes und des AbIaufsammelringes ist deswegen nicht möglich, weil zur Herabsetzung der Strömungswiderstände die gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels auf die einzelnen Kühlkanäle über den DUsenumfang einen ausreichenden Ringquerschnitt erfordert.

Der Erfindung liegt: die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Ausführungen zu vermeiden und eine auch bei extremen Betriebsbedingungen und unter Berücksichtigung einer aus einem verhältnismäßig weichem Werkstoff, wie Kupfer, hergestellten Brennkammer und Schubdüse zufriedenstellend arbeitende Ausbildung und Anordnung des Zulaufringes oder Ablaufsammelringes zu schaffen.

Zur Lösung der Aufgabe wird gemäß der. Erfindung vorgeschlagen, den aus einem Werkstoff hoher Festigkeit, wie Stahl, bestehenden Zulaufring oder Ablaufsammeiring über seinen ganzen Umfangsverlauf mit geschlossenem Querschnitt auszuführen und in seinem der Schubdüsen- bzw. Brennkammeraußenwand zugekehrten Wandteil öffnungen bzw. Bohrungen vorzusehen,

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die rait den in den vorgenannten Außenwänden befindlichen ■ Öffnungen bzw. Bohrungen korrespondieren.

Durch die Erfindung wird der generelle Vorteil erreicht, daß der Zulaufring bzw. AbIaufsammeiring durch seinen
geschlossenen Querschnitt nicht nur aus sich heraus im
Stande ist, die ihn von seinem Innenraum her belastenden Druckkräfte auf zunehmen-, sondern daß er auch für die aus einem verhältnismäßig weichen Werkstoff hergestellte Λ

Schubdüse und Brennkammer einen diese wirksam stützenden Festigkeitsverband darstellt.

In Ausgestaltung der Erfindung wird weiter vorgeschlagen, den Zulaufring bzw. AbIaufsammeiring in einen radial
inneren Ringteil und in einen radial äußeren Ringteil zu unterteilen. Dies ermöglicht einerseits, die Verbindungsbohrungen zu den einzelnen Schubdüsen- und Brennkammerkühlkanälen radial von außen zu bohren, und andererseits bildet diese Teilung eine Voraussetzung für den Vollzug folgender Erfiridungsmaßnahmen, die darin bestehen, die Verbindung zwischen der radial nach innen zeigenden Sitzfläche des radial inneren Ringteiles und der Außenfläche der Schubdüsenaußenwand bzw. der Brennkammeraußenwand durch Löten vorzunehmen unter gleichzeitigem Einsetzen von Verbindungsröhrchen in die im radial inneren Ringteil befindlichen Bohrungen und in die in derSchubdüsenaußenwand bzw. Brenn-

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kammeraußenwand vorgesehenen Bohrungen zur Überbrückung der gemeinsamen Lotfuge zwischen der Schubdüsen- bzw. Brennkammeraußenwand und dem radial inneren Ringteil,

In Ausgestaltung hierzu wird weiter vorgeschlagen, die Verbindungsröhrchen mit einem gewissen Spiel in den Bohrungen des radial inneren Ringteiles anzuordnen und mit ihren radial äußeren Enden mit diesem flüssigkeitsdicht κ. zu verbinden, z.B. zu verstemmen, und die radial inneren Enden der Verbindungsröhrchen in angesenkten Abstufungen der in der Schubdüsenaußenwand bzw. Brennkammeraußenwand vorgesehenen Bohrungen spielfrei einzupressen. Diese Maßnahmen bilden eine Garantie dafür, eine sichere, großflächige Lötverbindung zwischen dem inneren Ringteil und der Brennkammer- bzw. Schubdüsenaußenwand durch Einsatz von LotUberschuß zu erhalten, ohne dabei Gefahr zu laufen, daß durch das überschüssige Lot die Verbindungsbohrungen zwischen den einzelnen Kühlkanälen und dem Innenraum des Zulaufringes bzw. Ablaufsammelringes zumindest teilweise verstopft werden. Bei einer Herstellung der Außenwand der Schubdüse und/oder Brennkammer durch Aufgalvanisieren nach vorheriger Ausfüllung der Kühlkanäle mit einem leicht schmelzbaren Material kann die Auflötung des inneren Ringteiles des Zulaufringes bzw. Ablaufsammelringes erst nach Fertigung der Bohrungen in der Schubdüsen- bzw. Brennkammeraußenwand

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und nachheriger Aussehmelzung des Füllmaterials aus den Kühlkanälen vorgenommen werden, und zwar aus dem Grund, weil das leicht schmelzbare Füllmaterial beim Lötvorgang in den nach außen hermetisch abgeschlossenen Kühlkanälen verdampfen würde, was zu unkontrollierbaren Polgen führen könnte. Andererseits ist, wie bereits erwähnt, um über die ganze Auflagefläche des radial inneren Riagteiles auf der Schubdüsen- bzw. Brennkammeraußenwand eine ganzflächxge und sichere Lötverbindung zu erhalten, ein Löten mit Lot- . a Überschuß erforderlich. Das erfindungsgemäße Einsetzen der Verbindungsröhrchen in die fraglichen Bohrungen läßt durch ihre Garantie, daß kein Lot diese Bohrungen verstopfen kann, ein Löten mit Lotüberschuß zu.

Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand eines auf dem im Längsschnitt dargestellten Schubdüsenende angeordneten Zulaufringes.

Das aus einem relativ weichen, aber gut wärmeleitfähigen "

Werkstoff, wie Kupfer, hergestellte Schubdüsengehäuse besteht aus einer Schubdüseninnenwand 1 und einer Schubdüsenaußenwand 2, zwischen denen einzelne Kühlkanäle j5 in Längsrichtung verlaufen. Die Schubdüseninnenwand 1 stellt den Grundkörper der Baueinheit dar, aus dem, z. B. durch Fräsen, die durch Stege voneinander getrennten Kühlkanäle j5 heraus-

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gearbeitet werden. Diese werden vor dem Aufgalvanisieren der Außenwand 2 durch ein leicht schmelzbares Material ausgefüllt. Nach Aufgalvanisieren der Außenwand 2 werden hierin Bohrungen 4 eingearbeitet - für jeden Kühlkanal J> je zwei in längsrichtung hintereinander liegende - die in radialer Richtung nach außen hin durch angesenkte Abstufungen 5 in ihrem Durchmesser vergrößert werden. Dann wird das in den Kühlkanälen 3 befindliche Füllmaterial ausgeschmolzen. Der zur Verteilung einer gasförmigen oder insbesondere flüssigen Treibstoffkomponente axt die einzelnen Kühlkanäle j5 vorgesehene Zulaufring 6 ist zweiteilig ausgeführt und besteht aus einem radial inneren Ringteil 6a und einem radial äußeren Ririgteil 6b, an dem mehrere über den Umfang verteilte ZuIaufleitungen 7 angeschlossen sind. Beide Ringteile 6a und 6b bilden zusammen einen geschlossenen Querschnitt^ so daß der ZuI auf ring 6 in der Lage ist, seine innere Druckbelastung selbst aufzunehmen und dadurch das Gehäuse der Schubdüse nicht nur zu entlasten, sondern dasselbe wie durch eine Bandage festigkeitsmäßig zu verstärken.

Beim Montieren des Zulaufringes 6 auf dem fertiggestellten Gehäuse 1, 2 der Schubdüse wird zuerst nur der mit Bohrungen 9 versehene radial innere Ringteil 6a auf die Außenwand 2 geschoben, dann werden Verbindungsrohrche.ι 8 in die

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Bohrungen 9 des Ringteiles 6a und in die Abstufungen eingesetzt. Dabei werden die radial inneren Enden der VerbiadungärÖhrchen 8 in die Abstufungen 5 eingepreßt, während die radial äußeren Enden der Verbindungsröhrchen 8 mit dem Ringteil 6a an den radial äußeren Mündungen der Bohrungen 9 verstemmt werden, wobei ansonsten zwischen der Innenseite der Bohrungen 9 und dem Außenmantel der Verbindungsröhrchen 8 ein geringes Spiel verbleibt. Der Ringteil 6a weist an seiner hinteren Stirnseite eine Ringnut 10 auf, die mit einem Lotring 11 gefüllt wird, der dann, z.B. im Ofen, bis auf Schmelztemperatur erwärmt wird, wobei in die gemeinsame Trennfuge 12 zwischen der Sitzfläche des Ringteiles 6a und der Sitzfläche der Schubdüsenaußenwand 2 Lot durch Kapillarwirkung eindringt. Die Existenz und Anordnung der Verbindungsröhrchen 8 gibt mit Sicherheit eine Gewähr dafür, daß beim Lötvorgang kein Lot in die Bohrungen 4 und 9 eindringen kann; vielmehr kann überschüßiges Lot, und mit Lot-Überschuß muß gearbeitet werden, um eine sichere Gewähr .dafür zu haben, daß die gesamte Trennfuge 12 zur ganzflächigen festen Lotverbindung wird, in das verbleibende Spiel zwischen den Verbindungsröhrchen 8 und den Bohrungen 9 "abfließen". Beim Lötvorgang werden gleichzeitig die radial inneren Bnden der VerbindungsrÖhrahen 8 in die Abstufungen fest; miteiingelötet.

Patentansprüche: BAD OfUGlNAL

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Claims

Patentansprüche

1. Ausbildung und Anordnung des Zulaufringes oder AbIaufsammelringes für Schubdüsen und/oder Brennkammern von Raketentriebwerken, insbesondere Plussigkeitsraketentriebwerken, zum Zuführen oder Sammeln einer zwischen der Innen- und Außenwand der aus einem verhältnismäßig weichen Werkstoff, wie Kupfer, hergesteilte1 Schubdüse oder Brennkammer in einzelnen, durch Längsstege voneinander getrennten Kühlkaaälen strömenden Treibstoffkomponente, deren Zustrom zu oder Abfluß von den Kühlkaaälen über öffnungen bzw, Bohrungen in der Schubdüsen- bzw. Brennkammeraußenwand erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der aus einem Werkstoff hoher Festigkeit, wie Stahl, bestehende Zulaufring (6) oder Ablaufsammeiring über seinen ganzen Umfangsverlauf mit geschlossenem Querschnitt (0) ausgeführt ist und in seinem der Schubdüsenaußeiwand (2) bzw. Brennkarameraußenwand zugekehrten Wa»dteil öffnungen bzw. Bohrungen (9) vorgesehen sind, die mit den In den vorgenannten Außenwänden (2) befindlichen öffnungen bzw. Bohrungen (4) korrespondieren.

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2. Ausbildung des Zulaufringes oder AblaufsammelrInges nach Anspruch l_ß dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß derselbe in einen radial Inneren Ringteil (6a) /und in einen radial äußeren Ringteil (6b) unterteilt ist.

>. Ausbildung und Anordnung des Zulaufringes oder Ab- : laufsammelringes nach Anspruch 1 und 2, dadurch

gekennzeichnet , daß die Verbindung -

zwischen der radial nach innen zeigenden Sitzfläche des radial inneren Ringteiles (6a) und der Außenfläche der Schubdüsenaußenwand (2) oder der Brennkammeraußenwand durch Löten erfolgt, wobei in den im radial inneren Ringteil (6a) befindlichen . Bohrungen (9) und in den in der Schubdüsenaußenwand (2) bzw« Brennkammer außenwand vorgeseheaen Bohrungen (4) die gemeinsame Trennfuge (12) zwischen der Schubdüsenaußenwand (2) bzw. Brennkammeraußenwand und dem radial inneren Ringteil (6a) über- " brückende Verbindungsröhrchen (8) angeordnet sind.

4, Ausbildung und Anordnung des ZuIaufringes oder Ablauf Sammelringes nach Anspruch 1 bis ~5, dadurch ge k e η η ζ e i c h η e t , daß die Verbindungs- _; röhrchen (8) mit einem gewissen Spiel in den Bohrungen (9)

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des radial inneren Ringteiles (6a) angeordnet und mit ihren radial äußeren Enden mit diesem flüssigkeitsdicht verbunden, z.B. verstemmt, sind und daß die radial inneren Enden der Verbindungsröhrchen (8) in angesenkten Abstufungen (5) der in der Schubdüsenaußenwand (2) bzw. Brennkammeraußenwand vorgesehenen Bohrungen (4) spielfrei sitzen.

5. Ausbildung und Anordnung des Zulaufringes oder Ablaufsammelringes nach Anspruch ^ oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Kühlkanal (J>) jeweils zwei in Längsrichtung hintereinander angeordnete Bohrungen (4) in der Schubdüsenaußenwand (2) bzw. Brennkammeraußenwand sowie Bohrungen (9) im radial inneren Ringteil (6a) vorgesehen sind, --·'

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6. Verfahren zur Anordnung des Zulaufringes oder Ablaufs ammelringes nach Anspruch 1 bis 5* bei einer Schubdüse und/oder Brennkammer, deren Außenwand durch Aufgalvanisieren nach vorheriger Ausfüllung der Kühlkanäle mit einem leicht schmelzbaren Material hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß nachPertigen der Bohrungen (4)

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und Ansenken der Abstufungen (5) in der Schubdüsenaußenwand (2) bzw. Brennkammeraußenwand das Füllmaterial aus den Kühlkanälen O) ausgeschmolzen wird, daß nach Aufstecken des bereits mit Bohrungen (9) versehenen radial inneren Ringteiles (6a) auf die Schubdüsenaußenwand (2) bzw. Brennkammeraußenwand die Verbindungsröhrchen (8) in die Bohrungen (4, 9) eingesetzt und befestigt (in die Abstufungen 5 eingepreßt) werden, daß λ

dann der radial innere Ringteil (6a) auf die Schubdüsenaußenwand (2) bzw. Brennkammeraußenwand gelötet wird und daß schließlich die Befestigung des radial äußeren Ringteiles (6b) gegebenenfalls zusammen mit Zulauf leitungen (7) bzw. Ablaufleitungen erfolgt. -

ORIGINAL

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