DE1751938B1 - Verfahren zur Herstellung der Kuehlkanaele fuer Raketenbrennkammern mit konvergent-divergenter Schubduese - Google Patents

Description

1 2

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur kannten Herstellungsverfahren wirtschaftlich teuer

Herstellung der Kühlkanäle für Raketenbrennkam- sind.

mern mit konvergent-divergenter Schubdüse, die im Mit Rücksicht auf vorstehende Erwägungen und

Grundkörper der Baueinheit Brennkammer-Schub- Forderungen liegt der Erfindung die Aufgabe zudüse längsverlaufend eingearbeitet sind. 5 gründe, ein einfaches, kontinuierlich arbeitendes

Der Raketenbrennprozeß, bei dem zur Erlangung Verfahren zu schaffen, das im Rahmen der jeweils eines hohen Wirkungsgrades ein großes Druckver- vorliegenden Konstruktionsdimensionen die Herstelhältnis angestrebt wird, läuft unter extremen Tempe- lung verschiedener bzw. beliebiger Kühlkanalbreiten, raturen ab. Bei Flüssigkeitsraketentriebwerken ist es auch abschnittsweise, erlaubt, wobei die Kühlkanaldaher üblich, zur Kühlung der thermisch hoch- io breiten der einzelnen Abschnitte für sich durchbelasteten Brennkammer- und Schubdüsenwand messerproportional, jedoch untereinander dies nicht mindestens eine der am Brennprozeß beteiligten sind.

Treibstoffkomponenten am hinteren Ende der Schub- Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erdüse über einen Zulaufring in die innerhalb der findung so verfahren, daß zur Herstellung der Seiten-Brennkammer- und Schubdüsenwand in Längsrich- 15 wand der Kühlkanäle — über deren ganze Länge tung verlaufenden Kühlkanäle einzuleiten und durch oder abschnittsweise — der Grundkörper zunächst diese nach vorne zu führen, wo die Treibstoffkompo- mit seiner parallel zu einer der beiden Kanalseitennente bzw. das Kühlmittel in einem Ring gesammelt wände sich erstreckenden Radialebene in eine Werk- und dem Einspritzkopf der Brennkammer zugeführt zeugebene geschwenkt wird, die vor der Schwenkung wird. Die Kühlkanäle sind, wie eingangs bereits er- 20 mit der Kanalsymmetrie- bzw. Kanalteilungsebene wähnt, im sogenannten Brennkammer-Schubdüsen- identisch war, und daß dann das Werkzeug zur vorgrundkörper in Längsrichtung verlaufend angeordnet. genannten Radialebene bzw. Werkzeugebene in eine Dieser ist, wie die deutsche Auslegeschrift 1197 689 hierzu parallele Bearbeitungsebene verstellt wird, die zeigt, in bekannter Weise einstückig (massiv) ausge- mit der zu bearbeitenden einen Kanalseitenwand führt, wobei außen in die Brennkammerinnenwand- 25 zusammenfällt, worauf das Werkzeug durch Radialstruktur die Kühlkanäle eingefräst sind, deren Flan- vorschub in dem Grundkörper auf Kanaltiefe eingeken radial gerichtet sind, so daß die jeweilige Kühl- stellt und durch Längsvorschub die eine Seitenwand kanalbreite, über die gesamte Länge der Baueinheit des Kühlkanals erzeugt wird, und daß schließlich die betrachtet, dem jeweiligen Brennkammer- und Schub- Herstellung der anderen Kanalseitenwand spiegeldüsendurchmesser proportional ist. Diese Dirnen- 30 bildlich zur ersten Kanalseitenwand und analog ersionierung entspricht, wie aus nachstehenden Be- folgt.

trachtungen entnommen werden kann, jedoch nicht Die Erfindung stellt eine in der Praxis leicht andern tatsächlich bei Brennkammern und Schubdüsen wendbare Maßnahme dar, den abschnittsweise verabschnittsweise anfallenden und durch das Kühlmittel schiedenen thermischen Belastungen der Brennabzuführenden Wärmemengen. Die Abdeckung der 35 kammer-Schubdüse weitgehend insofern Rechnung Kühlkanäle erfolgt durch eine Außenwand, die auf zu tragen, als hierdurch auf herstellungstechnisch einverschiedene Art hergestellt sein kann. fache Weise eine in geometrischen und konstruktiven

Bekanntlich ist die Baueinheit Brennkammer- Grenzen variable Dimensionierung der Kühlkanäle, Schubdüse, über ihre Länge betrachtet, großen, in auch abschnittsweise, möglich ist. Dabei gewährleistet ihrer Stärke schwankenden und örtlich verschiedenen 40 das erfindungsgemäße Verfahren auch bei maximaler mechanischen und insbesondere thermischen Be- Breite der Kühlkanäle neben günstigeren Kühlkanallastungen unterworfen. Letztere erfordern, um den querschnitten noch eine günstigere Steggestaltung Wärmehaushalt der Baueinheit ausgeglichen zu ge- bzw. gleichmäßigere Stegbreite in radialer Richtung stalten bzw. eine mittlere Wandtemperatur über die mit verbreiterter äußerer Stegfläche, ganze Länge der Baueinheit aufrechtzuerhalten, auch 45 In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der eine differenzierte Wärmeabfuhr über die Länge ge- Erfindung dargestellt. Es zeigt sehen, wobei die lokal anfallende Wärme vom flüs- F i g. 1 den Grundkörper einer Brennkammer mit sigen Kühlmedium aufgenommen und weggetragen Schubdüse im Längsschnitt,

werden muß. Ein Mittel, um dies zu bewerkstelligen, Fig. 2, 2a, 2b sowie 3, 3a, 3b Schnitte nach

besteht darin, durch Variierung der Breite und Höhe 50 den Linien II-II und III-III gemäß F i g. 1 und

bzw. des örtlichen Querschnitts der Kühlkanäle die F i g. 4 und 5 die Bearbeitung eines Kühlkanales,

Geschwindigkeit der Kühlflüssigkeit zu verändern in der Draufsicht betrachtet.

und so die Wärmeabfuhr ebenfalls veränderlich zu Im Brennkammer-Schubdüsengrundkörper 1 sind halten. Dies ist bei z.B. aus einzelnen Segment- längsverlaufende Kühlkanäle 2 vorgesehen. Die Breite streifen zusammengesetzten Brennkammer-Schub- 55 der Kühlkanäle 2 wird neben geometrischen und düsengrundkörpern herstellungsmäßig einfacher zu konstruktiven Erfordernissen durch die Brennverwirklichen als bisher bei aus massivem Material kammerbelastung insbesondere in thermischer Hinbestellenden Grundkörpern. Bezüglich letzteren läßt sieht insofern bestimmt, als im Brennkammerbereich sich eine thermisch optimale Bemessung der Kühl- selber und vor allen Dingen im konvergenten Bereich kanäle in relativ einfacher Weise nur bei gegossenen 60 der Schubdüse die höchsten thermischen Belastungen Brennkammer-Schubdüsen durchführen. Aus Guß auftreten, die im divergenten Schubdüsenbereich abhergestellte Baueinheiten sind jedoch für Hoch- nehmen. Daher werden die Kühlkanäle 2 in den leistungsbrennkammern aus verschiedenen Gründen Bereichen »Brennkammer und konvergenter Schubungeeignet. Umgekehrt macht auch heute noch die düsenteil« relativ weniger breit, d. h. im Querschnitt Herausarbeitung von für die Brennkammer-Schub- 65 kleiner ausgeführt als im Bereich »divergenter Schubdüse »thermisch gerechten« Kühlkanälen aus mas- düsenteil«, um in den erstgenannten Bereichen eine siven Grundkörpern herstellungstechnisch große höhere Durchströmgeschwindigkeit und damit grö-Schwierigkeiten; ganz abgesehen davon, daß die be- ßere Wärmeabfuhr als im Bereich »divergenter

Schubdüsenteil« zu erhalten. Insbesondere aus geometrischen Gründen sind die Kühlkanäle 2 im Bereich des Düsenhalses am engsten ausgeführt. Es werden also mit Rücksicht auf geometrische Verhältnisse und thermische Belastungen die Kühlkanalbreiten abschnittsweise lokal bestimmt. Der Verlauf der Kühlkanalabschnitte ergibt sich dann auf die Weise, daß zu einer mittleren (auf halber Kanalhöhe gemessen) Kühlkanalbreite χ im Düsenhals und einer mittleren Kühlkanalbreitey (Fig. 2), die genau vor dem bzw. am Übergang zwischen dem zylindrischen Brennkammerteil und dem konvergenten Schubdüsenteil liegt, tangierende Verbindungsebenen Vl und V 2 gezogen werden, deren Schnitt- bzw. Scheitellinie 51, 2 außerhalb der zentralen Längsachse ZL der Brennkammer-Schubdüse fällt. In diesen Verbindungsebenen liegen dann die entsprechenden Seitenwände (Vl und V2) der Kühlkanäle, d. h. die Seitenwände fallen mit den Verbindungsebenen zusammen. Mit KT ist die Kanalsymmetrieebene bzw. ao Kanalteilungsebene bezeichnet. Durch Parallelverschiebung zu den beiden Verbindungsebenen Vl und V 2 werden die beiden zugeordneten Radialebenen R1 und R 2 ermittelt. Wie F i g. 2 a zeigt, wird zur Herstellung der Kühlkanäle 2 der Grundkörper 1 mit seiner Radialebene R1 in eine Werkzeugbezugsebene bzw. -ausgangsebene WB geschwenkt, die vor dem Schwenkvorgang mit der Kanalteilungsebene KT identisch war. Hierauf wird das Werkzeug W, ein Scheibenfräser, in die Verbindungsebene Vl in Pfeilrichtung h verstellt. Sodann kann mit dem Fräsen (der einen Kanalseitenwand Vl) begonnen werden, indem das Werkzeug W auf Kanaltiefe in den Grundkörper 1 eintaucht und, vom vorderen Brennkammerende beginnend (Position ä), bis zum Schubdüsenhals (Position b) die eine Kanalseitenwand aus dem Grundkörper 1 herausarbeitet. Analog hierzu (spiegelbildlich) erfolgt, wie F i g. 2 b zeigt, die Herstellung der anderen Kanalseitenwand (V2). Die Verstellung des Werkzeuges W erfolgt dabei in Pfeilrichtung /. Da das Werkzeug W gleich oder kleiner sein muß als die kleinste Kanalbreite x, ist es bei einer Breite ν größer als 2χ des Kanales 2 im Bereich der Brennkammer erforderlich, das zwischen den beiden Kanalseitenwandfräsungen stehengebliebene (mittlere) Restfeld durch einen dritten (und vierten) Arbeitsgang herauszuarbeiten.

Wie F i g. 3 erkennen läßt, ist die (mittlere) Kanalbreite ζ im Bereich des Schubdüsenendes aus bereits gesagten Gründen größer als die (mittlere) Kanalbreite y. Die Schnitt- bzw. Scheitellinie 53, 4 der beiden Verbindungsebenen V 3 und V 4 liegt nunmehr, vom Kanal 2 aus in radialer Richtung nach innen gesehen, vor der zentralen Längsachse ZL der Brennkammer-Schubdüse. Durch Parallelverschiebung der beiden Verbindungsebenen V 3 und V 4 erhält man wiederum die zugeordneten Radialebenen R 3 und R 4. (V3) und (V4) sind die entsprechenden, in die Verbindungsebenen V 3 und V 4 fallenden Seitenwände der Kühlkanäle. Beim Herstellen der Kanalseitenwand (V3) wird, wie in Fig. 3a veranschaulicht, die Radialebene V 3 deckungsgleich in die Werkzeugbezugsebene WB geschwenkt, worauf das Werkzeug W durch Parallelverschiebung in Pfeilrichtung / in die Verbindungsebene V3 gestellt wird. Dann erfolgt durch Eintauchen des Werkzeugs in den Grundkörper 1 auf Kanaltiefe das Fräsen der einen Kanalsei ten wand (V 3), und zwar vom Schubdüsenende (Position c) bis zum Düsenhals (Position d). Analog hierzu (spiegelbildlich) erfolgt, wie F i g. 3 b zeigt, die Herstellung der anderen Kanalseitenwand (V 4). Dadurch, daß vom Schubdüsenhals aus gesehen die Divergenz der Kühlkanäle in Richtung Schubdüsenende größer ist (steilerer Tangens) als in Richtung Brennkammer, ist es möglich, das Werkzeug W von der Brennkammer her über den Schubdüsenhals bzw. die Position b hinauslaufen zu lassen, da dort die Kühlkanalseitenwände (V3 und V4) im divergenten Schubdüsenbereich durch das Werkzeug W nicht verletzt werden. Bei der Bearbeitung der Kanalseitenwände (V 3 und V 4) im divergenten Bereich der Schubdüse ist darauf zu achten, daß das Werkzeug W nur so weit bis in den Düsenhals hineinläuft, daß die gegenüberliegenden Kanalseitenwände Vl und V 2 im konvergenten Schubdüsenbereich nicht verletzt werden, d. h. es ist, falls erforderlich, hier im Düsenhaisbereich ein sehr dünner (in bezug auf seine Breite) oder im Durchmesser sehr kleiner Fräser zu verwenden, der in der Position d die gegenüberliegende Kanalseitenwand (Vl bzw. V 2) noch nicht berührt.

Natürlich ist es möglich, die Kanalseitenwände brennkammerseitig und im Bereich des konvergenten Schubdüsenteiles in umgekehrter Richtung, also von Position b nach Position a, herauszuarbeiten; das gleiche gilt für den divergenten Schubdüsenbereich, wo auch eine Bearbeitung von Position d nach Position c möglich ist.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Herstellung der Kühlkanäle für Raketenbrennkammern mit konvergent-divergenter Schubdüse, die im Grundkörper der Baueinheit Brennkammer-Schubdüse längsverlaufend eingearbeitet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Seitenwand (Vl und V2 bzw. V3 und VA) der Kühlkanäle — über deren ganze Länge oder abschnittsweise — der Grundkörper (1) zunächst mit seiner parallel zu einer der beiden Kanalseitenwände (Vl bzw. V3) sich erstreckenden Radialebene (R 1 bzw. R 3) in eine Werkzeugebene (WB) geschwenkt wird, die vor der Schwenkung mit der Kanalsymmetrie- bzw. Kanalteilungsebene (KT) identisch war, und daß dann das Werkzeug (W) zur vorgenannten Radialebene (Rl bzw. R3) bzw. Werkzeugebene (WB) in eine hierzu parallele Bearbeitungsebene (in Richtung h bzw. /) verstellt wird, die mit der zu bearbeitenden einen Kanalseitenwand (Vl bzw. V3) zusammenfällt, worauf das Werkzeug (W) durch Radialvorschub in dem Grundkörper (1) auf Kanaltiefe eingestellt und durch Längsvorschub die eine Seitenwand (Vl bzw. V3) des Kühlkanals (2) erzeugt wird, und daß schließlich die Herstellung der anderen Kanalseitenwand (V2 bzw. V4) spiegelbildlich zur ersten Kanalseitenwand (V 1 bzw. V 3) und analog erfolgt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen Copy