DE2418840A1 - HEAT EXCHANGERS, IN PARTICULAR REGENERATIVELY COOLED COMBUSTION CHAMBERS FOR LIQUID ROCKET ENGINES AND THE PROCESS FOR THEIR PRODUCTION - Google Patents

HEAT EXCHANGERS, IN PARTICULAR REGENERATIVELY COOLED COMBUSTION CHAMBERS FOR LIQUID ROCKET ENGINES AND THE PROCESS FOR THEIR PRODUCTION

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DE2418840A1
DE2418840A1 DE19742418840 DE2418840A DE2418840A1 DE 2418840 A1 DE2418840 A1 DE 2418840A1 DE 19742418840 DE19742418840 DE 19742418840 DE 2418840 A DE2418840 A DE 2418840A DE 2418840 A1 DE2418840 A1 DE 2418840A1
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cooling channels
corrosion
aluminum
intermediate layer
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Willibald Dipl Chem Dr Wittich
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Airbus Defence and Space GmbH
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Messerschmitt Bolkow Blohm AG
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02KJET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/42Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using liquid or gaseous propellants
    • F02K9/60Constructional parts; Details not otherwise provided for
    • F02K9/62Combustion or thrust chambers
    • F02K9/64Combustion or thrust chambers having cooling arrangements

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Description

Wärmetauscher, insbesondere regenerativ gekühlte Brennkammern für Flüssigkeitsraketentriebwerke und Verfahren zu ihrer HerstellungHeat exchangers, in particular regeneratively cooled combustion chambers for liquid rocket engines and processes for their manufacture

Die Erfindung betrifft Wärmetauscher, insbesondere regenerativ gekühlte Brennkammern für Flüssigkeitsraketentriebwerke, bestehend aus einem einstückigen Grundkörper aus einem gut wärmeleitfähigen metallischen Werkstoff, insbesondere sauerstofffreiem Kupfer, mit durchlaufenden, von mindestens einer Kühlflüssigkeit, insbesondere mindestens einer Treibstoffkomponente durchströmbaren Kühlkanälen,The invention relates to heat exchangers, in particular regeneratively cooled combustion chambers for liquid rocket engines, consisting of a one-piece base body a highly thermally conductive metallic material, in particular oxygen-free copper, with running through, of at least one cooling liquid, in particular at least cooling channels through which a fuel component can flow,

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die durch eine Außenwand aus einer auf den Grundkörper aufgalvanisierten, verhältnismäßig dünnwandigen Zwischenschicht und einem verhältnismäßig dickwandigen auf die Zwischenschicht aufgalvanisierten Druckmantel aus einem metallischen Werkstoff hoher Festigkeit abgedeckt sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Wärmetauscher·which are galvanized onto the base body through an outer wall, relatively thin-walled intermediate layer and a relatively thick-walled one on the intermediate layer galvanized pressure jacket made of a metallic material of high strength are covered, as well as a method for the production of such heat exchangers

Bei Flüssigkeitsraketentriebwerken ist es üblich, zur Kühlung der Schubdüsen- und Brennkammerwand mindestens eine der am Brennprozeß beteiligten Treibstoffkomponenten am hinteren Ende der Schubdüse über einen Zulaufring in innerhalb der Schubdüsen- und Brennkammerwand längsgerichtete Kühlkanäle einzuleiten und durch diese nach vorn zu führen, wo die Treibstoffkomponente in einem Ring gesammelt und dem Ein— spritzkopf der Brennkammer zugeführt wird· Ein Raketentriebwerk stellt in brennverfahrenstechnischer Hinsicht und im Hinblick auf seine Konstruktion eine komplexe Maschine dar, die zahlreichen, einander vielfach konträren Anforderungen geniigen muß, die bei der Auslegung un<£ beim Bau des Triebwerks zu einem optimalen Ganzen koordiniert werden müssen. Per Raketenbrennprozeß, der unter extremen Temperaturen abläuft, erfordert zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades ein großes ffruckverhältnis. Da es bis heute keinen Werkstoff bzw« kein geeignetes Metall gibt, das ungeschützt den extrem hohen Brennfcainmertemperatüren standhalten könnte, muß dafiir. Sorge getragen werden, daß die anfallende Wärmemenge sehr rasch abgeführt wird.- Diese Aufgabe übernimmt das durchströmende Kühlmittel, das die mittlere Wandtemperatur der Brennkammer und Schubdüse in einem Bereich zu halten hat, in dem noch eine ausreichende Wandfestigkeit gewährleistet ist. Bei den bisher bekannten Konstruktionen wird jedoch aus technologischen und konstruktiven Gründen meist sehr bald die obere Festigkeitsgrenze in bezug auf Temperatur und Druck erreicht·In the case of liquid rocket engines, it is customary to use at least one of the am Fuel components involved in the combustion process at the rear end of the exhaust nozzle via an inlet ring in within the Introduce thrust nozzle and combustion chamber wall longitudinal cooling channels and lead through them to the front, where the Fuel component is collected in a ring and fed to the injection head of the combustion chamber · A rocket engine represents in terms of combustion technology and in In terms of its construction, it is a complex machine with numerous, often contradicting requirements must be sufficient, which must be coordinated in the design and construction of the engine to an optimal whole. The rocket burning process, which takes place at extreme temperatures, is required to achieve a high degree of efficiency a great pressure ratio. Since until today there is no material or no suitable metal that is extremely unprotected could withstand high furnace temperatures, must for this. Care must be taken that the amount of heat generated is dissipated very quickly. This task is taken over by the flowing through Coolant, which has to keep the mean wall temperature of the combustion chamber and exhaust nozzle in one area, in which sufficient wall strength is still guaranteed. In the previously known constructions, however, for technological and constructional reasons, the upper strength limit in relation to temperature usually very soon and pressure achieved

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So sind bei einstückig aus Stahl hergestellten Brennkammern mit eingegossenen oder sonstwie eingearbeiteten Kühlkanälen und einem diese abdeckenden aufgeschweißten Stahlaußenmantel (US-Patentschrift 3 154 914) einer den Wirkungsgrad des Brennprozesses steigernden Temperaturerhöhung deshalb verhältnismäßig enge Grenzen gesetzt, weil durch den auftretenden Wärmestau eine Überhitzung dieses Werkstoffes eintritt, dessen Warmfestigkeit mit steigenden Temperaturen rasch abnimmt. Combustion chambers made in one piece from steel have cast-in or otherwise incorporated cooling channels and a welded-on steel outer jacket covering this (US Pat. No. 3,154,914) which increases the efficiency of the Firing process increasing temperature increase therefore set relatively narrow limits because of the occurring Heat build-up an overheating of this material occurs, the heat resistance of which decreases rapidly with increasing temperatures.

Zur Beherrschung der sehr hohen Brennkammertemperaturen ist es ferner bereits bekannt, die Brennkammer mit Schubdüse aus einer Windung an Windung liegenden Kupferrohrschlange herzustellen und die einzelnen aneinanderliegenden Windungen durch Kupferschweißung oder Bronzelötung fest miteinander zu verbinden. Hierbei besteht jedoch erhebliche Gefahr, daß während des Betriebs der Brennkammer die zahlreichen, unmittelbar dem Feuer ausgesetzten Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Rohrwindungen thermisch überbeansprucht werden.To control the very high combustion chamber temperatures is It is also already known to produce the combustion chamber with a thrust nozzle from a coil of copper tubing lying one turn on one turn and the individual turns lying against one another firmly together by copper welding or bronze soldering connect to. However, there is a considerable risk that during the operation of the combustion chamber the numerous, directly Joints exposed to fire between the individual pipe windings are thermally overstressed.

Ferner ist auch ein Aufbau der Brennkaramerwand bekannt, bei dem zu einer "rohen" Wand zusammengesetzte Einzelelemente durch eine ein- oder beidseitig galvanoplastisch aufgetragene, verhältnismäßig dickwandige Schicht mechanisch fest und druckdicht verbunden sind. Dabei kann zur Aufnahme großer mechanischer Belastungen, wie sie bei Hochleistungsbrennkamraern auftreten, zusätzlich eine Armierung in Form eines aufgewickelten Stahlbandes vorgesehen sein (deutsche Auslegeschrift 1 264 160).Furthermore, a structure of the Brennkaramerwand is known the individual elements assembled to form a "raw" wall mechanically strong and mechanically strong by means of a relatively thick-walled layer which is electroformed on one or both sides are connected pressure-tight. It can be used to absorb large mechanical loads, as is the case with high-performance combustion cameras occur, reinforcement in the form of a rolled steel band must also be provided (German Auslegeschrift 1 264 160).

Schließlich sind auch Wärmetauscher bzw. Brennkammern der eingangs bezeichneten Art bekannt, bei denen der Grundkörper und die Zwischenschicht aus sauerstofffreiem Kupfer oder gleichwertigem Material, wie Silber oder Molybdän, bestehen (deutsche Patentschrift 1 751 691). Diese bekannten Brennkammern stellen gegenüber den anderen, vorstehend erörtertenFinally, heat exchangers or combustion chambers are also the initially referred to known, in which the base body and the intermediate layer made of oxygen-free copper or equivalent material such as silver or molybdenum exist (German patent specification 1 751 691). These known combustion chambers versus the others discussed above

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Brennkammern nach dem Stand der Technik einen erheblichen Fortschritt, ja sogar eine nahezu ideale Lösung dar. So ist bei diesen, im Gegensatz zu anderen bekannten Brennkammern, insbesondere dann, wenn die Zwischenschicht aus dem gleichen · Werkstoff wie der Grundkörper besteht, überall zwischen den radial nach außen zeigenden Flächen der einzelnen Stege und der Innenseite der Zwischenschicht eine sichere Verbindung gewährleistet. Außerdem ist durch diese Maßnahme - vom Material her und über den ganzen Kühlkanalquerschnitt eine intensive Wärmeübertragung auf das durchströmende Kühlmittel gegeben. Ferner garantiert der die Zwischenschicht absolut formschlüssig einhüllende und mit dieser an allen Punkten festhaftend verbundene Druckmantel, der aus Nickel oder einem ähnlichen Werkstoff mit hoher Festigkeit bestehen soll, eine satte Abstützung dieser Zwischenschicht und damit deren reißsichere Verbindung mit den Stegen des Grundkörpers.Combustion chambers according to the state of the art represent a considerable advance, even an almost ideal solution. In these, in contrast to other known combustion chambers, especially when the intermediate layer is made of the same material as the base body, there is radial everywhere between the combustion chambers Outward-facing surfaces of the individual webs and the inside of the intermediate layer ensures a secure connection. In addition, this measure results in an intensive heat transfer to the coolant flowing through the material and over the entire cross-section of the cooling duct. Furthermore, the pressure jacket, which envelops the intermediate layer in an absolutely form-fitting manner and is firmly bonded to it at all points, which should be made of nickel or a similar material with high strength, guarantees a solid support of this intermediate layer and thus its tear-proof connection with the webs of the base body.

Ferner ermöglicht die galvanische Herstellung des Druckman— tels auf einfache Weise eine genaue Variierung der Schichtstarke über die Länge der Baueinheit betrachtet, so daß die Festigkeit derselben optimierbar ist und das Baugewicht auf ein Minimum reduziert werden kann. Weiterhin ermöglicht das Galvanisieren des Druckmantels eine günstige konstruktive Einbeziehung von Anschlußstücken für Treibstoffleitungen und Armaturen·Furthermore, the galvanic production of the printing man- a precise variation of the layer thickness in a simple manner Considered over the length of the structural unit, so that the Strength of the same can be optimized and the structural weight can be reduced to a minimum. Furthermore, this enables Electroplating the pressure jacket a favorable structural inclusion of connectors for fuel lines and fittings

Durch die schlechtere Wärmeleitfähigkeit des in der Regel aus Nickel bestehenden Druckraantels weist dieser eine verhältnismäßig niedrige Außentemperatur auf, was sich für die Zelle eines Luft- oder Raumfahrzeuges günstig auswirkt. Schließlich bringt die fragliche Verbundbauweise infolge des kleineren Ausdehnungskoeffizienten des Außenmantels bzw. des Druckmantels, wenn dieser aus Nickel besteht, gegenüber einer ganz aus Kupfer bestehenden Baueinheit eine Verringerung der Spannungen unter WeltraumbedingungenDue to the poor thermal conductivity of the pressure frame, which is usually made of nickel, it has a relatively low outside temperature, which has a beneficial effect on the airframe of an aircraft or spacecraft. Finally, as a result of the smaller expansion coefficient of the outer jacket or the pressure jacket, if this is made of nickel, the composite construction in question brings about a reduction in the stresses under space conditions compared to a structural unit made entirely of copper

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mit sich, und zwar deswegen, weil sich dabei die Dehnung des aus Kupfer bestehenden Grundkörpers samt der Zwischenschicht durch die Wärmebelastung von innen und die Kontraktion des aus Nickel oder einem gleichwertigen Material hergestellten Außenmantels durch die tiefen Umgebungstemperaturen gegeneinander.addieren·with itself, namely because the expansion of the base body, which consists of copper, together with the intermediate layer due to the heat load from within and the contraction of the nickel or equivalent material produced outer jacket due to the low ambient temperatures add up against each other.

Außer Vorteilen weisen diese bekannten Brennkammern jedoch auch eine nachteilige Eigenschaft auf, nämlich die verhältnismäßig geringe Korrosionsbeständigkeit der für den Grundkörper und die Zwischenschicht verwendbaren Materialien, wodurch zwar ihre Brauchbarkeit in mit kryogenen Treibstoffen betriebenen Flüssigkeitsraketentriebwerken nicht im geringsten beeinträchtigt, ihr Einsatz in mit sogenannten lagerungsfähigen flüssigen Treibstoffen betriebenen Raketentriebwerken wegen der starken Korrosivität der dabei verwendeten Oxydatoren, wie rote rauchende Salpetersäure und N2°4* aber unmöglich wird·In addition to advantages, these known combustion chambers also have a disadvantageous property, namely the relatively low corrosion resistance of the materials that can be used for the base body and the intermediate layer, which does not affect their usability in liquid rocket engines operated with cryogenic fuels in the slightest, their use in so-called storable liquids Fuel-powered rocket engines because of the strong corrosiveness of the oxidizers used, such as red fuming nitric acid and N 2 ° 4 * but becomes impossible

Da mit lagerungsbeständigen flüssigen Treibstoffen betriebene Raketen wegen ihrer schnellen Einsatzbereitschaft mit kryogenen Treibstoffen betriebenen Flüssigkeitsraketen auf allen Anwendungsgebieten, bei denen der StartZeitpunkt im Regelfall nicht längere Zeit im voraus festgelegt werden kann, grundsätzlich überlegen sind, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Wärmetauscher der eingangs bezeichneten Art zur Verfügung zu stellen, die nicht nur die gegenüber anderen Brennkammern vorteilhaften Eigenschaften von Brennkammern dieses Typs in vollem Ausmaß, sondern darüberhinaus auch Kühlkanäle besitzen, die gegen alle bekannten Oxydatoren flüssiger lagerungsfähiger Raketentreibstoffsysteme, insbesondere gegen NpO4 un<* rauchende Salpetersäure, korrosionsbeständig (die Angabe "korrosionsbeständig" wird nachfolgend stets in dem vorstehend definierten Sinne gebraucht) und damit auch in Flüssigkeitsraketentriebwerken für ,lagerungsbeständige Treibstoffe einsetzbar sind* Since rockets operated with storage-stable liquid fuels are fundamentally superior to liquid rockets operated with cryogenic fuels due to their rapid readiness for use in all areas of application in which the start time cannot usually be determined in advance, the invention is based on the object of providing heat exchangers to those mentioned at the beginning Kind to provide that not only have the advantageous properties of combustion chambers of this type compared to other combustion chambers, but also have cooling channels that are corrosion-resistant to all known oxidizers of liquid rocket fuel systems that can be stored, in particular to NpO 4 un <* fuming nitric acid ( the term "corrosion-resistant" is always used in the sense defined above) and can therefore also be used in liquid rocket engines for storage-resistant fuels *

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. . 2418340. . 2418340

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Wärmetauscher der eingangs bezeichneten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet sind, daß die im Grundkörper liegenden Wände der Kühlkanäle mit galvanisch abgeschiedenen, mindestens etwa 4 pm starken Korrosionsschutzschichten aus Aluminium überzogen sind oder aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff, insbesondere korrosionsbeständigem Stahl bestehen und die Zwischenschicht aus gegebenenfalls kaltverforraungs- und/oder dispersionsgehärtetem Aluminium besteht und mindestens etwa 8 jura stark ist.This object is achieved according to the invention by heat exchangers of the type mentioned at the outset, which are characterized in that the walls of the cooling channels located in the base body are coated with galvanically deposited, at least about 4 μm thick corrosion protection layers made of aluminum or are made of a corrosion-resistant material, in particular corrosion-resistant steel and the intermediate layer consists of optionally cold-deformed and / or dispersion-hardened aluminum and is at least about 8 years thick.

Diese Lösung der der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, die auf dem an sich unbestreitbar naheliegenden, jedoch nur scheinbar einfach in die Praxis umzusetzenden Gedanken beruht, Wärmetauscher der eingangs bezeichneten Art dadurch so abzuwandeln, daß durch die Kühlkanäle beliebige Oxydatoren bekannter, flüssiger, lagerungsbeständiger Treibstoffsysteme geleitet werden können, daß man die Kühlkanalwände allseitig mit einer dünnen Korrosionsschutzschicht aus einem gut wärmeleitenden, korrosionsbeständigen Material überzieht, konnte nur unter erheblichen Schwierigkeiten und aufgrund folgender überraschender Erkenntnisse praktisch verwirklicht werden:This solution to the problem underlying the invention, the on the undeniably obvious, but only seemingly easy to put into practice idea is based on modifying heat exchangers of the type described at the outset in such a way that any oxidizers through the cooling channels known, liquid, storage-stable fuel systems can be passed that you have the cooling channel walls on all sides covered with a thin anti-corrosion layer made of a highly thermally conductive, corrosion-resistant material, could only be put into practice with considerable difficulty and due to the following surprising findings will:

1) Aluminium, das sich aus aprotischen, wasser- und sauerstoff freien, insbesondere Alurainiumorganyle enthaltenden Bädern galvanisch abscheiden läßt, bildet dabei Schichten, die nicht nur festhaftend, sondern auch den bei den Wärmetauschern der Erfindung auftretenden thermischen und mechanischen Belastungen gewachsen und zudem bereits bei verhältnismäßig geringer Stärke von etwa 4 pn so korrosionsbeständig sind, daß sie ausreichenden Schutz gegen den Angriff von Oxydatoren aller der gebräuchlichen lagerungsbeständigen Flüssigkeitsraketentreibstoff systeme bieten. 1) Aluminum, which is made up of aprotic, water- and oxygen-free, in particular those containing alurainium organyls Can be electrodeposited baths, forms layers that are not only firmly adhering, but also with the Heat exchangers of the invention grown thermal and mechanical loads and also already at a relatively low strength of about 4 pn so Are corrosion resistant that they provide adequate protection against the attack of oxidizers of all the common ones provide storage-stable liquid rocket propellant systems.

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2) Wenn man als Füllmasse zum Ausfüllen, der Kühlkanäle niedrigschmelzende Metallegierungen verwendet, so kann man die außenwandseitige Oberfläche der vorgefertigten Grundkörper mit galvanisch aluminierten und dann mit Füllmasse ausgefüllten Kühlkanälen nach an sich, ζ·Β· aus "Werkstofftechnik" 1972, Heft 9 und 10 bekannten Methoden so vorbehandeln und dann galvanisch aluminieren, daß man festhaftende, geschlossene und korrosionsbeständige Zwischenschichten erhält, die in der Regel auch über eine ausreichende Festigkeit verfügen, um eine ausreichende Reiß- bzw. Bruchsicherheit der Wärmetauscher an den Verbindungsstellen zwischen der Außenwand und den Stegen des Grundkörpers zu gewährleisten·2) If you use a filling compound for filling, the cooling channels If low-melting metal alloys are used, the outer wall-side surface of the prefabricated Base body with galvanically aluminized cooling channels then filled with filler material, ζ · Β · from "Material Technology" 1972, Issues 9 and 10 known Pretreat methods and then galvanically aluminize them in such a way that they are firmly adhering, closed and corrosion-resistant Interlayers are given, which usually also have sufficient strength to a Sufficient tear or break resistance of the heat exchanger at the connection points between the outer wall and the To ensure webs of the base body

Eine bevorzugte Ausführungsforra der Erfindung mit besonders hoher mechanischer Festigkeit stellen Wärmetauscher mit Zwischenschichten aus galvanisch abgeschiedenem dispersions— und/oder kaltverformungsgehärtetem Aluminium dar·A preferred embodiment of the invention with particularly high mechanical strength are provided by heat exchangers with intermediate layers of electrodeposited dispersion- and / or cold deformation hardened aluminum

Die Kaltverformungshärtung der Zwischenschichten kann durch Kugelstrahlen nach oder während der galvanischen Abscheidung bewirkt werden.The cold deformation hardening of the intermediate layers can be carried out by Shot peening can be effected after or during the electrodeposition.

Durch die Verwendung entsprechender Dispersoide kann man auch Zwischenschichten aus einem dispersionsgehärteten Aluminium herstellen, das durch eine geeignete Wärmebehandlung in eine Aluminiumlegierung mit besseren mechanischen Gütewerten und insbesondere höherer Warmfestigkeit als Reinstaluminium umgewandelt wird· Als Dispersoid eignen sich für diese Ausführungsform der Erfindung insbesondere Kupfer, Nickel und Silicium.By using appropriate dispersoids, intermediate layers can also be made of a dispersion-hardened one Manufacture aluminum, which by a suitable heat treatment in an aluminum alloy with better mechanical Quality values and especially higher heat resistance than pure aluminum is converted · As a dispersoid are suitable for this embodiment of the invention in particular copper, nickel and silicon.

Gegenüber Zwischenschichten sowie gegebenenfalls Korrosionsschutzschichten aus Gold oder anderen korrosionsbeständigen Edelmetallen, die Gegenstand zweier gleichzeitig eingereichter Patentanmeldungen sind, bieten die die Erfindung kenn—Compared to intermediate layers and, if necessary, anti-corrosion layers made of gold or other corrosion-resistant Precious metals, which are the subject of two patent applications filed at the same time, offer the invention

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zeichnenden Zwischen- sowie Korrosionsschutzschichten bei gleich befriedigender Korrosionsbeständigkeit den Vorteil, nicht nur aus einem billigeren Werkstoff zu bestehen, sondern auch, daß sich fehlstellenfreie gut haftende Zwischenschichten auf Grundkörpern mit Korrosionsschutzschichten auch dann ohne weiteres abscheiden lassen, wenn die Stege nicht mindestens 5 μια tief hinterätzt sind·Intermediate and anti-corrosion layers with equally satisfactory corrosion resistance have the advantage of not only being made of a cheaper material, but also that flawless, well-adhering intermediate layers can easily be deposited on base bodies with anti-corrosion layers even if the webs are not etched back at least 5 μια deep are·

Besonders bevorzugt sind erfindungsgemäße Wärmetauscher mit mehrlagigen Zwischenschichten, deren grundkörperseitig erste Lage aus Aluminium besteht, wobei die darauffolgende zweite Lage vorzugsweise aus Zink oder Kupfer oder Gold und die nächste Lage wiederum aus Aluminium besteht usw.Particularly preferred are heat exchangers according to the invention with multilayer intermediate layers, the base body side of which is first Layer consists of aluminum, the subsequent second layer preferably made of zinc or copper or gold and the the next layer is made of aluminum, etc.

Zum Aktivieren von Aluminiumoberflächen werden erfindungs— gemäß bevorzugt für diesen Zweck an sich bekannte Zinkat— beizen verwendet·To activate aluminum surfaces, invention according to zincate pickles known per se preferably used for this purpose ·

Die Zwischenschichten der Wärmetauscher der Erfindung sind vorzugsweise etwa 12 bis 240 pm stark·The intermediate layers of the heat exchangers of the invention are preferably about 12 to 240 μm thick.

Der Druckmantel besteht bei erfindungsgemäßen Wärmetauschern vorzugsweise aus Kupfer, Nickel, einer Nickel-Kobalt-Legie— rung oder einem gleichwertigen, galvanisch abscheidbaren Material· Kupfer bietet dabei außer seiner ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit insbesondere den Vorteil, daß es sich leicht und gut haftend ohne weiteres in dicken Schichten auf den Zwischenschichten abscheiden läßt. Nickel und Nickel-Kobalt-Legierungen sind als Druckmantelmaterial insbesondere deswegen besonders vorteilhaft, weil Druckmäntel aus diesen Werkstoffen einerseits eine gewisse Wärmeschildwirkung besitzen, die insbesondere bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Wärmetauscher in Raketentriebwerken von Vorteil ist, und andererseits nicht nur eine verhältnismäßig hohe Festigkeit, sondern auch einen geringeren.Wärme—In the case of heat exchangers according to the invention, the pressure jacket preferably consists of copper, nickel, a nickel-cobalt alloy. tion or an equivalent, electrodepositable material · In addition to its excellent properties, copper offers Thermal conductivity in particular has the advantage that it easily and well adheres easily in thick layers can be deposited on the intermediate layers. Nickel and nickel-cobalt alloys are used as the pressure jacket material in particular because of the fact that pressure jackets made of these materials have a certain heat shield effect on the one hand, which is particularly important during use the heat exchanger according to the invention in rocket engines is advantageous, and on the other hand not just a relatively high strength, but also a lower heat.

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dehnungskoeffizienten als das Material des Grundkörpers, z.B. Kupfer, besitzen, so daß, wenn sich der Wärmetauscher im Einsatz erhitzt und der Grundkörper sich dabei stärker als der Druckmantel ausdehnt, dabei eine besonders satte und feste Abstützung des Grundkörpers gegen den Druckraantel erreicht wird, wodurch die aus der hohen Druckdifferenz zwischen den durch die Kühlkanäle fließenden Treibstoffkomponenten und dem insbesondere im hinteren Teil verhältnismäßig geringen Druck im Inneren der Raketenbrennkammer resultierende Zugbeanspruchung der Zwischenschicht im Bereich zwischen den Stegen und dem Druckmantel erheblich verringert und in der Regel sogar weit überkompensiert wird· Ein weiterer Vorteil der durch Druckmäntel erzielt wird, deren Wärmedehnungskoeffizient kleiner als derjenige des Grund— körpers ist, ist darin zu sehen, daß beim Erhitzen des Wärmetauschers die zwischen dem Druckraantel und den Oberseiten der Stege des Grundkörpers liegenden Teile der Zwischenschicht einer hohen Druckbeanspruchung ausgesetzt werden, wodurch eventuell vorhandene Fehlstellen bzw. Poren an den Nahtstellen zwischen den Korrosionsschutzschichten und der Zwischenschicht zugequetscht werden·have expansion coefficients than the material of the base body, e.g. copper, so that when the heat exchanger heated during use and the base body expands more than the pressure jacket, which is a particularly full one and firm support of the base body against the Druckraantel is achieved, whereby the high pressure difference between relative to the fuel components flowing through the cooling channels and in particular in the rear part low pressure inside the rocket combustion chamber resulting tensile stress on the intermediate layer in the area between the webs and the pressure jacket is significantly reduced and usually even far overcompensated · A Another advantage that is achieved by pressure jackets whose thermal expansion coefficient is less than that of the basic body is, can be seen in the fact that when the heat exchanger is heated between the Druckraantel and the tops the parts of the intermediate layer lying on the webs of the base body are exposed to high compressive stress as a result of any existing defects or pores at the seams between the corrosion protection layers and squeezed into the intermediate layer

Besonders zweckmäßig sind - wegen ihres geringen Gewichts weiterhin Druckmäntel aus gegebenenfalls dispersions- und/ oder kaltverformungsgehärtetem, galvanisch abgeschiedenem Aluminium oder, wie weiter oben erläutert hergestellten, Aluminiumlegierungen·They are particularly useful - because of their low weight Pressure jackets made of optionally dispersion and / or cold deformation hardened, electrodeposited Aluminum or, as explained above, aluminum alloys

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen erfindungsgemäße Wärmetauscher Kühlkanäle mit abgerundeten oder angephasten Kanten bzw· Übergängen zwischen dem Boden und den Seitenwänden auf, da bei derartig ausgebildeten Kühlkanälen der Unterschied zwischen der Dicke der darin galvanisch abgeschiedenen Korrosionsschutzschichten im oberen Teil der Kühlkanalseitenwand und dem Boden des Kühlkanals erheblich geringer als bei rechteckig ausgebildeten Kühlkanälen ist.According to a further preferred embodiment, heat exchangers according to the invention have cooling channels with rounded ones or chamfered edges or transitions between the floor and the side walls, since they are designed in this way The difference between the thickness of the galvanically deposited corrosion protection layers in the cooling channels upper part of the cooling channel side wall and the bottom of the cooling channel considerably less than in the case of rectangular ones Cooling channels is.

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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt· Es zeigen:Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing.

Figur 1 einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher (Brennkammer mit Schubdüse) im Längsschnitt,Figure 1 shows a heat exchanger according to the invention (combustion chamber with exhaust nozzle) in longitudinal section,

Figur 2 einen Schnitt nach der Linie II/II der Fig. 1 undFIG. 2 shows a section along the line II / II in FIG. 1 and

Figur 3 einen vergrößerten Ausschnitt der Schnittansicht nach Fig. 2.FIG. 3 shows an enlarged detail of the sectional view according to FIG. 2.

Die Baueinheit Brennkammer mit Schubdüse besteht im wesentlichen aus einem gut wärmeleitenden Metall, z.B. sauerstofffreiera Kupfer, gefertigten Grundkörper 1. Dieser kann aus einem Kupferblock in herkömmlicher Weise, z.B. durch Schmieden, vorgefertigt (im Gefüge verfestigt) und durch spanabhebende Weiterbearbeitung fertiggestellt oder in der aus der deutschen Patentschrift 2 015 024 bekannten Weise durch Galvanoformung hergestellt sein· The unit combustion chamber with thrust nozzle consists essentially of a highly thermally conductive metal, e.g. oxygen-free copper, manufactured base body 1. This can be made from a copper block in a conventional manner, e.g. by forging, prefabricated (solidified in structure) and finished by machining or in the German Patent 2,015,024 known manner be made by electroforming ·

Aus dem Grundkörper 1 sind in Längsrichtung verlaufende Kühlkanäle 2 herausgearbeitet, die durch Stege 3 voneinander getrennt sind. Die im Grundkörper 1 liegenden Wandflächen der Kühlkanäle 2 sind mit galvanisch darauf abgeschiedenen,, in den Figuren 1 und 2 nicht erkennbaren Korrosionsschutzschichten 6 aus Aluminium überzogen. Die Kühlkanäle 2 und die Oberseiten der Stege 3 sind mit einer praktisch vollständig geschlossenen Zwischenschicht 4 aus Aluminium abgedeckt, die von einem darauf galvanisch abgeschiedenen, verhältnismäßig dickwandigen Druckmantel 5 aus Kupfer, Nickel, einer Nickel-Kobalt-Legierung oder einem gleichwertigen Material umhüllt ist.Cooling channels 2 running in the longitudinal direction are carved out of the base body 1 and are separated from one another by webs 3. The wall surfaces of the cooling channels 2 lying in the base body 1 are coated with corrosion protection layers 6 made of aluminum, which are galvanically deposited thereon, and which cannot be seen in FIGS. 1 and 2. The cooling channels 2 and the tops of the webs 3 are covered with a practically completely closed intermediate layer 4 made of aluminum, which is covered by a relatively thick-walled pressure jacket 5 made of copper, nickel, a nickel-cobalt alloy or an equivalent material, which is electrodeposited thereon.

Aus der in Figur 3 wiedergegebenen, vergrößerten Ansicht eines Schnittes durch einen Ausschnitt eines erfindungs- From the shown in Figure 3, enlarged view of a section through a detail of an invention

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gemäßen Wärmetauschers, quer zu den Kühlkanälen 2 ist zu ersehen, daß die Stärke der Korrosionsschutzschichten 6 längs der Wand der Stege 3 von oben nach unten hin abnimmt und im Bereich der Kante zwischen den Seitenwänden und den Böden der Kühlkanäle 2, die bei der dargestellten Ausführungsform nahezu rechtwinklig aneinanderstoßen, außerordentlich dünn ist· Die Zwischenschicht 4 besteht aus drei Lagenaccording to the heat exchanger, transversely to the cooling channels 2, it can be seen that the thickness of the anti-corrosion layers 6 along the wall of the webs 3 decreases from top to bottom and in the area of the edge between the side walls and the Bottoms of the cooling channels 2, which in the embodiment shown abut almost at right angles, are extraordinary is thin · The intermediate layer 4 consists of three layers

4a, 4b, 4a1!, wobei die grundkorperseitig erste Lage 4a aus Aluminium, die darauffolgende zweite Lage 4b aus Zink und die dritte Lage 4a' wiederum aus Aluminium besteht·4a, 4b, 4a 1 !, where the first layer 4a on the base body is made of aluminum, the following second layer 4b is made of zinc and the third layer 4a 'is made of aluminum.

Patentansprüche:Patent claims:

—12-—12-

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Claims (7)

PatentansprücheClaims Wärmetauscher, insbesondere regenerativ gekühlte Brennkammern für Flüssigkeitsraketentriebwerke, bestehend aus einem einstückigen Grundkörper aus einem gwt wärmeleitfähigen metallischen Werkstoff, insbesondere sauerstofffreiem Kupfer, mit durchlaufenden, von mindestens einer Kühlflüssigkeit, insbesondere mindestens einer Treibstoffkomponente durchströmbaren Kühlkanälen, die durch eine Außenwand aus einer auf den Grundkörper aufgalvanisierten, verhältnismäßig dünnwandigen Zwischenschicht und einem verhältnismäßig dickwandigen, auf die Zwischenschicht aufgalvanisierten Druckmantel aus einem metallischen Werkstoff hoher Festigkeit abgedeckt sind, dadurch gekennzeichnet , daß die im Grundkörper (1) liegenden Wände der Kühlkanäle (2) mit galvanisch abgeschiedenen mindestens 4 iim starken Korrosionsschutzschichten (6) aus Aluminium überzogen sind öder aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff, insbesondere korrosionsbeständigem Stahl, bestehen und die Zwischenschicht (4) zumindest kühlkantenseitig in einer Stärke von mindestens etwa 8 um aus gegebenenfalls kaltver— formungs- und/oder dispersionsgehärtetem Aluminium besteht·Heat exchangers, in particular regeneratively cooled combustion chambers for liquid rocket engines, consisting of a one-piece base body made of a gwt thermally conductive metallic material, especially oxygen-free copper, with continuous, of at least one cooling liquid, in particular at least one fuel component through-flow cooling channels, which through an outer wall made of a galvanized onto the base body, relatively thin-walled intermediate layer and a relatively thick-walled one on the intermediate layer galvanized pressure jacket made of a metallic material of high strength are covered, thereby characterized in that the walls of the cooling channels (2) lying in the base body (1) are also galvanically deposited at least 4 iim thick anti-corrosion layers (6) made of aluminum are bare consist of a corrosion-resistant material, in particular corrosion-resistant steel, and the intermediate layer (4) at least on the cooling edge side in a thickness of at least about 8 .mu.m from optionally cold-treated formed and / or dispersion-hardened aluminum -13--13- 509844/0576509844/0576 2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, gekenn zeichnet durch mehr-, vorzugsweise dreilagige Zwischenschichten (4), deren auf die kühlkanalseitig erste, aus vorzugsweise kaltverformungs- und/oder dispersionsgehartetem Aluminium bestehende Lage (4a) folgende Lage (4b) aus einem anderen, vorzugsweise ebenfalls kaltverformungs- und/oder dispersionsgehärteten, galvanisch abgeschiedenen Metall, insbesondere Zink, Kupfer oder Gold, besteht·2. Heat exchanger according to claim 1, marked by multilayer, preferably three-layer intermediate layers (4), whose on the cooling channel side first layer (4a) consisting of preferably cold-deformed and / or dispersion-hardened aluminum following layer (4b) made of another, preferably also cold-deformed and / or dispersion-hardened, galvanically deposited metal, in particular zinc, copper or gold, consists 3· Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Grundkörper (1) aus einem nicht korrosionsbeständigen Werkstoff, insbesondere Kupfer, besteht und die im Grundkörper (1) liegenden Wände der Kühlkanäle (2) mit mindestens etwa 12 pn starken Korrosionsschutzschichten (6) aus galvanisch abgeschiedenem Aluminium bestehen·3 · Heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that the base body (1) made of a non-corrosion-resistant material, in particular copper, and the base body (1) lying walls of the cooling channels (2) with at least about 12 pn thick corrosion protection layers (6) galvanically deposited aluminum 4· Wärmetauscher nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Kühlkanäle mit abgerundeten oder angefasten Übergängen zwischen Seitenwänden und Boden.4 · Heat exchanger according to claim 3, characterized through cooling channels with rounded or chamfered transitions between side walls and floor. 5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Druckmantel (5) aus Kupfer, Nickel oder einer Nickel-Kobalt-Legierung· 5. Heat exchanger according to one of claims 1 to 4, characterized by a pressure jacket (5) made of copper, nickel or a nickel-cobalt alloy 6· Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Druckmantel aus einem Material, dessen Wärmedehnungskoeffizient kleiner als derjenige des Grundkörpermaterials ist.6 heat exchanger according to one of claims 1 to 5, characterized by a pressure jacket made of a material whose coefficient of thermal expansion is smaller than that of the base body material. 7. Verfahren zur Herstellung von Wärmetauschern gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, durch Vorfertigen eines einstückigen Grundkörpers mit Kühlkanälen aus einem7. A method for producing heat exchangers according to any one of claims 1 to 6, by prefabricating one one-piece base body with cooling channels from one 509844/0576509844/0576 gut wärmeleitfähigen metallischen Werkstoff, insbesondere Kupfer, Ausfüllen der Kühlkanäle mit einer elektrisch leitenden, leicht-schmelzbaren Füllmasse, Aufgalvanisieren einer dünnen Zwischenschicht auf den Grundkörper und eines verhältnismäßig dickwandigen Druckmantels auf die Zwischenschicht und Ausschmelzen der Füllmasse aus den Kühlkanälen, dadurch gekennzeichnet , daß man auf den Wänden der Kühlkanäle (2) im Grundkörper (1), wenn diese nicht aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff bestehen, galvanisch eine geschlossene, etwa 4 bis 100 um starke Korrosionsschutzschicht aus Aluminium abscheidet, die - gegebenenfalls aluminierten - Kühlkanäle mit einer Füllmasse aus einer für diesen Zweck an sich bekannten niedrigschmelzenden Legierung ausfüllt und aus einem aprotischen Bad eine mindestens etwa 8 um starke Zwischenschicht aus Aluminium galvanisch auf den Grundkörper abscheidet·highly thermally conductive metallic material, in particular Copper, filling the cooling channels with an electrically conductive, easily meltable filling compound, Electroplating a thin intermediate layer on the Base body and a relatively thick-walled pressure jacket on the intermediate layer and melted out the filling compound from the cooling channels, characterized in that one on the walls of the cooling channels (2) in the base body (1), if they are not made of a corrosion-resistant material, galvanically closed, approximately 4 to 100 μm A strong anti-corrosion layer of aluminum is deposited, along with the - optionally aluminized - cooling channels a filler made of a low-melting alloy known per se for this purpose and from an aprotic bath an at least about 8 µm thick intermediate layer of aluminum is electroplated deposited on the base body 5098 A A /05765098 A A / 0576
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