DE2519538C2

DE2519538C2 - Verbindung zwischen dem Kühlmittel-Zulaufring und der Brennkammer-oder Schubdüsenwand eines Raketentriebwerks

Info

Publication number: DE2519538C2
Application number: DE19752519538
Authority: DE
Inventors: Hubert 8000 München Broll; Winfried Dipl.-Ing. 8025 Unterhaching Brunner; Kuno 8091 Jakobneuhaiting Knauer; Manfred 8000 München Lechner; Günther Dr.-Ing. Schmidt; Dietmar Dipl.-Ing. 8011 Siegertsbrunn Wolf
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1975-05-02
Filing date: 1975-05-02
Publication date: 1982-12-30
Also published as: FR2309729A1; FR2309729B1; JPS51133613A; DE2519538A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbindung zwischen dem Kühlmittel-Zulaufring und der Brennkammer- oder Schubdüsenwand eines Raketentriebwerks nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei bekannten Verbindungen für Kühlmittel-Zulaufringe dieser Art (z. B. DE-GM 69 01 525), die aus Festigkeitsgründen zumeist aus Stahl bestehen, während die zugeordnete, regenerativ gekühlte Brennkammer- oder Schubdüsenwand zur Bewältigung der anfallenden großen Wärmemengen vielfach aus Nickel, Kupfer oder einer Kupferlegierung im Wege des galvanoplastischen Verfahrens hergestellt ist, kommt es im Bereich der Verbindungsstelle zwischen Zulaufring und Brennkammeroder Düsenwand zu enormen Beanspruchungen, die ihre Ursache teils in den außerordentlich hohen Kühlmitteldrücken bzw. Druckunterschieden und teils in den extremen Temperaturen bzw. Temperaturgradienten zwischen dem Kühlmittel und den Verbrennungsgasen im Inneren der Brennkammer oder Schubdüse haben, wobei hinzukommt, daß die auftretenden Wärmespannungen nicht konstant sind, sondern sich beim Einschalten des Triebwerks mit zunehmender Erwärmung bis zum Erreichen der Betriebstemperatur und nach Brennschluß mit zunehmender Abkühlung stark ändern. Dies führt bei Kühlmittel-Sammelringen, bei denen die Grenzflächen zwischen Ringflansch und Sammelring als konische Dichtflächen ausgebildet sind, die durch kombinierte Schraub- und die Konusfläche des Ringflansches hintergre^fende Formschlußverbindungen zusammengespannt werden, zu Schwankungen in der Anpressung der Dichtflächen, so daß vor allem bei höheren Belastungen die Gefahr von Dichtverlusten im Bereich der Verbindungsstelle zwischen Sammelring und Brennkammer- oder Düsenwand besteht. Ein weiterer Nachteil derartiger Verbindungen mit sich keilförmig verklemmenden Dichtflächen liegt darin, daß die endgültige Axial- und Winkellage des Sammelrings bezüglich der Brennkammer bzw. Schubdüse nicht exakt vorherbestimmbar ist, sondern erst nach der Montage, also dem Festziehen der Schraubverbindungen, endgültig festliegt und dann nicht mehr ohne weiteres und 5 ohne Beschädigung der Dichtflächen korrigiert werden kann.

Ferner sind unlösbare Verbindungen in Form von Schweiß- oder Lötverbindungen zur Abdichtung und Kraftübertragung zwischen Kühlmittel-Sammelring und Brennkammer- oder Schubdüsenwand bekannt (z. B. US-PS 29 68 918). Ist jedoch der Sammelring aus den erwähnten Gründen aus Stahl oder einem anderen hochfesten Werkstoff hergestellt und die Brennkammer- oder Düsenwand mit einer galvanisch aufgetragenen Nickel- oder Kupferschicht versehen, so ist es wegen der hohen thermischen Empfindlichkeit der galvanischen Beschichtung unmöglich, eine Schweißverbindung in der zur Kraftübertragung erforderlichen Festigkeit auszuführen. Andererseits läßt sich mit einer

Lötverbindung zwar die Überhitzungsgefahr für die galvanische Beschichtung in bestimmten Grenzen verringern und durch eine flächige Verlötung auch die erforderliche Festigkeit zwischen dem Stahlring und dem angalvanisierten Ringflansch erzielen, jedoch kommt es hier infolge etwa von Lufteinschlüssen zu örtlichen Fehlei stellen in der Lötverbindung, die sich erst beim Abdrückversuch als Leckstellen bemerkbar machen und dann nur noch äußerst schwierig zu beseitigen sind.

Schließlich sind Rohrverbindungen für hohe Drücke und Temperaturen bekannt (»Dubbels-Taschenbuch für Maschinenbau«, Springer-Verlag 1953, S. 721), bei denen die Rohre durch die Rohrenden formschlüssig hintergreifende, miteinander verschraubte Ringflansche in Axialrichtung zusammengespannt und zusätzlich durch eine Lippenschweißnaht im Bereich der Trennfuge verbunden sind. Solche Rohrendverbindungen sind als Verbindung der eingangs erwähnten Art zwischen einem Kühlmittel-Zulaufring und einer regenerativ gekühlten Brennkammer- oder Schubdüsenwand ungeeignet und nicht Gegenstand der Erfindung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine auch unter extremen Betriebsbedingungen mit Sicherheit hochfeste und druckdichte, einfach ausgebildete Verbindung zwischen dem Kühlmittel-Zulaufring und der Brennkammer- oder Schubdüsenwand zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Verbindung gelöst

Nach der Erfindung liegen sowohl die stoffschlüssige Verbindung über die Dichtschweißnähte als auch die formschlüssige Verbindung über den einseitig schräggeneigt ausgebildeten Schwalbenschwanz an den zylindrischen Sitzflächen zwischen dem Ringflansch der Brennkammer- oder Schubdüsenwand und dem zugekehrten Sitzteil des Zulaufrings. Aufgrund dieser besonderen Gestaltung wird auch unter extremen Betriebsbedingungen eine hochwirksame Abdichtung ohne unzulässige Verformung der Brennkammer- oder Düsenwand und ohne montage- oder funktionsbedingte Materialquetschungen im Bereich des Sitzteils des Zulaufrings sichergestellt, mit der Besonderheit, daß die endgültige Axialposition des Zulaufrings bezüglich der Brennkammer oder Schubdüse durch die Anschlagfläche des Schwalbenschwanzes als Bezugsfläche exakt vorherbestimmbar festgelegt ist und sich zusätzlich in dieser exakten Axiallage dann auch noch der Zulaufring während der Montage auf den zylindrischen Sitzflächen als Gleitflächen leicht drehen läßt, um dadurch eine Winkeljustierung des Zulaufrings gegenüber der

Brennkammer oder Schubdüse vorzunehmen. In dieser exakt vorgebbaren Axial- und justierbaren Winkellage werden dann die Sitzflächen unter geringer Wärmeeinbringung durch die verschweißten Randnähte stoffschlüssig miteinander verbunden.

Weil in der Regel die äußeren Axialkräfte zwischen dem Zulaufring und der Brennkammer- oder Schubdüsenwand in erster Linie nur in einer Axialrichtung wirksam sind, ist eine zusätzliche Abstützung in der durch den Schwalbenschwanz nicht gesicherten Axialrichtung zumeist nicht unbedingt erforderlich. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch gemäß Anspruch 2 zusätzlich ein Stützring vorgesehen, der eine Kraftübertragung in der durch den Schwalbenschwanz nicht gesicherten Axialrichtung insbesondere für den Fall bewirkt, daß zusätzlich zu den inneren Kräften auch in beiden Axialrichtungen höhere äußere Axialkräfte zwischen Ringflansch und Zulaufring übertragen werfen müssen, z. B. infolge von thermischen Längenänderungen der an den Zulaufring angeschlossenen Kühlmittelleitung oder falls die Schubdüse oder Brennkammer unter Zwischenschaltung des Zulaufrings am Triebwerk a-asgehängt ist

Die Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert Es zeigen

F i g. 1 einen Radialschnitt eines Kühlmittel-Zulaufrings mit zugeordneter Schubdüsenwand;

F i g. 2 eine der F i g. 1 entsprechende Darstellung eines weiteren, geringfügig abgewandelten Ausführungsbeispiels.

F i g. 1 zeigt einen Zulaufring 2 aus Stahl, der mit der von einem galvanisch abgeschiedenen, äußeren Wandteil 10 aus Nickel und einem inneren Wandteil 12 aus Kupfer begrenzten und von Kühlmittelkammern 14 durchsetzten Schubdüsenwand 8 verbunden ist und gleichzeitig einen Düsenendabschnitt 38 trägt und diesen mit Kühlmittel, beispielsweise einer kryogenen Treibstoffkomponente, versorgt

Der Düsenendabschnitt 38 ist über einen Befestigungsflansch 42 und in Umfangsrichtung verteilte Stehbolzen 50 in üblicher Weise am Zulaufring 2 befestigt, wobei die Kühlmittelzufuhr über Zulaufbohrungen 44 im Zulaufring 2 und daran angeschlossene Zulaufkanäle 46 im Befestigungsflansch 42 zum Kühlmantel 40 des Düsenendabschnitts 38 führt, von wo das Kühlmittel am hinteren Schubdüsenende dampfförmig ausgestoßen wird. Zur Abdichtung dieser auf herkömmliche Weise ausgebildeten Verbindung zwischen dem Zulaufring 2 und dem Düsenendabschnitt 38 dienen Dichtringe 48.

Mit der Schubdüsenwand 8 ist der Zulaufring 2 über eine formschlüssige Verbindung in Form eines einseitigen Schwalbenschwanzes 30 verbunden, welcher in einer radial nach innen gerichteten Sitzfläche 16 des Zulauf rings 2 und einer korrespondierenden, radial nach außen zeigenden Gegenfläche 20 eines einstückig an das äußere Wandteil 10 der Düsenwand S angalvanisierten, ebenfalls aus Nickel bestehenden Ringflansches 18 ausgebildet ist Die Kühlmittelzufuhr vom Zulaufring 2 zu den Kühlmittelkammern 14 der Düsenwand 8 erfolgt über in Umfangsrichtung verteilte Kühlmittelkanäle 22 im Zulaufring 2 und daran anschließende Kühlmittelkanäle 24 im Ringflansch 18. Zur Abdichtung der Verbindungsstelle zwischen dem Zulaufring 2 und dem Ringflansch 18 im Bereich des Schwalbenschwanzes 30 beidseitig der Kühlmittelkanäle 22,24 ist jeweils an lippenförmigen Ansätzen des Zulaufringes 2 bzw. des Ringflansehes 18 eine Dichtschweißnaht 26 vorgesehen, die sich in Umfangsrichtung über die gesamte Länge der Ringflächen 16,20 erstreckt

Aus Einbaugründen ist der Zulaufring 2 zweiteilig ausgebildet und besteht aus einem inneren Sitzteil 6 und einem äußeren Deckteil 4, die durch eine Schweißnaht 36 miteinander verbunden sind. Am Deckteil 4 sind Laschen 28 befestigt, über die bei schwenkbarer Lagerung der gesamten Schubdüse die äußeren Stellkräfte unter Zwischenschaltung des Zulaufrings 2 an die Schubdüsenwand 8 übertragen werden. Zusätzlich können äußere Kräfte aufgrund einer thermischen Längenänderung der in den Zulaufring 2 mündenden Kühlmittelversoi'gungsleitung (nicht gezeigt) auf den Zulaufring 2 einwirken. Um den Zulaufring 2 in der durch den Schwalbenschwanz 30 nichtgesicherten Richtung axial unverschiebbar zu halten, ist zwischen dem Zulaufring 2 und dem äußeren Wandteil 12 der Düsenwand 8 ein an seinen Enden beispielsweise verschweißter Stützring 32 angeordnet

Das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2, wo entsprechende Bauteile durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet sind, unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel nur insofern, als der Schwalbenschwanz 30 eine axiale Relatiwerschiebung zwischen dem Zulaufring 2 und dem Ringflansch 18 längs ihrer Ringflächen 16, 20 in der dem ersten Ausführungsbeispiel entgegengesetzten Richtung verhindert und zwischen dem Sitzteil 6 des Zulaufringes 2 und dem Ringflansch 18 Sicherungsstifte 34 eingesetzt sind, die zusätzlich zum Stützring 32 innere und möglicherweise zusätzlich äußere axiale Belastungen vom Zulaufring 2 an die Düsenwand 8 übertragen und somit gemeinsam mit dem Schwalbenschwanz 30 die Dichtschweißnähte 26 von der Kraftübertragung entlasten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verbindung zwischen dem Kühlmittel-Zulaufring aus hochfestem Werkstoff, wie Stahl, und der vom Kühlmittel durchströmten Brennkammer- oder Schubdüsenwand eines Raketentriebwerks, mit einem an der Wand angalvanisierten Ringflansch und Kühlmittelkanälen, die von dem geschlossenen Zulaufring über den Ringflansch ins Innere der Brennkammer- oder Düsenwand führen, wobei der Ringflansch und der zugekehrte Sitzteil des Zulaufrings hochdruckdicht und in Radial- und zumindest einer Axialrichtung kraftübertragend miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine radial nach innen gerichtete zylindrische Sitzfläche (16) des Zulaufrings (2) mit einer radial nach außen zeigenden Gegenfläche (20) des Ringflansches (18) einerseits über einen einseitig ausgebildeten Schwalbenschwanz (30) und andererseits beidseitig der Kühlmittelkanäle (22, 24) über Dichtschweißnähte (26) verbunden ist

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Zulaufring (2) und der Brennkammer- oder Schubdüsenwand (8) ein Stützring (32) vorgesehen ist