DE3424225A1

DE3424225A1 - Verfahren zum unloesbaren befestigen der einspritzduesen im einspritzkopf von raketenbrennkammern

Info

Publication number: DE3424225A1
Application number: DE19843424225
Authority: DE
Inventors: Dieter 8028 Taufkirchen Kunzmann; Helmut 8013 Haar Pertler
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1984-06-30
Filing date: 1984-06-30
Publication date: 1986-01-23
Also published as: FR2566842A1; FR2566842B1; DE3424225C2

Description

Verfahren zum unlösbaren Befestigen der Einspritzdüsen im Einspritzkopf von Raketenbrennkammern

Die generelle Aufgabe des Einspritzkopfes bei Raketentriebwerken besteht darin, die in der Brennkammer zur Reaktion kommenden Treibstoffe, Brennstoff _f ζ.Β. Wasserstoff und Sauerstoff, so in den Brennraum einzubringen, daß eine möglichst gleichmäßige Verteilung und innige Vermischung des Wasserstoffes und des Sauerstoffes erreicht wird, was die Reaktion beschleunigt, den Ausbrandgrad erhöht und die Ausbrandstrecke und damit die Brennkammerlänge verkürzt. Die Voraussetzung für eine möglichst vollständige und gleichzeitig schnelle Vermischung der beiden Treibstoffe ist die Aufteilung der Treibstoffgesamtmenge in viele einzelne Teilmengen, was z.B. durch eine Vielzahl von dicht nebeneinanderliegenden Einspritzdüsen an der Stirnseite des Einspritzkopfes gewährleistet wird. Eine solche Anordnung von Einspritzdüsen zeigt z.B. die ÜS-PS 3 270 499, nach der die Düsen einzeln in einer Stirnplatte des Einspritzkopfes fest eingeschraubt oder dicht eingesetzt sind (Fig. 3). Dabei wird der eine Treibstoff durch die Düsen selber und der andere Treibstoff über das Spaltgitter in die Brennkammer eingebracht, das durch den geringen Abstand zwischen den einzelnen Düsenkopfen gebildet wird,

Zwei technologische Grundforderungen sind bestimmend bei der Installation der Einspritzdüsen im Einspritzkopf von Raketenbrennkammern: Zum einen die positive Einflußnahme auf die Qualifikation des Reaktionsprozesses, was, wie bereits erwähnt, durch eine möglichst große Anzahl von Düsen pro Flächeneinheit, um eine Minimierung der einzelnen Einspritzmengen zu erhalten, erreicht wird, und

für die Einspritzdüsen'

zum anderen die Qualität der Anordnungsmaniery die eine

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im Hinblick auf die vorherrschenden extremen Betriebsbedingungen absolut sichere und zudem hydraulisch dichte Befestigung verlangt. Hinzu kommt eine insbesondere bei hohen Produktionsmengen wirtschaftliche Fertigungsform in bezug auf Materialkosten und Arbeitszeit.

So weisen die Konzeptionen gemäß der US-PS 3 270 499 die Nachteile auf, daß durch die vielen Gewindebohrungen die Stirnplatte zur Anordnung der einzelnen Düsen in ihrer Festigkeit geschwächt wird und dadurch die Abstände der Bohrungen nicht extrem eng gewählt werden können. Außerdem ist es äußerst schwierig, Gewindeverbindungen gegen aggressive Medien unter extremen Betriebsbedingungen durch elastische Ringe sicher abzudichten. Um diesen 5 Schwierigkeiten aus dem Wege zu gehen ist es ferner bekannt, den Einspritzkopf mit den Düsenkörpern einstückig auszubilden und die Düsenkörper aus einem vollen Werkstück mechanisch herauszuarbeiten. Diese Herstellungsmethode ist teuer und zeitaufwendig. Auch andere übliche Befestigungspraktiken, wie Einstemmen, einfaches Einlöten oder konventionelles Einschweißen der einzelnen Düsen sind im Hinblick auf die außerordentlichen Betriebsverhältnisse nicht unproblematisch oder lassen sich fertigungstechnisch teilweise nicht durchführen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Befestigen der einzelnen Einspritzdüsen vorzuschlagen, das geeignet ist, alle bei diesem Anwendungsfall sonst auftretenden Schwierigkeiten auszuschalten, absolute Betriebs-

das

sicherheit zu garantieren undVdie problemlose Anordnung einer maximalen Anzahl von Einspritzdüsen im Einspritzkopf ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 vor-5 geschlagene Verfahren gelöst.

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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens, das ein Zweistufenverfahren darstellt, mit einer ersten Verfahrensstufe, die zur vorläufigen festen Anordnung der Einspritzdüsen durch Preßsitz im Einspritzkopf dient, und mit einer zweiten Verfahrensstufe, nämlich dem Diffusionsschweißen, das zum endgültigen Befestigen der Einspritzdüsen vorgesehen ist, sind folgende:
Die maßgenaue Herstellung der Befestigungsfüße der Einspritzdüsen durch Aufbringen der Zwischenschicht läßt sich z.B. im galvanischen Bad in Massenfertigung ohne weiteres bewerkstelligen. Ferner erfordert die mechanische Erzeugung von maßgenauen und in ihrer Oberfläche verdichteten Bohrungen im Einspritzkopf durch Aufdrücken bzw. Aufkugeln vorgebohrter oder vorgeschmiedeter zylindrischer Ausnehmungen keinen besonderen fertigungstechnischen Aufwand. Dies gilt auch für das Einsetzen der Einspritzdüsenfüße in den durch Preßsitztemperatur bzw. Montagetemperatur erwärmten Einspritzkopf. Dabei besteht die Möglichkeit, mit Hilfe einer besonderen Montagevorrichtung alle Einspritzdüsen gleichzeitig aufzunehmen und gemeinsam in die fertig bearbeiteten Bohrungen bei erwärmten Einspritzkopf einzuschieben, wodurch auch bei extrem geringen Abständen zwischen den einzelnen Befesti-5 gungssteilen in der Einspritzkopfstirnplatte diese nicht deformiert wird. Das erfindungsgemäße vorläufige Befestigen der Einspritzdüsen im Einspritzkopf ergibt den besonderen Vorteil, daß die festsitzenden Einspritzdüsen in ihrer bereits endgültigen Anordnung nach Lage und Richtung überprüft und vermessen werden können, noch bevor die endgültige Befestigung durch das Diffusionsschweißen vollzogen worden ist. Eine Nachkorrektur ist hier im Einzelfall noch durch örtliche Temperaturbeeinflussung möglich.

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Durch den zweiten Verfahrensschritt, das Diffusionsschweißen, wird eine absolut homogene Verbindung zwischen den Befestigungsfüßen der Einspritzdüsen und dem Einspritzkopf erreicht, was bedeutet, daß der auf diese Weise entstehende integrale Bauteil Einspritzkopf bzw. Stirnplatte des Einspritzkopfes plus sämtliche Einspritzdüsen festigkeitsmäßig wie ein massiver Bauteil wirkt, der allen mechanischen und thermischen Betriebsbeanspruchungen optimal gewachsen ist und seine Kontur

IQ beibehält. Durch das Diffusionsschweißen wird nämlich eine vollkommene Mischkristallzone erlangt, die durch Auflösung der Zwischenschicht eine metallische atomare Verbindung zwischen dem Einspritzkopf und den Befestigungsfüßen der Einspritzdüsen ergibt. Dabei wird die Qualität des Diffusionsschweißens noch gefördert durch das vorherige Oberflächenverdichten der Bohrungen zur Aufnahme der Füße der Einspritzdüsen. Ferner erbringt die unmittelbar dem Diffusionsschweißvorgang sich anschließende Wärmebehandlung des integrierten Bauteiles "Einspritzkopf mit Einspritzdüsen" in Form einer entsprechend raschen Abkühlung auf Raumtemperatur eine bleibende Gefügeverbesserung zur Erhöhung der Festigkeit, d.h. die ansonsten bei solchen Bauteilen üblicherweise am Schluß der Fertigung vorzunehmende Wärmenachbehandlung durch Lösungsglühen zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit schließt sich im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens unmittelbar an das Diffusionsschweißen an, so daß die Erwärmungsphase auf Glühtemperatur erspart bleibt.

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Hinzu kommt, daß die vorgeschlagene Verbindung hydraulisch 100%ig dicht ist und über die ganze Lebensdauer dicht bleibt, was bei der Verwendung von chemischen,

Treibstoffzum Teil aggressiven/medien äußerst wichtig ist.

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Zusammenfassend kann gesagt werden, daß das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber den bis jetzt bekannten Verfahren und Praktiken technologisch qualitativer und wirtschaftlich günstiger ist.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 einen Teil eines Einspritzkopfes und in einer ο Montagevorrichtung aufgenommene Einspritzdüsen-

grundkörper,

Fig. 2 die im Einspritzkopf befestigten kompletten

Einspritzdüsen als Zweistoff-Einspritzdüsen und

Fig. 3 in einer Stirnplatte eines Einspritzkopfes befestigte Einstoff-Einspritzdüsen.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, werden die zylindrischen Füße 1 der Düsengrundkörper 2a durch Aufbringen einer Zwischenschicht 3 auf einen Durchmesser d gebracht, der ein Übermaß in bezug auf den Innendurchmesser D der fertig bearbeiteten Bohrungen 4 im Einspritzkopf 5 bzw. in dessen Stirnplatte 5a aufweist, d.h. der Durchmesser d ist jeweils z.B. (je nach gegebenen Durchmesserdimensionen) um 2 bis 3 Hundertstel Millimeter größer als der Durchmesser D. Dann wird der Einspritzkopf 5 bzw. die Stirnplatte 5a erwärmt, d.h. auf Montagetemperatur von 250 bis 600°C gebracht, so daß durch vorübergehende thermische Vergrößerung der Bohrungen 4 auf einen Innendurchmesser D¹ die Füße 1 in die Bohrungen 4 mit Hilfe der Montagevorrichtung 6 gemeinsam hineingeschoben werden können, was dadurch möglich ist, daß D¹ minimal größer ist als d. Nach dem Erkalten des Einspritzkopfes 5 bzw. der Stirnplatte 5a sitzen die Füße 1 fest mit Vorspannung (Preßsitz) in den Bohrungen 4, so daß ...

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Ί die Anordnung der vielen Düsengrundkörper 2a überprüft und vermessen werden kann.

Dann wird der Einspritzkopf 5 bzw. die Stirnplatte 5a mit den Einspritzdüsengrundkörpern 2a im Ofen auf Diffusionsschweißtemperatur erhitzt, bei Verwendung von Gold auf 970 bis 1120⁰C und bei Verwendung von Nickelphosohor als Material für die Zwischenschicht 3 auf 920 bis 98O°C, worauf der Diffusionsschweißprozeß unter dem Druck der vorherigen Preßvorspannung abläuft. Als Ergebnis dessen sind die beiden Bauteile, die Stirnplatte 5a und die vielen Befestigungsfüße 1 der Düsengrundkörper 2a über Mischkristallzonen der gegebenen Werkstoffe und der Zwischenschicht 3 bleibend fest miteinander verbun-ς den.

In Figur 2 sind die Einspritzdüsen 2 komplettiert. Es handelt sich hierbei um Zweistoff-Einspritzdüsen, wobei durch den Düsengrundkörper 2a der sehr kalte Sauerstoff

2Q 0 und über den Ringraum 7 zwischen dem Düsenmantel 8 und dem Grundkörper 2a der bis zu 1000⁰C erhitzte Wasserstoff H in den Brennraum B eingebracht wird. Es soll hierdurch demonstriert werden, welchen gegensätzlichen thermischen Belastungen die Düsenbefestigung ausgesetzt ist, ganz abgesehen von den auftretenden Schwingungen, denen die Einspritzdüsen 2 unterworfen sind.

Die Pig. 3 zeigt eine äußerst enge Anordnung von Einstoff-Einspritzdüsen 2'. Hierbei gelangt wiederum der Sauerstoff 0 über die Einspritzdüsen 2' in den Brennraum, während durch einen Gitterspalt 9 zwischen den einzelnen Düsenknöpfen 2'b der sehr heiße Wasserstoff H eingespritzt wird. Dieses Beispiel macht unzweifelhaft ersichtlich, welche hohen Fertigungs- und Betriebsanforderungen an die Düsenbefestigung gestellt werden müssen.

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Claims

: i Patentabteilung 27.06.1984 Hn/er 9536 Verfahren zum unlösbaren Befestigen der Einspritzdüsen im Einspritzkopf von Raketenbrennkammern Patentansprüche

1. Verfahren zum unlösbaren Befestigen der Einspritzdüsen bzw. deren Füße in Ausnehmungen bzw. Bohrungen im Einspritzkopf von Raketenbrennkammern, dadurch gekennzeichnet, daß die Füße (1) der Einspritzdüsen (2 bzw. 2') mittels Diffusionsschweissen im Einspritzkopf (5) unlösbar befestigt werden, auf die Weise, daß vor dem Diffusionsschweißen die insbesondere zylindrischen Füße (1) mit einem den späteren Diffusionsvorgang garantierenden Preßsitz in entsprechenden, oberflächenverdichteten Bohrungen (4) im Einspritzkopf (5) fest angeordnet werden, indem der Außendurchmesser der Füße (1) durch Auftragen einer für das nachherige Diffusionsschweißen notwendigen Zwischenschicht (3) auf das in bezug auf den maßgenauen Innendurchmesser (D) der Bohrungen (4) erforderliche Übermaß (d¹) zur Erzeugung der Preßspannung gebracht und der Einspritzkopf (5) auf die Montagetemperatur erwärmt wird, die ein Ein-5 führen der relativ kalten Füße (1) in die Bohrungen (4) ermöglicht, und daß dann der gegebenenfalls zwischenzeitlich abgekühlte Einspritzkopf (5) mit den Einspritzdüsen (2 bzw. 2') bzw. mit deren Füßen (1) auf die zur Diffusionsschweißung notwendige Temperatur erwärmt wird, die insbesondere bis zur Auflösung des Materials der Zwischenschicht (3) bzw. bis zu dessen vollständiger Diffusion in die benachbarten Bauteile (5 und 2) beibehalten wird, worauf der noch heiße Einspritzkopf (5) mit den

U¹S Einspritzdüsen (2 bzw. 2') derart rasch auf Raum-

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temperatur abgekühlt wird, daß eine Gefügeverbesserung zur Erhöhung der Festigkeit erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Montagetemperatur, auf die der Einspritzkopf (5) zum Einführen der Füße (1) in seine Bohrungen (4) gebracht wird, bei aus nickellegiertem Stahl hergestelltem Einspritzkopf (5) und aus dem gleichen Werkstoff hergestellten Einspritzdüsen (2 bzw. 2') 250 bis 600°C beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Diffusionsschweißtemperatur bei Verwendung von Gold 970° bis

1S 1120° und von Nickelphosphor als Material der Zwischenschicht (3) 920 bis 98O°C beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sämtliche Einspritzdüsen (23 bzw. deren Füße (1) mit Hilfe einer Montagevorrichtung gleichzeitig in die Bohrungen (4) des Einspritzkopfes (5) eingeführt werden.

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