DE3424225C2 - - Google Patents

Description

Die generelle Aufgabe des Einspritzkopfes bei Rake­ tentriebwerken besteht darin, die in der Brennkammer zur Reaktion kommenden Treibstoffe, Brennstoff, z. B. Wasserstoff und Sauerstoff, so in den Brennraum einzu­ bringen, daß eine möglichst gleichmäßige Verteilung und innige Vermischung des Wasserstoffes und des Sauerstof­ fes 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 nebeneinanderlie­ genden Einspritzdüsen an der Stirnseite des Einspritz­ kopfes gewährleistet wird. Eine solche Anordnung von Einspritzdüsen zeigt z. B. die US-PS 32 70 499, nach der die Düsen einzeln in einer Stirnplatte des Einspritz­ kopfes 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 Düsenköpfen 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 ein­ zelnen Einspritzmengen zu erhalten, erreicht wird, und zum anderen die Qualität der Anordnungsmanier für die Einspritzdüsen, die eine im Hinblick auf die vorherrschenden extremen Betriebs­ bedingungen absolut sichere und zudem hydraulisch dichte Befestigung verlangt. Hinzu kommt eine insbeson­ dere bei hohen Produktionsmengen wirtschaftliche Ferti­ gungsform in bezug auf Materialkosten und Arbeitszeit.

So weisen die Konzeptionen gemäß der US-PS 32 70 499 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. Außer­ dem ist es äußerst schwierig, Gewindeverbindungen gegen aggressive Medien unter extremen Betriebsbedingungen durch elastische Ringe sicher abzudichten. Um diesen Schwierigkeiten aus dem Wege zu gehen ist es ferner be­ kannt, den Einspritzkopf mit den Düsenkörpern einstückig auszubilden und die Düsenkörper aus einem vollen Werk­ stück mechanisch herauszuarbeiten. Diese Herstellungs­ methode ist teuer und zeitaufwendig. Auch andere übliche Befestigungspraktiken, wie Einstemmen, einfaches Einlö­ sen oder konventionelles Einschweißen der einzelnen Düsen sind im Hinblick auf die außerordentlichen Be­ triebsverhältnisse nicht unproblematisch oder lassen sich fertigungstechnisch teilweise nicht durchführen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Befesti­ gen der einzelnen Einspritzdüsen vorzuschlagen, das ge­ eeignet ist, alle bei diesem Anwendungsfall sonst auftre­ tenden Schwierigkeiten auszuschalten, absolute Betriebs­ sicherheit zu garantieren und das die problemlose Anordnung einer maximalen Anzahl von Einspritzdüsen im Einspritz­ kopf ermöglicht.

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

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Herstellungsver­ fahrens, das ein Zweistufenverfahren darstellt, mit einer ersten Verfahrensstufe, die zur vorläufigen festen Anordnung der Einspritzdüsen durch Preßsitz im Einspritzkopf dient, und mit einer zweiten Verfahrens­ stufe, nämlich dem Diffusionsschweißen, das zum end­ gültigen Befestigen der Einspritzdüsen vorgesehen ist, sind folgende:

Die maßgenaue Herstellung der Befestigungsfüße der Ein­ spritzdüsen durch Aufbringen der Zwischenschicht läßt sich z. B. im galvanischen Bad in Massenfertigung ohne weiteres bewerkstelligen. Ferner erfordert die mechani­ sche Erzeugung von maßgenauen und in ihrer Oberfläche verdichteten Bohrungen im Einspritzkopf durch Aufdrücken bzw. Aufkugeln vorgebohrter oder vorgeschmiedeter zylin­ drischer Ausnehmungen keinen besonderen fertigungstech­ nischen Aufwand. Dies gilt auch für das Einsetzen der Einspritzdüsenfüße in den auf Preßsitztemperatur bzw. Montagetemperatur erwärmten Einspritzkopf. Dabei besteht die Möglichkeit, mit Hilfe einer besonderen Montagevor­ richtung 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 gungsstellen in der Einspritzkopfstirnplatte diese nicht deformiert wird. Das erfindungsgemäße, vorläufige Befesti­ gen der Einspritzdüsen im Einspritzkopf ergibt den be­ sonderen Vorteil, daß die festsitzenden Einspritzdüsen in ihrer bereits endgültigen Anordnung nach Lage und Richtung überprüft und vermessen werden können, noch be­ vor die endgültige Befestigung durch das Diffusions­ schweißen vollzogen worden ist. Eine Nachkorrektur ist hier im Einzelfall noch durch örtliche Temperaturbeein­ flussung möglich.

Durch den zweiten Verfahrensschritt, das Diffusions­ schweißen, wird eine absolut homogene Verbindung zwi­ schen 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 Ein­ spritzdüsen festigkeitsmäßig wie ein massiver Bauteil wirkt, der allen mechanischen und thermischen Betriebs­ beanspruchungen optimal gewachsen ist und seine Kontur beibehält. Durch das Diffusionsschweißen wird nämlich eine vollkommene Mischkristallzone erlangt, die durch Auflösung der Zwischenschicht eine metallische atomare Verbindung zwischen dem Einspritzkopf und den Befesti­ gungsfüßen 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 an­ schließende Wärmebehandlung des integrierten Bauteiles "Einspritzkopf mit Einspritzdüsen" in Form einer ent­ sprechend raschen Abkühlung auf Raumtemperatur eine bleibende Gefügeverbesserung zur Erhöhung der Festig­ keit, d. h. die ansonsten bei solchen Bauteilen übli­ cherweise am Schluß der Fertigung vorzunehmende Wärme­ nachbehandlung durch Lösungsglühen zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit schließt sich im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens unmittelbar an das Diffu­ sionsschweißen an, so daß die Erwärmungsphase auf Glüh­ temperatur erspart bleibt.

Hinzu kommt, daß die vorgeschlagene Verbindung hydrau­ lisch 100%ig dicht ist und über die ganze Lebensdauer dicht bleibt, was bei der Verwendung von chemischen, zum Teil aggressiven Treibstoffmedien äußerst wichtig ist.

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

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des er­ findungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Teil eines Einspritzkopfes und in einer Montagevorrichtung aufgenommene Einspritzdüsen­ grundkörper,

Fig. 2 die im Einspritzkopf befestigten kompletten Einspritzdüsen als Zweistoff-Einspritzdüsen und

Fig. 3 in einer Stirnplatte eines Einspritzkopfes befes­ tigte Einstoff-Einspritzdüsen.

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

Dann wird der Einspritzkopf 5 bzw. die Stirnplatte 5 a mit den Einspritzdüsengrundkörpern 2 a im Ofen auf Diffusionsschweißtemperatur erhitzt, bei Verwendung von Gold auf 970 bis 1120°C und bei Verwendung von Nickel­ phosphor als Material für die Zwischenschicht 3 auf 920 bis 980°C, worauf der Diffusionsschweißprozeß unter dem Druck der vorherigen Preßvorspannung abläuft. Als Ergeb­ nis dessen sind die beiden Bauteile, die Stirnplatte 5 a und die vielen Befestigungsfüße 1 der Düsengrundkörper 2 a über Mischkristallzonen der gegebenen Werkstoffe und der Zwischenschicht 3 bleibend fest miteinander verbun­ den.

In Fig. 2 sind die Einspritzdüsen 2 komplettiert. Es handelt sich hierbei um Zweistoff-Einspritzdüsen 2, wobei durch den Düsengrundkörper 2 a der sehr kalte Sauerstoff O und über den Ringraum 7 zwischen dem Düsenmantel 8 und dem Grundkörper 2 a der bis zu 1000°C erhitzte Wasser­ stoff 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 Fig. 3 zeigt eine äußerst enge Anordnung von Ein­ stoff-Einspritzdüsen 2′. Hierbei gelangt wiederum der Sauerstoff O über die Einspritzdüsen 2′ in den Brenn­ raum, während durch einen Gitterspalt 9 zwischen den einzelnen Düsenköpfen 2′ b der sehr heiße Wasserstoff H eingespritzt wird. Dieses Beispiel macht unzweifelhaft ersichtlich, welche hohen Fertigungs- und Betriebsanfor­ derungen an die Düsenbefestigung gestellt werden müssen.

Claims (4)

1. Verfahren zum unlösbaren Befestigen der Einspritz­ düsen bzw. deren Füße in Ausnehmungen bzw. Bohrungen im Einspritzkopf von Raketenbrennkammern, dadurch gekennzeichnet, daß die Füße (1) der Einspritzdüsen (2 bzw. 2′) mittels Diffusionsschwei­ ßen 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 Auf­ tragen einer für das nachherige Diffusionsschweißen notwendigen Zwischenschicht (3) auf das in bezug auf den maßgenauen Innendurchmesser (D) der Bohrun­ gen (4) erforderliche Übermaß (d) zur Erzeugung der Preßspannung gebracht und der Einspritzkopf (5) auf die Montagetemperatur erwärmt wird, die ein Ein­ 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 notwen­ dige Temperatur erwärmt wird, die insbesondere bis zur vollständigen Diffusion des Materials der Zwi­ schenschicht (3) in die benachbarten Bauteile (5 und 2) beibehalten wird, worauf der noch heiße Einspritzkopf (5) mit den Einspritzdüsen (2 bzw. 2′) derart rasch auf Raum­ temperatur abgekühlt wird, daß eine Gefügeverbesse­ rung zur Erhöhung der Festigkeit erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Montagetemperatur, auf die der Einspritzkopf (5) zum Einführen der Füße (1) in seine Bohrungen (4) gebracht wird, bei aus nickel­ legiertem Stahl hergestelltem Einspritzkopf (5) und aus dem gleichen Werkstoff hergestellten Einspritz­ düsen (2 bzw. 2′) 250 bis 600°C beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Diffusions­ schweißtemperatur bei Verwendung von Gold 970° bis 1120° und von Nickelphosphor als Material der Zwi­ schenschicht (3) 920 bis 980°C beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sämtliche Einspritzdüsen (2 bzw. 2′) bzw. deren Füße (1) mit Hilfe einer Montagevorrich­ tung gleichzeitig in die Bohrungen (4) des Einspritz­ kopfes (5) eingeführt werden.