DE3827067C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbau von Einspritzelementen in eine zur stirnseitigen Brennkammerwand eines Zweistoff-Raketentrieb­ werkes axial beabstandete Stirnwand gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruches 1.

Aus der DE-AS 11 32 383 ist eine Einspritzvorrichtung bekannt, bei der eine Treibstoffkomponente durch eine Vielzahl von Poren oder Durch­ trittsöffnungen in der Brennkammerstirnwand zum Brennraum gelangt, und bei der die andere Treibstoffkomponente durch röhrchenförmige Einspritz­ elemente in den Brennraum eingebracht wird. Diese Einspritzelemente durchstoßen sowohl die Brennkammerwand als auch eine dazu parallele, die Treibstoffkomponenten trennende Hand und liegen an beiden Wänden in Durchströmrichtung über eine Schulter und einen Flansch formschlüssig an. Die Einspritzelemente sind eng in beide Wände eingepaßt und durch Hartlöten zusätzlich befestigt. Vorteilhaft dabei ist, daß durch die formschlüssige Bauweise die aus den Treibstoffdrücken resultierenden Be­ lastungen von den Einspritzelementen direkt auf die Hände übertragen werden, was bei ausreichender Elastizität des Lotes die Lötverbindung entlastet. Die Ausführung der die Einspritzelemente fixierenden Boh­ rungen in beiden Händen als genau fluchtende Paßbohrungen macht deren Herstellung relativ teuer. Die flanschförmigen, scharfkantigen Füße der Einspritzelemente ragen aus der die Treibstoffkomponenten trennenden Hand heraus und erhöhen somit den Strömungswiderstand in der betreffen­ den Sammelkammer.

Die DE-OS 34 32 607 zeigt mehrere Ausführungsformen eines Koaxial-Ein­ spritzkopfes mit Dämpfungskammern, bei dem die beiden Treibstoffkompo­ nenten jeweils über eine rohrförmige Düse und einen dazu koaxialen Ring­ spalt eingespritzt und vermischt werden. Die Brennkammerstirnwand ist über Verschraubungen an den zentralen LOX-Düsenkörpern befestigt, die Düsenkörper selbst sind Bestandteil der Trennwand zwischen den Sammel­ kammern für Sauerstoff und Wasserstoff. Diese integrale Bauweise von Hand und Düsenkörper ist sehr aufwendig in der Herstellung (Gießen, Frä­ sen, Erodieren etc.) und ungünstig für Reparaturen.

Bei Koaxial-Einspritzköpfen mit angeschraubter Brennkammerstirnwand ist es auch bekannt, die Einspritzelemente auf der Zuströmseite mit der die Treibstoff-Sammelkammern trennenden Hand manuell durch Lippenschweißung zu verbinden. Diese Lösung ist zwar günstig hinsichtlich Reparatur, be­ wirkt aber erhöhte Strömungswiderstände infolge der Schweißnähte und ist in Abhängigkeit von der Anzahl der Einspritzelemente, d.h. von der An­ zahl der Schweißvorgänge, entsprechend zeitaufwendig.

Eine weitere bekannte Lösung stellt das Diffusionsschweißen dar. Dies bringt jedoch eine hohe thermische Belastung der Bauteile mit sich (ca. 1300 K), mit der Gefahr von Gefügeveränderungen und Verzug. Infolge der hohen, erforderlichen Fügetemperaturen bei Reparaturen sind Nach­ arbeiten sehr aufwendig. Außerdem müssen sämtliche Teile hochgenau und ohne Restspannungen vorgefertigt sein.

Gegenüber den Lösungen nach dem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, unter Verwendung einer formschlußentlasteten Ver­ bindung eine besonders preiswerte, strömungsgünstige und sichere Be­ festigungsmethode für Einspritzelemente aufzuzeigen, welche sich für Versuchszwecke und Serienfertigung eignet.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Durch die Verwendung einer Justier- und Spannvorrichtung wird es mög­ lich, die Bohrungen in der Hand sowie die Einspritzelemente selbst mit relativ groben Toleranzen und Durchmesserspiel preiswert herzustellen und dennoch im Bereich der Brennkammerstirnwand die geforderte Genauig­ keit zu erreichen. Die Verbindung mit der Stirnwand durch Löten oder Kleben muß nicht absolut dicht sein. Die erforderliche Dichtheit wird durch den oder die auf den Fügevorgang folgenden Beschichtungsvorgänge erzielt. Durch das Beschich­ ten der Stirnwand sowie der Einspritzelemente mit einer dichten­ den und glättenden Deckschicht auf der Zuströmseite werden minimale Strömungswiderstände erzielt, welche eine besonders gleichmäßige Mengen­ verteilung auf die einzelnen Einspritzelemente ermöglichen und damit den Verbrennungswirkungsgrad günstig beeinflussen.

Die Unteransprüche 2 bis 9 enthalten bevorzugte Ausgestaltungen des Ver­ fahrens nach Anspruch 1.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfach­ ter, nicht maßstäblicher Darstellung:

Fig. 1 einen Teilschnitt durch die Hand eines Einspritzkopfes im Bereich dreier Einspritzelemente, welche durch Lötung in der Hand befestigt werden sollen,

Fig. 2 einen Teilschnitt durch den Fußbereich zweier Einspritzelemente im beschichteten, fertig bearbeiteten Zustand.

Die Stirnwand 2 des Einspritzkopfes 1 trennt den über ihr befindlichen Sammelraum für den flüssigen Sauerstoff (LOX) von dem unter ihr angeord­ neten Sammelraum für den flüssigen Wasserstoff (LH₂) und nimmt die LOX-Einspritzelemente 6, 7. 8 auf. Die heißgasbeaufschlagte Brennkammer­ stirnwand befindet sich im fertig montierten Zustand etwa in dem Be­ reich, wo in Fig. 1 die Justier- und Spannvorrichtung 14 angedeutet ist und ist dabei mit den Einspritzelementen 6, 7, 8 verschraubt. Die Schraubverbindung mit einer Vielzahl von Einspritzelementen (Anzahl bis über 500) erfordert eine präzise Ausrichtung und Zuordnung aller Teile, welche dank der Erfindung ohne teure und aufwendige Bearbeitung der Stirnwand 2 und der Einspritzelemente möglich ist. Die im wesentlichen quer zur Triebwerksachse bzw. zu den Achsen der Einspritzelemente 6, 7, 8 angeordnete Stirnwand 2 bildet beispielsweise einen flachen, etwa rotationssymmetrischen Kegel. Sie ist mit durchgehenden Bohrungen 5 versehen, welche im Durchmesser bis ca. 0,3 mm größer sind als die Schäfte 12 der Einspritzelemente 6, 7, 8. Die Bohrungen 5 erweitern sich auf der Zuströmseite, d.h. auf der Oberseite der Stirnwand 2 zu Vertiefungen 4, welche die Füße 10 der Einspritzelemente 6, 7, 8 formschlüssig aufnehmen. Die mechanische Verbindung zwischen der Hand 2 und den Einspritzelementen 6, 7, 8 erfolgt im dargestellten Fall durch Löten, z.B. mit Lot auf Silberbasis. Damit die Lötung ohne manuellen Zugriff in inerter Atmosphäre stattfinden kann, z.B. im Autoklaven, ist die benötigte Lotmenge zumindest größtenteils in Form von Lotdepots 15, 16, 17, 18 zwischen den zu verbindenden Bauteilen angeordnet. Dabei wird das Lot in Form von Drähten, Blechen oder Folien in entsprechende Zwischenräume bzw. Vertiefungen eingelegt und verteilt sich beim Erhitzen selbsttätig infolge der Kapillarwirkung in engen Spalten. Die Schmelztemperaturen der Lote liegen in einem Bereich, welcher keine gravierenden Gefügeveränderungen bzw. Wärmeverzüge befürchten läßt. Während des Lötens - und falls erforderlich auch bei den nachfolgenden Bearbeitungsschritten (mechanische Bearbeitung, Beschichten) - werden die Einspritzelemente 6, 7, 8 im Bereich der Brennkammerstirnwand mittels der Justier- und Spannvorrichtung 14 ausgerichtet und fixiert. Dadurch läßt sich trotz der relativ groben Toleranzen im Bereich der Bohrungen 5 eine hohe Lagegenauigkeit erzielen. Die schematisch als ebene Platte dargestellte Justier- und Spannvorrichtung 14 läßt sich vielfach wiederverwenden, so daß sich ihre Kosten auf die gefertigte Stückzahl an Einspritzköpfen 1 verteilen. Nach dem Löten wird die Stirn­ wand 2 zusammen mit den eingelöteten Füßen 10 auf der Oberseite (Zu­ strömseite) spanabhebend bearbeitet, z.B. überdreht, bis eine weitgehend glatte, geschlossene Kontur erreicht wird, welche etwa auf dem Niveau der strichpunktierten Linie X-X in Fig. 1 liegt. Dieses glattflächige Überarbeiten der geneigten, von Vertiefungen 4 zerklüfteten Stirnwand 2 verbessert erheblich deren spätere strömungsmechanische Eigenschaften.

Die Innenkontur der auf der Außenseite vor dem Einlöten weitestgehend fertig bearbeiteten Einspritzelemente 6, 7, 8 ist als Sackloch 13 ausge­ führt, welches unterhalb der Linie X-X endet, so daß keinerlei Durch­ brüche die nachfolgende Beschichtung negativ beeinflussen.

Wie bereits erwähnt, dient das Löten primär der mechanischen Verbindung und muß noch keine vollständige Dichtheit gegenüber den Treibstoffkompo­ nenten gewährleisten. Die endgültige Abdichtung und weitere strömungs­ mechanische Glättung erfolgt durch die anschließende Beschichtung.

Zuerst wird auf die vorzugsweise aus rostfreiem Stahl bestehende Stirn­ wand z.B. durch Aufdampfen, Auflöten, Plasmaspritzen oder Galvanisieren eine dünne, elektrisch homogene, als Haftgrund dienende Metallschicht aufgetragen. Danach erfolgt eine dicke galvanische Beschichtung vorzugs­ weise mit Kupfer oder mit Nickel.

Die glättende Deckschicht kann aus jedem Material bestehen, welches aus­ reichend haftet, die auftretenden Temperaturen aushält und eine glatte Oberfläche bildet. Neben Metallen kommen auch Kunststoffe aller Art, Keramik etc. infrage. Auch Mischungen von Metallen und anderen Werk­ stoffen sind möglich. Falls die Deckschicht nicht galvanisch aufgetragen wird, z.B. durch Flammspritzen, kann die genannte Metall-Haftschicht entfallen.

Als für die Herstellung der Deckschicht geeignete Kunststoffe wären ins­ besondere Kunstharze, wie z.B. Polyesterharz, Epoxidharz oder Phenol­ harz, zu nennen, welchen nach Bedarf Metallteilchen zugesetzt werden können (höhere Festigkeit, besseres Wärmeleitvermögen).

Solche Harze eignen sich auch für die Verbindung der Einspritzelemente mit der Stirnwand, so daß auf Löten unter Umständen völlig verzichtet werden kann. Der Fügevorgang wird dabei vorzugsweise unter Wärmeeinwir­ kung erfolgen, eine besondere Schutzatmosphäre ist nicht erforderlich. Anstelle von Harzen können auch Schmelzkleber verwendet werden, welche - ähnlich wie Lot - vor dem Fügen in fester Form im Bereich der Klebe­ stelle angeordnet werden (z.B. Kleberdepots).

Fig. 2 zeigt eine fertig beschichtete und bearbeitete Stirnwand 3, welche - im Unterschied zu Fig. 1 - rechtwinklig zu den Einspritzele­ menten 9 angeordnet ist. Bei ausreichend genauer Fertigung der Füße 11 und der Vertiefungen dafür sowie sauberem Ausfüllen der Lötspalte kann das mechanische Glätten nach dem Löten entfallen. Bei sehr nahe aneinan­ dergrenzenden Füßen 11 - wie in Fig. 2 - ist es möglich, diese gruppen­ weise in einer gemeinsamen Vertiefung der Stirnwand 3 anzuordnen und die Zwischenräume mit Lot auszugießen.

Die Herstellung des in Fig. 2 abgebildeten Verbundes muß man sich fol­ gendermaßen vorstellen:

Zunächst erfolgt die mechanische Verbindung der Einspritzelemente 9 mit der Stirnwand 3 durch Löten in einem Ofen bzw. Autoklaven. Dabei kriecht das u.a. im Lotdepot 19 vorhandene Lot 20 in benachbarte, axiale und radiale Fugen und Spalte und verteilt sich auf angrenzenden Oberflächen. Die Fixierung der Einspritzelemente erfolgt wie in Fig. 1 mittels einer - nicht dargestellten - Justier- und Spannvorrichtung. Zur Verdeut­ lichung ist die Schichtdicke des Lotes 20 in Relation zu den Abmessungen der Bauteile stark übertrieben. Danach werden die Fugen zwischen den Füßen 11 mit dem selben Lot oder - wie dargestellt - mit einem anderen Lot 21 mit niedrigerem Schmelzpunkt möglichst sauber ausgegossen, um eine glatte Oberfläche für die weitere Beschichtung zu erzielen. Auf diese Oberfläche wird galvanisch oder mittels Plasmaspritzen eine dünne Haftschicht 22 und danach galvanisch eine dicke Deckschicht 23 zur weiteren Abdichtung aufgetragen. Zuletzt wird die nach Art von Fig. 1 nur vorgefertigte Innenkontur (Sackloch) der Einspritzelemente 9 fertig­ gestellt, d.h. die beschichteten Füße 11 werden durchbohrt und vorzugs­ weise mit einer Ansenkung und einem Innengewinde zur Aufnahme eines den LOX-Strom regulierenden Düsenkörpers versehen. Alternativ kann ein ge­ windeloser Düsenkörper eingepreßt werden bzw. die Bohrung im Einspritz­ element 9 selbst wird als entsprechend bemessene Drossel ausgeführt. Die Füße 11 der Einspritzelemente 9 werden in der Regel eine kreiszylin­ drische Außenkontur besitzen, zur Anpassung an angrenzende Bauteile bzw. zur besseren Raumausnutzung und Spaltminimierung sind aber auch andere Formen denkbar, wie z.B. Vielecke, ein- oder mehrseitig abgeflachte Kreisformen etc.

In der Praxis treten auch Wandformen mit bezüglich der Triebwerksachse schrägen und rechtwinkeligen Teilbereichen auf, welche die Fertigungs­ schritte nach Fig. 1 und 2 vereinen.

Reparaturen, z.B. das Nachbessern fehlerhafter Stellen oder das Aus­ tauschen einzelner Einspritzelemente, sind dadurch in einfacher Weise möglich, daß die Fertigungsschritte Ein- bzw. Auslöten, Ausgießen und Beschichten auch gezielt lokal durchführbar sind, wobei als Reparatur­ lote ebenfalls solche mit niedrigerem Schmelzpunkt verwendet werden, um angrenzende Bereiche nicht unnötig aufzuschmelzen.

Obwohl für die Verbindung Einspritzelemente/Stirnwand und für die glät­ tende Deckschicht auch nichtmetallische Werkstoffe in Frage kommen, wer­ den meist Metalle verwendet, da sie insbesondere in ihrem thermischen Verhalten dem Stirnwand-Werkstoff am ähnlichsten sind.

Claims (9)

1. Verfahren zum Einbau von Einspritzelementen in eine zur stirnsei­ tigen Brennkammerwand eines Zweistoff-Raketentriebwerkes axial beabstan­ dete Stirnwand, welche beiderseits von je einer der getrennt zu halten­ den Treibstoffkomponenten beaufschlagt wird, insbesondere zum Einbau der zentralen Düsenkörper eines Koaxial-Einspritzkopfes, bei welchem die Einspritzelemente in Strömungsrichtung in die Stirnwand eingesetzt wer­ den, formschlüssig an dieser anliegen und mittels eines Zusatzwerkstof­ fes mit dieser verbunden werden, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - Die die Stirnwand (2,3) durchstoßenden Bohrungen (5) sowie die Schäfte (12) und die Anlageflächen an den Füßen (10, 11) der Ein­ spritzelemente (6, 7, 8, 9) werden vor dem Fügen schruppend bis schlichtend bearbeitet,
• - die Bohrungen (5) werden im Durchmesser zwei Hundertstelmillimeter bis drei Zehntelmillimeter größer gefertigt als die Schäfte (12),
• - die Einspritzelemente (6, 7, 8, 9) werden zumindest während das Füge­ vorganges mit Hilfe einer Justier- und Spannvorrichtung (14) von ihrer Abströmseite her ausgerichtet und fixiert,
• - die Einspritzelemente (6, 7, 8, 9) werden im Bereich der Anlageflächen an ihren Füßen (10, 11) und an ihren Schäften (12) durch Löten oder Kleben mit der Stirnwand (2, 3) verbunden (Fügevorgang),
• - die Stirnwand (2, 3) und die Füße (10, 11) der Einspritzelemente (6, 7, 8, 9) werden nach dem Fügen auf dar Zuströmseite mit einer glat­ ten, dichtenden und ggf. als Korrosionsschutz dienen­ den Deckschicht (23) überzogen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dichtende Deckschicht (23) aus Metall besteht, vorzugsweise aus Cu oder Ni, und galvanisch erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Einspritzele­ mente in die Stirnwand eingelötet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnwand (2, 3) vor dem Fügen auf der Zuströmseite mit Vertiefungen (4) zur Aufnahme je eines oder mehrerer Füße (10, 11) versehen wird, daß die Außenkontur der Einspritzelemente (6, 7, 8, 9) mit Ausnahme des Zu­ strömbereiches am Fuß (10, 11) vor dem Löten fertig bearbeitet, die In­ nenkontur (Sackloch 13) nur vorbearbeitet wird, daß die benötigte Lot­ menge zumindest größtenteils in Form von Lotdepots (15, 16, 17, 18, 19) zwischen der Stirnwand (2, 3) und den Einspritzelementen (6, 7, 8, 9) bereitgestellt wird, daß nach dem Einlöten ggf. noch vorhandene Fugen, Spalte etc. gezielt mit Lot (20, 21) ausgefüllt werden, und daß die In­ nenkontur der Einspritzelemente (6, 7, 8, 9) erst nach dem Auftragen der Deckschicht (23) fertiggestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die nach dem Einlöten der Einspritzelemente (6, 7, 8, 9) ggf. noch erforder­ lichen, örtlich begrenzten Lötarbeiten mit einem Lot (21) ausgeführt werden, dessen Schmelzpunkt niedriger ist, als derjenige des für das Einlöten verwendeten Lotes (20).

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Deckschicht (23) eine relativ dünne, metallische Haftschicht (22), auf­ getragen wird, z. B. durch Aufdampfen, Auflöten, Plasmaspritzen oder Galvanisieren.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor und/oder nach jedem Beschichtungsvorgang eine mechanische Bearbei­ tung wie beispielsweise Drehen, Fräsen, Schleifen, Strahlen, Entgraten oder Polieren erfolgen kann.

7. Verfahren nach Anspruch 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufgalvanisieren der relativ dicken Deckschicht (23) in mindestens zwei zeitlich getrennten Schritten erfolgt, und daß in den Unterbre­ chungsphasen zwischen den Galvanisierschritten jeweils mechanisch bear­ beitet wird, vorzugsweise um lokale Schichtdickenerhöhungen (Auswach­ sungen) zu entfernen.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver­ binden der Einspritzelemente (6, 7, 8, 9) mit der Stirnwand (2, 3) mittels Kunstharz, ggf. unter Zumischung von Metallpulver, oder mittels eines Schmelzklebers erfolgt.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 3, 4, 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (23) aus Kunstharz, ggf. mit Metallzusatz, hergestellt wird.