DE4115403A1 - Duesenwand - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Düsenwand für Expansionsrampen und Heißgasdüsen, bestehend aus einer vom Heißgas abgewandten äußeren Tragstruktur und einer mehrschichtigen Innenstruktur mit voneinander beabstandeten, dem Heißgas zugewandt verlaufenden Kühlkanälen.

Für zukünftige wiederverwendbare Raumflugzeuge (z. B. Projekt Sänger) sind Kombinationstriebwerke aus verschiedenen Strahlantrieben vorge­ sehen. Zur Erzielung eines hohen Schubes und einer einfachen Um­ schaltbarkeit zwischen den Triebwerksarten eignen sich Schubdüsen in Rechteckbauweise besonders. Düsenwände solcher Schubdüsen sind hohen Druckkräften und Temperaturen ausgesetzt. Im Gegensatz zu Wänden von kreisrunden Düsen verursachen die Druckkräfte in ebenen Düsenwänden von Rechteckdüsen hohe Biegemomente. Daher können Verwölbungen oder Verspannungen in der Schubdüse entstehen, die eine bestimmungsgerechte Funktion der Schubdüse gefährden. Erschwerend wirkt sich zudem der Bimetalleffekt aufgrund der Temperaturunterschiede innerhalb der Wand aus. Um Schubverluste und Leckageströme zu vermeiden, sind daher formstabile gekühlte Wände erforderlich.

In der DE-OS 40 15 204 wird hierzu eine mehrschichtige Düsenwandung vorgeschlagen, bei der eine innere Kühlschicht mit einer äußeren Stützstruktur über eine eingegossene Zwischenschicht verbunden werden soll. Die temperaturbedingten Dehnungen zwischen der heißen und der kalten Seite führt hierbei zu einer unerwünschten Aufbiegung der Schichten.

Hiervon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine formsteife Düsenwand, der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die unter Betriebsbedingungen weitgehend verzugsfrei bleibt. Weiterhin ist ein Verfahren zur Herstellung einer Düsenwand anzugeben.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Innenstruk­ tur aus einer vom Heißgas beaufschlagten Wärmeleitschicht und einer hitzebeständigen Gleitschicht besteht, die Kühlkanäle in der Wärme­ leitschicht eingebettet sind und die Wärmeleitschicht mit der Trag­ struktur mittels mehrerer, die Gleitschicht durchdringenden Halte­ elemente elastisch verbunden ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, durch die elastische Anbindung der Wärmeleitschicht an die Tragstruktur, eine spannungs­ arme Wärmedehnung der Wärmeleitschicht zu gewährleisten, ohne dadurch eine Verwölbung aufgrund der unterschiedlichen Schichttemperaturen zu verursachen. Diese Entkoppelung der Schichten führt dazu, daß Schub­ spannungen, welche für die unerwünschte Verwölbung verantwortlich sind, zwischen den Schichten nicht übertragen werden bzw. nicht ent­ stehen. Die Übertragung der Gasdruckkräfte erfolgt über die Halte­ elemente und über die Gleitschicht, welche zugleich wärmeisolierend wirkt und die Tragstruktur vor überhöhten Temperaturen schützt. Hier­ durch verringert sich zudem der Bedarf an Kühlmittelmenge für die Kühlkanäle in der Wärmeleitschicht. Zugleich sorgt eine Vielzahl von Halteelementen für eine formtreue Ankoppelung der Wärmeleitschicht an die steife Tragstruktur.

Eine einfache Austauschbarkeit der Wärmeleitschicht bei Be­ schädigungen oder zu Versuchszwecken ist durch Lösen der Halteelemen­ te von der Tragstruktur gegeben, da die Gleitschicht mit den an­ grenzenden Schichten keinen festen Verbund bildet.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die Kühlkanäle von Kühlröhrchen gebildet. Hierdurch ergibt sich eine einfache und kostengünstige Herstellbarkeit der Düsenwand.

In einer weiteren Ausführung sind die Halteelemente in der Wärme­ leitschicht jeweils mit einem Kühlkanal bzw. Kühlröhrchen verbunden, wodurch eine zuverlässig feste Anbindung der Kühlschicht an die Tragschicht möglich ist. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ge­ staltung, wonach die Halteelemente als Haken ausgebildet sind und somit eine bessere Verankerung der Halteelemente in der Wärme­ leitschicht erzielbar ist. Vorzugsweise umfassen hierbei die Halte­ elemente die Kühlkanäle.

Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung mit Halteelementen aus gebogenem Draht vereinfacht die Herstellung und senkt die Kosten.

Vorzugsweise werden die Halteelemente in der Tragstruktur verlötet. Diese Verbindung ist nicht nur einfach herstellbar sondern ge­ währleistet eine einfache Austauschbarkeit der Wärmeleitschicht durch Erwärmung des Lotes auf Schmelztemperatur, so daß sich die Halteele­ mente von der Tragstruktur lösen lassen.

Günstige Gleiteigenschaften bei hoher Temperaturbeständigkeit und gleichzeitiger Wärmeisolation gegenüber der Tragstruktur ergibt sich durch eine bevorzugte Ausführung nach der die Gleitschicht aus Kera­ mik-Granulat besteht. Diese Ausführung erweist sich auch bei der Herstellung als vorteilhaft, da das Granulat einfach in den Freiraum zwischen Tragstruktur und Wärmeleitschicht gefüllt werden kann.

Um Reaktionen des Kühlmittels, zumeist Wasserstoff, mit der Wärme­ leitschicht zu vermeiden, ist in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sauerstofffreies Kupfer als Werkstoff für die Wärme­ leitschicht vorgesehen.

Durch die vorgeschlagene Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 10, wird eine Verwölbung der Wärmeleitschicht infolge unter­ schiedlicher Schichtstärken ober- und unterhalb der Röhrchen ver­ mieden.

Eine weitere alternative Gestaltung sieht vor, die Tragstruktur mit Stegen zu versehen, um somit eine höhere Steifigkeit, insbesondere Biegesteifigkeit der Düsenwand zu erzielen.

In Bereichen mit hohem Wärmeaufkommen, z. B. in der Nähe des Düsen­ halses, kann es erforderlich sein, eine erhöhte Kühlleistung bereit zu stellen. Hierzu wird eine Ausführung vorgeschlagen, wonach sich die Kühlkanäle in mehrere kleinere Kanäle verzweigen, wodurch der für die Wärmeabfuhr maßgebliche Wärmeübergangswiderstand reduziert wird.

Die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung einer Düsenwand nach den Ansprüchen 2 bis 11 anzugeben, wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 13 angegebenen Verfahrens­ schritte gelöst.

Das Verfahren gemäß des Anspruchs 13 hat den Vorteil, daß die Ver­ fahrensschritte automatisierbar sind und zwischen den Schritten eine Qualitätskontrolle möglich ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein integriertes Turbo-Staustrahl­ triebwerk mit variabler Rechteckdüse,

Fig. 2 eine vergrößerte Abbildung des in Fig. 1 eingezeichneten Düsenabschnittes und

Fig. 3 einen Düsenabschnitt in alternativer Ausführung.

In Fig. 1 ist ein integriertes Turbo-Staustrahltriebwerk 1 im Längs­ schnitt dargestellt, das im wesentlichen aus einem Gasturbinentrieb­ werk 2 mit Verdichter, Brennkammer und Turbine besteht, und einem parallel dazu angeordneten Staustrahltriebwerk 3. Das Triebwerk 1 ist stromabwärts der Nachbrenner 4 in rechteckiger Querschnittsform aus­ gebildet, in deren Anschluß die Schubdüse 5 angeordnet ist. Die Schubdüse 5 weist zwei nicht dargestellte Düsenseitenwände und zwei Düsenklappenpaare 6a, b, welche die Düsenkontur bilden und die Auslaß­ kanäle der Triebwerke variieren, auf.

In Fig. 2 ist die Düsenwand 7 des oberen Düsenklappenpaares 6a in vergrößertem Schnitt gezeigt. Dabei ist die schichtartige Gestaltung der Düsenwand 7 mit den Haken 8′ und den Kühlröhrchen 9′ ersichtlich. Zwischen der oberen, mit Stegen 10 versteiften Tragstruktur 11, und der inneren Wärmeleitschicht 12, die dem Heißgas H zugewandt ist, verläuft eine Gleitschicht 13, die aus eingepreßtem Keramik-Granulat gebildet wird. Diese Gleitschicht 13 erlaubt ein paralleles Gleiten der Tragstruktur 11 gegenüber der Wärmeleitschicht 12 ohne Schub­ spannungen zu übertragen. Eine oberflächengetreue Befestigung der Wärmeleitschicht 12 an der Tragstruktur 11 erfolgt über eine Vielzahl von Haken 8′, welche einerseits in der Wärmeleitschicht 12 zwischen den Kühlröhrchen 9′ verankert sind und andererseits in der Tragstruk­ tur 11 eingelötet sind.

Zur Kühlung der Düsenwand 7 sind in der Wärmeleitschicht Kühlröhrchen 9′ eingebettet, welche über ein Kühlrohrnetz mit flüssigem Wasserstoff als Kühlmittel versorgt werden.

In Fig. 2 ist die Wärmeleitschicht 12a,b fertigungsbedingt zwei­ schichtig ausgeführt. Während der Fertigung, werden die Kühlröhrchen 9′ und Haken 8′ auf die innere Wärmeleitschicht 12a, eine dünne Kup­ ferplatte, gesetzt bevor die äußere Kupferschicht 12b galvanisch aufgetragen wird.

In Fig. 3 ist eine Variante der Düsenwand 7 dargestellt, bei welcher zusätzlich eine Wärmeisolationsschicht 14 heißgasseitig auf die Wär­ meleitschicht 12 aufgebracht ist. Auch sind die Haken 8′ nicht mehr unabhängig von dem Kühlröhrchen 9′ in der Wärmeleitschicht 12 veran­ kert sondern umfassen jeweils ein Kühlröhrchen 9′. Dabei kann die Verteilung der Haken je nach Anforderungen an die Steifigkeit, Festigkeit und Oberflächentreue der Düsenwand 7 entsprechend abge­ stimmt sein. Durch einfaches Ausschmelzen der Verlötungen 15 an den Haken 8′ kann die Tragstruktur 11 von den übrigen Teilen der Düsenwand 7 gelöst werden.

Claims (13)

1. Düsenwand für Expansionsrampen und Heißgasdüsen, bestehend aus einer vom Heißgas abgewandten äußeren Tragstruktur und einer mehr­ schichtigen Innenstruktur mit voneinander beabstandeten, dem Heiß­ gas zugewandt verlaufenden Kühlkanälen, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Innenstruktur aus einer vom Heißgas beaufschlagten Wärme­ leitschicht (12) und einer hitzebeständigen Gleitschicht (13) besteht,
• - die Kühlkanäle (9) in der Wärmeleitschicht (12) eingebettet sind und
• - die Wärmeleitschicht (12) mit der Tragstruktur (11) mittels mehrerer, die Gleitschicht (13) durchdringende Haltelelemente (8) elastisch verbunden ist.

2. Düsenwand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlka­ näle (9) von Kühlröhrchen (9′) gebildet werden.

3. Düsenwand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteelemente (8) in der Wärmeleitschicht (12) jeweils mit einem Kühlkanal (9) verbunden sind.

4. Düsenwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Halteelemente (8) als Haken (8′) ausgebildet sind.

5. Düsenwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Halteelemente (8) die Kühlkanäle (9) zumindest teilweise umfassen.

6. Düsenwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Halteelemente (8) aus gebogenem Draht bestehen.

7. Düsenwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Halteelemente (8) mit der Tragstruktur (11) verlötet sind.

8. Düsenwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gleitschicht (13) aus Keramik-Granulat besteht.

9. Düsenwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Werkstoff der Wärmeleitschicht (12) sauer­ stofffreies Kupfer ist.

10. Düsenwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dicke den Wärmeleitschicht (12) radial über und unter den Kühlkanälen (9) etwa gleich groß ist.

11. Düsenwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Tragstruktur (11) zur Versteifung mit Stegen (10) versehen ist.

12. Düsenwand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß einzelne Kühlkanäle über Verzweigungen mit meh­ reren Kühlkanälen kleinerer Querschnittsfläche verbunden sind.

13. Verfahren zur Herstellung der Düsenwand nach Anspruch 2 bis 11, durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:

• a) Haken (8′) an Kühlröhrchen (9′) in Abständen anbringen,
• b) Kühlröhrchen (9′) mit den Haken (8′) auf einer dünnen Kupferplatte (12a) fixieren,
• c) galvanisches Auftragen einer Kupferschicht (12b) auf die mit Kühlröhrchen (9′) versehenen Seite der Kupferplatte (12a), wobei die Höhe der Kupferschicht (12b) mindestens dem Durch­ messer der Röhrchen (9′) entspricht,
• d) Einschieben der Haken (8′) in Öffnungen der Tragstruktur (11) unter Einhaltung eines definierten Abstandes zwischen der Tragstruktur (11) und der Wärmeleitschicht (12),
• e) Verlöten der Haken (8′) mit der Tragstruktur (11) in den Öffnun­ gen und
• f) Auffüllen des Raumes zwischen Wärmeleitschicht (12) und Tragstruktur (11) mit Keramik-Granulat.