DE4137638C2 - Bauteil mit einer vor thermischer Belastung zu schützenden Wand - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer vor thermischer Bela­ stung zu schützenden Wand mit kühlmittelführenden Kühlkanälen aus einem temperaturfesten Werkstoff auf der einer Wärmequelle zuge­ wandten Seite der Wand.

Hohe Gastemperaturen in einem Strömungskanal, beispielsweise eines Hyperschallantriebs erfordern eine intensive Kühlung der Oberflächen und Wände, die mit dem Gasstrom in Berührung stehen. Hierzu werden Kühlstrukturen auf den vor thermischer Belastung zu schützenden Wänden aufgebracht. Die Kühlstrukturen werden von einem Kühlmittel durchströmt. Typische Kühlmittel sind Luft, Wasserstoff oder Helium. Zur Erhöhung des kühlmittelseitigen Wärmeübergangs werden Stege, Verrippungen oder andere Einsätze in die Kühlkanäle der Kühl­ strukturen eingebracht. In vielen Ausführungen weisen die Kühl­ strukturen aneinanderliegende Kühlröhrchen als Kühlkanäle auf.

Aus DE-PS 24 18 85 und DE-OS 24 18 89 sind Wärmetauscher für regenerativ gekühlte Brennkammern bekannt, die eine gattungs­ gemäße Kühlstruktur aufweisen und durch einen Grundkörper aus einer hochlegierten Metallegierung und eine Zwischenschicht aus Edelmetall oder einer Edelmetallegierung gekennzeichnet sind, wobei die Kühlkanäle nach DE-OS 24 18 89 und der Druckschrift GB 1 192 637 zusätzlich gut wärmeleitende Beschichtungen der Innenwände der Kühlkanäle aufweisen.

Werden diese bekannten Kühlstrukturen nicht als Wärmetauscher wie in DE-PS 24 18 85 und DE-OS 24 18 89 oder als Brennkammer­ wände wie in GB 1 192 637 eingesetzt, sondern als Kühlstrukturen auf einer vor thermischer Belastung zu schützenden kühleren Wand aufgebracht, so zeigen sich erhebliche Nachteile.

Ein Nachteil dieser Kühlstrukturen liegt darin, daß der Kühlkanal­ werkstoff (Grundwerkstoff) aufgrund der geforderten hohen Temperatur­ festigkeit eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist und deshalb hohen Thermospannungen ausgesetzt ist, da sich hohe Temperaturunter­ schiede zwischen der Oberfläche auf der Wärmequellenseite und der Grenzfläche zur Wand des Bauteils aufbauen. Damit wird die Lebensdauer und die Betriebssicherheit der Kühlstruktur erheblich reduziert.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Richtung der Kühlmit­ telströmung in benachbarten Kühlkanälen nicht anwendungsbezogen ge­ wählt werden kann, da beispielsweise eine gegensinnige Durchströmung benachbarter Kühlkanäle unzulässig hohe Thermospannungen in den Trennwänden zwischen zwei Kühlkanälen verursachen würde. Der Kon­ strukteur ist nachteilig gezwungen nur gleichsinnig von Kühlmedien durchströmte Kühlstrukturen zuzulassen.

Bei Raketendüsen führen bereits Thermospannungen bei gleichsinnig von Kühlmedien durchströmten Kühlstrukturen zu plastischer Deformation der Kühlstruktur, so daß Raketendüsen für einzelne oder nur wenige Starts verwendbar sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Bauteil mit einer Kühlstruktur anzugeben, bei dem die Thermospannungen in der Kühl­ struktur soweit vermindert werden, daß eine erhöhte Lebensdauer er­ reicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kühlkanal­ werkstoff auf der zur Wand angrenzenden Fläche eine Wärmeleitschicht aufweist.

Die Anordnung einer derartigen Wärmeleitschicht hat vorteilhaft die Funktion einer Wärmebrücke zwischen benachbarten Kühlkanälen. Be­ sonders bei gegensinnig durchströmten Kühlkanälen werden über diese Wärmebrücke Thermospannungen abgebaut. Mit der erfindungsgemäßen Wärmeleitschicht gelingt es, die Thermospannungen soweit abzubauen, daß gewichtssparende dünnwandige Kühlkanalstrukturen einsetzbar wer­ den. Bei freitragenden Kühlkanalstrukturen ist es sogar möglich, die Wand als Stützstruktur mit nur vereinzelten Berührungs- oder Stütz­ flächen zu Kühlkanalstrukturen auszubilden.

Eine weitere vorteilhafte Lösung der Aufgabe, ein gattungsgemäßes Bauteil anzugeben, das die Nachteile im Stand der Technik überwindet und eine Mehrfachnutzung von thermisch hochbelasteten Komponenten wie beispielsweise im Antriebsbereich oder bei Zellenstrukturen von Hy­ perschallflugzeugen ermöglicht besteht darin, daß der Kühlkanalwerk­ stoff auf der zur Wand angrenzenden Fläche und auf den den benach­ barten Kühlkanälen zugewandten Flächen eine Wärmeleitschicht auf­ weist.

Die Anordnung einer derartigen Wärmeleitschicht, die jeden Kühlkanal auf allen Seiten, die der Wärmequelle nicht zugewandt sind, umgibt, hat den Vorteil, daß innerhalb des Kühlkanalwerkstoffs Temperatur­ unterschiede ausgeglichen werden und die bisher auftretenden hohen Temperaturdifferenzen zwischen der Wärmequellenseite und der Wand­ seite der Kühlstruktur innerhalb des Kühlkanalwerkstoffs vermindert werden. Wobei die Wärmeleitschicht zwischen benachbarten Kühlkanälen eine Wärmebrücke zwischen Wärmequellenseite und der Wandseite der Kühlstruktur bildet. Hohe Thermospannungen in den Kühlkanalseiten­ wänden werden durch die erfindungsgemäße Wärmeleitschicht in den Kühlkanalseitenwänden soweit vermindert, daß eine auch nur teilweise Zerstörung der Kühlstruktur verhindert wird.

Thermospannungen im wandseitigen Kühlkanalwerkstoff, die bei gleich­ sinnigen Kühlstromrichtungen in benachbarten Kühlkanälen in der Längsrichtung der Kühlkanäle auftreten, werden vorteilhaft durch die Wärmeleitschicht auf der zur Wand angrenzenden Fläche des Kühlkanal­ werkstoffs verringert. Thermospannungen im wandseitigen Kühlkanal­ werkstoff, die bei gegensinnigen Kühlstromrichtungen in benachbarten Kühlkanälen quer zur Längsachse der Kühlkanäle auftreten, werden zu­ sätzlich durch die Wärmeleitschicht auf der zur Wand angrenzenden Fläche des Kühlkanalwerkstoffs vermindert.

Diese Wärmeleitschicht kann sowohl in Kühlstrukturen, die aus einzel­ nen Kühlkanalröhrchen aufgebaut sind, vorteilhaft angebracht werden, als auch an plattenförmigen Kühlstrukturen, bei denen die Kühlkanäle wie Nuten eingebracht wurden. Im letzteren Fall werden vorzugsweise zusätzliche Sägenuten zwischen den Kanalnuten eingebracht und mit wärmeleitendem Material verfüllt, so daß erfindungsgemäß die benach­ barten Kühlkanälen zugewandten Flächen Wärmeleitschichten aufweisen.

In einer besonderen Ausbildung der Erfindung weisen benachbarte Kühl­ kanäle gegensinnige Kühlmediumströme auf. Dabei zeigen die erfin­ dungsgemäßen Lösungen besondere Vorteile, da nun auch diese Kühlan­ ordnung genutzt werden kann, die bisher aufgrund der erhöhten Ther­ mospannungen bei gegensinnigen Kühlmediumströmen nicht eingesetzt werden konnte.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist der Kühl­ kanalwerkstoff zur Wärmequelle hin mit einem wärmedämmenden Werkstoff, vorzugsweise mit Zirkoniumdioxid bedeckt, das hat den Vorteil, daß nicht nur der Kühlkanalwerkstoff vor den aggressiven Bestandteilen der Heißgasströmung geschützt ist, sondern auch die Wärme­ leitschichten zwischen den Kühlkanalseitenwänden benachbarter Kühlka­ näle und ein Korrosionsangriff entlang dieser Wärmeleitschichten behindert wird.

Eine zusätzliche Zwischenschicht zwischen Wand und Wärmeleitschicht aus wärmeisolierendem Material vermindert vorteilhaft eine thermische Kopplung zwischen Bauteilwand und Heißgasraum und sorgt für eine weitere Verminderung der Temperaturdifferenz zwischen der der Wärme­ quelle zugewandten Fläche des Kühlkanalwerkstoffs und der Fläche, die an die Wand des Bauteils angrenzt.

Grenzwerte für die Wanddicke des Kühlkanalwerkstoffs und die Be­ schichtungsdicke der Wärmeleitschicht ergeben sich aus der Forderung, daß die zulässigen thermischen Festigkeitsgrenzwerte des Kühlkanal­ werkstoffs bei Betriebstemperaturen nicht überschritten werden soll­ ten. Eine bevorzugte Ausbildung der Erfindung sieht deshalb vor, daß die Wanddicke des Kühlkanalwerkstoffs und die Beschichtungsdicke der Wärmeleitschicht derart aufeinander abgestimmt sind, daß die Thermo­ spannungen im Kühlkanalwerkstoff unter den zulässigen thermischen Festigkeitsgrenzwerten des Kühlkanalwerkstoffs bleiben. Das hat den Vorteil, daß ein Versagen der Kühlstruktur ausgeschlossen wird und eine hohe Lebensdauer für das oberflächengekühlte Bauteil erreicht wird.

Eine weitere bevorzugte Ausbildung der Erfindung setzt die Be­ schichtungsdicke der Wärmeleitschicht ins Verhältnis zur Wanddicke des Kühlkanalwerkstoffs. Dabei soll dieses Verhältnis mindestens umgekehrt proportional zum Verhältnis der spezifischen Wärmeleitungen der beiden Stoffe sein. Das hat den Vorteil, daß schon Beschichtungs­ dicken von weniger als 100 µm aus beispielsweise Kupfer ausreichen, um die hohen Thermospannungen in einer 600 µm dicken Kühlkanalwand aus Hastalloy auf einen zulässigen Wert abzubauen.

Das erfindungsgemäß ausgebildete Bauteil wird vorzugsweise bei Kom­ ponenten für Hyperschallantriebe wie Schubdüsen oder Staubrennkammern eingesetzt. Ein weiteres Anwendungsgebiet sind Raketen- oder Raketen­ düsen. Der Vorteil ist eine erhebliche Verlängerung der Lebensdauer und ein vielfacher Einsatz der Bauteile unter extremer thermischer Belastung. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Lösung für ther­ misch hochbelastete Zellenstrukturen von Hyperschallflugzeugen ange­ wendet werden.

Die folgenden Figuren sollen beispielhafte Ausbildungen der Erfindung zeigen:

Fig. 1 zeigt ein Bauteil mit einer wärmeleitenden Schicht zwischen Kühlstruktur und Wand,

Fig. 2 zeigt ein Bauteil mit einer durch benachbarte Kühl­ röhrchen vor thermischer Belastung zu schützenden Wand,

Fig. 3 zeigt ein Bauteil mit einer durch benachbarte Kühlkanal­ platten vor thermischer Belastung zu schützenden Wand.

Fig. 1 zeigt ein Bauteil 1 mit einer wärmeleitenden Schicht 6 zwi­ schen Kühlstruktur 5 und Wand 3. Die Kühlstruktur 5 soll die Wand 5 vor den Heißgasen, die in Pfeilrichtung über das Bauteil 1 strömen, schützen. Die Kühlstruktur 5 soll das Kühlmedium, das beispielsweise im Gegenstrom in Pfeilrichtung B durch die Kühlkanäle 4 strömt, auch bei höchsten thermischen Belastungen durch den Heißgasstrom sicher führen. Der Werkstoff der Kühlstruktur 5 muß deshalb eine hohe me­ chanische Festigkeit aufweisen, wobei die Wärmeleitfähigkeit dieses Werkstoffs gering ist, was zu erhöhten Thermospannungen führt. Bei einem Bauteil mit einer wärmeleitenden Schicht 6 zwischen Kühlstruk­ tur 5 und Wand 3 werden die Thermospannungen in der Kühlstruktur 5 vermindert, da die wärmeleitende Schicht 6 wie eine Wärmebrücke wirkt.

Die Wärmebrücke besteht aus einem Werkstoff mit möglichst hohem Wär­ meleitungskoeffizienten. Gleichzeitig muß der Werkstoff der wärme­ leitenden Schicht 6 einen möglichst geringen Elastizitätsmodul auf­ weisen, damit die Dehnungen der kräfte- und momentübertragenden Kühlstruktur 5 nicht behindert werden, damit keine zusätzlichen Span­ nungen in der Kühlstruktur 5 auftreten. Die Wärmebrücke selbst hat keine kräfte- und momentübertragende Funktion. Der thermische Kontakt zwischen wärmeleitender Schicht 6 und Kühlstruktur 5 muß in allen Betriebszuständen sichergestellt sein. Als geeignete Werkstoffe für diese Funktionen sind bevorzugt Kupfer, Silber, Aluminium oder Legierungen mit diesen Elementen einzusetzen. Sie können mit be­ kannten Verfahren wie Plasmaspritzen oder galvanische Abscheidung auf die Rückseite der Kühlstruktur 5 aufgebracht werden, ehe sie mit der Kühlstruktur 5 auf der zu schützenden Wand 5 befestigt oder mit der zu schützenden Wand 3 zu einem Bauteil 1 verbunden werden.

Fig. 2 zeigt ein Bauteil 1 mit einer durch benachbarte Kühlkanal­ platten 9 vor thermischer Belastung zu schützenden Wand 3. Die Kühl­ röhrchen 2 bilden kühlmittelführende Kühlkanäle 4 und bestehen aus Hastalloy als Kühlkanalwerkstoff. Die Kühlstruktur 5 soll die Wand 3 des Bauteils 1 vor Heißgasen schützen, die in Pfeilrichtung A über die Oberfläche der Kühlstruktur 5 strömen. Jedes Kühlröhrchen 2 weist auf der zur Wand 3 angrenzenden Fläche eine Wärmeleitschicht 6 auf. Ebenso ist eine Wärmeleitschicht 11 auf den den benachbarten Kühlka­ nälen zugewandten Flächen vorhanden. Die Wärmeleitschichten 6 und 11 bestehen in diesem Beispiel aus Kupfer und sind bei einer Wanddicke der Kühlröhrchen von 0,3 bis 1,2 mm zwischen 50 µm und 300 µm dick.

Die Wärmeleitschicht 6 kann, wie Fig. 2 zeigt, durch eine wärmeiso­ lierende Schicht 7 zur Wand 3 hin thermisch abgegrenzt werden. Zum Heißgasstrom hin ist ebenfalls eine wärmeisolierende Beschichtung 8, die gleichzeitig die Wärmeleitschicht 11 im Bereich zwischen den Kühlröhrchen 2 zum Heißgasstrom hin abdeckt, möglich. Diese Be­ schichtung 8 kann gleichzeitig die Wärmeleitschicht 11 im Bereich zwischen den Kühlröhrchen 2 vor Korrosion durch das Heißgas schützen.

Die Wärmeleitschichten 6 und 11, die jedes Kühlröhrchen 2 an den der Wärmequelle abgewandten Seiten umgeben bewirken, daß die Thermo­ spannungen im Kühlröhrchenwerkstoff auf ein zulässiges Maß reduziert werden. Durch die Kühlröhrchen 2 strömt beispielsweise in Pfeilrich­ tung B ein Kühlmedium wie Luft, Wasserstoff oder Helium.

Fig. 3 zeigt ein Bauteil 1 mit einer durch benachbarte Kühlkanal­ platten 9 vor thermischer Belastung zu schützenden Wand 3, die die Kühlplatten 9 in den Wandbereichen 12 stützt und berührt, während die Wand 3 in den Wandbereichen 13 keinen direkten thermischen Kontakt mit den Kühlplatten 9 aufweist. Die Kühlkanalplatten 9 weisen einge­ fräste Kühlkanäle 4 auf, in denen Kühlrippen 10 angeordnet sind. Die Kühlkanalplatten 9 werden von einer wärmeisolierenden Beschichtung 8 bedeckt, die vor den in Richtung A strömenden Heißgasen schützt. Die Kühlkanäle 4 werden in Richtung B von einem Kühlmedium durchströmt und schützen damit die Wand 3 vor thermischer Überbelastung. Durch die Wärmeleitschicht 11 zwischen benachbarten Kühlkanälen 4 und zur Wand 3 hin, werden die Thermospannungen im Kühlkanalwerkstoff re­ duziert, so daß die Kühlstruktur 5 eine höhere Lebensdauer aufweist als bei Bauteilen mit bekannter Kühlstruktur ohne die erfindungs­ gemäßen Wärmeleitschichten 6 und 11. Die Seitenwandstärke des Kühl­ kanalwerkstoffs beträgt in diesem Beispiel 0,6 mm und die Dicke der Wärmeleitschichten 6 und 11 ist 100 µm.

Claims (8)

1. Bauteil mit einer vor thermischer Belastung zu schützenden Wand mit kühlmittelführenden Kühlkanälen aus einem temperaturfesten Werkstoff auf der einer Wärmequelle zugewandten Seite der Wand, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanalwerkstoff auf der zur Wand angrenzenden Fläche eine Wärmeleitschicht aufweist.

2. Bauteil mit einer vor thermischer Belastung zu schützenden Wand mit kühlmittelführenden Kühlkanälen aus einem temperatur­ festen Werkstoff auf der einer Wärmequelle zugewandten Seite der Wand, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanalwerkstoff auf der zur Wand angrenzenden Fläche und auf den den benachbarten Kühlkanälen zugewandten Flächen eine Wärmeleitschicht aufweist.

3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß be­ nachbarte Kühlkanäle gegensinnige Kühlmediumströme aufweisen.

4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanalwerkstoff zur Wärmequelle hin mit einem wärme­ dämmenden Werkstoff, vorzugsweise mit Zirkoniumdioxid, bedeckt ist.

5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil zwischen Wand und Wärmeleitschicht eine wärmeiso­ lierende Schicht aufweist.

6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke des Kühlkanalwerkstoffs und die Beschichtungs­ dicke der Wärmeleitschicht derart aufeinander abgestimmt sind, daß die Thermospannungen im Kühlkanalwerkstoff unter den zulässigen thermischen Festigkeitsgrenzwerten des Kühlkanalwerkstoffs blei­ ben.

7. Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtungsdicke der Wärmeleitschicht im Verhältnis zur Wanddicke des Kühlkanalwerkstoffs mindestens umgekehrt proportio­ nal zum Verhältnis der spezifischen Wärmeleitungen ist.

8. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil eine Komponente für Hyperschallantriebe ist.